原位萃取法测定加热卷烟气溶胶中的水分和焦油

李翔宇，许蔼飞，姜兴益，陈志燕，庞永强，张洪非，罗彦波，朱风鹏，杨 进，周 芸，朱 静，潘玉灵，侯宏卫，胡清源*

1.国家烟草质量监督检验中心，郑州高新技术产业开发区翠竹街6号 450001

2.广西中烟工业有限责任公司，南宁市北湖南路28号 530001

加热卷烟（Heated tobacco products,HTP）是利用特殊热源对芯基材进行加热（350℃以下）而不引起烟草燃烧的新型烟草制品［1-5］。加热卷烟作为卷烟的一个新品类，监管实验室已经对其成分进行检测监管［6-7］。按照GB/T 19609—2004［8］的规定，焦油量是卷烟质量的监控指标，能一定程度上反映卷烟烟气的潜在风险。卷烟的焦油是指卷烟在ISO抽吸模式下［9］所得总粒相物（TPM）去除烟碱和水分的部分，水分测定是监控焦油的前提。加热卷烟所使用的烟草材料与烟叶、传统再造烟叶的物理和化学性质存在显著差别，加热卷烟气溶胶焦油的监控存在水分测定的问题。这是由于和传统卷烟产生烟气的机理不同，加热卷烟使用了高比例的醇类雾化剂［10-12］，同时加热卷烟的抽吸往往采用深度抽吸（HCI）模式［13］。Ghosh等［14］报道传统卷烟烟气水分释放量在0.65~1.14 mg/支之间，加热卷烟气溶胶中水分释放量在18.75~44.65 mg/支之间。由于加热卷烟气溶胶温度较高，开盖处理易导致水分丢失大、塑料捕集器吸附水分等现象，测定结果波动大，水分测定值低，导致加热卷烟焦油的计算结果偏高。传统卷烟在ISO抽吸模式下所采用的是剑桥滤片非原位开盖处理的振荡萃取法［15-17］，不适用于加热卷烟烟气气溶胶中高水分的测定。

针对高水分释放量加热卷烟气溶胶，文献中大多集中于基于ISO 4387振荡萃取法［16］前提下，优化加热卷烟气溶胶的捕集方法，以提高检测结果准确性。基于ISO 4387的改进方法对高水分释放量的烟气气溶胶中水分及焦油的测定结果［18-22］表明，加热卷烟气溶胶的水分测定值偏低导致焦油高估；但上述加热卷烟气溶胶捕集方法［17-21］操作复杂、繁琐，不利于高通量样品的检测。Ghosh等［14］提出了原位萃取技术，但此方法的捕集器设计不合理，造成剑桥滤片萃取不完全及裂碎，不利于水分释放量的准确测定，同时无法自动收集萃取液。因此，本研究中基于原位萃取思路，自主研发了吸烟机金属捕集器原位萃取装置，通过优化萃取参数和色谱条件，建立准确测定加热卷烟气溶胶中水分释放量的方法，旨在为加热卷烟烟气监测提供方法参考。

1 材料与方法

1.1 材料、仪器和试剂

4款加热卷烟烟支及其适配烟具购自国外市场，4款传统卷烟购自国内市场，其详细信息见表1。

表1 卷烟样品信息Tab.1 Information on samples of cigarettes and heated tobacco products

烟碱标准溶液（9.6 mg/mL异丙醇，天津阿尔塔科技有限公司）；1,2-丙二醇、丙三醇、十七碳烷（≥99%），1,4-丁二醇、异丙醇、无水乙醇（色谱纯）（北京百灵威科技有限公司）；一氧化碳标准气体（国家标准气体研究中心）；去离子水（电阻率≥18 MΩ·cm）。

