原位萃取法測(cè)定加熱卷煙氣溶膠中的水分和焦油

李翔宇，許藹飛，姜興益，陳志燕，龐永強(qiáng)，張洪非，羅彥波，朱風(fēng)鵬，楊 進(jìn)，周 蕓，朱 靜，潘玉靈，侯宏衛(wèi)，胡清源*

1.國家煙草質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)翠竹街6號(hào) 450001

2.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，南寧市北湖南路28號(hào) 530001

加熱卷煙（Heated tobacco products,HTP）是利用特殊熱源對(duì)芯基材進(jìn)行加熱（350℃以下）而不引起煙草燃燒的新型煙草制品［1-5］。加熱卷煙作為卷煙的一個(gè)新品類，監(jiān)管實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)對(duì)其成分進(jìn)行檢測(cè)監(jiān)管［6-7］。按照GB/T 19609—2004［8］的規(guī)定，焦油量是卷煙質(zhì)量的監(jiān)控指標(biāo)，能一定程度上反映卷煙煙氣的潛在風(fēng)險(xiǎn)。卷煙的焦油是指卷煙在ISO抽吸模式下［9］所得總粒相物（TPM）去除煙堿和水分的部分，水分測(cè)定是監(jiān)控焦油的前提。加熱卷煙所使用的煙草材料與煙葉、傳統(tǒng)再造煙葉的物理和化學(xué)性質(zhì)存在顯著差別，加熱卷煙氣溶膠焦油的監(jiān)控存在水分測(cè)定的問題。這是由于和傳統(tǒng)卷煙產(chǎn)生煙氣的機(jī)理不同，加熱卷煙使用了高比例的醇類霧化劑［10-12］，同時(shí)加熱卷煙的抽吸往往采用深度抽吸（HCI）模式［13］。Ghosh等［14］報(bào)道傳統(tǒng)卷煙煙氣水分釋放量在0.65~1.14 mg/支之間，加熱卷煙氣溶膠中水分釋放量在18.75~44.65 mg/支之間。由于加熱卷煙氣溶膠溫度較高，開蓋處理易導(dǎo)致水分丟失大、塑料捕集器吸附水分等現(xiàn)象，測(cè)定結(jié)果波動(dòng)大，水分測(cè)定值低，導(dǎo)致加熱卷煙焦油的計(jì)算結(jié)果偏高。傳統(tǒng)卷煙在ISO抽吸模式下所采用的是劍橋?yàn)V片非原位開蓋處理的振蕩萃取法［15-17］，不適用于加熱卷煙煙氣氣溶膠中高水分的測(cè)定。

針對(duì)高水分釋放量加熱卷煙氣溶膠，文獻(xiàn)中大多集中于基于ISO 4387振蕩萃取法［16］前提下，優(yōu)化加熱卷煙氣溶膠的捕集方法，以提高檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性?；贗SO 4387的改進(jìn)方法對(duì)高水分釋放量的煙氣氣溶膠中水分及焦油的測(cè)定結(jié)果［18-22］表明，加熱卷煙氣溶膠的水分測(cè)定值偏低導(dǎo)致焦油高估；但上述加熱卷煙氣溶膠捕集方法［17-21］操作復(fù)雜、繁瑣，不利于高通量樣品的檢測(cè)。Ghosh等［14］提出了原位萃取技術(shù)，但此方法的捕集器設(shè)計(jì)不合理，造成劍橋?yàn)V片萃取不完全及裂碎，不利于水分釋放量的準(zhǔn)確測(cè)定，同時(shí)無法自動(dòng)收集萃取液。因此，本研究中基于原位萃取思路，自主研發(fā)了吸煙機(jī)金屬捕集器原位萃取裝置，通過優(yōu)化萃取參數(shù)和色譜條件，建立準(zhǔn)確測(cè)定加熱卷煙氣溶膠中水分釋放量的方法，旨在為加熱卷煙煙氣監(jiān)測(cè)提供方法參考。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器和試劑

