電子煙氣溶膠中玻璃纖維的測定

樊美娟，王洪波，趙 樂*，潘立寧，廖頭根，王明鋒，喬梁峻，華辰鳳，陳 黎，崔華鵬，郭軍偉，張翼鵬，王 猛，劉惠民

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 450001

2.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，昆明市五華區(qū)紅錦路367號 650231

隨著電子煙（E-cigarette）的迅猛發(fā)展，其安全風(fēng)險引起了廣泛關(guān)注［1-4］。目前，玻璃纖維是電子煙主要的導(dǎo)油材料。英國標(biāo)準(zhǔn)PAS 54115［5］建議重點關(guān)注氣溶膠中的二氧化硅（SiO2）顆粒，若氣溶膠中發(fā)現(xiàn)針狀或其他危險的小尺寸顆粒，建議更換其他等級的導(dǎo)油材料。Williams等［6］采用掃描電鏡能譜儀（Scanning electron microscope-energy dispersive spectrometer，SEM-EDS）對一個抽吸過的可填充式電子煙的儲油棉進行觀察，在其表面發(fā)現(xiàn)了含有玻璃纖維的液珠；采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（Inductively coupled plasma-optical emission spectrometer，ICP-OES）測定的結(jié)果顯示，氣溶膠中硅含量為2.24 μg/10口。Williams等［7］又采用SEM-EDS對5個預(yù)填充式電子煙的導(dǎo)油繩和導(dǎo)氣管材質(zhì)進行剖析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)油繩主要包含硅、氧元素，導(dǎo)氣管主要包含硅、氧、鈣、鋁和鎂元素，二者材質(zhì)均為玻璃纖維；采用ICP-OES對氣溶膠中硅元素測定的結(jié)果顯示，硅元素含量為0.094～6.835 μg/10口，進而明確了氣溶膠中的硅元素源于導(dǎo)油繩和導(dǎo)氣管。

常見的玻璃纖維包括石棉纖維和人造玻璃纖維［8-9］。石棉纖維是一種天然無機結(jié)晶狀礦物纖維，受外力作用可能沿軸向開裂成更細(xì)的纖維，其直徑一般為0.02～2.00 μm，IARC將此類纖維歸為2B類致癌物（對人類是可能致癌物）［10-11］。人造玻璃纖維為非晶體結(jié)構(gòu)，不能沿軸向開裂成更細(xì)纖維，但此類纖維受力后易斷裂成較短纖維，其直徑一般為5～30 μm［9］，IARC將此類玻璃纖維歸為3類致癌物（即根據(jù)現(xiàn)有的證據(jù)不能對人類致癌性進行分類）［9-11］。

玻璃纖維的物理形態(tài)和幾何尺寸決定其是否具有致癌性［9-11］，但關(guān)于氣溶膠中玻璃纖維的直徑、長度等的測定鮮見報道。因此，采用電子顯微鏡觀察電子煙氣溶膠中玻璃纖維的物理形態(tài)和幾何尺寸，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICP-MS）測定氣溶膠中玻璃纖維的釋放量，并考察電子煙具用玻璃纖維在抽吸過程中的釋放趨勢，旨在為電子煙煙具材料安全性評估提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

15種電子煙樣品，包括4種一次性電子煙（編號：1～4）、4種煙彈式電子煙（編號：5～8）、7種可填充式電子煙（編號：9～15）。

丙二醇、丙三醇、甲醇、異丙醇（色譜級，英國Alfa Aesar公司）；煙堿（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%，陜西港華生物科技有限公司）；二氧化硅標(biāo)準(zhǔn)溶液（100 μg/mL，中國計量科學(xué)研究院）；內(nèi)標(biāo)溶液（Bi、Ge、In、Li、Sc、Tb、Y，10 μg/mL，美國Agilent公司）；水（初始比阻抗值≥18.2 MΩ·cm）；濃硝酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%）、雙氧水（30%）、氫氟酸（40%）（德國EMSURE公司）；干冰（鄭州非凡創(chuàng)新科技公司）。

SM450直線型吸煙機（英國Cerulean公司）；7500a型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（美國Agilent公司）；Mars5型密閉微波消解儀（美國CEM公司）；IX71型熒光倒置顯微鏡（日本Olympus公司）；3-18K型高速離心機（德國Sigma公司）；LC-223型烘箱（上海愛斯佩克環(huán)境設(shè)備有限公司）；G-160型控溫電加熱器（上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司）；AEI63型電子天平（感量：0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）；無濾片夾持器［12］（本課題組研制）。

1.2 方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

標(biāo)準(zhǔn)儲備液：準(zhǔn)確稱量0.328 3 g二氧化硅標(biāo)準(zhǔn)溶液至50 mL塑料（PET）容量瓶中，用5%硝酸溶液定容。標(biāo)準(zhǔn)溶液：分別準(zhǔn)確稱量0、0.352 5、0.707 3、1.686 5、2.734 7、6.360 2、10.460 5和13.954 1 g標(biāo)準(zhǔn)儲備液至50 mL塑料容量瓶中，用5%硝酸溶液定容，搖勻，得到8級標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。

