煙草揮發性有機物的高效采樣分析技術研究進展

吳嘉慧,王 予，潘曉薇，賴燕華,韓 冰，陶 紅，張卓旻,李攻科

(1.中山大學 化學學院，廣東 廣州 510275；2.廣東中煙工業有限責任公司技術中心，廣東 廣州 510385)

煙草揮發性有機物(Volatile organic compounds,VOCs)主要來源包括：煙草自身釋放的VOCs、加入的香精香料及輔料成分。不同產地、不同生產工藝、不同香型的煙草VOCs化學組成和比例的不同，決定了煙草產品的風格特征和品質。如2,3,5-三甲基吡嗪是白肋煙的特征嗅香成分，給使用者帶來香甜的感受；乙醛和吡啶分別是刺鼻而辛辣和甜的口感[1-2]。目前發現的煙草VOCs種類多達數千種[3]，且隨著采樣技術的進步而不斷增多。煙草及煙草產品VOCs的高效采樣分析研究，可為煙草產品的質量控制、調香工藝提升、降焦減害等方面提供有力的技術支持和數據基礎。但目前煙草VOCs的感官評價主要依賴于文獻知識和人工嗅感分析，主觀性強、耗時長，且準確度不佳，因此發展高效、準確的煙草VOCs采樣技術具有重要意義。

煙草VOCs含量低、組成復雜、揮發性強，難以捕集，加之煙草及煙草產品基體復雜，因此高效采樣煙草VOCs并結合適當的檢測技術進行分析是分析化學領域的一大挑戰。煙草VOCs主要的分析技術是采用氣相色譜(Gas chromatography,GC)[4]和液相色譜(Liquid chromatography,LC)[5]等色譜技術結合火焰離子化檢測器(Flame ionization detector,FID)[6]、氮磷檢測器(Nitrogen phosphorus detector,NPD)[7]、質譜(Mass spectrometric detector,MS)[8]、紫外檢測(Ultraviolet detection,UV)[9]、氣體傳感器[10]等檢測器進行分析。質譜作為通用型檢測器，兼具定性定量功能，分析靈敏度高、準確度好。1990年代初期，氣相色譜-質譜聯用(Gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)技術的發展大大促進了煙草VOCs分析方法的發展。但煙草本身吸附能力較強，煙草VOCs成分復雜，極性范圍廣且含量較低，結合高效采樣技術對煙草VOCs進行分離富集[11]是提高煙草VOCs分析靈敏度和準確度的關鍵前提。目前煙草VOCs的常規前處理方法有同時蒸餾萃取、直接溶劑提取、吸附熱脫附法等，但這些方法都具有一定局限性，如同時蒸餾萃取法較長的加熱過程易造成熱敏組分分解或發生副反應[12]；直接溶劑提取法大量使用有機溶劑，且萃取效率不高；吸附熱脫附法加熱過程中容易導致副反應和焦炭化[13]。理想的煙草VOCs采樣技術應具有良好的選擇性及富集容量，同時適合于多元采樣場景的實際應用。因此研發針對煙草VOCs的高選擇性、高富集容量采樣介質，并采用合適的方法將其固載為具有較強適用性的高效采樣技術，是提高煙草VOCs采樣效率的關鍵所在。本文將綜述近年來煙草VOCs分離富集介質及相關采樣方法的研究進展，并對煙草VOCs分析技術在煙草產品質量控制等方面的實際應用情況進行總結。

1 煙草揮發性有機物的高效分離富集介質

分離富集介質是研發高效煙草VOCs采樣技術的核心，通常采用多孔結構或比表面積較大的高分子材料對目標VOCs進行吸附富集。傳統的煙草VOCs富集介質主要包括Tenax[14]、碳分子篩[15]、劍橋濾片[16]等，這些傳統介質缺少與目標物結構匹配的孔洞及極性，常以范德華力進行物理吸附，基質效應明顯，用于復雜煙草VOCs采樣時，富集容量有限、選擇性不高，抗干擾能力及分離富集效果不佳。近年來隨著材料科學的發展，石墨烯及其復合材料、硅基材料、磁性富集材料、聚合物納米絲、離子液體等新型VOCs分離富集介質(表1)的出現極大地提高了煙草VOCs的分離富集效率，并增強了與后續分析儀器聯用的便利性，有效拓展了應用范圍。

表1 煙草VOCs高效分離富集介質的對比Table 1 Comparison of efficient separation-enrichment media for tobacco VOCs

1.1 石墨烯及其復合材料

G和GO的sp2結構使其對TSNAs、PAHs等共軛化合物具有出色的π-π親和力，但G和GO在煙草VOCs中醛、酮等不飽和化合物富集方面的研究仍有很大提升空間。目前G和GO多通過Hummers法[26]及改良的Hummers法[27]合成，合成過程中需使用到KMnO4和濃H2SO4，可能產生NO2、N2O4等有害氣體，且合成過程較為復雜。綠色溫和的石墨烯及其復合富集介質合成方法，將是未來一段時間的研究熱點。

