吸附劑捕集法檢測卷煙主流煙氣中4類有害物

于航，張洪非*，尚夢琦，姜興益，黃光莉，林琳

1. 北京市煙草質(zhì)量監(jiān)督檢測站（北京 101121）；2. 國家煙草質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（鄭州 450001）

隨著吸煙與健康問題的研究不斷深入，人們對煙氣中有害成分的關(guān)注程度也越來越高。2008年世界衛(wèi)生組織公布卷煙煙氣中9種優(yōu)先級成分，分別為NNK、NNN、乙醛、丙烯醛、苯、苯并芘、1, 3-丁二烯、CO和甲醛，國家煙草專賣局于2009年提出卷煙主流煙氣中7種有害成分特征物，包括CO、NH3、HCN、苯并芘、NNK、苯酚和巴豆醛[1]。以此類名單為指導(dǎo)，國內(nèi)外許多機構(gòu)都針對卷煙主流煙氣中揮發(fā)性、半揮發(fā)性、羰基類和酚類化合物推出不同檢測方法和標(biāo)準(zhǔn)[2-8]。但在現(xiàn)有檢測手段中，各類目標(biāo)物均是被分別捕集、分別檢測，對人力和財物的消耗較大。Carboxen 572（CX-572）是一種高效碳分子篩，常被應(yīng)用于微量成分的捕集研究[9]。從吸附劑輔助濾片捕集的角度進行試驗設(shè)計[10]，利用CX-572的吸附性能，做到一次吸煙同時捕集并測定卷煙主流煙氣中揮發(fā)性、半揮發(fā)性、羰基類和酚類化合物4類物質(zhì)，減少分析時間及樣品和試劑的消耗。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

SM450直線型吸煙機（英國Cerulean）；專利直線型吸煙機捕集器（專利號ZL201420548198.2）；Clarus 600氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國PerkinElmer）；Alliance e2695高效液相色譜儀（美國Waters）；電子天平，精度0.1 mg（德國Sartorius）；HY-6型調(diào)速多用振蕩器（常州國華電器有限公司）。

1, 3-丁二烯標(biāo)準(zhǔn)溶液（2 mg/mL，美國O2SI）；異戊二烯、丙烯腈苯、苯-d6、甲苯、苯乙烯、喹啉、吡啶、吡啶-d5、苯乙烯-d8、鄰-苯二酚、對-苯二酚、間-苯二酚、苯酚、鄰-甲酚、間-甲酚標(biāo)準(zhǔn)品、丙酮、丙烯醛、丙醛、巴豆醛、2-丁酮、丁醛、甲醛、乙醛的2, 4-二硝基苯腙衍生物（-DNPH）標(biāo)準(zhǔn)品（純度＞99%）（均為德國DR）；甲醇、二硫化碳、環(huán)己烷、正己烷、乙腈、磷酸，均為色譜純，百靈威）；2, 4-二硝基苯肼（分析純，國藥）。

標(biāo)準(zhǔn)卷煙3R4F和1R5F（美國肯塔基大學(xué)）；標(biāo)準(zhǔn)卷煙CM7（CORESTA）；吸附管，可裝300 mg CX-572吸附劑（中國科學(xué)院合肥物質(zhì)研究院）；CX-572、CX-569、CX-963吸附劑（20～45目，均為美國SIGMA）。

1.2 方法

1.2.1 溶液配制

混合內(nèi)標(biāo)溶液：配制1 mg/mL苯-d6、吡啶-d5和苯乙烯-d8的混合內(nèi)標(biāo)/甲醇溶液。

揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機化合物標(biāo)準(zhǔn)溶液：配制7級混合標(biāo)準(zhǔn)/甲醇溶液，其中質(zhì)量濃度范圍異戊二烯4～200 μg/mL，丙烯腈0.032～0.16 μg/mL，苯、甲苯0.8～40 μg/mL，吡啶、苯乙烯0.08～4 μg/mL，喹啉0.004～0.32 μg/mL，1, 3-丁二烯0.8～40 μg/mL，內(nèi)標(biāo)物質(zhì)量濃度20 μg/mL。

酚類和羰基類化合物混合標(biāo)準(zhǔn)溶液：配制7級混合標(biāo)準(zhǔn)/乙腈溶液，其中質(zhì)量濃度范圍鄰苯二酚、對苯二酚、鄰甲酚、間甲酚和苯酚0.02～4 μg/mL，間苯二酚0.004～1 μg/mL；DNPH質(zhì)量濃度范圍甲醛、丙烯醛、丙醛、巴豆醛、2-丁酮和丁醛0.032～4 μg/mL，乙醛和丙酮0.64～40 μg/mL。

