氣相色譜-質譜聯用法測定卷煙主流煙氣氣相物中揮發性有機化合物

侯宏衛，熊 巍，姜興益，龐永強，唐綱嶺，胡清源

（國家煙草質量監督檢驗中心，鄭州 450001）

揮發性有機化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是指沸點在50～260 ℃之間、室溫下飽和蒸氣壓超過133.32 Pa的易揮發性化合物[1]。1,3-丁二烯，異戊二烯，丙烯腈，苯和甲苯等是卷煙主流煙氣中主要的揮發性有害成分。其中苯為 1類致癌物，1,3-丁二烯（IARC 2A），丙烯腈（IARC 2B）和異戊二烯（IARC 2B）為2類致癌物[2-4]。由于這5種VOCs對健康具有危害性，其含量的準確測定對于正確評價吸煙與健康的關系，推動低危害卷煙的研究具有重要意義。

目前國際上測定揮發性有機化合物的方法可分成4類：直接進樣法[5]；吸附劑（熱脫附）法[6-7]；采樣袋收集法[8]和冷溶劑收集法[9-11]。直接進樣法和采樣袋收集法采集樣品后直接進行測定，可實現在線分析[5,8]，但重復性較差，只能實現半定量。Pankow等建立的吸附（熱脫附）氣相色譜-質譜（GC-MS）分析VOCs的方法，可以同時檢測多種VOCs，但該方法的加標回收率較低，并且有些化合物會在解析過程中發生分解[6-7]。用冷溶劑來捕集氣相物中的 VOCs，捕集效果好，可以實現對多種VOCs的定量分析，因此被一些政府組織所采用。但是以前的冷溶劑收集法在靈敏度和重復性方面還存在不足。本研究采用GC-MS同時測定主流煙氣氣相物中的1,3-丁二烯，異戊二烯，丙烯腈，苯和甲苯，此方法檢出限低，重復性好，適合于卷煙主流煙氣中這5種VOCs釋放量分析。并利用此方法首次驗證了2009年38種市售卷煙樣品在ISO和加拿大深度抽吸條件下的VOCs釋放量。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

RM20H型轉盤吸煙機，配備有CO自動分析儀（德國borgwaldt technik公司）；氣相色譜-質聯用儀（Perkin Elmer Clarus 600）；分光光度計（美國惠普公司，HP8453）；分析天平（Sartorios CP224S,max 220 g，d=0.1 mg）；肯塔基參比卷煙（1R5F、2R4F，美國肯塔基大學）；劍橋濾片（德國borgwaldt technik公司，? 92 mm）。

干冰，正十七碳烷，異丙醇，甲醇（J.T.BAKER公司，色譜純試劑）；氘代丙烯腈，氘代苯，氘代甲苯，異戊二烯，丙烯腈，苯，甲苯（德國Merck公司，色譜純試劑）；1,3-丁二烯（大連特種氣體有限公司，99.95%）；選取2009年38種市售不同牌號國內外卷煙樣品（中國煙草總公司），分別編號。

1.2 標準溶液的配制

準確稱取一定量的D 6-苯，用甲醇定容，得到4 000 μg/mL的內標儲備液。用氣密性好的氣體針筒分別準確移取一定量的異戊二烯、丙烯腈、甲苯和苯，用甲醇定容，得到混合標準溶液。用1,3-丁二烯標準氣（純度＞99.9%）配制1,3-丁二烯乙醇標準溶液。以乙醇為參比，測定此溶液在217 nm處的吸光度值來確定溶液的濃度。實驗測得1,3-丁二烯乙醇標準溶液的吸光度值為0.31，按照下列公式計算各溶液中1,3-丁二烯的濃度（1,3-丁二烯的吸光系數ε＝20893 L/mol cm）。

1.3 煙氣收集

按照參考文獻[12]挑選實驗用卷煙，以參考文獻[13]的方法平衡煙支。

使用RM20H型20孔道轉盤吸煙機抽吸卷煙，抽吸方法按照參考文獻[14]和加拿大衛生部公布的深度抽吸模式。加拿大深度抽吸模式：100%封閉通風濾嘴，每口抽吸2秒，抽吸容量55 mL，每口間隔30秒。

吸煙機連接如圖1所示，在串聯干冰覆蓋的兩個裝有10 mL甲醇的100 mL吸收瓶中加入100 μL混合內標溶液，抽吸 10支卷煙（ISO方法）或 5支卷煙（深度抽吸方法），通過一個劍橋濾片捕集主流煙氣中的粒相物，使得氣相物透過劍橋濾片，其中的揮發性有機化合物被兩個串聯的裝有10 mL冷甲醇的吸收瓶（干冰覆蓋，-70 ℃）捕集，抽吸完成后，分別從兩個吸收瓶中取一定量的吸收液于兩個色譜瓶中，用氣體色譜-質譜（GC-MS）儀進行定量分析。