1.2 硅基材料

Si作為14號碳族無機元素，最外層的4個價電子使其處于亞穩態，可與多種元素形成穩定共價化合物，硅膠表面的硅羥基與烷基發生硅烷化作用，可固定較長的脂鏈而形成一系列硅基吸附劑。非極性鍵合相十八烷基硅膠(Octadecylsilica,ODS或C18)是最受歡迎的硅基介質，可與TSNAs[28-29]和PAHs[30]等化合物產生較強的范德華相互作用，對煙草VOCs表現出良好的吸附選擇性。Fujioka等[31]用磷酸鹽緩沖液吸收主流煙氣，再分別以巰乙胺、1，2-苯二胺和N-甲基肼將單羰基、二羰基和不飽和羰基化合物衍生化為噻唑烷、吡唑和吡唑啉類含氮化合物，并以C18固相萃取柱高效富集主流煙氣中的甲醛、丙二醛等6種羰基衍生物，結合SPE/GC-NPD對衍生物進行定量分析。該方法選擇性好、靈敏度高，適用于煙氣中含羰基VOCs的高效采樣分析。Zhang等[29]聯用丙磺酸陽離子交換SPE柱和C18反相SPE柱兩種硅膠基質萃取柱在線富集煙氣吸收液中的TSNAs，結合全自動二維在線LC-MS/MS技術分析了煙氣中的TSNAs，該方法可有效減少樣品用量，同時相連的SPE柱消除了不同極性物質的干擾，檢出限為0.2～1.0 pg/支，與離線SPE方法獲得的靈敏度相當。SiO2具有良好的化學穩定性、熱穩定性和機械特性，可作為富集介質的載體，常見載體形態主要包括纖維狀及塊狀載體。纖維狀SiO2介質是最常見的SPME涂層載體，但其脆性高、易斷裂，導致傳統SPME纖維使用壽命較短。塊狀SiO2介質具有無定性形狀和光滑表面，且比表面積大，具有出色的富集性能，同時避免了纖維易斷裂的缺點，可有效提升硅基富集介質的耐久性，降低分析成本。Luo等[32]將塊狀玻璃料(SiO2)與伯仲胺(Primary secondary amine,PSA)固定成塊狀SiO2/PSA，并作為SPE萃取劑固定于移液槍頭尖端，對吸收了香煙主流煙氣的乙酸乙酯溶液進行凈化預處理，結合在線凝膠滲透色譜/GC-MS/MS同時測定了煙草煙霧中的PAHs和TSNAs，檢出限為0.01～0.23 ng/支，處理后基質干擾明顯減少。碳化硅(SiC)是另一類新型硅基化合物，具有低熱膨脹系數、優異耐腐蝕、抗氧化和高強度的優點，廣泛應用于氣體吸附采樣領域。Tian等[33]將納米SiC作為SPME涂層直接涂覆于不銹鋼絲上，結合GC-MS技術測定了煙灰水溶液中的10種PAHs，檢出限為0.003～0.030 μg/L。SiC涂層具有大量孔結構和凸面，大大增加了比表面積，表現出優良的萃取性能，萃取效果優于商用PDMS涂層。

硅基材料因其較好的吸附容量及機械性能，正逐漸成為煙草VOCs的新型高效富集基質，但其表面較難進行化學修飾，限制了萃取選擇性能的提升。研制表面易修飾基團、比表面及孔洞可控的硅基介質，并應用于煙草VOCs的富集采樣，將是未來的研究熱點。

