光電離質(zhì)譜法測定卷煙抽吸過程中煙氣成分在人體呼吸道的截留

陳志鴻，崔華鵬，陳黎，劉熙，樊美娟，劉瑞紅，陳滿堂，潘立寧，劉紹鋒，謝復煒

(1.廣東中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)中心，廣州 510385； 2.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州 450001)

卷煙煙氣是由幾千種化學物質(zhì)組成的一種復雜氣溶膠［1］，其中的主要有害成分有CO﹑HCN﹑氮氧化物﹑揮發(fā)性醛類﹑稠環(huán)芳烴類等［2］。在卷煙抽吸過程中，卷煙煙氣經(jīng)人體口腔﹑咽﹑喉﹑氣管到達肺部，與肺泡結(jié)合，不易被機體清除，煙氣有機物在人體致病過程中起著重要作用［3–5］。近年來，國內(nèi)外研究機構(gòu)在卷煙煙氣的危害性評價方面開展了大量的工作，主要是以吸煙機抽吸卷煙所產(chǎn)生的主流煙氣為研究對象，從煙氣單種化學成分釋放和煙氣整體體外毒理學測試兩個方面進行評價研究［6–8］。實際上，人體吸入的卷煙煙氣經(jīng)呼吸道和肺部后，部分煙氣經(jīng)口腔或鼻腔呼出。該過程中，由于呼吸系統(tǒng)表面粘膜對煙氣有機物的吸附性差異以及細胞對煙氣有機物的代謝能力差異，導致了人體吸入和呼出煙氣中的有機物種類和含量發(fā)生變化［9］。以吸煙機抽吸卷煙所產(chǎn)生主流煙氣為對象的吸煙危害研究，沒有考慮人體內(nèi)煙氣有機物的實際接受量，其反映的人體呼吸道對有機物截留與真實情況會存在差異。研究人體吸入和呼出煙氣中有機物的差異，準確反映人體在呼吸煙氣過程中所截留的有機物，進而進行人體實際煙氣有機物的暴露評價，對吸煙與健康研究具有重要的意義。

目前，卷煙煙氣分析通常是采用離線的分析方法，即首先對煙氣樣品進行預(yù)處理，然后進入色譜質(zhì)譜進行分析［9–12］。Serban 等人采用劍橋濾片對吸煙者吸入和呼出的煙氣進行在線捕集，然后對劍橋濾片進行溶劑萃取，萃取液采用GC–MS 法進行分析，通過吸煙者吸入和呼出煙氣成分的含量差異，獲得了不同煙氣成分在人體的截留［11］。Shixia 等人采用LC–MS/MS 方法，對吸煙者抽吸卷煙的煙嘴和捕集有呼出煙氣的劍橋濾片進行萃取分析，計算煙堿﹑煙草特有亞硝胺等煙氣成分在人體呼吸道的截留［12］。這些方法中，煙氣樣品的預(yù)處理操作繁瑣﹑效率低，且可能會使某些具有活性的煙氣成分發(fā)生變化，從而無法準確反映“新鮮”煙氣的真實情況。近年來，直接電離質(zhì)譜技術(shù)在有機物快速檢測和在線監(jiān)測方面取得了較大的進展。光電離是利用真空紫外光光子對待測物分子進行直接電離的軟電離技術(shù)，具有靈敏度高﹑譜圖簡單易解析等優(yōu)點，已較多地應(yīng)用于過程監(jiān)測﹑煙氣分析﹑環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域［13–17］。筆者基于光電離飛行時間質(zhì)譜，建立人體抽吸卷煙過程中煙氣成分在人體呼吸道截留的測試方法，實現(xiàn)吸煙者吸入和呼出煙氣的直接采樣和質(zhì)譜檢測，結(jié)合流量數(shù)據(jù)，計算卷煙抽吸過程中煙氣成分在人體呼吸道中的截留率。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

