气相色谱-质谱法测定加热卷烟呼出烟气中苯酚

黄龙，王冰，王昇，罗诚浩，操吉学，赵晓东，华辰凤，张璟，谢复炜，余晶晶

（1.湖北中烟工业有限责任公司，武汉 430040； 2.中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州 450001）

加热卷烟作为一类新型烟草制品，是通过电子设备加热烟草[1-2]，在非燃烧的状态下释放出供吸烟者吸食的烟雾。在全球控烟形势日益严峻的情况下，加热卷烟逐渐成为国内外各大烟草公司研究的热点[3-5]。目前我国暂未许可加热卷烟销售，但国内多家烟草公司推出加热卷烟产品，部分产品已经在海外市场上市。加热卷烟加热温度在500 ℃以下，烟气中有害成分释放量明显低于传统卷烟[6-7]。另外，加热卷烟不产生侧流烟气，加热卷烟造成的“二手烟”危害也低于传统卷烟[8-10]。然而，加热卷烟使用过程中吸烟者呼出烟气仍会对环境空气造成一定的影响[11-12]。测定抽吸加热卷烟后呼出烟气中苯酚的含量，对于评价加热卷烟的“二手烟”危害以及吸烟者苯酚暴露风险具有重要意义。

苯酚具有生物毒性，世界卫生组织国际癌症研究机构将其列于3 类致癌物清单中[13-15]。苯酚是卷烟主流烟气中7种有害成分之一[16-17]。目前，关于传统卷烟和电子烟呼出烟气中苯酚的研究已有文献报道[18-23]，而加热卷烟呼出烟气中苯酚的相关研究未见报道。MOLDOVEANU 等[19]采用真空辅助技术对传统卷烟呼出烟气进行捕集，分析了卷烟呼出烟气中化学成分，结果表明传统卷烟呼出烟气中酚类有害成分含量远低于吸入烟气，苯酚的人体截留率大于96%。LONG等[23]研究表明传统卷烟呼出烟气中苯酚含量远高于电子烟呼出烟气；采用液相色谱法测定电子烟呼出烟气样品时，苯酚含量低于方法定量限。

笔者采用实验室自制的真空辅助捕集装置，对吸烟者抽吸加热卷烟后呼出烟气进行捕集，建立了气相色谱质谱联用（GC-MS）法测定呼出烟气中的苯酚。招募志愿者抽吸加热卷烟，测定呼出烟气中苯酚的含量，同时在吸烟机上采用吸烟者抽吸参数对加热卷烟进行模拟抽吸，测定吸烟者吸入烟气中苯酚的含量，研究了苯酚的人体截留率。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

气相色谱-质谱联用仪：6890NGC-5975C MSD型，美国安捷伦科技有限公司。

直线式吸烟机：SM450型，英国Cerulean公司。

超纯水仪：Milli-Q50型，美国密理博公司。

数控超声波清洗器：KQ-700DE型，昆山市超声仪器有限公司。

电子天平：CP2245型，感量0.1 m g，德国赛多利斯集团。

吸烟行为记录仪：CReSS Pocket 10900020 型，德国Borgwaldt公司。

剑桥滤片：Ø 44 mm，德国Borgwaldt公司。

XAD-4吸附管：80/40 mg，美国Supelco公司。

有机相滤膜：孔径为0.45 µm，上海安谱实验科技股份有限公司。

苯酚标准物质：纯度（质量分数）为99.7%，德国Dr.Ehrenstorfer GmbH公司。

d8-苯乙酮标准物质：纯度（质量分数）为98%，美国Aldrich公司。

二氯甲烷：纯度（质量分数）大于90%，德国默克公司。

无水硫酸钠：国药集团药业股份有限公司，使用之前于550 ℃烘6 h。

加热卷烟样品：1#为菲莫国际烟草公司中心加热型iQOS（Tobacco Heating Device 2.4），烟支为烟弹（Heets）；2#～7#为国产中心加热型卷烟及配套烟支，烟支口味分别为2#原味，3#薄荷味，4#原味，5#薄荷味，6#原味，7#陈皮味。

氦气：纯度（质量分数）为99.999%。

实验用水：GB/T 6682—2008规定的一级水。

1.2 实验方法

1.2.1 呼出烟气的捕集

采用图1中捕集装置对志愿者抽吸加热卷烟后的呼出烟气进行捕集。该捕集装置由弧形面罩式一次性吹嘴、捕集器（内置44 mm剑桥滤片）、三通、气体采样泵4 部分构成，各部分之间采用橡胶软管连接。气体采样泵辅助呼出烟气捕集，具体操作：打开气体采样泵，流量为3.0 L/min。当志愿者抽吸加热卷烟时，三通为放空状态；当需要捕集呼出烟气时，志愿者用手指按住三通的通风口，同时口腔对准一次性吹嘴呼出烟气。