CP224S电子天平（感量0.000 1 g，德国Sartorius公司）；YC-10原位萃取仪（郑州嘉德机电科技有限公司）；HY-8调速振荡器（常州国华电器有限公司）；SML600H加热卷烟吸烟机（配备双量程非散射红外一氧化碳分析仪，合肥众沃仪器技术有限公司）；SM450型20通道吸烟机（配备非散射红外一氧化碳分析仪，英国Cerulean公司）；φ44 mm剑桥滤片（德国Borgwaldt K C公司）；7890A气相色谱仪（配备FID和TCD检测器，美国Agilent公司）；Q-POD Milli-Q超纯水仪（美国Millipore公司）。

1.2 方法

1.2.1 原位萃取仪

按照文献［14］报道的原位萃取装置工作原理，自主开发适用于加热卷烟气溶胶中水分释放量测定的10通道原位萃取仪。其中单个通道的原位萃取装置的结构如图1所示，主要由电机、活塞、玻璃针筒和不锈钢捕集器等构成。设计参数：针筒体积范围为0~30 mL，萃取频率为1~10次/min，捕集器适用于φ44 mm剑桥滤片。

图1 原位萃取装置结构图Fig.1 Structure of an in situ extraction device

参考文献［14］绘制的加热卷烟气溶胶中水分原位萃取流程示意图见图2。在加热卷烟吸烟机上抽吸加热卷烟，使用载有剑桥滤片的金属不锈钢捕集器捕集加热卷烟气溶胶的TPM。抽吸结束后，立刻将金属不锈钢捕集器的迷宫环式密封圈取下，在前后盖上装上原位萃取金属接头，置于原位萃取装置上进行样品萃取。单侧活塞针筒内装载含有内标的20 mL异丙醇溶液，通过上下活塞推进的方式萃取30 min（上下活塞推动由控制器同时给两个电机发出启动指令，带动上下活塞同步运动），频率为2次/min。萃取完成后，萃取液自动导入收集瓶，取萃取液，采用GC法直接进行水分检测［23］，萃取液同时可用于烟碱、1,2-丙二醇和丙三醇的测定。

图2 原位萃取流程示意图［14］Fig.2 Procedure of the in situ extraction［14］

1.2.2 标准溶液配制

分别称取12.0、0.8、1.2 g的无水乙醇、1,4-丁二醇和十七碳烷，加入4 L异丙醇中，配成萃取剂。其中无水乙醇为水分分析的内标物，1,4-丁二醇为1,2-丙二醇、丙三醇的内标物，十七碳烷为烟碱的内标物。

分别准确称取10、30、60、90和120 mg水，分别加入20 mL萃取剂，配制成水分系列标准工作溶液。

分别准确称取0.25和1.00 g 1,2-丙二醇和丙三醇于50 mL容量瓶中，用异丙醇定容，配成浓度分别为5和20 mg/mL的标准储备液；分别移取0.1、0.5、1.0、1.5、2.0和3.0 mL 1,2-丙二醇、丙三醇标准储备液和烟碱标准溶液，分别加入20 mL萃取剂，配成1,2-丙二醇、丙三醇和烟碱系列标准工作溶液。

1.2.3 卷烟抽吸与分析

分别按照ISO［9］（抽吸容量35 mL、抽吸频率60 s、抽吸持续时间2 s，滤嘴通风孔不封闭）和HCI［13］（抽吸容量55 mL、抽吸频率30 s、抽吸持续时间2 s，滤嘴通风孔100%封闭）2种抽吸模式对4款加热卷烟进行抽吸。其中样品A~D加热装置加热时间分别为6.00、3.50、3.50和5.25 min，在ISO模式下的抽吸口数分别为12、8、8和10口，抽吸5支卷烟，在HCI模式下的抽吸口数分别为6、4、4和5口，抽吸3支卷烟。样品E~H用常规吸烟机按照ISO模式抽吸，分别抽吸5支卷烟。以上样品均平行抽吸6组样品，3组采用原位萃取，3组采用振荡萃取。原位萃取仪萃取频率为2次/min，原位萃取和振荡萃取时间均为30 min，萃取剂体积均为20 mL。在烟支不点燃条件下，按照上述规定进行处理，得到空白实验样品溶液。采用原位萃取处理的样品使用原位萃取仪配套的不锈钢捕集器，采用振荡萃取处理的样品使用Cerulean SM450吸烟机配套的塑料捕集器。萃取结束后收集萃取液，取2 mL萃取液于色谱瓶中进行GC分析。分析条件：