圖1 揮發性有機化合物的抽吸示意圖Fig.1 Trapped 5 VOCs from mainstream smoke

1.4 煙氣常規成分分析

主流煙氣中的煙堿釋放量按照參考文獻[15]分析，水分按照參考文獻[16]檢測，卷煙主流煙氣氣相物中CO的含量按照參考文獻[17]測定。

1.5 揮發性有機物分析

色譜條件：60 m × 0.32 mm × 1 μm DB-5MS 柱。進樣量3 μL；進樣口溫度150 °С；分流比30:1；柱溫箱溫度40 °С；載氣流速1 ml/min；程序升溫：從40 °С保持1 min，然后以5 °С/min的速率升至160 °С，保持 1 min，最后以 20 °С/min 的速率升至220 °С，保持 3 min。

質譜條件：電離方式EI，電離能量70 eV，傳輸線溫度 280 ℃，離子源溫度 230 ℃，溶劑延遲時間3 min，掃描范圍：m/z 40.0～200.0。為提高檢測靈敏度和分辨率，質譜儀采用選擇離子模式進行定量分析。

2 結果與討論

2.1 冷溶劑捕集過程選擇

據有關文獻報道，這5種VOCs在甲醇中的溶解性較好，所以選擇甲醇作為捕集液；多個捕集瓶少量捕集液要比一個捕集瓶大量捕集液的捕集效果好[10]。為了保證主流煙氣中的5種VOCs盡可能的全部被捕集，本實驗對冷溶劑捕集的條件進行了選擇。

（1）甲醇對5種VOCs的吸收效率，選取了3個串聯的裝有10 mL冷甲醇的吸收瓶，按照前面的抽煙方法抽吸3R4F參比卷煙，并捕集主流煙氣氣相物中的VOCs，抽吸完成后分別檢測3個吸收瓶中5種VOCs的含量，并求出捕集的比率。從作者參加的 2006年共同實驗的數據[18]可以看出，主流煙氣氣相物中的5種VOCs通過兩個10 mL的冷甲醇捕集后，在第3個吸收瓶中5種VOCs的比率分別為 1.1%（1，3-丁二烯），0.3%（苯），2.1%（甲苯），0.3%（丙烯腈）和0.2%（異戊二烯），因此選取兩個吸收瓶來捕集甲醇。

（2）吸收液體積的影響，如果在100 mL的吸收瓶裝有大于50 mL的吸收液，在煙氣捕集過程中，吸收液會被煙氣帶到吸收管線中，特別是在深度抽吸條件下，這種現象更為明顯，因此在能保證捕集效率的前提下，盡量選取較少的捕集體積。同時基于共同實驗的結論[18]，兩個裝有10 mL冷甲醇的吸收瓶可以實現對主流煙氣氣相物中的5種VOCs的完全捕集。

（3）管線對5種VOCs捕集的影響，考慮到分析物可能會吸附在吸收瓶的連接管線中，在抽吸卷煙完成后，剪下連接管線，并用10 mL的甲醇淋洗管線，檢測淋洗液中5種VOCs含量（表1），管線在整個捕集過程截留5種VOCs的量較少，但是對甲苯的截留稍微偏高。

通過實驗最終確定用兩個串聯的裝有10 mL甲醇的吸收瓶就可以基本實現對卷煙主流煙氣中這 5種VOCs的捕集。

表1 5種VOCs在1、2號瓶以及管線中的保留量 μg/支Table1 Trapped contents of 5 VOCs in NO.1 NO.2 and the connected tubing

2.2 卷煙主流煙氣中揮發性化合物的定性

為了確定5種揮發性化合物色譜峰位置，本方法采用保留時間對照法，利用5種VOCs和D 6-苯的單標溶液總離子流色譜圖來確定各個化合物的保留時間。為了確定實際樣品中的色譜峰與標準品中色譜峰的一致性，選取了5種VOCs和D 6-苯混合標液的總離子色譜圖與肯塔基參比卷煙3R4F的總離子色譜圖進行對比，確定實際樣品與標準品的色譜峰在峰形和保留時間上的一致性。如圖2、3所示，5種VOCs在混標和實際樣品的總離子流色譜圖中相同的保留時間都有峰形一致色譜峰，沒有雜峰干擾，同時根據保留時間將5種VOCs在實際樣品的總離子色譜圖一一歸屬（圖3）。通過上面的方法，在實際樣品中確定了每一種目標化合物。