1.3 磁性富集材料

磁性固相材料是MSPE技術的核心，一般由鐵礦物和超順磁性氧化鐵組成，如磁鐵礦(Fe3O4)[34]和磁赤鐵礦(γ-Fe2O3)[35]。磁性介孔二氧化硅微球一般采用共沉淀法和溶膠-凝膠法以介孔二氧化硅殼包裹磁性Fe3O4納米核進行合成，納米級尺寸及表面豐富的C18基團使其具有良好的磁分離富集性能，可在外磁場作用下輕松實現分離、富集一體化過程。Huang等[36]以Fe3O4為磁性微球，十六烷基三甲基溴化銨為模板，與原硅酸四乙酯和苯基三乙氧基硅烷共縮合，制備了具有苯基化核殼結構的Fe3O4@mSiO2磁性微球，用于富集煙草主流煙氣中衍生化處理后的乙醛，結合GC-MS測定了煙氣中的乙醛含量，方法檢出限為0.04 mg/mL(圖1)。在6次循環后該微球對乙醛衍生物的富集效率仍可達75%。在磁性固相材料表面包覆或原位固載有機聚合物進行表面官能團修飾，可有效提升磁性固相材料的富集選擇性。陳嘉彬等[37]先后加入Fe3O4、四乙基原硅酸鹽、甲基丙烯酸(MMA)、引發劑偶氮二異丁腈和交聯劑三羥甲基丙烷三丙烯酸酯，制備了Fe3O4@SiO2@MAA磁性固相萃取劑，在酸性條件下，其表面的羧基與煙氣乙酸銨水溶液中陽離子形式的TSNAs發生陽離子交換作用從而實現萃取。結合HPLC-MS/MS方法測定了N-亞硝基降煙堿等4種TSNAs，檢出限為0.03～0.14 μg/L。具有配位鍵的化合物也可對磁性固相材料進行功能化。油酸(Oleic acid,OA)作為長鏈脂肪酸，其羧基(—COO—)可與Fe3O4表面的鐵原子配位，而長脂鏈使OA具有較好的親脂性，有利于提高磁性富集介質對弱極性VOCs的富集選擇性。Feng等[38]采用油酸與Fe3O4在水溶液中一步法合成了Fe3O4-OA，并作為MSPE吸附劑結合HPLC/熒光檢測法直接測定了香煙煙霧萃取物中的苯并[a]芘，檢出限為0.12 ng/mL。

圖1 功能性磁介孔微球在煙氣采樣富集過程中的應用[36]Fig.1 The application of functional magnetic mesoporous micro-spheres for sampling and enriching cigarette gas[36]

以Fe3O4為中心的磁性吸附介質是MSPE技術的核心，在外磁場的作用下可輕松分離目標物與基質，使用便利，可有效避免采樣富集過程的交叉污染，穩定性好、富集容量較高，在大通量煙草VOCs分析中發揮著重要作用。目前磁性固相介質常通過共沉淀法和溶膠-凝膠法在合成過程中同時實現磁性介質的表面修飾，以改善介質的富集選擇性，并進一步提高其理化穩定性和壽命。

1.4 聚合物納米絲

聚合物納米絲是一類具有松散結構及相互連接纖維網絡的固相吸附介質，具有良好的化學和機械穩定性及較大的比表面積，目前已應用于煙草VOCs的高效分離富集。調控聚合物單體結構可實現納米絲介質的表面改性，提升聚合物納米絲富集介質的選擇性。聚合物納米絲有多種制備技術，最常使用的是電紡絲技術，即聚合物溶液在高電場作用下分散形成微米到納米尺寸纖維，通過針尖或噴嘴在接收平面上形成超細纖維，填入管內構成SPE柱或保持2D膜狀結構[39]。納米絲的富集效率與其表面/體積比直接相關。Guo等[40]使用聚苯乙烯(Polystyrene,PS)制備納米絲SPE纖維，同時加入具有活性羥基的聚甲基丙烯酸甲酯及聚(三聚氰胺-脲-甲醛)溶膠-凝膠增加納米纖維的吸附位點，結合GC-MS成功采集并分析了卷煙主流煙氣中的尼古丁含量，其RSD為3.6%～5.3%，表明加入含羥基的電紡絲可有效提高尼古丁的吸附效率。將聚合物納米絲制成纖維膜可同時保留絲狀材料特性并增強富集介質的機械強度，再輔以調控膜孔徑等步驟，可進一步提高納米絲纖維膜的富集選擇性。申素素等[41]采用靜電紡絲技術以聚丙烯腈(Polyacrylonitrile,PAN)和二氧化硅制備PAN-SiO2納米絲纖維復合膜，刺狀結構的SiO2阻滯擴散到纖維膜表面的氣體，延長了纖維膜與氣體的接觸時間，提高了富集效率。該富集介質被成功應用于香煙煙氣VOCs的采樣(圖2)。結合高分辨率質譜儀進行檢測，正離子模式下可檢測到尼古丁、丙酮和苯乙烯等21種煙氣VOCs；負離子模式下可檢測到水楊酸、蘋果酸和乳酸等6種有機酸VOCs，尼古丁的檢出限為0.071 ng/L，RSD為0.06%～0.58%。

圖2 納米絲纖維膜香煙煙氣富集裝置示意圖[41]Fig.2 PAN-SiO2 nanofibrous membrane based sampling device for burning cigarette VOCs[41]

聚合物納米絲在煙草VOCs采樣過程中表現出極好的富集性能，改變靜電紡絲過程的電壓、紡絲液組成和濃度，加入適當功能化配體可實現納米絲的機械特性調控及富集性能提升。隨著更多種類聚合物納米絲介質的研發及制絲方式的革新，聚合物納米絲將成為重要的煙草VOCs高效富集介質。

1.5 離子液體

由于組成ILs的陽離子常具有π電子結構，目前在煙草VOCs分析中，ILs多用于萃取能產生強π-π相互作用的PAHs，目標物種類有待拓展。另外，研發綠色環保、穩定高效的固載方法，提高ILs介質采樣的便利性和使用壽命也將是未來的熱點研究方向。