4款加熱卷煙煙支及其適配煙具購自國外市場(chǎng)，4款傳統(tǒng)卷煙購自國內(nèi)市場(chǎng)，其詳細(xì)信息見表1。

表1 卷煙樣品信息Tab.1 Information on samples of cigarettes and heated tobacco products

煙堿標(biāo)準(zhǔn)溶液（9.6 mg/mL異丙醇，天津阿爾塔科技有限公司）；1,2-丙二醇、丙三醇、十七碳烷（≥99%），1,4-丁二醇、異丙醇、無水乙醇（色譜純）（北京百靈威科技有限公司）；一氧化碳標(biāo)準(zhǔn)氣體（國家標(biāo)準(zhǔn)氣體研究中心）；去離子水（電阻率≥18 MΩ·cm）。

CP224S電子天平（感量0.000 1 g，德國Sartorius公司）；YC-10原位萃取儀（鄭州嘉德機(jī)電科技有限公司）；HY-8調(diào)速振蕩器（常州國華電器有限公司）；SML600H加熱卷煙吸煙機(jī)（配備雙量程非散射紅外一氧化碳分析儀，合肥眾沃儀器技術(shù)有限公司）；SM450型20通道吸煙機(jī)（配備非散射紅外一氧化碳分析儀，英國Cerulean公司）；φ44 mm劍橋?yàn)V片（德國Borgwaldt K C公司）；7890A氣相色譜儀（配備FID和TCD檢測(cè)器，美國Agilent公司）；Q-POD Milli-Q超純水儀（美國Millipore公司）。

1.2 方法

1.2.1 原位萃取儀

按照文獻(xiàn)［14］報(bào)道的原位萃取裝置工作原理，自主開發(fā)適用于加熱卷煙氣溶膠中水分釋放量測(cè)定的10通道原位萃取儀。其中單個(gè)通道的原位萃取裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由電機(jī)、活塞、玻璃針筒和不銹鋼捕集器等構(gòu)成。設(shè)計(jì)參數(shù)：針筒體積范圍為0~30 mL，萃取頻率為1~10次/min，捕集器適用于φ44 mm劍橋?yàn)V片。

圖1 原位萃取裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of an in situ extraction device

參考文獻(xiàn)［14］繪制的加熱卷煙氣溶膠中水分原位萃取流程示意圖見圖2。在加熱卷煙吸煙機(jī)上抽吸加熱卷煙，使用載有劍橋?yàn)V片的金屬不銹鋼捕集器捕集加熱卷煙氣溶膠的TPM。抽吸結(jié)束后，立刻將金屬不銹鋼捕集器的迷宮環(huán)式密封圈取下，在前后蓋上裝上原位萃取金屬接頭，置于原位萃取裝置上進(jìn)行樣品萃取。單側(cè)活塞針筒內(nèi)裝載含有內(nèi)標(biāo)的20 mL異丙醇溶液，通過上下活塞推進(jìn)的方式萃取30 min（上下活塞推動(dòng)由控制器同時(shí)給兩個(gè)電機(jī)發(fā)出啟動(dòng)指令，帶動(dòng)上下活塞同步運(yùn)動(dòng)），頻率為2次/min。萃取完成后，萃取液自動(dòng)導(dǎo)入收集瓶，取萃取液，采用GC法直接進(jìn)行水分檢測(cè)［23］，萃取液同時(shí)可用于煙堿、1,2-丙二醇和丙三醇的測(cè)定。

圖2 原位萃取流程示意圖［14］Fig.2 Procedure of the in situ extraction［14］

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

分別稱取12.0、0.8、1.2 g的無水乙醇、1,4-丁二醇和十七碳烷，加入4 L異丙醇中，配成萃取劑。其中無水乙醇為水分分析的內(nèi)標(biāo)物，1,4-丁二醇為1,2-丙二醇、丙三醇的內(nèi)標(biāo)物，十七碳烷為煙堿的內(nèi)標(biāo)物。

