室内环保吸烟室中抽吸卷烟对周围空气质量的影响

余晶晶，赵俊伟，王 昇，华辰凤，丁美宙，王 冰，赵晓东，孙学辉，王宜鹏，聂 聪，谢复炜*

1.中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2 号 450001 2.河南中烟工业有限责任公司技术中心，郑州经济技术开发区第三大街8 号 450016

环境烟草烟气（Environmental tobacco smoke，ETS）由吸烟者呼出的主流烟气和侧流烟气组成，是一类重要的室内空气污染物，已被列为人类致癌物［1］。有报道称非吸烟者暴露于ETS 环境中会增加患多种疾病的风险，如肺癌、心血管疾病和呼吸道疾病等［2-6］。ETS 中包含多种空气污染物，如PM2.5［7-8］、CO［9］、氮氧化物［10］、挥发性有机物（Volatile organic compounds，VOCs）［11-12］和甲醛［13］等，这些污染物的浓度是评价室内空气质量的重要指标。然而，由于室内空气中存在多种污染源，在采用这些指标评估吸烟对室内空气质量的影响时存在背景干扰。烟碱［14-15］、3-乙烯基吡啶［16］和茄尼醇［17］等化合物基本上仅在ETS 中存在，且与ETS 中其他化合物具有较为恒定的比例关系，常作为ETS 标志物用于评价ETS 对室内空气质量的影响［18-19］。

为倡导文明吸烟，保障控烟政策的有效实施，在政策允许的前提下，可设立吸烟点、吸烟区和吸烟室等不同类型的吸烟场所。由于吸烟室通常设置在室内，因此在社会各界引起了不小的争议。然而，国外很多研究均证明具有烟雾净化系统且通风良好的环保吸烟室能有效净化ETS，从而减少“二手烟”的危害，如Wagner等［20］研究表明当吸烟室与非吸烟区之间保持负压且采用滑动门时，可显著降低吸烟室开关门时ETS 的外溢问题；Wan 等［21］研究表明吸烟室采用直接排风及双门厅设计、保持至少5 Pa 的负压或新风量高于普通办公室3～5 倍时，均能有效减少ETS 的外溢问题；Jung 等［22］研究表明采用空气净化器后ETS 颗粒物浓度呈指数衰减，且30 min 内降低率达90.00%；Kim 等［23］研究表明负载MnOx/TiO2催化剂的吸烟室滤网可降解ETS 中的VOCs和醛类物质，其中，总挥发性有机物（Total volatile organic compound，TVOC）和乙醛的降解率分别为80%和70%。然而，目前国内暂无相关研究报道。为客观评价在室内环保吸烟室中抽吸卷烟对周围空气质量的影响，本研究中建立了卷烟ETS 污染物分析方法体系，包括13种空气质量指标［PM2.5、PM10、CO、NO、NO2、总氮氧化物（NOx）、苯、甲苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、TVOC、甲醛］和3 种ETS 标志物指标（烟碱、3-乙烯基吡啶、茄尼醇），系统全面地研究了室内环保吸烟室在不同空气交换率（低、中、高）下，抽吸卷烟对吸烟室中、出风口处、门口处、门外1 m处、门外3 m 处及非吸烟区空气质量的影响，旨在为推进“创建文明吸烟环境”工作提供科学的数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

国内卷烟1种（烤烟型，盒标焦油量11 mg）。

甲醇、乙腈（HPLC级，美国Merck公司）；二氯甲烷（LC 级）、甲醛2，4-二硝基苯腙（＞97%）（美国Supelco 公司）；异丙醇（99.9%，韩国Duksan Pure Chemicals公司）；实验用水为GB/T 6682规定的一级水（电导率≤0.01 mS/m，25 ℃）；冰乙酸（≥99.5%）、硫酸（95%～98%）（上海沪试化工有限公司）；盐酸羟胺（99.9%）、N-（1-萘基）乙二胺盐酸盐（＞98.0%，盐酸萘乙二胺）、高锰酸钾（≥99.5%）、亚硝酸钠（99.999%）、对氨基苯磺酸（99.5%）［阿拉丁试剂（上海）有限公司］；VOCs标样为符合文献［24］中规定的22 种VOCs 混标甲醇溶液，其质量浓度均为1 000 mg/L（坛墨质检标准物质中心）；烟碱（＞99%）、3-乙烯基吡啶（96.0%）（上海安谱实验科技股份有限公司）；2-甲基喹啉（＞98.0%）、茄尼醇（＞90%）（美国Sigma公司）。