图1 呼出烟气捕集装置示意图

1.2.2 样品处理

呼出烟气样品：志愿者抽吸1支加热卷烟，采用图1 所示捕集装置对呼出烟气进行逐口捕集，气体采样泵流量为3.0 L/min。采样结束后，取出剑桥滤片于12 mL储液瓶中，加入10 mL二氯甲烷（含d8-苯乙酮内标）萃取溶液，1.0 g无水硫酸钠，超声萃取30 min，取2 mL 上清液过有机相滤膜进GC-MS 仪器分析。

吸入烟气样品：采用吸烟行为记录仪记录每名志愿者抽吸每种加热卷烟的抽吸参数（6 次），获取平均抽吸参数，在直线吸烟机上模拟志愿者抽吸参数抽吸加热卷烟4支。用内置44 mm剑桥滤片的捕集器捕集加热卷烟烟气。抽吸结束后，取出剑桥滤片于30 mL离心管中，加入20 mL二氯甲烷（含d8-苯乙酮内标）萃取溶液，2.0 g无水硫酸钠，超声萃取30 min，取2 mL上清液过有机相滤膜进GC-MS分析。

1.3 仪器工作条件

1.3.1 色谱仪

色谱柱：Agilent DB-5MS 型毛细管柱（60 m×0.25 µm，0.25 µm，美国安捷伦科技有限公司）；载气：氦气，流量为1.5 mL/min；进样方式：不分流进样；柱温：程序升温，初始温度为40 ℃，保持3 min，以5 ℃/min 升至75 ℃，保持0 min，以1 ℃/min 升至120 ℃，保持0 min，以10 ℃/min 升至290 ℃，保持10 min。

1.3.2 质谱仪

传输线温度：280 ℃；离子源温度：280℃；四级杆温度：150 ℃；扫描方式：选择离子扫描模式。各目标物保留时间及质谱参数见表1。

表1 各目标物保留时间及质谱参数

2 结果与讨论

2.1 捕集效率的考察

为考察捕集装置的捕集效率，在捕集器后串联一根XAD-4 吸附管，对呼出烟气进行捕集，并分别对剑桥滤片和XAD-4吸附管中吸附剂萃取分析，结果表明在XAD-4吸附管中未检出苯酚，说明苯酚主要分布在粒相物中，因此采用剑桥滤片对加热卷烟呼出烟气中的苯酚进行捕集。

2.2 气体采样泵流量优化

为了有效捕集志愿者抽吸加热卷烟后的呼出烟气，对气体采样泵流量进行优化。实验中志愿者抽吸加热卷烟，要求志愿者尽量保持每次抽吸参数一致。采用不同的气体采样泵流量对呼出烟气进行捕集，所测得呼出烟气中苯酚的含量见表2。由表2可知，当气体采样泵流量为3.0 L/min 时，所测苯酚含量最高。这主要是因为当气体采样泵流量较小时，呼出烟气会从一次性吹嘴和志愿者面部之间的空隙溢出，造成呼出烟气捕集不完全；当气体采样泵流量过大时，会造成目标物穿透剑桥滤片，同时造成一次性吹嘴和志愿者面部贴合太紧，难以分开。另外，根据文献[24]中采用鱼尾罩捕集卷烟侧流烟气，其采样流量为（3.0±0.1） L/min，由于呼出烟气的捕集与侧流烟气的捕集类似，因此气体采样泵流量设定为3.0 L/min。

表2 不同的气体采样泵流量对应的呼出烟气中苯酚含量

2.3 分析方法的选择

依据烟草YC/T 255—2008 《卷烟 主流烟气中主要酚类化合物的测定 高效液相色谱法》[25]，采用高效液相色谱、荧光检测器（HPLC-FLD）法对抽吸加热卷烟后呼出烟气中酚类有害成分进行分析，由于酚类化合物含量太低，低于方法定量限。对吸烟者抽烟支数和样品萃取体积进行调整后，仍无法实现加热卷烟呼出烟气中酚类有害成分的定量分析，对应色谱图如图2a 所示，这与文献[17]结果类似。由于电子烟呼出烟气中苯酚含量较低，采用HPLCFLD法时低于方法定量限，因此采用灵敏度更高的GC-MS 法对抽吸加热卷烟后呼出烟气中苯酚进行定量分析。图2b 为一个典型的加热卷烟呼出烟气中苯酚的GC-MS 选择离子色谱图，由图可知苯酚的峰形较好，信噪比较高，能满足定量分析要求。

图2 不同分析方法测定加热卷烟呼出烟气中苯酚的色谱图

2.4 样品处理条件优化

为了提高呼出烟气样品的萃取效率，对样品处理条件进行优化。由于志愿者抽吸的随意性，呼出烟气样品变异性较大，因此采用空白加标样品对样品处理条件进行优化。在剑桥滤片上添加一定量的苯酚标准溶液，按照图1捕集装置进行连接，打开气体采样泵抽1 min（志愿者抽吸一支加热卷烟时，呼出烟气捕集所需时间为1 min）。然后，分别采用超声、涡旋、振荡三种不同的萃取方式对剑桥滤片进行萃取，考察萃取方式的影响，结果见图3a，结果表明，当采用超声萃取时，所萃取的苯酚含量最高。对超声萃取时间进行优化，结果见图3b，结果表明，当萃取时间为30 min 时，萃取的苯酚含量最高；继续增加萃取时间，苯酚含量反而降低，这主要是因为长时间超声萃取会造成苯酚氧化，因此用超声萃取30 min对捕集呼出烟气后的剑桥滤片进行萃取。

