司曉喜

摘 要 為研究酚類物質(zhì)在卷煙主流煙氣氣溶膠中的粒徑分布，采用單通道吸煙機(jī)電子低壓撞擊器（ELPI），通過(guò)12級(jí)聚酯薄膜捕集煙氣氣溶膠粒相物，采用超高效液相色譜熒光檢測(cè)方法測(cè)定了14種酚類在不同粒徑氣溶膠中的分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本方法捕集得到氣溶膠粒相物質(zhì)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于10%，具有較好的穩(wěn)定性； 超高效液相色譜熒光檢測(cè)方法測(cè)定14種酚類的線性相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9959，檢出限低于1.2 ng/cig，回收率在80.1%～115.0%之間，方法簡(jiǎn)單快速，準(zhǔn)確可靠。采用本方法研究了卷煙主流煙氣氣溶膠中14種酚類物質(zhì)含量和濃度的粒徑分布，發(fā)現(xiàn)除了4乙基愈創(chuàng)木酚在捕集的氣溶膠中未檢出外，其它13種酚類物質(zhì)在不同粒徑氣溶膠粒相物中的含量分布隨粒徑增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，與粒相物質(zhì)量分布一致，并主要集中在中等粒徑（0.261～0.722 μm）的粒相物中，在粒徑0.431 μm的粒相物中含量最高； 不同酚類物質(zhì)在不同粒徑氣溶膠中的濃度分布趨勢(shì)有差異，苯酚和單取代苯酚類的濃度分布有特異性，其濃度隨著粒徑增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在中等粒徑的粒相物中（0.261～0.722 μm）濃度最高； 苯二酚類和單取代苯二酚的濃度在0.144～1.166 μm的粒相物中分布無(wú)明顯差異，二取代苯酚類的濃度隨著粒徑的變化無(wú)明顯差異。

關(guān)鍵詞 煙氣氣溶膠； 酚類； 粒相物； 熒光檢測(cè)法； 粒徑分布

1 引 言

酚類化合物是卷煙煙氣氣溶膠中一類重要物質(zhì)，與卷煙的安全性和感官品質(zhì)密切相關(guān)[1，2]。一些簡(jiǎn)單酚類，如苯酚、苯二酚、甲基苯酚等，都有特殊的刺激性氣味，通常認(rèn)為是煙氣有害成分[3，4]。于宏曉等[5]采用添加碳空心材料的嘴棒將主流煙氣酚類有害成分降低30%以上時(shí)，卷煙的感官質(zhì)量發(fā)生了明顯變化。另一方面，酚類物質(zhì)也會(huì)影響煙氣的香氣品質(zhì)，一些酚類具有特定的香氣或能使煙氣增加奇異的味道，如對(duì)甲基苯酚具澀味，2，6二甲基苯酚具甜味，4乙基愈創(chuàng)木酚具甜和香草味，丁香酚具芳香和沉悶的味道，苯酚具甜味和藥物氣味等[3]。丁香酚、4甲基愈創(chuàng)木酚等已作為香精中的重要配方[6]。

煙氣氣溶膠中的化學(xué)成分隨粒子粒徑大小有不同分布[7，8]，但有關(guān)煙氣化學(xué)成分隨氣溶膠粒徑分布的研究報(bào)道較少[9～12]。Morie等[9]研究了煙氣中吲哚、煙堿、酞酸二乙酯、降植烯、新植二烯、總粒相物和銅在4個(gè)粒徑（0.25、0.50、0.75和1.00 μm）氣溶膠中的分布，發(fā)現(xiàn)這些成分的釋放量均隨粒徑增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，但吲哚、煙堿、酞酸二乙酯在中等粒徑粒相物中的濃度較高，銅則在大粒徑和小粒徑粒相物中的濃度較高，降植烯、新植二烯在整個(gè)粒徑范圍內(nèi)的濃度基本一致。Wang等[11]研究了焦油、煙堿、重金屬、煙草特有亞硝胺、BaP在3個(gè)粒徑范圍（﹤0.1 μm、0.1～1.0 μm和1.0～2.0 μm）的煙氣氣溶膠中的分布特征，為不同粒徑顆粒物上所載帶的煙氣有害成分評(píng)估提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。深入研究酚類成分在煙氣氣溶膠中的粒徑分布，全面揭示其與煙氣安全性以及煙氣感官特性等的聯(lián)系，對(duì)提高卷煙的安全性和煙氣品質(zhì)具有積極作用。

