口腔中煙氣煙堿的在線采樣分析研究

彭曉萌，王健，雷振，徐迎波，胡永華，朱青林，汪華，田振峰，陳開波

安徽中煙工業有限責任公司/煙草行業燃燒熱解研究重點實驗室和煙草化學安徽省重點實驗室，合肥市高新區天達路9號 230088

卷煙主流煙氣是一種由數千種化學成分組成的復雜混合物，通常，吸煙者在抽吸卷煙的過程中，一部分吸入口腔中的主流煙氣被呼出進入環境中，另一部分主流煙氣則殘留在包括人體口腔在內的呼吸道內，研究卷煙煙氣在包括人體口腔在內的呼吸道中的殘留被認為是研究吸煙與健康關系的第一步。在眾多的卷煙煙氣化學成分中，煙堿的殘留廣受關注[1]。雖然人們已經對卷煙煙氣中煙堿在人體口腔中的殘留進行了許多研究[2-3]，然而，到目前為止，文獻中測定煙堿的殘留基本采用離線分析方式進行，即先對從卷煙濾嘴端出來煙堿和從吸煙者口腔中呼出的煙堿進行收集，或采用稀的酸溶液對吸煙后的口腔進行清洗從而直接收集口腔中煙堿殘留物，然后根據需要采用不同的前處理過程，再用色譜或光譜等儀器進行分析[4-5]。然而，這些廣泛使用的方法至少存在如下三個方面的缺陷：第一，煙堿的捕集和預處理過程操作繁瑣且耗時；第二，在捕集和預處理過程中常常會引入新的實驗誤差，且在預處理過程通常需要使用溶劑，容易導致環境污染；第三，常規的研究方法均采用離線式分析技術，難以揭示煙堿在人體口腔內的動態變化過程。

近年來，已有文獻嘗試使用一些在線方法[6-12]研究煙氣化學成分，但針對口腔中煙堿的動態變化報道較少。在這里，我們建立了一種利用商用吸煙機結合四極桿質譜研究人體口腔中煙氣煙堿在線采樣的實驗裝置和方法。該方法通過對商用單通道吸煙機進行改造，可實現在標準抽吸條件下抽吸卷煙。當吸煙機將產生的煙氣通過注射器直接推入到人體口腔后，吸煙者屏住呼吸，利用煙氣傳輸石英毛細管負壓將口腔中的卷煙煙氣引入至四極桿質譜儀的電離區，進行電離、分析。該方法能夠實現對吸煙者口腔內煙堿直接進行快速取樣和在線分析，測量時無需任何溶劑和前處理過程，從而能夠極大地降低測量誤差和提高測定效率，為研究卷煙主流煙氣中煙堿在人體口腔內動態變化提供一種良好的技術手段，同時也間接地為煙堿在人體口腔的殘留研究提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

實驗所用卷煙為黃山（普皖）卷煙，其盒標焦油、煙堿和一氧化碳量分別為11、1.2和11 mg。實驗前，卷煙煙支被放置在相對空氣濕度60%、溫度22℃的環境下保存24 h。

實驗儀器：單通道吸煙機（LM1型，德國BORGWALDT 公司），注射器（常州市飛鴿醫療器械有限公司），5973型四極桿質譜儀（美國Agilent公司）。

1.2 實驗裝置和方法

圖1所示為口腔中煙氣煙堿的在線采樣分析裝置示意圖。該裝置主要包括商用單通道吸煙機、四極桿質譜儀、注射器、三端口煙氣入嘴器和煙氣傳輸石英毛細管（內徑和長度分別為150 μm和150 cm）。3名受試者參與了本實驗，考慮到不同受試者之間的抽吸體積和抽吸曲線的差異，采用一臺單通道吸煙機作為煙氣產生源。分析時，煙氣通過毛細管借助真空差進入四極桿質譜的電離室中，流量約為1 mL/min。

商用單通道吸煙機（1）通過注射器（6）分別與卷煙夾持器（8）和三端口煙氣入嘴器（13）相連，煙氣傳輸石英毛細管（14）的一端連著三端口煙氣入嘴器（13），另一端則穿過四極桿質譜儀（15）的腔壁進入電子轟擊電離區（16）中，且煙氣傳輸石英毛細管（14）在三端口煙氣入嘴器（13）和四極桿質譜儀（15）腔壁之間的外部區域裹有一層帶有溫度控制器（18）的電加熱套（19）。

實驗前，按圖1組裝、連接實驗裝置，并通過溫度控制器（18）將加熱套（19）的溫度設定為200℃；待加熱套（19）的溫度達到設定并穩定后，打開吸煙機（1）的工作電源，將吸煙機（1）的工作參數設置為：每口抽吸35 mL，抽吸2 s，抽吸間隙為58 s，并使用皂膜流量計校準吸煙機的抽吸容量；緊接著，打開四極桿質譜儀（15）的工作電源，并將四極桿質譜儀（15）的分析條件設置為：離子源（EI）溫度230℃，四極桿溫度150℃，電子轟擊能量70 eV，選擇質量數為84和162兩種煙堿碎片離子進行監測掃描。

圖1 口腔中煙氣煙堿的在線采樣分析實驗裝置Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus for on-line sampling of smoke nicotine in oral cavity