2 煙草揮發性有機物的高效采樣技術

將高效富集介質結合相應的固載技術，并根據煙草VOCs的采樣特點，研發高效采樣技術，是富集介質實際應用于煙草VOCs高效采樣及高靈敏分析的重要前提。近年來，煙草VOCs采樣技術朝著高效環保、微型便攜等方向發展，發展了以QuEChERS技術、SPME技術、液相微萃取技術、頂空萃取技術、全量空氣采樣技術等為代表的系列煙草VOCs高效采樣技術，有效提高了煙草VOCs采樣效率、便利性及準確度，各方法的優缺點歸納見表2。

表2 煙草VOCs高效樣品前處理方法對比Table 2 Comparison of the sample pretreatment methods for tobacco VOCs

2.1 QuEChERS技術

QuEChERS方法是一種分散固相萃取技術，一般指采用少量乙腈等有機溶劑提取樣品，以MgSO4等無機鹽進行鹽析和相分離的前處理技術。QuEChERS方法主要包括溶劑微量萃取和分散固相微萃取凈化過程，具有快速、簡單、價廉、有效、牢固和安全的優點[46]，目前已應用于強極性煙草VOCs的富集采樣。Demirci等[47]以乙腈萃取香煙濾嘴，再以非極性聚苯乙烯型離子交換樹脂(XAD-4)作為SPE吸附劑純化萃取液，結合HPLC/UV測定了香煙濾嘴焦油中的苯酚，方法檢出限為2.17 μg/支，回收率接近100%，前處理過程簡單、靈敏度好、準確度高。Li等[48]采用1∶4的甲醇和二氯甲烷混合液代替傳統乙腈溶劑，建立了QuEChERS/GC-MS聯用測定煙草中生物堿的方法。該改良的QuEChERS方法可同時檢測煙草和煙草制品中的尼古丁等9種生物堿，檢出限為0.006 5～0.150 9 μg/g，回收率為89%～108%。QuEChERS方法靈活性強，改變萃取溶劑、無機鹽等條件仍可獲得高回收率，可快速消除基質干擾，可選擇目標物多，但無機鹽稱取、鹽析時的搖晃操作及離心步驟限制了其自動化發展。

2.2 固相微萃取及其改進技術

SPME技術是Pawliszyn在20世紀90年代研發的一種采樣技術，通過固載于萃取纖維表面的微量涂層介質對樣品進行萃取，完成萃取后可直接將萃取纖維涂層插入GC的進樣口熱解吸進樣分析。SPME技術集樣品分離富集及進樣于一體，具有操作簡單、分析時間短、樣品需要量少、幾乎不使用有機溶劑等優點，易實現自動化，相較于SPE技術具有更好的分離富集效率。SPME技術的萃取操作有3種模式：(1)直接SPME法：將SPME萃取纖維浸入樣品中進行萃取，適用于較潔凈的液體樣品[49]；(2)頂空SPME法：將SPME纖維置于樣品頂空相中進行萃取，多用于復雜基體樣品的采樣[50]；(3)膜保護SPME法：以多孔膜保護SPME涂層進行萃取的方式，受基質影響小，具有非常強的抗干擾能力[51]。煙草VOCs主要采用頂空SPME法進行采樣分析，采樣時萃取頭不與基質直接接觸[52]，可有效避免基質干擾。劉嘉莉等[53]比較了聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯(PDMS/DVB)、碳分子篩(CAR)/PDMS、PDMS 3種商用SPME萃取涂層富集主流煙氣中重要香味成分的效率，結果表明CAR/PDMS涂層的富集效率明顯高于其他兩種涂層，此方法還被應用于探究香煙抽吸口序與香煙煙氣成分逐口釋放量的關聯。Demirci[54]采用乙腈萃取卷煙濾嘴焦油中的PAHs，再采用PDMS萃取頭進行富集采樣，結合HPLC/UV測定了焦油中的6種PAHs，檢出限為0.17～5.02 ng/mL，方法靈敏度高、速度快。除商用SPME萃取涂層外，研究者們還制備了多種選擇性好、富集容量高的涂層，用于煙草VOCs的高效采樣。Ghiasvand等[55]制備了薄膜化的磺化石墨烯-聚苯胺納米復合材料，通過電泳沉積方法將材料固載于表面鍍鉑的不銹鋼絲上，建立了真空輔助頂空SPME/GC-FID測定煙草和頭發樣品中尼古丁的分析方法，方法檢出限為0.002 μg/g，該磺化石墨烯復合涂層對于極性和中等極性的煙草VOCs表現出良好的選擇性和更高的采樣效率。通過引入真空[55]、微波[56]和超聲-微波聯用[57]等技術可有效提高SPME采樣過程的傳質和采樣效率，促進目標物與基質分離。Sha等[56]在微波輔助下采用聚乙二醇(CW)/DVB等5種商用SPME萃取涂層頂空富集香煙隔墊中的苯酚，并結合GC-MS方法進行測定，檢出限為0.5 ng/mL，微波處理60 s即可使苯酚充分揮發，結果表明微波輔助技術可有效縮短采樣時間，提高萃取效率。