電子低壓撞擊器（ELPI）可以連續(xù)在線監(jiān)測(cè)一定濃度范圍內(nèi)的顆粒物濃度，并可實(shí)現(xiàn)不同粒徑范圍氣溶膠的捕集[13]，已用于大氣顆粒物、卷煙煙氣氣溶膠、汽車尾氣氣溶膠顆粒物的分級(jí)捕集分析研究[14，15]。Wang等[11]采用單孔道吸煙機(jī)與ELPI連接，實(shí)現(xiàn)卷煙主流煙氣中氣溶膠的分級(jí)捕集，該方法捕集氣溶膠粒相物的穩(wěn)定性較好。本研究采用單通道吸煙機(jī)ELPI分12級(jí)捕集卷煙主流煙氣氣溶膠粒相物，通過(guò)超高效液相色譜熒光檢測(cè)方法測(cè)定14種酚類物質(zhì)在不同粒徑煙氣氣溶膠中的分布，研究了煙氣氣溶膠粒相物中酚類物質(zhì)含量和濃度與氣溶膠粒相物粒徑的關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

JJD200型單通道吸煙機(jī)（鄭州嘉德機(jī)電科技有限公司）； ELPI電子低壓撞擊器（檢測(cè)上限4×105 fA， 芬蘭DEKATI公司）； BT 125D電子天平（德國(guó)German Sartorius AG公司）； ACQUITYTM超高效液相色譜儀（美國(guó)Waters公司），配熒光檢測(cè)器； MilliQ超純水器（美國(guó)Millipore公司）； 0.22 μm水相濾膜（天津市津騰實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）。

乙腈（色譜純，美國(guó)Tedia公司）； 乙酸（分析純，廣東西隴化工集團(tuán)有限公司）； 對(duì)苯二酚、間苯二酚、鄰甲基對(duì)苯二酚、鄰苯二酚、苯酚、愈創(chuàng)木酚、（間、對(duì)）甲酚、鄰甲酚、4甲基愈創(chuàng)木酚、2，6二甲基苯酚、2乙基苯酚、4乙基愈創(chuàng)木酚、丁香酚、異丁香酚（純度≥99%，德國(guó)Dr. Ehrenstorfer公司）。

根據(jù)目前卷煙主流產(chǎn)品規(guī)格進(jìn)行制備： 卷煙葉組配方組成為上部煙葉34%，中部煙葉23%，下部煙葉15%，梗絲28%； 不進(jìn)行外加香，加入0.5%丙二醇。實(shí)驗(yàn)前樣品于22℃、濕度60%下平衡48 h以上。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 氣溶膠分級(jí)捕集 參照文獻(xiàn)[11]的方法進(jìn)行卷煙煙氣氣溶膠分級(jí)捕集，每個(gè)樣品均抽吸10支卷煙，不同粒徑的煙氣粒相物分12級(jí)捕集于聚酯薄膜上，本研究中采用幾何平均粒徑（Di）表示空氣動(dòng)力學(xué)直徑，捕集的粒徑范圍列于表1中。抽吸完成后取出各級(jí)聚酯薄膜，稱量所捕集的煙氣氣溶膠粒相物重量。整個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境溫度控制在（22±0.5）℃，相對(duì)濕度控制在60% ± 3%。吸煙機(jī)抽吸條件： 單通道吸煙機(jī)，抽吸方式為矩形曲線，抽吸容量35 mL，抽吸時(shí)間2 s，抽吸周期60 s。ELPI條件： 真空度為10 kPa，Trap電壓為400 V。

3 結(jié)果與討論

3.1 分析方法的建立和評(píng)價(jià)

樣品前處理方法參照YC/T 2552008[16]，并對(duì)流動(dòng)相種類、梯度洗脫程序、熒光檢測(cè)波長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，在流動(dòng)相中加入1% 乙酸能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分析物快速洗脫，分析物峰形尖銳對(duì)稱，最終確定的流動(dòng)相和洗脫程序見(jiàn)2.2.3節(jié)。采用標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行光譜掃描，確定14種酚類的最佳激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)，根據(jù)最佳波長(zhǎng)將檢測(cè)目標(biāo)物分為3組，采用3個(gè)通道進(jìn)行檢測(cè)，選擇的檢測(cè)波長(zhǎng)見(jiàn)表2。在優(yōu)化的條件下進(jìn)行檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)溶液和實(shí)際樣品的色譜分離圖見(jiàn)圖1。endprint

用1%的乙酸為溶液配制14種酚類的6級(jí)系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，濃度范圍均為0.02～10.00 mg/L。取系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液按優(yōu)化的色譜條件進(jìn)行測(cè)定，以各目標(biāo)分析物的響應(yīng)峰面積為縱坐標(biāo)，各目標(biāo)分析物的濃度為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。根據(jù)保留時(shí)間進(jìn)行定性分析，采用外標(biāo)法進(jìn)行定量分析。將最低濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)樣測(cè)定7次，以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差作為檢出限（LOD），10倍標(biāo)準(zhǔn)偏差作為定量限（LOQ）； 選擇加標(biāo)樣品按照2.2.2節(jié)方法處理后測(cè)定，以7次平行樣測(cè)定的峰面積計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）； 取空白樣品，添加3個(gè)濃度水平（0.05、2.00和5.0 mg/L）的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3，本方法能夠滿足煙氣氣溶膠中酚類物質(zhì)分析的可靠性要求。