卷煙樣品：市售某品牌卷煙，焦油量為10 mg，煙堿為1 mg，一氧化碳為11 mg。在卷煙樣品抽吸前，將卷煙置于溫度為22 ℃﹑濕度為60%的環(huán)境中平衡48 h。

吸煙行為記錄儀：CReSS Pocket 型，流量采集頻率為50 Hz，德國Borgwaldt KC 公司。

單光子電離飛行時間質(zhì)譜儀：PHOTO–TOF–MS 型，儀器具體參數(shù)參見文獻［18］，德國羅斯托克大學。

1.2 儀器工作條件

單光子電離源：由Nd–YAG 激光器產(chǎn)生真空紫外激光脈沖，波長為118 nm，光子能量為10.5 eV；采樣管路長度：3.5 m；加熱溫度：300 ℃；質(zhì)譜電離源的真空度：0.02 Pa；數(shù)據(jù)采集模式：ADC 數(shù)據(jù)采集，頻率為10 Hz；質(zhì)譜圖的質(zhì)量范圍：m/z40～160。

1.3 實驗方法

1.3.1 吸入和呼出煙氣的取樣方法

采用與光電離質(zhì)譜相結(jié)合的煙氣采樣系統(tǒng)對人體吸入和呼出的煙氣進行在線取樣。如圖1(a)所示，對吸入煙氣進行流量測定和取樣分析時，首先通過連接管將吸煙行為記錄儀與卷煙煙支相連，然后將光電離質(zhì)譜的石英毛細管插入至連接管處，當吸煙者通過吸嘴對卷煙進行抽吸時，少量煙氣被引入至質(zhì)譜進行在線光電離和分析，吸煙行為記錄儀記錄吸入煙氣的流量曲線［19］。如圖1(b)所示，對呼出煙氣進行流量測定和取樣分析時，吸煙者通過連接管進行呼出煙氣的呼出，呼出煙氣的少量煙氣被引入至質(zhì)譜進行在線光電離和分析，吸煙行為記錄儀記錄呼出煙氣的流量曲線。

圖1 吸入和呼出煙氣的取樣示意圖

1.3.2 光電離質(zhì)譜的檢測方法

煙氣采樣系統(tǒng)采用內(nèi)徑為100 μm﹑外徑為45 μm﹑長度為1.5 m 的石英毛細管為采樣管路，毛細管外套加熱傳輸線溫度設(shè)定為300 ℃。吸煙者吸入和呼出的少量煙氣經(jīng)石英毛細管被引入至光電離區(qū)后，光子對煙氣成分進行光電離，產(chǎn)物離子在質(zhì)量分析器內(nèi)飛行到達微通道板檢測器，信號由數(shù)據(jù)采集卡采集，得到質(zhì)譜圖。根據(jù)煙氣各主要成分的質(zhì)譜信號響應(yīng)，光電離質(zhì)譜的譜圖采集頻率設(shè)置為10 Hz，即每0.1 s 獲得一張質(zhì)譜圖。

1.3.3 煙氣成分人體呼吸道截留的計算方法

根據(jù)煙氣成分的光電離質(zhì)譜圖特定質(zhì)量數(shù)，提取各成分質(zhì)量數(shù)的峰響應(yīng)面積，并提取每張質(zhì)譜圖對應(yīng)時間點的煙氣流量，按式(1)計算吸入或呼出煙氣中各成分質(zhì)量數(shù)的質(zhì)譜總響應(yīng)值。