SPME萃取效率高，但傳統纖維式SPME涂層體積微小，富集容量不高，在復雜樣品富集采集過程中可能存在信息丟失現象。針捕集(Needle trap,NT)、攪拌棒吸附萃取(Stir bar sorptive extraction,SBSE)是SPME技術的拓展，可有效增大涂層體積，提高萃取容量，更適用于現場采樣。Li等[48]采用Carboxen 1000為富集介質，研究了NT技術采集氣溶膠樣品過程中樣品粒徑范圍對捕集效率的影響，李遠根等[58]采用以Carboxen 1000為富集介質的閉路循環動態NT技術富集煙草VOCs，結合GC-MS分析了卷煙煙絲中的有機酸、酯、醛、醇等45種化合物，通過比較檢出的VOCs數量和總峰面積，發現NT技術的靈敏度、重復性均優于SPME，更適于卷煙煙絲VOCs分析。SBSE技術是在90年代末出現的一種微萃取技術[59]，通過攪拌液體樣品促進分析物向涂層傳質實現富集。SBSE與SPME萃取機理非常相似，但攪拌棒“Twister”涂層的涂層膜厚度(商品化攪拌棒多為mm級)遠高于SPME涂層(多數為μm級)，使用的吸附介質量比SPME高50～250倍左右，具有比SPME更小的相比，有效提高了富集容量，表現出更好的靈敏度和重現性[60]。目前，SBSE技術在煙草VOCs分析中也有較多應用。Hou等[61]采用PDMS攪拌棒富集香煙香精中的香味成分，以熱脫附-冷進樣系統(Thermal desorption-cold injection system,TD-CIS)脫附目標物，結合GC-MS鑒別出30種VOCs，平均RSD小于10%。劉汗青等[62]也采用PDMS攪拌棒建立了SBSE/TD-GC-MS分析煙草揮發性和半揮發性表香成分的方法，鑒定出27種成分，結果表明該方法具有較高的準確度和較好的重現性，可作為煙草香精香料的質量監控方法。Kaur等[63]建立了頂空SBSE/TD-GC-MS半定量測定稀釋于室內空氣的香煙煙霧中的16種VOCs的分析方法，發現吸附在SBSE上的VOCs在40 min內自發性解吸損失量達到19%～31%，因此需要在采樣后10 min內將SBSE盡快轉移至TD系統進行解吸分析，以保證方法的重現性和準確性。

目前，SPME及其相關技術已廣泛應用于煙草VOCs的采樣富集，但是商用涂層種類有限，且選擇性不高，研發適用于煙草VOCs的機械強度好、選擇性和富集容量高的涂層，依然是該領域方興未艾的研究熱點。

2.3 改進型液相萃取技術

傳統液液萃取采用溶劑萃取分離待測組分和基質，含有待測物的萃取劑可直接進入GC、HPLC等儀器進行分析。液液萃取一般需要使用較大量的有機溶劑，對環境和分析人員健康具有潛在風險，同時由于煙草基體極為復雜，萃取液與樣品直接接觸易引入基體物質，產生基體干擾。因此，目前許多研究致力于開發有機溶劑使用量少、萃取效率高的改進型液相萃取技術。付秋娟等[64]以5 mL乙酸乙酯萃取0.1 g煙草粉末樣品，結合UPLC/UV方法測定了煙草中西柏三烯二醇的兩種異構體，檢出限分別為0.116 6、0.149 5 μg/mL，提取過程僅需10 min，與現行標準YC/T 470-2013[65]相比，萃取等量樣品所需的有機溶劑量可減少一半。索氏提取法通過虹吸作用使樣品反復與新鮮的萃取劑接觸，促進傳質平衡，且浸出目標物后不必過濾，也是一種改進型的液相萃取法。但索氏提取法提取時間長、溫度高，易導致熱敏性目標物的分解[66]。申欽鵬等[67]設計了一種帶硅膠柱層析凈化功能的索氏提取裝置，串聯溶劑提取、固相萃取凈化和濃縮步驟，縮短了提取時間，減少了雜質干擾，以50 mL己烷-乙醇(99∶1)萃取捕集卷煙主流煙氣后的劍橋濾片，結合GC-MS測定了其中的苯并[a]芘，檢出限為0.12 ng/支。加壓溶劑萃取(Pressurized liquid extraction,PLE)是一種在高溫高壓條件下采用少量有機溶劑對樣品進行萃取的改進型液相萃取技術，高溫高壓可降低溶劑粘度，便于溶劑浸潤樣品，溶出目標物，有效促進目標物從基質到萃取劑的傳質過程，提高萃取效率[68]。Ramirez等[69]采用PLE方法萃取吸煙和非吸煙家庭房屋中的灰塵樣品，并結合二維氣相色譜/氮化學發光檢測器，分析了室內灰塵樣品中包括尼古丁、N-亞硝胺和TSNAs等在內的15種含氮化合物，檢出限為2.5～15.8 ng/g。