Markers C3-AAXX-5266 热脱附采样管（填料为Tenax TA、Carbogrph 1TD、Carboxen 1003）、Agilent C-UN010C 冷阱（美国Agilent 公司）；DNPH采样管（1 000 mg/支）、KI140臭氧去除柱（天津博纳艾杰尔科技有限公司）；XAD-4采样管（80/40 mg，美国Supelco 公司）；剑桥滤片（直径44 mm，德国Borgwaldt公司）；有机相滤膜（孔径0.45 µm，上海安谱实验科技股份有限公司）；8533 DustTrakTM DRX粉尘测定仪（美国TSI 公司）；48i CO 红外线气体分析器（美国Thermo Fisher 公司）；Gary100 分光光度仪、Markers Ultra series 2 TD 热脱附仪-7890A GC-5975C MS 仪（TD-GC-MS）、7890 GC-5975MS仪、1200 HPLC-DAD 仪（美国Agilent 公司）；KQ-700DE 数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；ADV 230V 数显型多管旋涡混合器（美国Talboys 公司）；CP2245 电子天平（感量0.000 1 g，德国Sartorius公司）。

格瑞宁E400室内环保吸烟室（上海富良环保科技有限公司），外形尺寸：长×宽×高=4.21 m×1.59 m×2.15 m，含有2 个净化主机箱，2 个自熄式烟灰桶，配有自动门。滤网配置：包含5层强效过滤网，分别为GRL/S-P1预过滤网、GRL/S-C2定向活性炭过滤网、GRL/S-C3 定向活性炭过滤网、GRL/S-H4 医用HEPA过滤网和GRL/S-C5定向活性炭过滤网。

1.2 方法

1.2.1 实验方案

志愿者招募：招募志愿者4 人，要求年龄在18～60周岁之间，已持续抽吸卷烟6月以上，每天抽吸卷烟15支以上；无严重心血管、呼吸系统及其他严重疾病；能按照实验要求抽吸卷烟。志愿者均需签署研究知情同意书。

抽吸卷烟环境：室内环保吸烟室，在不同空气交换率（低、中、高）下进行抽吸卷烟实验。室内环保吸烟室风机不开时认为是低空气交换率，滤网进风口处风速为1.5 m/s时为中空气交换率，滤网进风口处风速为3.0 m/s时为高空气交换率。

抽吸方案：参考PMI 公司评价消费烟草及烟草制品对环境空气影响的抽烟方案［25］抽吸卷烟。0 min 时，志愿者1 和2 进入吸烟室中各抽吸第1 支卷烟；15 min 时，志愿者1 和2 离开吸烟室，志愿者3和4 进入吸烟室中各抽吸第1 支卷烟；30 min 时，志愿者3 和4 离开吸烟室，志愿者1 和2 进入吸烟室中各抽吸第2支卷烟；45 min时，志愿者1和2离开吸烟室，志愿者3和4进入吸烟室中各抽吸第2支卷烟，依次循环，抽吸卷烟实验持续5 h。每小时共抽吸8 支卷烟。

采样方案［24］：抽吸卷烟实验持续1 h 后开始采样，采样点（除出风口处外）距离地面高度1.0～1.5 m。室内环保吸烟室共设置6个采样点，分别为吸烟室中（1#）、出风口处（2#）、门口处（3#）、门外1 m处（4#）、门外3 m处（5#）和非吸烟区（6#）。

1.2.2 分析方法

PM2.5和PM10：依据文献［26］中的方法，采用符合标准规定的粉尘测定仪对空气中的PM2.5和PM10在线连续监测4 h，计算平均浓度。

CO：依据文献［27］中的方法，采用便携式红外线CO分析仪对空气中的CO在线连续监测4 h，计算平均浓度。

氮氧化物：依据文献［28］中的方法，采用盐酸萘乙二胺分光光度法测定空气中NO、NO2、NOx的浓度。空气采样泵流量为0.4 L/min，采样时间为60 min。采样结束后，采用分光光度仪分析吸收液。

苯、甲苯、二甲苯和TVOC：参照文献［24］中的方法，并对其进行优化。采用热脱附采样管采集空气样品，空气采样泵流量为0.1 L/min，采样时间为60 min。采样结束后，将热脱附采样管置于TDGC-MS仪上进行分析。分析条件：