3.2 卷煙氣溶膠的分級(jí)捕集

已有很多對(duì)卷煙煙氣氣溶膠進(jìn)行分級(jí)捕集并測(cè)定煙氣氣溶膠粒相物的質(zhì)量分布的報(bào)道，不同儀器和方法測(cè)定的數(shù)值存在差異，主要集中于0.1～1.0 μm[17]。表1列出了分12級(jí)捕集得到的氣溶膠粒相物質(zhì)量，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于10%，可見(jiàn)本捕集方法具有較好的穩(wěn)定性。從表1中氣溶膠粒相物的質(zhì)量分布可知，卷煙樣品的氣溶膠質(zhì)量分布隨粒徑增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，主要分布在0.144～1.166 μm，質(zhì)量中位直徑均在0.43 μm附近，<0.1 μm和>1.0 μm的粒相物較少，與文獻(xiàn)[11，17]報(bào)道一致。

3.3 卷煙氣溶膠中酚類物質(zhì)的測(cè)定和粒徑分布研究

已有研究報(bào)道了主流煙氣中不同粒徑大小顆粒的化學(xué)組成的差異性，并發(fā)現(xiàn)不同化學(xué)成分的粒徑分布也不同[7，18]。本研究測(cè)定了14種酚類物質(zhì)在不同粒徑氣溶膠粒相物中的含量，圖2列出了代表性酚類物質(zhì)含量的測(cè)定結(jié)果。除4乙基愈創(chuàng)木酚在捕集的氣溶膠中未檢出外，其余13種酚類均有檢出，其中，對(duì)苯二酚、鄰苯二酚、鄰甲基對(duì)苯二酚、苯酚、（間、對(duì)）甲酚、間苯二酚和異丁香酚含量較高，在所有粒徑粒相物中均有檢出。隨粒徑增加，13種酚類物質(zhì)含量呈先增加后減小的分布趨勢(shì)，與捕集的粒相物質(zhì)量分布趨勢(shì)一致，即主要集中在中等粒徑（0.261～0.722 μm）的粒相物中，粒徑為0.431 μm的粒相物含量最高，粒徑<0.1 μm和>1.0 μm的粒相物中分布較少，甚至未能檢出。

Morie [9]和Wang [11] 等研究發(fā)現(xiàn)，幾種特定煙氣成分、煙氣有害成分在不同粒徑氣溶膠中的濃度分布不同。本研究進(jìn)一步比較了13種酚類物質(zhì)在不同粒徑粒相物中的質(zhì)量濃度分布（不同粒徑粒相物中各酚類質(zhì)量與捕集的粒相物質(zhì)量之比，以μg/mg表示），圖2列出了代表性酚類物質(zhì)質(zhì)量濃度分布結(jié)果。結(jié)果表明，13種酚類呈不同的分布趨勢(shì)，其中，苯二酚類（包括對(duì)苯二酚、間苯二酚、鄰苯二酚）和單取代苯二酚（鄰甲基對(duì)苯二酚）的濃度在粒徑0.144～1.166 μm的顆粒中分布基本無(wú)明顯差異，而在粒徑<0.070 μm和>1.851 μm的粒相物中濃度稍低； 苯酚和單取代苯酚類包括愈創(chuàng)木酚、（間、對(duì)）甲酚、鄰甲酚、2乙基苯酚的濃度隨著粒徑增加呈現(xiàn)明顯的先增加后減小的趨勢(shì)，在0.431 μm 處達(dá)最大值，表明苯酚和單取代苯酚類傾向富集于中間粒徑的粒相物中； 二取代苯酚類（包括4甲基愈創(chuàng)木酚、2，6二甲基苯酚、丁香酚、異丁香酚）的濃度則隨著粒徑的變化無(wú)明顯差異，表明二取代苯酚類的濃度隨粒徑的分布無(wú)特異性。