2.4 液相微萃取技術

傳統液相萃取技術使用大量的有機溶劑，易造成污染。液相微萃取是液相萃取的改進方法，采用特定負載技術將100 μL或更少體積的溶劑固載成萃取相，用于分離富集痕量目標物。目前，液相微萃取已發展出多種形式，包括中空纖維液相微萃取、分散液-液微萃取等方法。中空纖維液相微萃取(Hollow fiber-liquid phase microextraction,HF-LPME)是一種膜液相微萃取方法，聚合物膜多為多孔膜，膜層卷曲呈棒狀搭載在針尖上，萃取溶劑裝載于棒的內腔體和多孔壁上，膜層與樣品相接觸后快速萃取目標物，表現出高的萃取回收率和抗干擾能力[70]。Esrafili等[71]使用聚丙烯中空纖維，建立了自動在線HF-LPME/HPLC-UV方法，測定了香煙煙氣中的吡啶類化合物，檢出限為0.5～1.0 μg/L，該方法的RSD小于6.3%，表現出優異的重現性。分散液-液微萃取(Dispersive liquid-liquid microextraction,DLLME)是指將適當的萃取劑和分散劑混合物快速注入樣品水溶液中，形成混濁溶液，萃取溶劑液滴與樣品溶液充分接觸，快速達到萃取平衡的一種液相微萃取方法。Tabrizi等[72]將卷煙煙霧先后以H2SO4和抗壞血酸溶液捕集，加入2,4-二硝基苯肼(2,4-Dinitrophenylhydrazine,DNPH)，在沸水浴中加熱衍生化后以CCl4為萃取溶劑，乙醇為分散溶劑，采用DLLME/HPLC-UV聯用方法測定了卷煙煙霧中的苯甲醛、丁醛和糠醛，檢出限為7.92～21.3 μg/L，回收率為88.0%～109%。Cai等[73]采用原位乙酰化和DLLME/GC-MS聯用法測定了煙草主流煙氣中的32種酚，檢出限為1.12～1.74 ng/支。液相微萃取技術大大減少了有機溶劑的用量，但是所使用的萃取溶劑種類有限，選擇性和容量均有待提高，研發高選擇性、高富集容量的微萃取溶劑將會是未來一段時間的熱點。

2.5 頂空萃取技術

頂空法(Headspace,HS)是將樣品在密閉容器中加熱到一定溫度，采集容器中的氣體后直接分析樣品中揮發性成分的方法，無需使用有機溶劑，減少了非揮發性基質引起的干擾，是一種高效的氣體樣品前處理技術[74]。HS分為靜態頂空技術(Static headspace,SHS)和動態頂空技術(Dynamic headspace,DHS)。SHS基于樣品氣相與基質間的分配平衡，易實現自動化[75-76]。香煙煙氣含有多種頂空成分，揮發性的VOCs可直接通入HS/GC-MS儀器進行分析，操作簡便，能實現大量煙葉原料的快速分析，避免了繁瑣的前處理過程。Zhang等[77]在低于-70 ℃的干冰/異丙醇浴中以甲醇吸收煙草主流煙氣，提取其中的醛類物質，加熱吸收瓶后采用SHS/GC-MS法分析卷煙主流煙氣中乙醛等4種醛類物質，檢出限為0.014～0.12 μg/支，甲醇中的醛類化合物可在8 h內保持較好穩定性，該方法靈敏度高。羅熹等[78]采用SHS/GC-MS法測定了煙用絲束中丙酮的殘留量，研究了試樣質量對響應面積和分配系數的影響，為煙絲的質量安全提供了技術支持。煙絲燃燒程度不同也會影響SHS技術的準確度，趙輝等[79]采用紅外鏡面反射爐模擬卷煙的燃燒過程，快速升溫至900 ℃使煙絲燃燒完全，結合SHS/GC-MS測定了煙葉煙氣中的VOCs，判斷出不同煙葉部位的感官質量差異。該方法可有效減小分析誤差。

