加熱卷煙氣溶膠化學成分分析研究進展

張虎，段沅杏，楊柳，申欽鵬，趙楊，張俊豐，黃妍*

1 湘潭大學，環境與資源學院，湖南湘潭 411105；2 云南中煙工業有限責任公司技術中心，昆明市五華區紅錦路367號 650231

加熱卷煙是利用電子設備加熱煙草材料產生可吸入氣溶膠的煙草制品[1-2]。其氣溶膠主要成分為水、丙二醇、丙三醇、煙堿和香味物質[3-4]。此過程沒有燃燒行為，產生的有害物質遠低于傳統卷煙，在熱物理和熱化學方面與傳統卷煙存在較大差異[5-8]。

與傳統卷煙相比，加熱卷煙氣溶膠中丙二醇、丙三醇的含量遠高于香味物質，采用傳統卷煙檢測方法來測定香味物質，檢測結果遠低于實際含量。此外，傳統卷煙的煙氣檢測方法針對性不強，不能同時對水分、煙堿、多元醇類進行檢測。為了對加熱卷煙氣溶膠化學成分進行更準確的檢測分析，本文對加熱卷煙抽吸模式、氣溶膠捕集和分析方法進行了綜述。

1 抽吸模式

抽吸模式是影響加熱卷煙氣溶膠產生的一個關鍵因素，不同的抽吸參數會對加熱卷煙氣溶膠的釋放量產生重要影響。Zenzen等[9]通過改變抽吸容量、抽吸時間和抽吸間隔研究了12種抽吸方式對加熱卷煙氣溶膠的影響，發現不同抽吸條件下氣溶膠中煙堿含量差異很大。Mcadam等[10]以GLO為研究對象，研究了15種抽吸方式對加熱卷煙氣溶膠釋放量的影響，發現抽吸時間是影響加熱卷煙氣溶膠釋放量的關鍵因素。Roal等[11]以IQOS為研究對象，研究了在HCI和ISO抽吸模式下加熱卷煙氣溶膠中各組分的釋放量。研究表明，在兩種抽吸模式下氣溶膠中活性氧含量沒有顯著變化，在HCI抽吸模式下總粒相物、煙堿、游離煙堿均高于ISO抽吸模式。姜興義等[12]以IQOS和GLO為研究對象，參考ISO、HCI 和 CORESTA推薦的電子煙抽吸模式（抽吸容量55 mL、抽吸時間3 s、抽吸間隔30 s）抽吸加熱卷煙，研究發現抽吸參數對IQOS氣溶膠中所有組分的釋放量均有影響，其中抽吸間隔影響最大；而抽吸參數對GLO氣溶膠中一氧化碳和乙醛釋放量有顯著影響。Farsalinos等[13]參考HCI抽吸模式，按抽吸容量為55 mL，抽吸時間為2 s、4 s，抽吸間隔為30 s的抽吸模式抽吸加熱卷煙，發現在相同抽吸容量下，延長抽吸時間加熱卷煙煙堿的釋放量沒有顯著變化。

目前，雖然HCI和ISO抽吸模式廣泛應用于加熱卷煙氣溶膠的研究，但兩種抽模式中規定的一些條件并不適用于加熱卷煙氣溶膠的捕集，如煙支周圍空氣的流速控制、通風口堵塞等問題。2020年，CORESTA[14]針對HCI模式建議抽吸加熱卷煙過程中不需要堵塞通風口、控制空氣流速。同時，建議在煙具振動后再開始收集加熱卷煙氣溶膠，在煙具停止加熱后再抽吸一口。

2 樣品捕集

無論是對加熱卷煙氣溶膠進行定量分析還是進行體外毒性測試，捕集加熱卷煙氣溶膠是必不可少的步驟。合理的樣品捕集方法是準確定量分析加熱卷煙氣溶膠的關鍵步驟之一，不同樣品捕集方法會對分析結果產生較大影響。如Schaller等[15]采用劍橋濾片先捕集IQOS氣溶膠成分再進行分析，Ilies等[16]采用直接進樣法測定了IQOS釋放的揮發性成分，結果發現，Ilies鑒定出的62種有機化合物中只有10種與Schaller等人檢測出的化合物相同，這種差異主要源于樣品的捕集方法不同。表1列出了目前研究人員針對加熱卷煙氣溶膠中的不同組分建立的不同捕集方法。