1.2.2 氣溶膠中玻璃纖維的定性分析

電子煙液主要用于可填充式電子煙。采用PAS 54115［5］推薦的評價電子煙具材料的測試電子煙液配方：丙二醇、丙三醇、水、煙堿的體積比為78∶18∶2∶2。配制方法：準(zhǔn)確移取 2 mL 煙堿標(biāo)準(zhǔn)溶液加入100 mL棕色容量瓶中，再加入2 mL水、18 mL丙三醇，最后用丙二醇定容至刻度，搖勻后備用。

參照CORESTA［13］推薦的抽吸模式（抽吸時間3 s，抽吸間隔30 s，抽吸容量55 mL）抽吸200口。采用PAS 54115［5］推薦的甲醇作為捕集液，容量10 mL，將吸收瓶置于異丙醇-干冰冷阱中（-78℃）。抽吸結(jié)束后，用50 mL甲醇沖洗夾持器、連接管和吸收瓶，將捕集液和沖洗液也一并轉(zhuǎn)入離心管中。將離心管置于離心機中，以5 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心10 min，棄上清液，保留2 mL離心液，用于觀察玻璃纖維。參照YC/T 409—2011［14］的方法制備纖維載玻片，并定性分析電子煙氣溶膠中的玻璃纖維。

1.2.3 氣溶膠中玻璃纖維的定量分析

實驗前期對5家國內(nèi)生產(chǎn)規(guī)模較大的電子煙生產(chǎn)企業(yè)進行了現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)市場上銷售的電子煙用導(dǎo)油繩基本為高硅氧玻璃纖維。JC/T 1089—2008［15］規(guī)定 SiO2含量應(yīng)高于 96%。采用ICP-MS測試捕集液中的Si元素，換算得出SiO2含量。不同電子煙中所用玻璃纖維的型號不同，SiO2含量可能有一定差異，但其含量均高于96%，基本上能夠代表玻璃纖維的含量，因此本文中玻璃纖維的含量均以SiO2計。

電子煙的抽吸條件和氣溶膠的捕集方法與1.2.2節(jié)相同。抽吸結(jié)束后，將捕集液轉(zhuǎn)移至微波消解罐中，用50 mL甲醇沖洗夾持器、連接管和吸收瓶，沖洗液也一并移至微波消解罐中。將消解罐轉(zhuǎn)移至控溫電加熱器上，120℃下加熱至甲醇全部蒸干。待黃煙散盡，取下冷卻，向消解罐中加入2 mL 30%過氧化氫和1 mL 40%氫氟酸，按設(shè)定的微波消解程序（表1）進行消解。消解完全后，將消解液轉(zhuǎn)移至容量瓶中，用去離子水沖洗消解罐3～4次，沖洗液一并轉(zhuǎn)入50 mL塑料容量瓶中，定容后取樣進行ICP-MS測定。ICP-MS儀器參數(shù)見表2。待測元素質(zhì)量數(shù)，對應(yīng)內(nèi)標(biāo)元素及積分時間見表3。

2 結(jié)果與討論

2.1 沖洗液的沖洗效率

以50 mL甲醇作為沖洗液，考察其對夾持器、連接管和吸收瓶殘留玻璃纖維的沖洗效率。以5種可填充式電子煙為研究對象，比較了捕集液、第1次沖洗液（50 mL甲醇）和第2次沖洗液（50 mL甲醇）中SiO2的量，結(jié)果見表4。由表4可知：第1次沖洗液中SiO2的量較高，占SiO2總量的11%～20%；第2次沖洗液中SiO2的量較低，占比＜2.0%。這說明以50 mL甲醇作為沖洗液，能夠?qū)A持器、連接管和吸收瓶殘留的大部分玻璃纖維沖洗下來。

2.2 方法評價結(jié)果

選擇最低濃度標(biāo)準(zhǔn)工作溶液（4.75 μg/L）連續(xù)進樣10次，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線計算濃度，并計算測定結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差，以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差作為儀器檢出限，10倍標(biāo)準(zhǔn)偏差作為儀器定量限，結(jié)果見表5。

選取1種可填充式電子煙，進行低、中、高3個濃度水平的加標(biāo)回收率實驗，平行測定6次，計算加標(biāo)回收率及相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD），結(jié)果見表6。由表6可知，SiO2的加標(biāo)回收率在82.0%～102.3%之間，表明方法具有較好的回收率；3個加標(biāo)水平下的RSD分別為3.8%、3.6%和2.7%，說明方法精密度較好。