圖2 5種VOCs和氘代苯的總離子流色譜圖Fig.2 GC-MS total ion chromatograms of 5 VOCs and D6-benzene standard

圖3 3R4F參比卷煙主流煙氣中5種VOCs和氘代苯的總離子流色譜圖Fig.3 GC-MS total ion chromatograms of 5 VOCs and D6-benzene in mainstream from 3R4F reference cigarette

2.3 內標選擇與標準曲線

為了確定用氘代苯進行定量或是通過三個氘代內標進行定量之間的差異，通過 26家實驗室的檢測結果進行比對（結果未列出）[18]，發現只用氘代苯進行定量與三個氘代內標定量的結果之間差異不大。因此為了方便起見，本實驗只采用氘代苯對5個VOCs進行定量。

用配制好的標準儲備液配制標準曲線，5種揮發性有機物的線性范圍見表2。為評價揮發性有機化合物測定方法的分析特性，將5個不同濃度的揮發性有機化合物混合標樣分別進行GC-MS分析，并用各種揮發性有機化合物色譜峰與相應的內標峰面積比值對其相應揮發性有機化合物含量進行回歸分析，得回歸方程及其相關參數。結果表明，在卷煙煙氣中揮發性有機化合物的含量范圍內，檢測器響應與這5種揮發性有機化合物的濃度呈明顯的線性關系，相關系數在0.9985至0.9998之間。

2.4 回收率、檢出限和定量限

采用標準加入法測定方法的回收率，即在吸收瓶中加入已知含量的揮發性有機化合物標準溶液，進行卷煙抽吸，吸收液通過 GC/MS分析，并根據測定量、加入量和原含量計算回收率。檢出限（LOD）和定量限（LOQ）分別是采用3倍信噪比和10倍信噪比計算。由表3可知，5種揮發性有機化合物的LOD為0.01～0.82 μg/支，LOQ為0.04～2.73 μg/支，這遠低于實際樣品中的含量。5種揮發性有機化合物的回收率為92.3%～98.5%，可滿足分析檢測的要求。

表2 5種揮發性有機化合物線性范圍、回歸方程及相關系數Table 2 Linearity range,regression equation and correlation coefficients for 5 VOCs in mainstream smoke

表3 5種揮發性有機化合物的檢出限、定量限和回收率結果Table 3 LOD,LOQ and recoveries for 5 VOCs

2.5 重復性

選取具有典型性的7個卷煙品牌，同種卷煙樣品在5 d平行測定5次，每次抽吸7個輪次，結果見表4。除了1號樣品第一輪的異戊二烯和丙烯腈的測定結果為 11.2%和12.7%外，其他揮發性有機物所有測定結果的相對標準偏差均小于10%。此測定結果與2008年CORESTA特種分析物學組組織的“卷煙煙氣揮發性有機化合物共同實驗”結果比較，相對標準偏差為25%～30%，數據較穩定合理。

表4 ISO方法重復性結果Table 4 Repeatability of 5 VOCs under ISO smoking regime

2.6 部分卷煙在ISO和深度抽吸模式下揮發性有機物釋放量的比較

由圖4可以看出，在深度抽吸模式下，卷煙主流煙氣常規成分的含量會有顯著增加。38個品牌的卷煙樣品中，4種常規成分的增加幅度在1～5倍之間。

圖4 38個卷煙樣品主流煙氣中水分、焦油、煙堿和一氧化碳釋放量范圍Fig.4 Water,nicotine,tar and carbon monoxide yields in the Mainstream Smoke of 38 commercial Cigarette Brands (under ISO and Canada Intense smoking method)

從圖5可以看出，深度抽吸模式下5種揮發性有機物在38種樣品中的平均釋放量要比ISO標準抽吸條件下高一倍。其中異戊二烯在主流煙氣中含量最高，增長也最快，在深度抽吸條件下，38種卷煙的平均釋放量達到了374 μg/支。按照WHO的要求，未來可能有必要在卷煙包裝上披露有害成分與煙堿的比值，本試驗求出了 38種卷煙的平均釋放量與煙堿的比值（圖6）。由于換成深度抽吸模式后，煙堿釋放量也隨著升高，所以換算成煙堿比值后，抽吸模式對值的影響變得差別不大。

圖5 ISO和深度抽吸模式下5種揮發性有機成分在38種卷煙中平均釋放量Fig.5 Mean delivery levels of 5 VOCs in the Mainstream Smoke of 38 commercial Cigarette Brands (under ISO and Canada Intense smoking method)