分別準(zhǔn)確稱取10、30、60、90和120 mg水，分別加入20 mL萃取劑，配制成水分系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。

分別準(zhǔn)確稱取0.25和1.00 g 1,2-丙二醇和丙三醇于50 mL容量瓶中，用異丙醇定容，配成濃度分別為5和20 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液；分別移取0.1、0.5、1.0、1.5、2.0和3.0 mL 1,2-丙二醇、丙三醇標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液和煙堿標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別加入20 mL萃取劑，配成1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。

1.2.3 卷煙抽吸與分析

分別按照ISO［9］（抽吸容量35 mL、抽吸頻率60 s、抽吸持續(xù)時(shí)間2 s，濾嘴通風(fēng)孔不封閉）和HCI［13］（抽吸容量55 mL、抽吸頻率30 s、抽吸持續(xù)時(shí)間2 s，濾嘴通風(fēng)孔100%封閉）2種抽吸模式對(duì)4款加熱卷煙進(jìn)行抽吸。其中樣品A~D加熱裝置加熱時(shí)間分別為6.00、3.50、3.50和5.25 min，在ISO模式下的抽吸口數(shù)分別為12、8、8和10口，抽吸5支卷煙，在HCI模式下的抽吸口數(shù)分別為6、4、4和5口，抽吸3支卷煙。樣品E~H用常規(guī)吸煙機(jī)按照ISO模式抽吸，分別抽吸5支卷煙。以上樣品均平行抽吸6組樣品，3組采用原位萃取，3組采用振蕩萃取。原位萃取儀萃取頻率為2次/min，原位萃取和振蕩萃取時(shí)間均為30 min，萃取劑體積均為20 mL。在煙支不點(diǎn)燃條件下，按照上述規(guī)定進(jìn)行處理，得到空白實(shí)驗(yàn)樣品溶液。采用原位萃取處理的樣品使用原位萃取儀配套的不銹鋼捕集器，采用振蕩萃取處理的樣品使用Cerulean SM450吸煙機(jī)配套的塑料捕集器。萃取結(jié)束后收集萃取液，取2 mL萃取液于色譜瓶中進(jìn)行GC分析。分析條件：

色譜柱：Agilent PLOT/Q毛細(xì)管柱（30 m×0.53 mm×40.0μm，水分分析）；Agilent DB-ALC1毛細(xì)管柱（30 m×0.32 mm×1.8μm，煙堿、1,2-丙二醇和丙三醇分析）；進(jìn)樣口溫度：250℃；檢測(cè)器溫度：250℃；進(jìn)樣量：2μL；載氣：氮?dú)猓粶y(cè)定水分的載氣流量：5.0 mL/min，恒流模式；測(cè)定煙堿等的載氣流量：1.0 mL/min，恒流模式；分流比：50∶1；程序升溫：100℃30℃/min 250℃（9 min）。

2 結(jié)果與討論

2.1 方法評(píng)價(jià)

2.1.1 原位萃取測(cè)定加熱卷煙氣溶膠中水分的條件優(yōu)化

2.1.1.1 萃取時(shí)間

由于HCI抽吸模式下加熱卷煙氣溶膠中水分釋放量較高，以樣品A在HCI抽吸模式下為例，使用20 mL萃取劑，以2次/min的萃取頻率，考察在10、20、30、40和50 min不同萃取時(shí)間下加熱卷煙氣溶膠水分的萃取效率。從結(jié)果（圖3）可知，30 min內(nèi)可以完全萃取加熱卷煙氣溶膠中的水分。因此，確定30 min為最優(yōu)萃取時(shí)間。

圖3 萃取時(shí)間對(duì)水分萃取效率的影響Fig.3 Effect of extraction time on extraction efficiency of moisture