濾嘴是典型的孔隙率高達(dá)80%的纖維濾體，本實(shí)驗(yàn)的卷煙濾嘴材料為醋酸纖維，其橫斷面呈“Y”型，比表面積較大，纖維直徑約為30 μm，纖維間的空隙>100 μm，而煙氣氣溶膠顆粒主要分布于0.1～1.0 μm，遠(yuǎn)小于纖維的直徑和空隙。煙氣顆粒在濾嘴中處于動(dòng)態(tài)變化，在濾嘴中的截留是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，濾嘴對(duì)氣溶膠顆粒的過(guò)濾作用主要有直接攔截、慣性碰撞、擴(kuò)散沉積3種方式[19]，其中小顆粒氣溶膠擴(kuò)散沉積作用顯著，大粒徑顆粒容易被直接攔截，顆粒的質(zhì)量越大，慣性碰撞作用越顯著，因此不同粒徑的煙氣氣溶膠表現(xiàn)出不同的截留作用。此外，化合物性質(zhì)也會(huì)影響其在不同粒徑氣溶膠中的分布[7，18]，苯酚和甲基苯酚的分子量和沸點(diǎn)均小于苯二酚和二取代苯酚，此外苯二酚含有2個(gè)羥基取代基，苯酚、甲基苯酚和二取代苯酚則只含有1個(gè)羥基取代基，不同酚類性質(zhì)的差異可能在氣溶膠中表現(xiàn)出不同的存在狀態(tài)，并在通過(guò)濾嘴時(shí)表現(xiàn)出不同的作用方式。胡念念等[20]研究了醋纖濾嘴對(duì)酚類物質(zhì)的截留效率，發(fā)現(xiàn)苯二酚的截留效率為30.6%～46.4%，苯酚的截留效率為69.3%～77.8%，甲基苯酚的截留效率為58.5%～72.3%，濾嘴對(duì)苯酚和單取代苯酚的截留效率明顯高于苯二酚。不同顆粒氣溶膠中化學(xué)組成的差異，以及濾嘴對(duì)不同粒徑大小氣溶膠顆粒的過(guò)濾效率不同，可能導(dǎo)致不同性質(zhì)化合物在主流煙氣氣溶膠顆粒中的粒徑分布差異。Morie等[9]也認(rèn)為不同化合物所呈現(xiàn)出的不同分布趨勢(shì)可能與化合物的性質(zhì)以及卷煙濾嘴對(duì)不同粒徑氣溶膠的選擇性過(guò)濾有關(guān)。

4 結(jié) 論

采用單通道吸煙機(jī)電子低壓撞擊器（ELPI）分12級(jí)捕集煙氣氣溶膠粒相物，并采用超高效液相色譜熒光檢測(cè)方法測(cè)定了14種酚類在不同粒徑氣溶膠中的分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本方法捕集粒相物質(zhì)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于10%，穩(wěn)定性較好； 實(shí)驗(yàn)卷煙樣品的氣溶膠質(zhì)量分布隨粒徑增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，主要分布在0.144～1.166 μm，質(zhì)量中位直徑均在0.43 μm附近。14種酚類的線性相關(guān)系數(shù)（R2）均大于0.9959，檢出限低于1.2 ng/cig，回收率為80.1%～115.0%，方法簡(jiǎn)單快速、準(zhǔn)確可靠。

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Abstract To measure particle size distribution of phenols in mainstream cigarette smoke aerosol， the particles of cigarette smoke aerosol were divided into 12 stages using single channel smoking machine coupled electrical lowpressure impactor （ELPI） and collected by 12 polyester films. The collected particles were weighted and then analyzed by ultrahigh performance liquid chromatographyfluorescence detection （UPLCFLD） to determine the 14 phenols in the different size particles. The results showed that the aerosols collecting method had good stability with relative standard deviation （RSD） of collected particles mass less than 10%. The analyzing results of 14 phenols by UPLCFLD showed that the linear correlation coefficients （R2） were greater than 0.9959， with detection limits were less than 1.2 ng/cig and recoveries were 80.1%-115.0%. The distributions of 14 phenols with respect to smoke aerosol particle size were investigated. The results indicated that except 4ethyl2methoxyphenol not detected， the other 13 phenols were detected in mainstream cigarette smoke aerosol. The content of 13 phenols appeared increasing at first and then decreasing with increase of the particle size which distributed in a pattern similar to that of particle mass. All of 13 phenols were present in higher amounts in the medium size particles （0.261-0.722 μm） with peak content in particles 0.431 μm. The distribution of concentrations （ratio of content to particle mass） of 13 phenols in different size particles was different. The concentrations of phenol and monosubstituted phenol appeared to first increase and then decrease with increasing smoke aerosol particle size and were higher in medium size particles （0.261-0.772 μm）. The concentrations of benzenediol and monosubstituted benzenediol were uniformly distributed in medium size particles （0.144-1.166 μm）， and the concentration of disubstituted phenol was uniform throughout the particles of varying sizes.

Keywords Cigarette smoke aerosol； Phenols； Particulate matter； Fluorescence detection； Size distribution

（Received 9 May 2017； accepted 12 October 2017）

This work was supported by the Technological Development Projects of China Tobacco Yunnan Industrial Co.， Ltd. （No. 2016JC04）endprint