2 結(jié)果與討論

2.1 取樣毛細管長度的優(yōu)化

單光子電離飛行時間質(zhì)譜儀的真空度要求較高，需要對引入煙氣的量有一定的限制，當氣體進樣量較高時，會導致質(zhì)譜分辨率的降低，也縮短了檢測器的壽命。對體積分數(shù)為1×10–6的苯標準氣體進行測試，考察了毛細管長度為2～5 m 范圍內(nèi)，苯分子離子峰的信號響應(yīng)和分辨率隨毛細管長度的變化情況，見圖2。由圖2 可知，當石英毛細管的長度增加時，苯的質(zhì)譜信號響應(yīng)呈現(xiàn)降低趨勢，質(zhì)譜分辨率呈現(xiàn)升高趨勢，這是因為當石英毛細管的長度增加時，苯標準氣體的進樣量會降低，從而使質(zhì)譜信號響應(yīng)降低，但同時會使發(fā)生電離的區(qū)域變小，降低了生成離子的空間展寬，有利于提高質(zhì)譜的分辨率。當毛細管長度大于3.5 m 時，信號降低趨勢明顯。綜合考慮信號響應(yīng)和分辨率，選擇了3.5 m 的石英毛細管長度。該條件下，體積分數(shù)為1×10–6苯標準氣體的質(zhì)譜信號響應(yīng)值為0.015 8 V，分辨率為540。

圖2 不同毛細管長度下苯標準氣體質(zhì)譜峰的信號強度與分辨率

2.2 煙氣成分的光電離質(zhì)譜定性分析

由吸煙者對卷煙樣品進行抽吸，該過程中吸入和呼出的煙氣經(jīng)光電離質(zhì)譜檢測。吸入和呼出煙氣的光電離質(zhì)譜圖如圖3 所示，煙氣光電離質(zhì)譜檢測的質(zhì)譜峰多集中于m/z40～160 范圍內(nèi)。由于吸煙者抽吸卷煙過程中煙氣成分會在人體呼吸道內(nèi)發(fā)生截留，從而使吸煙者呼出煙氣各成分的質(zhì)譜響應(yīng)要明顯低于吸入煙氣。此外，由于各煙氣成分物化性質(zhì)存在差異，也導致了不同煙氣成分在人體呼吸道的截留比例有所不同［11］。

圖3 吸入和呼出煙氣的光電離質(zhì)譜圖

關(guān)于卷煙煙氣的光電離質(zhì)譜定性檢測已有相關(guān)報道［20–21］，由于光電離為軟電離技術(shù)，煙氣氣相成分被電離后生成分子離子，通常以分子離子峰的質(zhì)量數(shù)對各分子離子峰進行定性推導。結(jié)合文獻報道［20–21］，按照卷煙煙氣光電離質(zhì)譜圖質(zhì)譜峰的峰強度，對主要質(zhì)譜峰進行定性推測，結(jié)果如表1 所示。

表1 卷煙煙氣光電離質(zhì)譜圖主要質(zhì)量數(shù)對應(yīng)的化合物

2.3 吸入和呼出流量數(shù)據(jù)的優(yōu)化

光電離質(zhì)譜檢測煙氣時，每張質(zhì)譜圖的采集時間為0.1 s。吸煙行為記錄儀的流量采集頻率為50 Hz，每個流量數(shù)據(jù)的記錄時間為0.02 s［22］。為了使流量數(shù)據(jù)與質(zhì)譜圖的采集時間相對應(yīng)，需要將流量數(shù)據(jù)進行簡化平均。將每5 個0.02 s 的流量數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均，換算得到每0.1 s 內(nèi)的平均流量，吸煙者吸入和呼出煙氣過程中煙氣流量隨時間的變化見圖4。

圖4 吸煙者吸入和呼出煙氣過程中煙氣流量隨時間的變化

如圖4(a)所示，某吸煙者抽吸卷煙時，吸煙行為記錄儀能夠較準確地記錄吸煙者吸入和呼出煙氣的流量輪廓。對流量數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，得到如圖4(b)所示的吸入和呼出煙氣簡化流量輪廓，可以看出，其整體流量輪廓與簡化前流量輪廓的差異較小，可以用于煙氣成分截留率的計算。

2.4 吸入和呼出煙氣成分的連續(xù)質(zhì)譜響應(yīng)

吸煙者采用經(jīng)口腔循環(huán)方法對卷煙進行單口抽吸，該過程中吸入和呼出的煙氣經(jīng)光電離質(zhì)譜進行連續(xù)地在線檢測，得到質(zhì)譜總響應(yīng)隨時間的變化過程。圖5 為煙氣光電離質(zhì)譜圖主要質(zhì)譜峰響應(yīng)隨卷煙抽吸過程（吸入和呼出）的變化情況。