色谱柱：Agilent PLOT/Q毛细管柱（30 m×0.53 mm×40.0μm，水分分析）；Agilent DB-ALC1毛细管柱（30 m×0.32 mm×1.8μm，烟碱、1,2-丙二醇和丙三醇分析）；进样口温度：250℃；检测器温度：250℃；进样量：2μL；载气：氮气；测定水分的载气流量：5.0 mL/min，恒流模式；测定烟碱等的载气流量：1.0 mL/min，恒流模式；分流比：50∶1；程序升温：100℃30℃/min 250℃（9 min）。

2 结果与讨论

2.1 方法评价

2.1.1 原位萃取测定加热卷烟气溶胶中水分的条件优化

2.1.1.1 萃取时间

由于HCI抽吸模式下加热卷烟气溶胶中水分释放量较高，以样品A在HCI抽吸模式下为例，使用20 mL萃取剂，以2次/min的萃取频率，考察在10、20、30、40和50 min不同萃取时间下加热卷烟气溶胶水分的萃取效率。从结果（图3）可知，30 min内可以完全萃取加热卷烟气溶胶中的水分。因此，确定30 min为最优萃取时间。

图3 萃取时间对水分萃取效率的影响Fig.3 Effect of extraction time on extraction efficiency of moisture

2.1.1.2 萃取体积

同样以加热卷烟样品A在HCI模式下的抽吸为例，萃取30 min，萃取频率为2次/min，考察在10、15、20、25和30 mL不同萃取体积下加热卷烟气溶胶水分的萃取效率。由图4可知，20 mL萃取剂即能完全萃取加热卷烟气溶胶中的水分。因此，确定20 mL为最优萃取溶剂体积。

图4 萃取体积对萃取效率的影响Fig.4 Effect of extraction volume on extraction efficiency of moisture

2.1.1.3 萃取频率的选择

分别选取1、2、3、4和5次/min萃取频率进行梯度实验。结果表明，当萃取频率≤2次/min时，萃取完成后剑桥滤片能保持完整不破裂，当萃取频率≥3次/min时，萃取完成后剑桥滤片出现破裂，并且萃取频率过大易增加萃取活塞堵塞的可能性。综上所述，最终确定2次/min为最优萃取频率。

2.1.2 色谱条件的选择

采用参考文献［23］的色谱条件，考察该条件下水及内标乙醇的分离效果。结果表明，水及其内标均可与干扰物和溶剂实现良好的基线分离，满足分析要求。典型加热卷烟样品的色谱图见图5。

图5 加热卷烟气溶胶中水分的GC图Fig.5 GC chromatogram of moisture in aerosol from heated tobacco product

2.1.3 回归方程、相关系数、检出限和定量限

分别对1.2.2节中配制的系列标准溶液进行GC分析，以水与其内标的峰面积之比对其质量浓度之比进行线性回归分析，分别得到水的标准曲线线性回归方程。将最低浓度的标准工作溶液进行GC分析，重复测定10次，计算标准偏差，分别以3倍和10倍标准偏差为检出限和定量限。结果（表2）表明，水分的工作曲线的线性良好，方法灵敏度高。

表2 回归方程、相关系数、线性范围、检出限及定量限Tab.2 Linear regression equation,correlation coefficient,linear range，limits of detection and quantitation of moisture

2.1.4 精密度及回收率

分别在ISO和HCI模式下，采用样品A在3个水平下进行加标回收率和精密度实验。结果（表3）表明，水分释放量测定的RSD在3.72%~6.09%之间，平均加标回收率在95.4%~104.6%之间。说明本方法满足加热卷烟气溶胶中水分的测定要求。