表1 微波消解程序Tab.1 Program of microwave digestion

表2 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定條件Tab.2 Measurement conditions of inductively coupled plasma mass spectrometry

表4 5個電子煙沖洗液中SiO2釋放量比較Tab.4 Emission of silica in rinsing liquids of five e-cigarettes （μg·30 口-1）

表5 儀器檢出限和定量限Tab.5 Detection limit and quantitative limit of instrument （μg·L-1）

表6 方法回收率及精密度（n=6）Tab.6 Recovery and precision（n=6）

2.3 氣溶膠中玻璃纖維的定性分析

采用顯微鏡觀察法定性分析15種電子煙氣溶膠中的玻璃纖維，代表性形態(tài)見圖1。由圖1可知，氣溶膠中的玻璃纖維是一種連續(xù)的形態(tài)，表面平滑無痕，纖維邊緣互相平行。采用顯微鏡的標(biāo)尺功能，測量其直徑，結(jié)果見圖2。由圖2可知：93%的纖維直徑分布在10.0～30.0 μm之間；纖維的最小直徑為 7.6 μm，最大直徑為28.3 μm，平均直徑為18.5 μm；纖維的長度差異較大。通過對比分析一次性、煙彈式及可填充式3種不同類型的電子煙氣溶膠中的玻璃纖維形態(tài)可知，玻璃纖維不存在明顯的類別差異，從幾何尺寸和物理形態(tài)可以推測其為人造玻璃纖維，屬于IARC定義的3類致癌物［9-11］。

圖1 氣溶膠中玻璃纖維的代表性形態(tài)Fig.1 Microscopic shape of fiber in EC aerosol

圖2 氣溶膠中玻璃纖維的直徑分布Fig.2 Diameter distribution of fiber in EC aerosols

2.4 氣溶膠中玻璃纖維的釋放趨勢

選擇一次性電子煙、煙彈式電子煙和可填充式電子煙各3種，進行10次平行測定，測定結(jié)果見圖3。由圖3可知，同一型號電子煙氣溶膠中SiO2的釋放量差別較大，說明電子煙產(chǎn)生的氣溶膠中玻璃纖維的釋放具有隨機性。

圖3 同一型號電子煙10次平行測定結(jié)果（n=10）Fig.3 Emission of silica for 10 times repeated（n=10）

為進一步驗證電子煙氣溶膠中玻璃纖維釋放具有隨機性，分別選擇一次性電子煙、煙彈式電子煙和可填充式電子煙各3種，每輪抽吸30口（連續(xù)抽吸4輪，共120口），測定每輪抽吸的SiO2釋放量，比較分析4輪抽吸之間的SiO2釋放量差異，結(jié)果見圖4～圖6。可以看出，一次性電子煙、煙彈式電子煙和可填充式電子煙氣溶膠中的玻璃纖維均呈無規(guī)律、隨機釋放。可能的原因：玻璃纖維較脆［9］，其在裝配和制造過程中受外力而斷裂成較短的纖維；電子煙在工作過程中，霧化區(qū)域溫度可高達250℃［16］，加熱絲附近的煙液爆沸，導(dǎo)致玻璃纖維的斷裂，并且玻璃纖維會隨著抽吸作用向氣溶膠中釋放。

圖4 一次性電子煙氣溶膠中玻璃纖維的釋放趨勢Fig.4 Emission pattern of fiber in disposable EC aerosols

圖5 煙彈式電子煙氣溶膠中玻璃纖維的釋放趨勢Fig.5 Emission pattern of fiber in cartomizer EC aerosols

圖6 可填充式電子煙氣溶膠中玻璃纖維的釋放趨勢Fig.6 Emission pattern of fiber in refilled EC aerosols

2.5 實際樣品測定結(jié)果

測定了15種電子煙氣溶膠中SiO2的釋放量，結(jié)果見表7。由表7可知，SiO2的檢出率為100%，釋放量為47～432 μg/200口，平均釋放量為189 μg/200口。

表7 電子煙氣溶膠中SiO2的測定結(jié)果Tab.7 Emission of silica in EC aerosols （μg·200口-1）

3 結(jié)論

建立了電子煙氣溶膠中玻璃纖維的定性定量分析方法。定性方法具有操作簡單、玻璃纖維易于鑒別、結(jié)果準(zhǔn)確度高等優(yōu)點。定量方法具有靈敏度高，準(zhǔn)確性和重復(fù)性較好等優(yōu)點。15種電子煙均釋放了玻璃纖維，其直徑分布在7.6～28.3 μm之間，且長度差異較大。電子煙用玻璃纖維為人造礦物纖維，被IARC歸為3類致癌物。氣溶膠中玻璃纖維的釋放檢出率100%，SiO2釋放量為47～432 μg/200口，且玻璃纖維的釋放規(guī)律與其抽吸口數(shù)無關(guān)，呈現(xiàn)無規(guī)律、隨機釋放的特點。