圖6 ISO和深度抽吸模式下5種揮發性有機成分與煙堿的比值Fig.6 5 VOCs/nicotine of 38 commercial Cigarette Brands(under ISO and Canada Intense smoking method)

3 結 論

本研究采用兩個串聯的裝有冷甲醇（-70 °С）的吸收瓶捕集主流煙氣中的5種VOCs。抽吸卷煙前在捕集液中加入氘代苯，捕集完成后分別從兩個吸收瓶中取適量捕集液于棕色色譜瓶，然后用GC-MS在選擇離子模式下進行分析。采用氘代內標進行定量，并且在抽吸前把內標加入到吸收液中，這排除了抽吸和樣品轉移過程中 VOCs的揮發損失，使得定量過程更為準確。深度抽吸模式下5種揮發性有機物在 38個樣品中的平均釋放量要比ISO抽吸條件下高一倍。

[1]World Health Organization，WHO air quality guidelines for Europe[M].2nd ed.WHO Regional Publications,European Series,2000 :1-252.

[2]Smith C J,Perfettia T A,Rumple M A,e al.“IARC Group 2A carcinogens” reported in cigarette mainstream smoke[J].Food and Chemical Toxicology,2000,38(4):371-383.

[3]Smith C J,Perfettia T A,Rumple M A,et al.“IARC Group 2B carcinogens” reported in cigarette mainstream smoke [J].Food and Chemical Toxicology,2001,39(2):183-205.

[4]Smith C J,Perfettia T A,Rumple M A,et al.IARC carcinogens reported in cigarette mainstream smoke and their calculated log P values[J].Food and Chemical Toxicology,2003,41(6):807-817.

[5]Brunnemann K D,Kagan M R,Cox J E,et al.Analysis of 1,3-butadiene and other selected gas-phase components in cigarette mainstream and sidestream smoke by gas chromatography-mass selective detection[J].Carcinogenesis,1990,11(10):1863-1868.

[6]Pankow J F,Luo W T,Isabelle L M,et al.Determination of a wide range of volatile organic compounds in ambient air using multisorbent adsorption/thermal desorption and gas chromatography mass spectrometry[J].Anal.Chem,1998,70(24):5213-5221.

[7]Pankow J F,Luo W T,Tavakoli A D,et al.Delivery levels and behavior of 1,3-butadiene,acrylonitrile,benzene,and other toxic volatile organic compounds in mainstream tobacco smoke from two brands of commercial cigarettes[J].Chem.Res.Toxicol,2004,17(6):805-813.

[8]Omori F,Higashi N,Chida M,et al.Internal standard-based analytical method for tobacco smoke vapor phase components[J].Abeitrage zur Tabakforschung International,1999,18(4):131-146.

[9]Health Canada.Determination of 1,3-Butadiene,Isoprene,Acrylonitrile,Benzene,Toluene and Styrene in Sidestream Tobacco Smoke [EB/OL].[1999].http://www.hc-sc.gc.ca/hc-ps/tobac-tabac/legislation/reg/indust/method/_side-second/organi-eng.php.

[10]Darrall K G,Figgins J A,Brown R D,et al.Determination of benzene and associated volatile compounds in mainstream cigarette smoke[J].Analyst.1998,123:1095-1101.

[11]韓 冰，劉惠民，謝復煒，等.卷煙主流煙氣中揮發和半揮發性成分分析[J].煙草科技，2009（10）：32-40.

[12]ISO 8243:2003 Cigarettes-Sampling[S].Geneva:International Organization for Standardization,2003.

[13]ISO 3402:1999 Tobacco and tobacco products –Atmosphere for conditioning and testing[S].Geneva:International Organization for Standardization,1999.

[14]ISO 3308:2000 Routine analytical cigarette-smoking machine-Definitions and standard conditions[S].Geneva:International Organization for Standardization,2000.

[15]國家煙草質量監督檢驗中心.YC/T 156—2001 卷煙總粒相物中煙堿的測定 氣相色譜法[S].北京：中國標準出版社，2001.

[16]國家煙草質量監督檢驗中心.YC/T 157—2001 卷煙總粒相物中水分的測定 氣相色譜法[S].北京：中國標準出版社，2001.

[17]國家煙草質量監督檢驗中心.YC/T 30—1996 卷煙煙氣氣相中一氧化碳的測定 非散射紅外法[S].北京：中國標準出版社，1996.

[18]Intorp M,Purkis S,Whittaker M,et al.Determination of"Hoffmann Analytes" in Cigarette Mainstream Smoke:The Coresta 2006 Joint Experiment[J].Beitraege zur Tabakforschung International,2009,23(4):161-202.