2.1.1.2 萃取體積

同樣以加熱卷煙樣品A在HCI模式下的抽吸為例，萃取30 min，萃取頻率為2次/min，考察在10、15、20、25和30 mL不同萃取體積下加熱卷煙氣溶膠水分的萃取效率。由圖4可知，20 mL萃取劑即能完全萃取加熱卷煙氣溶膠中的水分。因此，確定20 mL為最優(yōu)萃取溶劑體積。

圖4 萃取體積對(duì)萃取效率的影響Fig.4 Effect of extraction volume on extraction efficiency of moisture

2.1.1.3 萃取頻率的選擇

分別選取1、2、3、4和5次/min萃取頻率進(jìn)行梯度實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)萃取頻率≤2次/min時(shí)，萃取完成后劍橋?yàn)V片能保持完整不破裂，當(dāng)萃取頻率≥3次/min時(shí)，萃取完成后劍橋?yàn)V片出現(xiàn)破裂，并且萃取頻率過大易增加萃取活塞堵塞的可能性。綜上所述，最終確定2次/min為最優(yōu)萃取頻率。

2.1.2 色譜條件的選擇

采用參考文獻(xiàn)［23］的色譜條件，考察該條件下水及內(nèi)標(biāo)乙醇的分離效果。結(jié)果表明，水及其內(nèi)標(biāo)均可與干擾物和溶劑實(shí)現(xiàn)良好的基線分離，滿足分析要求。典型加熱卷煙樣品的色譜圖見圖5。

圖5 加熱卷煙氣溶膠中水分的GC圖Fig.5 GC chromatogram of moisture in aerosol from heated tobacco product

2.1.3 回歸方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限和定量限

分別對(duì)1.2.2節(jié)中配制的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行GC分析，以水與其內(nèi)標(biāo)的峰面積之比對(duì)其質(zhì)量濃度之比進(jìn)行線性回歸分析，分別得到水的標(biāo)準(zhǔn)曲線線性回歸方程。將最低濃度的標(biāo)準(zhǔn)工作溶液進(jìn)行GC分析，重復(fù)測(cè)定10次，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，分別以3倍和10倍標(biāo)準(zhǔn)偏差為檢出限和定量限。結(jié)果（表2）表明，水分的工作曲線的線性良好，方法靈敏度高。

表2 回歸方程、相關(guān)系數(shù)、線性范圍、檢出限及定量限Tab.2 Linear regression equation,correlation coefficient,linear range，limits of detection and quantitation of moisture

2.1.4 精密度及回收率

分別在ISO和HCI模式下，采用樣品A在3個(gè)水平下進(jìn)行加標(biāo)回收率和精密度實(shí)驗(yàn)。結(jié)果（表3）表明，水分釋放量測(cè)定的RSD在3.72%~6.09%之間，平均加標(biāo)回收率在95.4%~104.6%之間。說明本方法滿足加熱卷煙氣溶膠中水分的測(cè)定要求。

表3 方法的精密度和回收率（n=3）Tab.3 Precisions and recoveries of the method（n=3）

2.2 不同萃取方法下加熱卷煙氣溶膠中水分和焦油的釋放量

分別采用原位萃取和振蕩萃取2種方式處理樣品，對(duì)4款加熱卷煙氣溶膠中水分和焦油進(jìn)行比較分析，檢測(cè)結(jié)果見表4。

表4 2種萃取方式加熱卷煙氣溶膠中水分和焦油釋放量對(duì)比Tab.4 Releases of moisture and tar in aerosol of heated tobacco products by two extraction methods

從4個(gè)樣品對(duì)比結(jié)果可以看出：①在ISO抽吸模式下，4款加熱卷煙氣溶膠中原位萃取水分值較振蕩萃取上升1.19~2.87 mg/支，上升率為15.95%~22.16%；焦油量下降1.06~3.14 mg/支，下降率為13.18%~38.04%。②HCI模式下水分值上升4.70~8.47 mg/支，上升率為38.34%~40.37%；焦油量下降4.44~8.27 mg/支，下降率為27.18%~34.04%。結(jié)果表明，振蕩萃取處理過程中水分產(chǎn)生較大丟失，顯著影響加熱卷煙氣溶膠焦油量，故應(yīng)采用原位萃取法測(cè)定加熱卷煙氣溶膠中的水分。