表1 加熱卷煙氣溶膠不同捕集方法Tab. 1 Different trapping methods for heated cigarette aerosol

2.1 劍橋濾片捕集

劍橋濾片捕集是卷煙煙氣分析中最常用的捕集方式，也是捕集加熱卷煙氣溶膠的可行技術。張麗等[21]使用劍橋濾片連接含有異丙醇溶液吸收瓶來收集加熱卷煙氣溶膠中的丙二醇、丙三醇和煙堿，結果在吸收液中未檢測出丙二醇、丙三醇和煙堿，說明劍橋濾片可以實現加熱卷煙氣溶膠中丙二醇、丙三醇和煙堿的有效捕集。此外，劍橋濾片也是收集加熱卷煙氣溶膠中酚類和煙草特有亞硝胺的有效方法。McGrath等[24]使用劍橋濾片捕集了煙草在低溫熱解下產生的酚類物質，研究了不同種類煙草在350℃～600℃下熱解生成的酚類物質。Leigh等[34]使用含有氚作內標的醋酸銨溶液，萃取了劍橋濾片收集的煙草特有亞硝胺，結果發現加熱卷煙產生的煙草特有亞硝胺低于傳統卷煙，但高于電子煙。

2.2 吸收瓶捕集

吸收瓶捕集是通過在吸收瓶中加入特定液體來捕獲加熱卷煙氣溶膠的可溶性物質，是捕集加熱卷煙氣溶膠中羰基化合物、氨、非揮發性化合物等化學成分較為成熟的方法。Farlinos等[7]采用含有DNPH溶液的吸收瓶捕集了加熱卷煙氣溶膠中的羰基化合物，使用高效液相色譜對其進行分析。Ibanez等[23]使用溶液吸收瓶捕集了傳統卷煙煙氣和加熱卷煙氣溶膠中的非揮發性化合物，研究結果表明加熱卷煙氣溶膠中的非揮發性、非煙堿成分的含量遠低于傳統卷煙。

2.3 吸附管捕集

吸附管捕集是利用目標分析物與固體吸附劑的吸附性能來收集化合物的方法，常用來分析加熱卷煙氣溶膠中的揮發性和半揮發性有機物。Uchiyama等[30]將Carboxn572吸附管和劍橋濾片結合起來捕集加熱卷煙氣溶膠中的化合物，分析比較了加熱卷煙氣溶膠和傳統卷煙煙氣中的化合物。Auer等[29]使用XAD-2吸附管收集了加熱卷煙氣溶膠中的多環芳烴，比較加熱卷煙和傳統卷煙釋放的16種多環芳烴差異。結果表明，加熱卷煙氣溶膠中苊的濃度高于傳統卷煙，其它的15種多環芳烴濃度都遠低于傳統卷煙。Savareear等[31]將Tenax吸附管和熱脫附結合起來分析了收集加熱卷煙產生的VOCs，發現除了丙三醇和一些呋喃族化合物外，傳統卷煙煙氣的其它物質的濃度均高于加熱卷煙。

2.4 靜電捕集

靜電捕集是通過靜電捕集管產生的電場將帶正電荷的微粒捕集在負極上，是捕集卷煙煙氣常用的方法，目前在分析加熱卷煙氣溶膠中的應用較少。Michael等[18]使用濾片捕集和靜電捕集兩種方法捕集加熱卷煙氣溶膠中的煙堿、丙三醇、丙二醇和水，發現通過靜電捕集的水分含量高于濾片捕集的水分含量。

3 加熱卷煙氣溶膠的分析與檢測

3.1 樣品前處理技術

與傳統卷煙相比，加熱卷煙氣溶膠中化合物的含量通常都很低，許多痕量化合物通常不能被檢測出來。因此，選擇合適前處理方法對加熱卷煙氣溶膠中痕量化合物的分析非常重要。表2歸納了目前常用于加熱卷煙氣溶膠化合物檢測的前處理方法。

表2 加熱卷煙氣溶膠分析的前處理方法Tab. 2 Pretreatment methods for analysis of heated cigarette aerosol