圖5 煙氣光電離質(zhì)譜檢測圖中主要質(zhì)量數(shù)的響應(yīng)隨吸入和呼出時間的變化

結(jié)果顯示，在吸煙者單口抽吸卷煙時，各主要質(zhì)譜峰的響應(yīng)快速升高；在單口吸入煙氣后，各主要質(zhì)譜峰的響應(yīng)仍較高，并呈緩慢下降趨勢，這主要是因為采樣系統(tǒng)連接管中煙氣的殘留，因此吸入煙氣質(zhì)譜峰的響應(yīng)變化并不能反映真實的煙氣吸入過程，需要與吸煙行為記錄儀記錄的吸入煙氣流量相對應(yīng)。在吸煙者呼出煙氣時，各主要質(zhì)譜峰的響應(yīng)快速升高，并呈快速下降趨勢，表明呼出煙氣過程能夠快速地將口腔煙氣呼出，且由于肺部氣體的持續(xù)呼出，減小了連接管的煙氣殘留，因此呼出煙氣質(zhì)譜峰的響應(yīng)變化能反映真實的煙氣呼出過程。

2.5 煙氣成分的人體呼吸道截留

由吸煙者分別采用經(jīng)口腔循環(huán)方法和經(jīng)肺部循環(huán)方法對卷煙樣品進行抽吸，吸入和呼出煙氣經(jīng)光電離質(zhì)譜的在線檢測，結(jié)合質(zhì)譜圖中各主要質(zhì)譜峰的響應(yīng)與吸煙行為記錄儀的流量數(shù)據(jù)，計算獲得各主要煙氣成分在人體呼吸道的截留率，圖6 為經(jīng)口腔循環(huán)抽吸卷煙的煙氣成分在人體呼吸道的截留率。如圖6 所示，吸煙者經(jīng)口腔循環(huán)方法單口抽吸卷煙時，主要煙氣成分在人體呼吸道的截留率為55.7%～74.3%，不同煙氣成分的截留率有一定的差異，這主要與煙氣成分的物理化學性質(zhì)有關(guān)。圖7為吸煙者經(jīng)肺部循環(huán)方法單口抽吸卷煙時的人體呼吸道截留率，結(jié)果顯示，主要煙氣成分在人體呼吸道的截留率為77.6%～94.6%，該結(jié)果與文獻一致性較好［11］。經(jīng)肺部循環(huán)的平均截留率為86.9%，顯著高于經(jīng)口腔循環(huán)的平均截留率64.7%，這是因為經(jīng)肺部循環(huán)的煙氣在人體呼吸道內(nèi)具有更長的運動路徑，其經(jīng)過氣管﹑支氣管和肺泡時與黏膜充分接觸，從而大大增加了截留率［23］。

圖6 經(jīng)口腔循環(huán)抽吸卷煙的煙氣成分在人體呼吸道的截留率

圖7 經(jīng)肺部循環(huán)抽吸卷煙的煙氣成分在人體呼吸道的截留率

3 結(jié)語

建立了基于光電離質(zhì)譜的人體抽吸卷煙過程中煙氣成分在人體呼吸道截留率的測試方法。通過對吸煙者吸入和呼出煙氣的流量記錄和光電離質(zhì)譜檢測，獲得了吸煙者經(jīng)口腔循環(huán)和經(jīng)肺部循環(huán)各煙氣成分在人體呼吸道的截留率，結(jié)果能夠反映吸煙者抽吸卷煙過程中煙氣成分在人體呼吸道截留的真實情況。該方法能反映人體吸入和呼出氣體中有機物的差異和有機物在人體呼吸道的截留率，為人體有害成分吸入毒理學研究和大氣污染物對人體呼吸道風險暴露評價研究提供了一種重要的測試手段。