衍生化溶液：稱取約1 g的2, 4-二硝基苯肼于50 mL棕色容量瓶中，加入25 mL磷酸后用乙腈定容。

1.2.2 樣品處理與分析

稱取約300 mg的CX-572吸附劑，填入吸附管中，將吸附管和劍橋濾片裝進專利捕集器，裝配完成后結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 專利捕集器剖面圖

按照GB/T 19609—2004規(guī)定的條件抽吸卷煙，每個孔道抽吸3支[11]。抽吸完畢后，將吸附管打開，和濾片一起放入20 mL棕色萃取瓶，加入2 mL二硫化碳、8 mL甲醇和20 μL內(nèi)標(biāo)溶液。水平放置萃取瓶，往復(fù)振蕩20 min，再靜置10 min，用0.22 μm有機相濾膜過濾后進行氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）分析。

氣相色譜條件：色譜柱DB-624彈性毛細管柱（60 m×0.25 mm×1.4 μm）；載氣為高純氦氣，恒流模式1.5 mL/min；進樣口溫度180 ℃；進樣量1 μL，分流比15∶1。程序升溫：40 ℃保持6 min，以20 ℃/min的速率升至230 ℃，保持6 min；EI源電離，能量70 eV；離子源溫度230 ℃；傳輸線溫度230 ℃；檢測方式為選擇離子監(jiān)測模式（SIM）。

移取0.5 mL過濾后的萃取液至5 mL棕色容量瓶中，加入200 μL衍生化溶液，乙腈定容至刻度，靜置15 min，用0.22 μm有機相濾膜過濾后進行高效液相色譜（HPLC）分析。

高效液相色譜條件：色譜柱Acclaim?Explosive E2（250 mm×4.6 mm×5 μm，12 nm）；柱溫30 ℃；流動相水（A）和乙腈（B）；流速1.0 mL/min；進樣量10 μL。紫外檢測器波長365 nm；熒光檢測器激發(fā)波長284 nm；發(fā)射波長330 nm；梯度洗脫程序（以流動相A計）：0～6 min，60%～30%；6～9 min，30%～50%；9～12 min，50%～65%；12～20 min，65%～50%；20～25 min，50%～40%；25～30 min，40%；30～35 min，40%～20%；35～40 min，20%～10%；40～45 min，10%；45～46 min，10%～60%；46～50 min，60%。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附劑的選擇

碳材料吸附劑憑借孔隙率高、比表面積大、理化性質(zhì)穩(wěn)定等特點，可以實現(xiàn)揮發(fā)性、半揮發(fā)性和羰基類化合物的同時捕集[12-13]。考察572，569和963這3種不同孔徑分布的CX型吸附劑對目標(biāo)成分的吸附效果。如圖2和圖3所示，對于揮發(fā)、半揮發(fā)性和羰基類化合物，CX-572的總體吸附效果最好。原因是CX-572吸附劑具有較多微孔的同時，還存在部分中孔，因此對于不同大小和沸點的目標(biāo)化合物均有較好的捕集效果[14-15]。酚類化合物主要是濾片捕集，吸附劑種類對檢測結(jié)果的影響不大。

2.2 抽吸煙支支數(shù)的選擇

考慮到煙支差異和吸附劑能力，對比抽吸2～4支卷煙對試驗結(jié)果的影響。如圖4和圖5所示，吸煙3支時，4類物質(zhì)代表成分的單支結(jié)果最高。可能是因為煙氣中存在競爭吸附，抽吸4支時，小孔會被過多的非目標(biāo)物占據(jù)，導(dǎo)致檢測值降低。因此最終選定抽吸3支煙進行分析。

圖2 吸附劑對卷煙主流煙氣中揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機化合物的影響

圖3 吸附劑對卷煙主流煙氣中羰基化合物和苯酚的影響

圖4 吸煙支數(shù)對卷煙主流煙氣中揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機化合物檢測結(jié)果的影響

圖5 吸煙支數(shù)對卷煙主流煙氣中羰基化合物和苯酚的影響

2.3 萃取劑的選擇

參考國標(biāo)方法，采用甲醇體系萃取劑，同時引入少量非極性溶劑，以確保不同極性的目標(biāo)成分均可被完全萃取[2-3]。參考前人研究結(jié)論，非極性溶劑和甲醇比例為1∶4[9]。分別考察二硫化碳、環(huán)己烷和正己烷三種非極性溶劑與甲醇混合后的萃取效果。如圖6和圖7所示，環(huán)己烷對1, 3-丁二烯、異戊二烯、巴豆醛和苯酚的萃取效果略好于其他溶劑，而二硫化碳對其余所有化合物的萃取效果更好，且甲醇與環(huán)己烷的互溶性不佳，因此選取二硫化碳作為萃取劑。

