功率和抽吸容量對(duì)電子煙氣溶膠中重金屬釋放量的影響

朱風(fēng)鵬，姜興益，張洪非，李翔宇，龐永強(qiáng)，馬 濤，羅彥波

國(guó)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(kāi)發(fā)區(qū)翠竹街6 號(hào) 450001

重金屬是電子煙氣溶膠中的一類(lèi)有害物質(zhì)，近年來(lái)日益受到關(guān)注。許多研究者分析了電子煙氣溶膠中重金屬的含量和來(lái)源［1-5］，一些國(guó)家或組織也提出了明確的限量要求［6-8］。電子煙抽吸行為研究表明，電子煙單口抽吸容量分布范圍較大，普遍在50 mL/口以上，最高在 100 mL/口以上［9-13］，電子煙消費(fèi)者實(shí)際抽吸容量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)卷煙消費(fèi)者。在電子煙實(shí)際使用中，大多數(shù)電子煙產(chǎn)品的功率是可調(diào)的。功率對(duì)電子煙氣溶膠中重金屬釋放量的影響已有報(bào)道［14］，但功率和抽吸容量對(duì)電子煙氣溶膠中重金屬釋放量影響的綜合評(píng)價(jià)鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，選用可填充式霧化器和自行配制的電子煙液，研究了不同抽吸容量和工作電壓對(duì)電子煙氣溶膠中重金屬釋放量的綜合影響，旨在為電子煙產(chǎn)品設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器、試劑與材料

電子煙（加熱器具功率可調(diào)，功率分別為30、60 和80 W；電子煙液（按照英國(guó)電子煙標(biāo)準(zhǔn)配制，丙二醇、丙三醇、煙堿和水分別為78%、18%、2%和2%，體積比）［7］。

濃硝酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%，電子級(jí)）、雙氧水（質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，優(yōu)級(jí)純）（德國(guó)Merck公司）；丙二醇（優(yōu)級(jí)純＞99.5%）、丙三醇（優(yōu)級(jí)純＞99%）（美國(guó)Sigma 公司）；元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液（10 mg/L，美國(guó)Agilent 公司）；煙堿（99.6%，國(guó)家煙草質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心）。

7900 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS，美國(guó)Agilent 公司）；SML600E 6 孔道電子煙吸煙機(jī)（合肥眾沃儀器技術(shù)有限公司）；CP225D 電子天平（感量0.000 1 g，德國(guó)Sartorius 公司）；Milli-Q 超純水儀（美國(guó)Millipore 公司）；MarsX-press 型微波消解儀（美國(guó)CEM 公司）。

1.2 方法

1.2.1 電子煙氣溶膠分析

根據(jù)文獻(xiàn)［15］，中國(guó)電子煙消費(fèi)者抽吸容量的均值為87.2 mL，中位值為75.4 mL，因此選取55、75 和85 mL 作為抽吸容量。在不同功率(30、60 和 80 W)和抽吸容量(55、75 和 85 mL)下參照法國(guó)電子煙標(biāo)準(zhǔn)［6］進(jìn)行電子煙抽吸和氣溶膠捕集。具體參數(shù)為：抽吸間隔30 s、抽吸持續(xù)時(shí)間3 s、抽吸口數(shù)20 口、用含有20 mL 10%硝酸溶液(體積分?jǐn)?shù))的兩級(jí)串聯(lián)吸收瓶捕集氣溶膠。捕集液直接用ICP-MS 測(cè)試(兩個(gè)吸收瓶單獨(dú)測(cè)試)。ICP-MS工作參數(shù)：射頻功率1 500 W；載氣為氬氣，流速1.10 mL/min；碰撞氣為氦氣，流速4.50 mL/min。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 18.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)一般線(xiàn)性模型方差分析對(duì)不同功率和容量下氣溶膠中重金屬釋放量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用偏η2值表示因素貢獻(xiàn)的相對(duì)大小，并判定P 值＜0.05 時(shí)具有顯著性差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同功率和不同抽吸容量下氣溶膠中重金屬釋放量

不同功率和不同抽吸容量下氣溶膠中重金屬釋放量結(jié)果見(jiàn)表1。可以看出，氣溶膠中各元素釋放量差異較大，Ni 釋放量較高；Cr 釋放量為7.1～22.3 ng·20 口-1；Ni 釋放量為 5.3～46.3 ng·20 口-1；Cu 釋放量為 7.2～24.3 ng·20 口-1；Pb 釋放量為 2.5～6.0 ng·20 口-1。