2.3 原位萃取對(duì)傳統(tǒng)卷煙煙氣常規(guī)指標(biāo)的影響

為考察原位萃取對(duì)傳統(tǒng)卷煙煙氣常規(guī)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果的適用性，在ISO抽吸模式下抽吸樣品E~樣品H，分別采用原位萃取法和振蕩萃取法進(jìn)行萃取。結(jié)果（表5）表明，2種萃取方式下，原位萃取較振蕩萃取水分釋放量上升0.04~0.23 mg/支，焦油釋放量下降0.01~0.32 mg/支，焦油量變化在5%以內(nèi)。同時(shí)，分別對(duì)水分、煙堿、焦油和一氧化碳兩種萃取方式測(cè)定結(jié)果進(jìn)行t檢驗(yàn)，結(jié)果表明，4種常規(guī)指標(biāo)的P值均大于0.05，說明2種萃取方式測(cè)定結(jié)果之間不存在顯著差異。綜上所述，原位萃取法對(duì)傳統(tǒng)卷煙焦油量測(cè)定值的影響不顯著。

表5 2種不同萃取方式下傳統(tǒng)卷煙煙氣常規(guī)指標(biāo)的變化Tab.5 Variations in conventional indexes in traditional cigarette smoke by two extraction methods

2.4 原位萃取對(duì)加熱卷煙氣溶膠中其他主要成分的影響

加熱卷煙氣溶膠中的主要成分，除水外，還有煙堿、1,2-丙二醇和丙三醇等，原位萃取法在準(zhǔn)確測(cè)定水分的同時(shí)，不應(yīng)影響加熱卷煙氣溶膠中其他主要成分的測(cè)定，否則同樣會(huì)影響焦油量的計(jì)算及其他主要成分的評(píng)價(jià)。因此，為考察原位萃取對(duì)加熱卷煙氣溶膠中其他主要成分檢測(cè)的適用性，采用2種萃取方法，分別在ISO和HCI 2種抽煙模式下檢測(cè)。從結(jié)果（表6）看出，2種抽吸模式下，煙堿、1,2-丙二醇和丙三醇檢測(cè)結(jié)果的變異系數(shù)(CV)分別在3.25%~6.08%、0.23%~6.58%和0.34%~4.17%之間。同時(shí)，在2種模式下分別對(duì)3種主要成分2種萃取方式的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行t檢驗(yàn)，結(jié)果表明，3種主要成分的P值均大于0.05，說明2種萃取方式的測(cè)定結(jié)果不存在顯著性差異。綜上所述，原位萃取法不影響加熱卷煙氣溶膠中煙堿、1,2-丙二醇和丙三醇的準(zhǔn)確測(cè)定。

表6 原位萃取對(duì)加熱卷煙氣溶膠中其他主要成分檢測(cè)結(jié)果的影響Tab.6 Effects of the in situ extraction on main components in aerosol of heated tobacco products

3 結(jié)論

①搭建了一套原位萃取裝置，用于加熱卷煙氣溶膠捕集和萃取，結(jié)合GC檢測(cè)建立了加熱卷煙氣溶膠中水分的原位萃取分析方法。②該方法操作簡單、穩(wěn)定，回收率在95.4%~104.6%之間，RSD在3.72%~6.09%之間，定量限為0.16 mg/支，適用于加熱卷煙氣溶膠中水分的準(zhǔn)確檢測(cè)。③原位萃取法對(duì)傳統(tǒng)卷煙焦油量測(cè)定的影響不顯著。④原位萃取法不影響加熱卷煙氣溶膠中煙堿、1,2-丙二醇和丙三醇的測(cè)定。