载气：氮气；热脱附采样管温度：325 ℃（3 min）；分流比：40 ∶1；冷阱预吹时间：2 min；气体流速：40 mL/min；低温：25 ℃；高温：280 ℃，脱附时高温保持3 min。色谱柱：Agilent DB-5MS 毛细管柱（60 m×250 µm×1 µm）；载气：氦气，流速1.2 mL/min；程序升温条件：50 ℃（10 min）150 ℃（0 min）250 ℃（5 min）；总运行时间：45 min；溶剂延迟：5 min；监测模式：全扫描（35～270 amu）和选择离子扫描（SIM）同时进行；离子化能量：70 eV；传输线温度：280 ℃。目标物的质谱参数如表1所示。

表1 目标化合物的质谱分析参数Tab.1 MS parameters of target compounds

甲醛：依据文献［24］中的方法，采用DNPH采样管采集空气样品。空气采样泵流量为0.8 L/min，采样时间为125 min。采样结束后，用5 mL 乙腈淋洗DNPH小柱，收集洗脱液并定容至5 mL，进行HPLCDAD分析。

烟碱、3-乙烯基吡啶：在文献［29］中方法的基础上，建立了ETS 中烟碱、3-乙烯基吡啶的GC-MS 分析方法。将XAD-4采样管连接到空气采样泵上，采集空气样品。空气采样泵流量为1.0 L/min，采样时间为90 min。采样结束后，将采样管中填料转移至2 mL 的色谱瓶中，弃去所有玻璃纤维，加入50 µL 2-甲基喹啉内标溶液和1 mL异丙醇-二氯甲烷混合溶剂（V异丙醇∶V二氯甲烷=1∶1），超声萃取30 min。萃取液过有机相滤膜后进行GC-MS分析。分析条件：

色谱柱：DB-ALC1 毛细管柱（30 m×320 µm×1.8 µm）；载气：氦气，流速1.2 mL/min，不分流进样；程序升温条件：50 ℃（3 min）220 ℃（5 min）；总运行时间：25 min；溶剂延迟：6.5 min；监测模式：全扫描（50～350 amu）和选择离子扫描（SIM）同时进行；离子化能量：70 eV；传输线温度220 ℃。各目标物的质谱参数见表1。

茄尼醇：在文献［30］中方法的基础上，建立利用HPLC-DAD 仪分析ETS 中茄尼醇的方法。用剑桥滤片采集空气样品。采样泵流量为3.0 L/min，采样时间为120 min。采样结束后，用5 mL 甲醇涡旋萃取剑桥滤片10 min，将萃取液过有机相滤膜，进行HPLC-DAD分析。分析条件：

色谱柱：Waters XBridge C18柱（4.6 m×75 mm，3.5 μm）；流动相：甲醇；流速：1.0 mL/min，等度洗脱；柱温箱温度：25 ℃；进样量：10 µL；检测波长：210 nm；运行时间：12 min。

2 结果与讨论

2.1 空气污染物分析方法性能

为全面客观地评价室内环保吸烟室中抽吸卷烟对周围空气质量的影响，建立了卷烟ETS 污染物分析方法体系。本研究中的测试共涉及7类分析方法，分别为2类测定PM2.5/PM10和CO的在线监测方法以及5类测定氮氧化物、VOCs/TVOC、甲醛、烟碱/3-乙烯基吡啶、茄尼醇的离线分析方法。

为考察所采用的分析方法对卷烟ETS 的适用性，对5 类离线分析方法的性能，如标准曲线、回收率、精密度（以RSD表示）及检出限进行评价，结果如表2所示。由于间二甲苯和对二甲苯的色谱峰未实现基线分离，故将二者合并计算。由表2可知，所有离线测试指标标准曲线线性关系良好（r2≥0.999 0），回收率在78.00%～108.00%之间，日内RSD 及日间RSD 均小于10%，检出限均小于等于0.98 µg/m3，能满足卷烟ETS污染物定量分析的要求。

表2 采用离线分析方法所测化合物的标准曲线、回收率、精密度及检出限Tab.2 Calibration curves，recoveries，precisions and LODs of target compounds obtained by offline analytical methods