實驗時，首先啟動四極桿質譜儀（15）進行離子掃描，同時吸煙者將三端口煙氣入嘴器（13）的口含端口（11）含入口腔中，并用手緊壓弧形密封片（12）以確保實驗過程中不會發生口腔泄露現象；然后，打開二通閥a（7）、關閉二通閥b（10），并將卷煙煙支（9）插入不含劍橋濾片的卷煙夾持器（8）中，點火抽吸，一次抽吸完畢后，立即關閉二通閥a（7）、打開二通閥b（10）；當吸煙機（1）將煙氣推入吸煙者口腔之后，重新關閉二通閥b（10），并關閉吸煙機（1）的工作電源，此時吸煙者屏住呼吸，待煙氣在口腔中停留一段時間（其間質譜掃描一直進行）后，吸煙者從口腔中取出三端口煙氣入嘴器（13），四極桿質譜儀（15）停止掃描。當第一次測定結束后，換用一個新的且帶有二通閥a（7）和二通閥b（10）的注射器（6）、新的卷煙夾持器（8）以及上述測試相同的卷煙煙支（9）重復上述實驗，即可測量另一口煙氣中煙堿的口腔動態變化。其中，更換新的注射器對另一口煙氣進行抽吸，能夠消除因焦油在注射器管壁的殘存而對另一口煙氣測定結果的影響。值得注意的是，由于取樣分析的是全煙氣組分，整個傳輸過程難免會產生滯留污染等問題。因此實驗中采取諸如加熱取樣毛細管等方式來減少煙氣的滯留污染，但在實際進樣持續一定時間后，仍需更換新毛細管或清洗四極桿質譜離子源等方式以確保實驗的重復和穩定性。

1.3 口腔中煙氣煙堿濃度變化的計算

相對于剛進入口腔時的最高煙堿濃度，口腔中煙氣煙堿濃度的降低率采用如下公式計算：

式中，I0為卷煙煙氣進入口腔后m/z=84或m/z=162離子的最大離子強度，Ii為卷煙煙氣進入口腔后停留一定時間時的離子強度。

2 結果與討論

2.1 煙氣煙堿離子強度變化

實驗過程中，3名吸煙者參與了本實驗。圖2所示為其中1名吸煙者口腔中煙堿的兩種碎片離子（m/z=84和m/z=162）的離子強度隨時間（0～14 s）變化情況。之所以選擇這兩種碎片離子，是因為m/z=84的離子是在70 eV轟擊電離下煙堿的主碎片離子，該離子在采用熱重-四極質譜（70 eV轟擊電離）法研究煙草熱解過程中煙堿隨熱解溫度變化時，常用來作為監控煙堿形成[13]；而m/z=162的離子則為煙堿的母體離子。

圖2 吸煙者口腔內的煙堿的兩種碎片離子（m/z=84和m/z=162）的離子強度隨時間變化Fig.2 Density variation of two characteristic fragment ions(m/z=84 and m/z=162) of nicotine in oral cavity with holding time

從圖2中可看出，兩種碎片離子（m/z=84和m/z=162）隨卷煙煙氣在人體口腔中的停留時間表現出的變化趨勢基本一致，在0～14 s內，都隨停留時間的延長其離子強度逐漸降低，說明m/z=84和m/z=162兩種碎片離子均適合于表征煙氣煙堿在人體口腔的動態變化。

2.2 口腔中煙氣煙堿濃度的動態變化

圖3給出了3名吸煙者抽吸10口煙氣時，主流煙氣中煙堿（以特征峰離子m/z=84的變化計算得到）在其口腔內的平均濃度降低率隨時間的動態變化趨勢。由圖3中的動態變化曲線可看出，雖然3名吸煙者各自口腔環境不同而使煙堿動態濃度水平略有出入，但口腔濃度降低率相差不大。根據前人對煙氣化學成分的口腔研究，大多觀測煙氣在口腔中停留約2 s后的情況[1]。在本實驗中，我們主要觀察煙氣煙堿進入吸煙者口腔中停留2 s及2 s以后的濃度動態變化。當停留時間為2 s時，煙堿在3名吸煙者各自口腔的濃度降低率基本都在5%左右，并且隨著停留時間的變化都呈現出逐漸上升的趨勢。

圖3 主流煙氣中煙堿在3名吸煙者口腔內的平均濃度降低率隨時間的動態變化趨勢Fig.3 The variation of average nicotine concentration in oral cavities of three smokers with holding time

圖4顯示了卷煙煙氣在一名吸煙者口腔中，同時采用煙堿的兩種特征碎片離子（m/z=84和m/z=162）計算口腔濃度變化時，其煙堿口腔濃度降低率的10次測定結果平均值隨停留時間的動態變化過程及相應的標準偏差。從圖4可以看出，采用兩種特征碎片離子（m/z=84和m/z=162）計算得到的煙堿口腔濃度降低率隨停留時間（2～12 s）的變化基本一致，兩種計算方法得到的結果，在停留時間為2 s時的煙堿口腔濃度降低率都約為4.5%，且隨停留時間的變化都呈現上升的趨勢。另外，兩種計算得到的煙堿口腔濃度降低率的相對偏差均在5%以下，表現出了良好的重復性。

圖4 主流煙氣中煙堿在1名吸煙者口腔中不同停留時間時同時采用兩種碎片離子（m/z=84和m/z=162）計算得到的平均濃度降低率及其標準偏差Fig.4 Variation of average reduction rate of nicotine concentration and standard deviation with holding time calculated by two characteristic fragment ions (m/z=84 and m/z=162)

3 結論

（1）設計建立了一套在線采樣研究卷煙主流煙氣煙堿在口腔中動態變化的實驗裝置，采用監測煙堿的兩種特征峰離子（m/z=84和m/z=162）的方法，可以實現口腔中煙氣煙堿濃度的實時分析，重復性較好。

（2）當卷煙煙氣在人體口腔中停留2 s時，相對于剛進入口腔時的最高煙堿濃度，煙堿在3名吸煙者口腔中的濃度降低率為5%左右，在2～12 s內，隨著停留時間的延長，煙堿的口腔濃度降低率逐漸上升。