Ghsoh等[36]為更準確測定加熱卷煙氣溶膠中的水分，使用原位提取的方法提取了劍橋濾片中的水分，減少了在打開劍橋濾片捕集器以及移取濾片時水分的損失。楊紫剛等[37]將捕集了香味成分的劍橋濾片進行同時蒸餾萃取，該方法集蒸餾和萃取于一體、耗時短，可有效提取加熱卷煙氣溶膠中的香味成分。龔淑果等[42]將固相微萃取與色譜儀器結合起來，使用固相微萃取技術提取加熱卷煙產生的香氣物質，研究了加熱卷煙香氣物質逐口釋放規律。羅彥波等[43]使用衍生化方法對加熱卷煙產生的醛酮類物質進行處理，增加了醛酮類化合物的離子化效率和質譜響應，解決了醛酮類物質因缺少電離基團而無法被質譜檢測的難題。鄭緒東等[47]使用頂空-氣相色譜-質譜聯用儀分析了不同溫度下加熱卷煙煙氣成分的釋放特性，該方法省去了溶劑萃取繁瑣的步驟、有效降低了非揮發性物質和復雜基質對目標分析物的干擾。

3.2 氣溶膠化學成分分析

3.2.1 氣相色譜法

氣相色譜法是一種利用樣品中各組分在色譜柱中不同的吸附能力來分離化合物的方法。Farsalinos等[13]建立了一種檢測加熱卷煙氣溶膠中煙堿的GC-NPD氣相色譜法，此方法的平均回收率為86.85%，重復性為86.85%，再現性為86.6%，相對標準偏差為5.5%～9.7%。王康等[48]建立了一種同時檢測加熱卷煙氣溶膠丙二醇、丙三醇和煙堿含量的GC-FID氣相色譜法，其中丙二醇、丙三醇和煙堿的定量限為0.031 mg/cig、0.059 mg/cig、0.035 mg/cig，加標回收率在 95.1%～109.2%之間，相對標準偏差在1.77%～4.28%之間，目標物標準工作曲線線性良好，線性相關系數均大于0.999。張麗等[21]建立了一種檢測加熱卷煙氣溶膠中水分的GC-TCD氣相色譜法，水分的定量限為0.28 mg/cig，加標回收率為96.7%～101%，相對標準偏差為2.4%～6.5%，水分標準曲線相關系數為0.9999，說明該方法能準確定量分析加熱卷煙氣溶膠中的水分。

對于復雜組分分析，通常將氣相色譜與質譜結合起來。許曉黎等[49]建立了一種熱裂解氣相色譜質譜聯用法（PY-GC/MS），研究加熱卷煙中香蘭素的轉移行為，定量限為0.1223 μg /mL，回收率為90.80%，相對標準偏差為7.20%，目標工作物的標準曲線相關系數為0.999，說明此方法適合香蘭素的定量研究。Hofer等[50]建立了一種GC-MS方法，定量分析了加熱卷煙氣溶膠中24種化合物，定量限在0.0005～20.5 μg/mL之間，所有化合物的回收率均在82.1%～113.8%之間，重復性變異系數在7.9%～17.7%之間，中間精密度的變異系數在8.1%～19.9%之間。

在對加熱卷煙氣溶膠進行分析時，為解決一維色譜對揮發性和半揮發性成分分離能力不高，峰容量小，分析時間長等問題，常會使用二維氣相色譜來提高分離和分辨能力[51]。劉鴻等[52]采用中心切割二維氣相色譜-質譜聯用（MD-GC/MS）研究發現加熱卷煙氣溶膠中的苯甲醇、苯乙醇、茄酮、新植二烯等成分的釋放量與卷煙煙氣較為接近，不同類型的加熱卷煙氣溶膠主要成分基本一致，但含氧裂解產物和酚類物質的釋放量差異較大。周慧明等[53]使用中心切割二維氣相色譜-質譜聯用方法研究了不同丙三醇含量的再造煙葉顆粒在150℃～350℃受熱后釋放的香味成分，結果表明提高加熱溫度和增加原料中丙三醇的含量均可以提高香味成分的釋放總量。Schwanz等[54]采用全二維氣相色譜-飛行時間質譜聯用技術（GC×GCTOFMS），結合化學計量學方法，對不同加熱溫度下加熱再造煙葉產生的氣溶膠化學組成進行了分析。結果表明該方法對揮發性組分的峰面積和峰數顯示出良好的效率和精度。Savareear等[40]建立了一種頂空固相微萃取-全二維氣相色譜/飛行時間質譜聯用技術（HS-SPME GC×GC-TOFMS）分析了加熱卷煙氣溶膠中的揮發性和半揮發性物質，共檢測出205種物質，其中82種物質是首次在加熱卷煙氣溶膠中被檢測出來，具有較好的分離度。