2.2 室内环保吸烟室的平均空气交换率

由于室内空气污染物浓度水平与室内空气交换率存在直接联系，因此，依据文献［31］中的方法，测定了室内环保吸烟室在低、中、高3种不同条件下的空气交换率。当志愿者在室内环保吸烟室中抽吸卷烟时，采用在线CO分析仪监测室内CO浓度。待抽吸卷烟结束后，由于室内外空气交换，使室内CO 浓度呈指数衰减，根据浓度随时间的变化关系，依据公式（1）计算平均空气交换率［31］。

式中，A为平均空气交换率，h-1；C0为抽吸卷烟结束时CO 的质量浓度，mg/m3；Ct为抽吸卷烟结束后CO 衰减到稳定状态时的质量浓度，mg/m3；t为从抽吸卷烟结束到CO衰减达到稳定状态时的时间，h。

实验结果表明，室内环保吸烟室在低、中、高3种不同条件下的空气交换率分别为0.87、5.51、11.13 h-1。可见，室内环保吸烟室风机不开时空气交换率较低，而中空气交换率约为高空气交换率的1/2。

2.3 室内环保吸烟室中抽吸卷烟对周围空气质量的影响

为研究室内环保吸烟室中抽吸卷烟对周围空气质量的影响，先后将室内环保吸烟室设置为低、中、高3 种不同的空气交换率，分别按照1.2.1 节中的抽吸方案组织志愿者抽吸卷烟，并按照采样方案采集吸烟室中、出风口处、门口处、门外1 m 处、门外3 m处及非吸烟区的空气样品，采用所建立的卷烟ETS污染物分析方法体系测定污染物浓度。实验前对室内环保吸烟室进行维修保养，并更换滤网，同时保证自动门正常使用，减少ETS 外溢。从空气质量指标和ETS标志物两个方面研究室内环保吸烟室中抽吸卷烟对周围空气质量的影响。

2.3.1 空气质量指标

室内环保吸烟室为低、中、高空气交换率情况下，抽吸卷烟时周围空气中CO、PM2.5等13个空气质量指标的浓度如图1所示。由于室内存在多种污染源，故在非吸烟区（6#采样点）空气中也能检测到CO、PM2.5等13种空气污染物。

图1 低、中、高空气交换率条件下抽吸卷烟时空气中CO、PM2.5等空气质量指标的浓度Fig.1 Influences of cigarette smoking on concentrations of air quality indexes（CO，PM2.5，etc.）at low，medium and high air exchange rates

当室内环保吸烟室为低空气交换率时，由图1可知，室内CO、PM2.5等13个空气质量指标的浓度均为最高，出风口处、门口处、门外1 m处、门外3 m处浓度均高于非吸烟区，且大多数指标随离吸烟室距离的增加呈降低趋势，说明当室内环保吸烟室风机不开时，抽吸卷烟会引起吸烟室中CO、PM2.5等13种空气污染物浓度显著增加。除此之外，PM2.5、PM10和苯在1#～5#采样点处浓度均超过室内限量值（分别为≤50 µg/m3、≤100 µg/m3、≤30 µg/m3）［25］，其中，吸烟室中这3个指标浓度远超过室内限量值；甲苯、二甲苯（间/对二甲苯和邻二甲苯的浓度之和）和甲醛仅在吸烟室中的浓度超过室内限量值（分别为≤200 µg/m3、≤200 µg/m3、≤80 µg/m3）［25］；TVOC在吸烟室中和门口处浓度超过室内限量值（≤0.6×103µg/m3）［25］；CO、NO2在所有采样点处均低于室内限量值（分别为≤10 mg/m3、≤200 µg/m3）［25］。需要说明的是，文献［25］中没有NO和NOx的室内空气限量值。

当室内环保吸烟室为中、高空气交换率时，由图1 可知，所有采样点处PM2.5、PM10等（除CO 外）12 个空气质量指标的浓度均显著降低，CO仅在吸烟室中的浓度显著降低，其他采样点处浓度降低不明显。所有空气质量指标的浓度在所有采样点处均低于室内空气限量值。大多数空气质量指标在吸烟室中的浓度略高于非吸烟区，出风口处浓度低于或接近非吸烟区，其他采样点处浓度与非吸烟区接近。但CO在出风口处和室外采样点处的浓度仍略高于非吸烟区，这可能与环保吸烟室滤网材料对CO的净化效果有限相关。

采用吸烟室中空气污染物的降低率评价环保吸烟室滤网材料对CO、PM2.5等13 种空气污染物的净化效果，室内空气污染物的降低率按照公式（2）计算，结果如表3所示。

表3 室内环保吸烟室中、高空气交换率时室内空气污染物降低率Tab.3 Reduction rates of indoor air pollutants in environmentally friendly smoking room at medium and high air exchange rates（%）