表1 電子煙氣溶膠中重金屬釋放量（n=5）①Tab.1 Heavy metal emissions in e-cigarette aerosols（n=5）

2.2 功率和抽吸容量?jī)梢蛩貙?duì)氣溶膠中重金屬釋放量的影響

功率和抽吸容量對(duì)電子煙氣溶膠中重金屬釋放量均有影響，通過(guò)方差分析對(duì)這兩個(gè)因素進(jìn)行了研究。一般線(xiàn)性模型方差分析結(jié)果見(jiàn)表2，檢驗(yàn)結(jié)果中的平方和、均方或者偏η2值均可表示某個(gè)因素貢獻(xiàn)的相對(duì)大小。以Cr 元素為例，功率的貢獻(xiàn)小于抽吸容量的貢獻(xiàn)，兩個(gè)因素的交互作用的貢獻(xiàn)最小，三者對(duì)Cr 釋放量的影響均顯著（P 值＜0.05）；對(duì)于Ni 和 Cu 元素，功率＞抽吸容量＞交互作用，且都有顯著影響；對(duì)于Pb 元素，抽吸容量的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于功率和交互作用的貢獻(xiàn)，功率和交互作用對(duì)Pb 釋放量的影響不顯著。

表2 功率和抽吸容量對(duì)氣溶膠中重金屬釋放量方差分析結(jié)果Tab.2 Variance analysis results of effects of device power and puffing volume on heavy metal emissions in aerosols

2.3 功率對(duì)氣溶膠中重金屬釋放量的影響

抽吸容量相同時(shí)，不同功率對(duì)氣溶膠中重金屬釋放量的影響見(jiàn)圖1。可以看出，抽吸容量為55 mL 時(shí)，氣溶膠中Cr 和Ni 釋放量隨功率升高而增加，Cu 在30 和60 W 時(shí)釋放量基本沒(méi)有差異，但在80 W 時(shí)釋放量明顯增加；抽吸容量為75 mL 時(shí)，氣溶膠中Ni 釋放量規(guī)律和55 mL 相同，但Cr 釋放量在 60 和 80 W 時(shí)基本不變，Cu 釋放量在 80 W 時(shí)明顯升高；抽吸容量為85 mL 時(shí)，氣溶膠中Cr 和Cu 釋放量隨功率升高而增加，當(dāng)功率從30 W 增加到60 W 時(shí)Ni 釋放量有明顯升高，在80 W 時(shí)有所降低，Ni 釋放量降低的原因有待進(jìn)一步研究。Zhao 等［14］研究結(jié)果中兩種可填充式霧化器(文獻(xiàn)中編號(hào)OD1，可調(diào)功率20、40 和80 W；編號(hào)OD2，可調(diào)功率40、120 和 200 W；OD1 的 Ni 釋放量分別為 8、768、277 μg/kg，OD2 的 Ni 釋放量分別為 863、2 491、789 μg/kg)的Ni 釋放趨勢(shì)和本研究結(jié)果一致。Pb釋放量在不同功率下都基本保持不變。韓書(shū)磊等［16］的研究中，對(duì)于可填充式電子煙，加熱絲成分中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Pb，而煙液接觸金屬材料中存在Pb，本文中所用的霧化器是其中的一種，故此推測(cè)氣溶膠中Pb 可能是由煙液接觸的金屬材料中遷移而來(lái)。

圖1 功率對(duì)氣溶膠中重金屬釋放量的影響Fig.1 Effects of device power on heavy metal emissions in aerosols

不同功率下氣溶膠中重金屬釋放量差異性分析結(jié)果見(jiàn)表3。功率對(duì)氣溶膠中Cr、Ni 和Cu 釋放量均有顯著影響，對(duì)Pb 釋放量沒(méi)有顯著影響。Zhao 等［14］研究結(jié)果表明：對(duì)一種可填充式電子煙霧化器(文獻(xiàn)中編號(hào) OD2)，功率對(duì) Ni、Pb 和 Cu 均無(wú)顯著性影響，Cr 在40 和200 W 之間無(wú)顯著差異，40 和 120 W 及 120 和 200 W 之間有顯著差異；另一種可填充式電子煙霧化器(文獻(xiàn)中編號(hào)OD1)，40 和 80 W 之間對(duì) Cr、Cu 和 Ni 無(wú)顯著影響，其他功率之間 4 種元素(Ni、Pb、Cr 和 Cu)均有顯著差異。說(shuō)明對(duì)不同的可填充式電子煙霧化器，功率對(duì)氣溶膠中重金屬釋放量影響也不完全相同。