DHS也稱為吹掃捕集法，是指將氮氣等惰性載氣連續通過樣品，將VOCs富集在介質中或捕集在冷阱中以進行分析測定的一種非平衡態連續萃取方法，自1974年Bellar與Lichtcnberg首次提出以來，在環境監測、食品檢驗、煙草成分分析等領域廣為應用。與SHS相比，DHS對沸點低于200 ℃的疏水性VOCs具有更高的富集效率，但使用后需要及時清潔玻璃器皿。Brokl等[80]結合二維氣相色譜-飛行時間質譜法，將DHS與甲醇溶劑萃取法進行對比，發現DHS可富集到近1 800種煙草半揮發性化合物，比溶劑萃取法多了一倍左右，若兩種方法結合互補可測定出近2 500種化合物，證明DHS在煙草VOCs分離富集中具有明顯優勢。張麗等[81]比較了DHS、SHS和SPME法對煙草嗅香成分的富集效率，發現DHS能夠測定出更多種煙草嗅香成分，測定結果涵蓋的沸點范圍更廣。

2.6 全量氣體采樣技術

以氣體樣品袋、玻璃容器和不銹鋼采樣罐為捕集容器，通過輔助氣泵進行采樣的全量氣體采樣法是高通量采集氣體樣品的常用方法，采集后的樣品保存方便。氣體采樣袋多為高聚物塑料袋，制作方便、價格低廉、可自由控制容量，適合高通量煙草VOCs采樣分析研究，但需要嚴格控制操作以保證結果的重復性。鄭賽晶等[82]以Tedler采樣氣袋捕集了20支卷煙主流煙氣的氣相成分，結合TD/GC-MS方法鑒定出煙氣中的67種成分，并通過控制載氣流速、恒流時間和捕集完全率解決了采樣體積的重復性問題，檢出限為0.42～42.8 ng，實際樣品的RSD大都小于10%。楊麗莉等[83]以硅烷化處理的SUMMA罐負壓采集密閉吸煙室內的空氣，對室內殘余煙氣進行分析，發現烷烴、烯烴類VOCs含量最高，苯系物、氯代苯、鹵代烴等毒性大的VOCs檢出率較高。

全量氣體采樣法的優勢在于高通量采樣，避免了SPE、SPME吸附劑在分析高濃度化合物時易穿透損失的缺點，但高濃度VOCs可能超過捕集裝置的采樣容量，從而引起采樣誤差。此外，相較于液體、固體樣品，流動的氣體樣品可控程度下降也可能影響分析結果重現性。目前全量氣體采樣法多用于大通量煙氣采樣，未來可進一步應用于側流煙氣、燃燒不完全嗅香成分的分析研究。

3 煙草揮發性有機物分析的應用研究

煙草VOCs準確的分析檢測結果不僅可為煙草風味品牌設計提供客觀的質控數據支撐，也可為目前煙草科學領域的熱點問題——“降焦減害”提供有力的基礎數據和方法學支持。

3.1 質量控制

煙草的香氣成分主要來源于煙草本體成分、外加香精香料及加工過程化學反應產生的香氣成分，香氣成分的差異與煙草的品質、制絲工藝息息相關，因此煙草VOCs種類和含量的準確分析結果是煙草產品質量控制的關鍵性數據[84]。賴燕華等[85]通過Tenax 7號捕集阱，采用吹掃捕集采集了16種卷煙樣品的頂空香氣成分，應用聚類分析和主成分分析法對煙絲自然揮發出的頂空香氣成分進行綜合評價，成功區分了兩個品牌香煙，為卷煙品牌的風格表征和質量評價提供了參考方法。制煙的高溫烘焙過程會發生焦糖化作用和美拉德反應，產生煙草特征香味成分，并且高溫過程可在一定程度上減少刺激性氣體的含量，提高卷煙的感官享受，但烘焙所需溫度和時間的選擇需要根據VOCs組成和含量來確定。鄧波等[86]采用HS-SPME/GC-MS結合化學計量學方法研究了白肋煙烘焙前后揮發性、半揮發性成分的差異，為煙草烘焙條件的改善提供了方法學和基礎數據。

通過煙草VOCs的檢測可以對所用煙草部位、種植方法和種植區域等進行品質評價。丁睿等[87]以HPLC-MS/MS方法分析了我國浙江、江西等7個曬紅煙主產區的煙葉TSNAs和生物堿含量，并進行相關性分析，得出新煙草堿、假木賊堿對TSNAs的直接作用大，煙堿、降煙堿對TSNAs的間接作用大，浙江產區的曬紅煙表現出TSNAs和總堿含量都最高的結果。

煙草VOCs的分析檢測結果也可作為評價煙草制作過程工藝優劣的有效判據。通常，醇化過程[88]、有機酸調制過程[89]、煙草成熟度、貯藏時間[90]等過程會對煙草的品質及消費者的感官評價產生巨大影響。張夢玥等[90]采用常溫萃取的方法，結合HPLC和GC-MS方法分析了白肋煙、曬煙和烤煙煙葉在儲藏過程中主要酮類香氣成分的變化，發現相同儲藏條件下，酮類揮發性香氣成分含量最高的白肋煙更耐儲藏，與酮類香氣成分含量第二高的曬煙相比，白肋煙的儲藏時間長近兩倍。