表3 方法的精密度和回收率（n=3）Tab.3 Precisions and recoveries of the method（n=3）

2.2 不同萃取方法下加热卷烟气溶胶中水分和焦油的释放量

分别采用原位萃取和振荡萃取2种方式处理样品，对4款加热卷烟气溶胶中水分和焦油进行比较分析，检测结果见表4。

表4 2种萃取方式加热卷烟气溶胶中水分和焦油释放量对比Tab.4 Releases of moisture and tar in aerosol of heated tobacco products by two extraction methods

从4个样品对比结果可以看出：①在ISO抽吸模式下，4款加热卷烟气溶胶中原位萃取水分值较振荡萃取上升1.19~2.87 mg/支，上升率为15.95%~22.16%；焦油量下降1.06~3.14 mg/支，下降率为13.18%~38.04%。②HCI模式下水分值上升4.70~8.47 mg/支，上升率为38.34%~40.37%；焦油量下降4.44~8.27 mg/支，下降率为27.18%~34.04%。结果表明，振荡萃取处理过程中水分产生较大丢失，显著影响加热卷烟气溶胶焦油量，故应采用原位萃取法测定加热卷烟气溶胶中的水分。

2.3 原位萃取对传统卷烟烟气常规指标的影响

为考察原位萃取对传统卷烟烟气常规指标检测结果的适用性，在ISO抽吸模式下抽吸样品E~样品H，分别采用原位萃取法和振荡萃取法进行萃取。结果（表5）表明，2种萃取方式下，原位萃取较振荡萃取水分释放量上升0.04~0.23 mg/支，焦油释放量下降0.01~0.32 mg/支，焦油量变化在5%以内。同时，分别对水分、烟碱、焦油和一氧化碳两种萃取方式测定结果进行t检验，结果表明，4种常规指标的P值均大于0.05，说明2种萃取方式测定结果之间不存在显著差异。综上所述，原位萃取法对传统卷烟焦油量测定值的影响不显著。

表5 2种不同萃取方式下传统卷烟烟气常规指标的变化Tab.5 Variations in conventional indexes in traditional cigarette smoke by two extraction methods

2.4 原位萃取对加热卷烟气溶胶中其他主要成分的影响

加热卷烟气溶胶中的主要成分，除水外，还有烟碱、1,2-丙二醇和丙三醇等，原位萃取法在准确测定水分的同时，不应影响加热卷烟气溶胶中其他主要成分的测定，否则同样会影响焦油量的计算及其他主要成分的评价。因此，为考察原位萃取对加热卷烟气溶胶中其他主要成分检测的适用性，采用2种萃取方法，分别在ISO和HCI 2种抽烟模式下检测。从结果（表6）看出，2种抽吸模式下，烟碱、1,2-丙二醇和丙三醇检测结果的变异系数(CV)分别在3.25%~6.08%、0.23%~6.58%和0.34%~4.17%之间。同时，在2种模式下分别对3种主要成分2种萃取方式的测定结果进行t检验，结果表明，3种主要成分的P值均大于0.05，说明2种萃取方式的测定结果不存在显著性差异。综上所述，原位萃取法不影响加热卷烟气溶胶中烟碱、1,2-丙二醇和丙三醇的准确测定。

表6 原位萃取对加热卷烟气溶胶中其他主要成分检测结果的影响Tab.6 Effects of the in situ extraction on main components in aerosol of heated tobacco products

3 结论

①搭建了一套原位萃取装置，用于加热卷烟气溶胶捕集和萃取，结合GC检测建立了加热卷烟气溶胶中水分的原位萃取分析方法。②该方法操作简单、稳定，回收率在95.4%~104.6%之间，RSD在3.72%~6.09%之间，定量限为0.16 mg/支，适用于加热卷烟气溶胶中水分的准确检测。③原位萃取法对传统卷烟焦油量测定的影响不显著。④原位萃取法不影响加热卷烟气溶胶中烟碱、1,2-丙二醇和丙三醇的测定。