式中，R为室内空气污染物的降低率，%；C1#，低为低空气交换率时吸烟室中污染物的质量浓度，µg/m3或mg/m3；C空白为低空气交换率时非吸烟区污染物的质量浓度，µg/m3或mg/m3；C1#，中或高为中或高空气交换率时吸烟室中污染物的质量浓度，µg/m3或mg/m3；C'空白为中或高空气交换率时非吸烟区污染物的质量浓度，µg/m3或mg/m3。

由表3可知，在中、高空气交换率时，室内环保吸烟室中，除CO降低率约为77.00%外，其他12种空气质量指标的降低率均大于等于94.51%。中空气交换率时，NO2、NO 和NOx的降低率甚至达到100.00%。可见，室内环保吸烟室在中、高空气交换率的条件下能有效净化卷烟ETS中大部分空气污染物，但对CO的净化效果有限，需要进一步改进。

2.3.2 ETS标志物

在低、中、高空气交换率下抽吸卷烟时，周围空气中卷烟ETS 标志物的浓度如图2 所示。由图2 可知，低空气交换率时，吸烟室中烟碱、3-乙烯基吡啶和茄尼醇的浓度最高，出风口、门口、门外1 m、门外3 m 处均能检测到烟碱、茄尼醇，门口、门外1 m、门外3 m能检测到3-乙烯基吡啶。这说明卷烟ETS外溢到吸烟室外，对周围空气造成污染。由于烟碱、3-乙烯基吡啶和茄尼醇主要来源于烟草，故在非吸烟区空气中未检出这3种卷烟ETS标志物。

图2 低、中、高空气交换率条件下抽吸卷烟时空气中ETS标志物的浓度Fig.2 Influences of cigarette smoking on concentrations of ETS markers at low，medium and high air exchange rates

当室内环保吸烟室为中、高空气交换率时，所有采样点3 种卷烟ETS 标志物浓度均显著降低，且均未检出茄尼醇，其原因可能是茄尼醇存在于ETS 粒相物中，当室内环保吸烟室为中、高空气交换率时，ETS 粒相物迅速被滤网净化。在中、高空气交换率时，仅吸烟室中能检测到烟碱和3-乙烯基吡啶，其他采样点均未检出。室内环保吸烟室中3 种卷烟ETS标志物的降低率如表3 所示。由表3 可知，在中、高空气交换率下，烟碱、3-乙烯基吡啶降低率均大于等于93.00%，茄尼醇降低率为100.00%。

综上所述，在室内环保吸烟室正常维护保养情况下，无论是中空气交换率还是高空气交换率条件下，吸烟室中、出风口、门口、门外1 m、门外3 m处空气中CO、PM2.5等13种空气质量指标和3种卷烟ETS标志物浓度均显著降低，表明室内环保吸烟室的烟雾净化系统能有效降低“二手烟”的浓度，即在室内环保吸烟室中抽吸卷烟对周围空气质量影响较小。但本研究中室内环保吸烟室的滤网材料对CO 的净化效果有限，需要对滤网系统进一步改进。

3 结论

（1）建立了卷烟ETS污染物分析方法体系，涵盖13 种空气质量指标，包括PM2.5、PM10、CO、NO、NO2、NOx、苯、甲苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、TVOC 和甲醛以及3 种ETS 标志物（烟碱、3-乙烯基吡啶、茄尼醇），对离线分析方法性能进行了考察，结果表明方法分析性能良好。

（2）与风机不开（低空气交换率）相比，当室内环保吸烟室为中、高空气交换率时，CO、PM2.5等13 种空气质量指标的浓度均显著降低，所有采样点处空气质量指标浓度均低于室内空气限量值；除CO（降低率约为77.00%）外，室内环保吸烟室中其他12 种空气质量指标的降低率均大于等于94.51%。

（3）在中、高空气交换率时，所有采样点3种卷烟ETS标志物浓度均显著降低，且均未检出茄尼醇，仅吸烟室中能检测到烟碱和3-乙烯基吡啶；室内环保吸烟室中，烟碱和3-乙烯基吡啶降低率均大于等于93.00%，茄尼醇降低率为100.00%。

（4）在室内环保吸烟室正常维护保养情况下，抽吸卷烟对周围空气质量影响较小。