煙草VOCs會表現出特定的香味，廠家往往通過在煙草制品中添加一定的香料使香煙表現出不同的風味。對煙草產品中所添加的香精香料種類和含量的準確分析也是煙草產品質量控制的重要方面。而目前在煙草行業中，常以感官評判[91-92]香煙的風味，耗費時間、人力，亟待發展更科學、可量化的評定標準。李達等[93]以HS-SBSE-TD/GC-MS方法測定了乙酸等11種卷煙香氣成分，優化了香煙的加香工藝。Paschke等[94]以HS-SPME/GC-MS方法分析了草莓味的不同煙草制品中揮發性添加劑與天然草莓味的差別，并輔以感官測試以改良生產配方。

消費者常直接通過嗅聞香煙來評判香煙品質的好壞，現行國家標準GB 5606.4-2005[91]、煙草行業標準YC/T 564-2018[92]也仍以個人感官評價來評判煙草質量、區分香煙風格，缺少成熟的量化標準，因此質控方法準確度仍有待提高。目前，研究者己開始嘗試通過分析對煙草風味影響較大的特征香味物質的組成和含量，建立基于煙草VOCs準確分析的可量化質控標準方法，進一步提高煙草產品質量控制過程的可靠性和準確性。

3.2 降焦減害

截止2015年，我國吸煙人口多達3.16億[95]，煙草VOCs中的焦油、PAHs、TSNAs等物質會影響人體健康，采用合適“降焦減害”的方式——包括設計新型濾嘴[96-97]、改良葉組配方[98-99]等，設計低焦油、低危害的香煙是煙草產品質量提升的重要因素，準確分析煙草VOCs的組分和含量將為煙草產品降焦減害提供重要的基礎數據。

采用合適的濾嘴是香煙降焦減排的重要手段，監測使用濾嘴前后煙草VOCs組分和含量的變化可為降焦減排提供支撐數據。Pieraccini等[100]采用SPME/GC-MS方法測定了使用濾嘴前后煙草VOCs組分和含量的變化，證明使用濾嘴可有效降低煙草中苯、吡啶和苯酚等有害VOCs。Morabito等[101]在香煙濾嘴中加入木炭，并通過UPLC-MS/MS方法分析了新濾嘴對煙氣中羰基化合物(如甲醛、乙醛)的過濾效果，結果表明僅需100～200 mg該吸附介質即可除去>50%的羰基化合物。Chen等[102]以一步聚合的方法，制備了多孔芳香骨架(PAF-6)包覆Fe3O4@SiO2-NH2的磁性納米顆粒作為香煙濾嘴輔材，該顆粒結構中含有芳環和氮原子，對酚類物質具有較強的π-π親和作用及氫鍵相互作用，可有效去除煙霧樣品中的苯酚和苯并[a]芘，去除率超過50%。

改良煙葉組成及煙絲的處理方法是減少有害成分釋放的重要手段。付瑜鋒等[103]采用pH 3.0的80%乙醇萃取劑浸提煙絲，通過分析處理后煙絲煙氣中苯酚、苯并[a]芘等有害物質的含量，發現處理后主流煙氣中的有害物質減少，卷煙危害性指數由12.8降為11.0，卷煙刺激感降低。趙云川等[104]以微波膨脹法處理梗絲，摻配8%～33%的疏松梗絲可減少單支卷煙的煙絲用量，加快卷煙的燃燒速度，與傳統氣流干燥的梗絲相比，煙氣中的苯并[a]芘、巴豆醛等有害成分釋放量分別降低0.19 ng/支和0.42 μg/支。

4 結論與展望

目前已發現數千種煙草VOCs，有嗅感的煙草VOCs是影響煙草產品質量及特征風格的主要因素，但多數煙草VOCs含量低、揮發性強，同時煙草及煙草產品基體極其復雜，發展準確高效的煙草VOCs采樣分析方法，并將其用于煙草產品質量控制及降焦減排，一直是煙草及食品科學的難點及熱點問題。隨著材料科學的發展，已有部分報道針對煙草VOCs的采樣特點及分析應用場景需求，研制了多種高效分析富集介質，并研發了多種適用性好的高效采樣方法，有效提升了煙草VOCs的采樣效率及分析準確性。但是，由于煙草VOCs組成復雜，分離富集介質的機械強度、選擇性及富集容量仍需進一步提高，以減少采樣過程的信息丟失；同時，還應進一步研究穩定性、重復性好的固載方法，以研發采樣重現性好、操作簡單、環保安全、適用于大批量分析的煙草VOCs采樣方法。另一方面，基于新型高效煙草VOCs的采樣分析方法發展煙草產品質量控制、風格評定、降焦減害成效等量化評估標準方法也是未來煙草及食品科學的重要前沿問題。