3.2.2 液相色譜法

液相色譜法是一種利用目標分析物與固定相之間不同的相互作用力來分離化合物的方法。目前，液相色譜主要用于加熱卷煙氣溶膠中羰基化合物和煙草特有亞硝胺的研究。Ishizaki等[39]建立了一種在線管內固相微萃取-液相色譜-串聯質譜法（LC-MS/MS）研究了加熱卷煙和傳統卷煙煙氣中的煙草特有亞硝胺，該方法具有選擇性強、靈敏度高，不需要預處理和不受其它共存物質干擾的優點。研究表明，該方法的煙草特有亞硝胺定量限為8.1～22.4 pg/cig，日內精密度和日間精密度分別為94.2%～114.5%和99.3%～118.5%，工作曲線相關系數≥0.9998，可以準確測定氣溶膠中的煙草特有亞硝胺。羅彥波等[43]采用化學衍生-液相色譜-串聯質譜法（LC-MS/MS）測定了加熱卷煙氣溶膠中9種醛酮類香味成分。該方法檢出限為0.07 ng/mL～12.66 ng/mL，相對標準偏差在0.2%～11.6%之間，目標分析物在3個加標水平下的回收率為82.5%～118.0%，標準曲線相關系數≥0.9937。Kim等[55]建立了一種高效液相-紫外法（UPLC-UV），研究了加熱卷煙氣溶膠中6種羰基化合物，除了甲醛的響應因子為25674 ng-1，其它羰基化合物的響應因子均在12351～19519 ng-1之間，6種羰基化合物的檢出限為0.0024～0.009 μg /L，相對標準偏差都低于2%，標準工作曲線線性相關系數＞0.99。

3.2.3 其它方法

除色譜分析方法外，酶電極法、非色散紅外分析法（NDIR）、核磁共振氫譜（1H-NMR）、電子順磁共振（EPR）也用于加熱卷煙氣溶膠分析檢測。趙德清等[56]采用酶電極法測定了加熱卷煙煙草材料和氣溶膠中丙三醇含量，該方法檢出限和定量限分別為0.045 mg/mL、0.149 mg/mL，相對標準偏差為2.15%，標準曲線線性相關系數為0.9998，重復性良好，與氣相色譜測定丙三醇的結果相比，沒有顯著的差異。為了評價加熱卷煙CO釋放特性，周順等[57]建立了一種基于可控等比值法的穩態燃燒熱解裝置和非散射紅外分析儀聯用（SSTF-NDIR）的方法，定量分析了加熱卷煙CO的釋放量，考察了溫度、通風條件和煙草材料組成對CO釋放的影響。Meehan-Atrash等[58]采用1H-NMR直接測定IQOS氣溶膠中的游離煙堿，該方法與Salman[11]等測定游離煙堿的方法相比，減少了溶劑的干擾，提升了檢測結果的準確性。Shein等[59]使用EPR技術分析對比了傳統卷煙、電子煙和加熱卷煙氣溶膠中自由基的種類和數量，研究發現電子煙和加熱卷煙氣溶膠中的自由基水平不超過傳統卷煙的1%。Zachary等[60]通過EPR技術發現粒相自由基只存在于傳統卷煙中，加熱卷煙和電子煙氣溶膠中的氣相自由基水平相似，但比傳統卷煙低了50倍左右。

4 結論與展望

由于加熱卷煙氣溶膠是煙草材料受熱蒸餾后形成的，導致加熱卷煙氣溶膠與傳統卷煙煙氣有明顯的差異，現有的傳統卷煙煙氣相關收集、分析方法不能完全適用于加熱卷煙的化學成分分析。因此未來的研究應該主要圍繞著這四個方面展開：1）抽吸模式：未來應盡快建立標準的加熱卷煙抽吸模式，為加熱卷煙氣溶膠準確分析提供良好的前提條件；2）捕集方式：吸附管是捕集加熱卷煙氣溶膠中揮發性成分和半揮發性成分非常有效的方法，未來的研究可以集中于尋找性能更好的吸附劑，以擴大目標化合物的數量。同時，應進一步研究和完善靜電捕集的適用物質分析；3）前處理技術：需要將更多前沿的前處理技術引用到加熱卷煙氣溶膠的分析中，以建立更環保、更穩定和更有效的加熱卷煙氣溶膠前處理技術；4）分析方法：在現有的傳統卷煙煙氣化學成分檢測技術基礎上，對加熱卷煙氣溶膠的分析方法進行研究、優化和驗證。