表3 不同功率對(duì)氣溶膠中重金屬釋放量LSD 多重比較結(jié)果Tab.3 Multiple comparison results of heavy metal emissions in aerosols at different device powers

2.4 抽吸容量對(duì)氣溶膠中重金屬釋放量的影響

功率相同時(shí)，不同抽吸容量對(duì)氣溶膠中重金屬釋放量的影響見(jiàn)圖2。可以看出，當(dāng)電子煙功率在 60 和 80 W 時(shí)，Ni 釋放量高于 Cr、Cu 和 Pb。在30 W 時(shí)，氣溶膠中Cr 元素釋放量隨抽吸容量升高而增加，抽吸容量從 55 mL 到 75 mL 時(shí)，Ni、Cu 和Pb 釋放量基本不變，但85 mL 時(shí)明顯升高；在60 W 時(shí)，Cr、Ni、Cu 和 Pb 釋放量隨抽吸容量的變化規(guī)律和30 W 時(shí)基本一致，但在85 mL 時(shí)Ni 釋放量顯著升高；在80 W 時(shí)，Ni 釋放量隨抽吸容量升高而增加，抽吸容量達(dá)到75 mL 后Cu 釋放量保持不變，Pb 隨抽吸容量升高而略有增加。

隨著功率增加，金屬元素更易溶出。相同功率下，抽吸容量的增加使得溶出的元素更多地轉(zhuǎn)移到氣溶膠中。因此在相同功率下，氣溶膠中各元素釋放量都隨抽吸容量增加呈增加趨勢(shì)。電子煙加熱絲以鉻鎳合金為主（Cr 和Ni 分別約占20%和80%，質(zhì)量比），不同可填充式電子煙煙液接觸材料中Cu 元素占比不同（0.55%～63.60%，質(zhì)量比）［16］，推測(cè)高抽吸容量有利于加熱絲和煙液接觸材料溶出的Cr、Ni 和Cu 轉(zhuǎn)移到氣溶膠中。由于Pb 元素在加熱絲和煙液接觸材料中占比均較低，所以氣溶膠中Pb 釋放量變化不明顯。

圖2 抽吸容量對(duì)氣溶膠中重金屬釋放量的影響Fig.2 Effects of puffing volume on heavy metal emissions in aerosols

不同抽吸容量下氣溶膠中重金屬釋放量差異性分析結(jié)果見(jiàn)表4。抽吸容量對(duì)氣溶膠中Cr、Cu和Pb 元素釋放量有顯著影響，抽吸容量低于75 mL 時(shí)對(duì)Ni 釋放量影響不顯著，大于75 mL 時(shí)對(duì)Ni 釋放量有顯著影響。

表4 不同抽吸容量對(duì)氣溶膠中重金屬釋放量LSD 法多重比較結(jié)果Tab.4 Multiple comparison results of heavy metal emissions in aerosols at different puffing volumes

3 結(jié)論

以可填充式電子煙為對(duì)象，研究了功率和抽吸容量對(duì)電子煙氣溶膠中重金屬釋放量的影響。結(jié)果表明：電子煙氣溶膠中Cr、Ni 和Cu 元素的釋放量隨著功率升高而增加，功率對(duì)氣溶膠中Cr、Ni和Cu 元素的釋放量均有顯著影響；不同功率下Pb元素釋放量基本保持不變，功率對(duì)氣溶膠中Pb 元素釋放量沒(méi)有顯著影響；抽吸容量增加使Cr、Ni和Cu 元素更易轉(zhuǎn)移到氣溶膠中，抽吸容量對(duì)氣溶膠中Cr、Cu 和Pb 元素的釋放量均有顯著影響；抽吸容量在75 mL 以下時(shí)，抽吸容量對(duì)Ni 釋放量影響不顯著，大于75 mL 時(shí)對(duì)Ni 釋放量有顯著影響；功率對(duì)氣溶膠中Ni 和Cu 元素釋放量貢獻(xiàn)大于抽吸容量，功率對(duì)氣溶膠中Cr 和Pb 元素釋放量貢獻(xiàn)小于抽吸容量。