圖6 萃取劑對卷煙主流煙氣中揮發(fā)性和半揮發(fā)有機化合物的影響

圖7 萃取劑對卷煙主流煙氣中羰基類化合物和苯酚的影響

2.4 衍生化試劑的用量

考察衍生化試劑的加入量對羰基類化合物檢測值的影響，分別加入50，100，200，500和1 000 μL生化試劑進行衍生。發(fā)現(xiàn)隨著試劑含量增加，甲醛和2-丁酮的檢測值隨之增加，乙醛、丙酮、丙醛和丁醛變化較小，但巴豆醛和丙烯醛的檢測值則隨之減少，衍生化試劑1 000 μL時，丙烯醛苯腙幾乎消失，巴豆醛苯腙則降低約40%。原因可能是巴豆醛和丙烯醛為不飽和醛，衍生化試劑的酸度過高會破壞其雙鍵，從而對反應(yīng)產(chǎn)生阻礙。綜合考慮，衍生化試劑用量為200 μL。

2.5 樣品的放置時間

對同一樣品分別放置不同時間后進樣分析，發(fā)現(xiàn)巴豆醛和丙烯醛在放置24 h后檢測值有明顯降低，而2-丁酮略有升高，因此認為樣品需在24 h以內(nèi)進行分析。

2.6 液相色譜條件優(yōu)化

參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法進行試驗，發(fā)現(xiàn)酚類化合物僅存在保留時間的變化，而羰基類化合物的分離度較低[5]，因此優(yōu)化洗脫程序，最終如1.2.2所述，實現(xiàn)各成分的基線分離。

2.7 標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.7.1 揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機化合物標(biāo)準(zhǔn)曲線測定

采用GC-MS測定揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機化合物的標(biāo)準(zhǔn)系列工作曲線溶液，使用內(nèi)標(biāo)法建立校正曲線，其中1, 3-丁二烯、異戊二烯、丙烯腈、苯和甲苯以苯-d6為內(nèi)標(biāo)，吡啶、喹啉以吡啶-d5為內(nèi)標(biāo)，苯乙烯以苯乙烯-d8為內(nèi)標(biāo)。對校正數(shù)據(jù)進行線性回歸，相關(guān)系數(shù)r2不小于0.995。各化合物的保留時間、定量離子及檢測限如表1所示。

表1 揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機化合物的保留時間、定量定性離子及檢出限

2.7.2 酚類和羰基類化合物標(biāo)準(zhǔn)曲線測定

采用HPLC測定酚類和羰基類化合物的標(biāo)準(zhǔn)系列工作曲線溶液，使用外標(biāo)法建立校正曲線。對校正數(shù)據(jù)進行線性回歸，相關(guān)系數(shù)R2不小于0.999。各化合物的保留時間及檢測限如表2所示。

表2 酚類和羰基類化合物的標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

2.8 方法的回收率與重復(fù)性

對樣品進行低、中、高不同濃度水平的標(biāo)準(zhǔn)溶液加標(biāo)回收試驗，加標(biāo)量分別約為樣品中目標(biāo)化合物原含量的0.5，1和2倍，每個樣品測定5次，計算該方法中4類化合物的回收率及相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果如表3所示。可以看出，22種化合物檢測的回收率在85.1%～103.3%之間，相對偏差不大于6.9%。

表3 方法的回收率與重復(fù)性（n=5）

2.9 與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)方法的比較

分別采用試驗方法和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法對參比卷煙1R5F，3R4F和CM7進行10次檢測并計算平均值，對目標(biāo)成分的2組檢測結(jié)果進行t檢驗。從表4可以看出，2組數(shù)據(jù)在t檢驗下的p值均大于0.05，說明2種方法的結(jié)果無顯著性差異。

表4 2種方法檢測結(jié)果的比較（n=10）

3 結(jié)論

CX-572吸附劑配合劍橋濾片能夠有效捕集卷煙主流煙氣中揮發(fā)性、半揮發(fā)性、酚類和羰基類化合物。基于此，建立一種一次吸煙同時檢測4類化合物中22種代表性有害成分的高通量分析方法。方法的靈敏度高，結(jié)果準(zhǔn)確，有機試劑用量少，前處理簡便，在注重環(huán)保的同時，顯著提升檢測工作效率，適用于卷煙主流煙氣中有害成分的檢測。