图3 不同样品处理方式下苯酚测定结果

2.5 分析方法评价

2.5.1 线性方程

采用二氯甲烷配制苯酚的标准工作溶液，以d8-苯乙酮为内标，将系列标准工作溶液进至GC-MS仪中分析，采用内标法绘制标准工作曲线。结果表明，苯酚的质量浓度为0.004～0.50 µg/mL 范围内线性关系良好，线性方程为y=3.467x-0.232，相关系数（r）为0.999 5。

2.5.2 检出限

采用最低浓度标准工作溶液连续进样10次，计算各目标物浓度的3 倍标准偏差作为检出限，10 倍标准偏差为定量限[26]，计算得苯酚的检出限和定量限分别为0.000 8、0.002 6 µg/mL。

2.5.3 加标回收试验

在剑桥滤片上加入低、中、高不同浓度的标准溶液，连接气体采样泵，以3.0 L/min 抽吸1 min 后，对滤片处理后进至GC-MS 仪中分析，计算苯酚的回收率，试验结果见表3。由表3 可知，苯酚的回收率为81.8%～88.9%，表明该方法准确度较高。

表3 加标回收试验结果

2.5.4 精密度试验

在剑桥滤片上分别加入中等浓度、苯酚标准溶液，同2.5.3 操作，连续6 次试验，试验结果见表4。由表4 可知，测定结果的相对标准偏差为3.21%，表明该方法精密度良好。

表4 精密度试验结果

2.6 样品测定

招募3名志愿者分别抽吸7种加热卷烟产品，采用所建立的加热卷烟呼出烟气中苯酚的测定方法对样品进行分析，试验结果见表5。由表5 可知，志愿者抽吸加热卷烟后呼出烟气中苯酚的含量较低，在0.05～0.13 µg/支之间，低于传统卷烟呼出烟气中苯酚的含量（0.17～0.34 µg/支）[19]。由于加热卷烟不产生侧流烟气，与传统卷烟相比，抽吸加热卷烟对环境空气质量的影响小于传统卷烟。然而，由于志愿者抽吸加热卷烟时存在随意性，志愿者3 次抽吸同一种加热卷烟产品呼出烟气中苯酚含量变异性较大。这一现象与文献[18-22]报道一致，研究表明吸烟者抽吸传统卷烟后呼出烟气中主要化合物含量变异性均较大（苯酚含量测定值相对标准偏差为17.0%～106%）。

表5 志愿者抽吸加热卷烟呼出和吸入烟气中苯酚含量

2.7 抽吸加热卷烟苯酚的人体截留率

试验结果表明志愿者吸入烟气中苯酚的含量为0.41～2.93 µg/支，加热卷烟吸入烟气中苯酚含量低于传统卷烟吸入烟气中含量（7.09～15.94 µg/支）[19]，表明抽吸加热卷烟带来的苯酚暴露风险低于传统卷烟。在7 个样品中，1#样品（iQOS）吸入烟气中苯酚的含量最低。

采用吸入和呼出烟气中苯酚含量的差异表示人体截留率，计算公式如式（1）：

式中：R——人体截留率， %；

ME——呼出烟气中苯酚含量，µg/支；

MI——吸入烟气中苯酚含量，µg/支。

由表5 数据表明，抽吸加热卷烟吸入烟气中苯酚含量明显高于呼出烟气，虽然加热卷烟呼出烟气中苯酚含量变异性较大，但对苯酚的人体截留率影响较小。

图4 为志愿者抽吸7 种不同的加热卷烟产品后人体对苯酚的截留率。由图4 可知，人体对苯酚的截留率为79.9%～97.8%，平均截留率为94.0%，与抽吸传统卷烟接近（＞96.0%）[19]，因此抽吸加热卷烟吸烟者仍然存在苯酚的暴露风险。志愿者抽吸不同加热卷烟产品时，人体对苯酚的截留率存在差异，其中1#样品的人体截留率低于其它6种国产加热卷烟产品见图4a，这可能与相较于国外加热卷烟，本研究中志愿者更喜欢国产加热卷烟的口味。由图4b 可知，不同志愿者对苯酚的人体截留率无明显差异。

图4 志愿者抽吸加热卷烟时苯酚的人体截留率

3 结语

建立了真空辅助捕集-GC-MS法测定抽吸加热卷烟后呼出烟气中苯酚含量，该法结果准确、可靠。对志愿者抽吸加热卷烟后呼出烟气进行分析，结果表明呼出烟气中苯酚含量显著低于吸入烟气中的含量，与传统卷烟相比，抽吸加热卷烟对环境空气质量影响较小。吸烟者对苯酚平均截留率为94.0%，表明抽吸加热卷烟吸烟者仍然存在苯酚的暴露风险。