陣列式多通道逐口吸煙機的設計

馮露露，付麗麗，王 樂，慎龍舞，趙路燦，王 兵，王 爽，張 齊，張 柯，蔣佳磊，李 斌*

1. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2 號 450001

2. 浙江中煙工業有限責任公司技術中心，杭州市西湖區轉塘鎮科海路118 號 310024

吸煙機通過模擬人的抽吸行為對卷煙主流煙氣中的粒相物進行捕集，是煙氣組分分析的主要檢測儀器。近年來，隨著加熱卷煙研究的深入以及電子煙監管政策、電子煙國標的落地實施，新型煙草制品煙氣分析需求不斷增加［1-4］。由于新型煙草制品的逐口氣溶膠釋放量和組分存在明顯差異，對氣溶膠進行逐口捕集和分析成為該類產品質量特征分析中常用的表征方法。韓敬美等［5］采用直線型電子煙吸煙機對5 種電子煙進行逐口抽吸，發現電子煙氣溶膠中煙堿、甘油、丙二醇的逐口釋放量與抽吸口序之間存在相關性；黃平等［6］利用轉盤式吸煙機對兩種電子煙進行逐口抽吸，研究了氣溶膠逐口捕集量以及煙堿、1,2-丙二醇、丙三醇和甲醛的逐口釋放情況。由于傳統吸煙機未設置逐口抽吸程序，將其用于捕集新型煙草制品逐口煙氣時容易存在抽吸容量無法及時修正、操作困難等問題，進而影響測量結果準確性和檢測效率。針對此，李超等［7］對RM20H 型吸煙機進行改造，并考察了卷煙主流煙氣化學成分的逐口釋放量變化情況；鄭峰洋等［8］利用自制的逐口吸煙機研究了加熱卷煙中6種烤甜香單體香料的逐口轉移行為；龔淑果等［9］對轉盤式吸煙機進行改造，實現對加熱卷煙逐口抽吸與煙氣捕集。但在吸煙機改造過程中容易出現抽吸管路漏氣、抽吸結果重復性差等問題，自制逐口吸煙機因未經鑒定難以判斷吸煙機是否符合相關標準規定。

時序控制技術是一種運用計算機的時間控制為各種操作提供定時信號的技術［10］，將其應用于吸煙機控制系統中并輸入逐口抽吸指令，可以達到逐口抽吸的目的。為此，基于時序控制技術設計一種陣列式多通道逐口吸煙機，通過夾持密封模塊和抽吸容量標定管路，實現對加熱卷煙逐口氣溶膠的快速、準確采集，以期為新型煙草制品的質量特征表征和產品研發提供支持。

1 系統設計

1.1 系統組成

陣列式多通道逐口吸煙機主要由抽吸模塊、捕集器進給模塊、夾持密封模塊三大部分組成，其中夾持密封模塊分為前夾持組件和后夾持組件，見圖1。抽吸模塊（1）由陣列式排布的6個抽吸單元組成（從左至右依次編號1#～6#），每個抽吸單元均由SGD7S-R90A00A02 伺服電機［安川電機（中國）有限公司］控制氣缸Ⅰ（6）中的活塞做往復運動進行抽吸，通過改變電機轉速和活塞行程可以實現不同抽吸曲線與抽吸容量。捕集器進給模塊（4）上最多可以安裝12個捕集器（從右至左依次編號1#～12#），在1FL6032-2AF21-1MA1 絲杠電機［西門子電機（中國）有限公司］的控制下，捕集器從右至左依次被送入夾持密封模塊（2 和3）。形成的6 個夾持通道（從左至右依次編號1#～6#）分別與6 個抽吸單元對應，當捕集器依次被送至夾持通道時，前后夾持組件在氣缸Ⅰ和氣缸Ⅱ（15）的推動作用下相向運動，對捕集器兩端進行夾持，形成由煙支、捕集器、抽吸單元組成的密封氣路，然后由控制系統發送指令對煙支進行抽吸；每個捕集器兩端并聯有標定管路，逐口抽吸時通過監測標定管路中壓差傳感器的壓降數據可以實現抽吸容量的在線標定。

圖1 陣列式多通道逐口吸煙機結構示意圖Fig.1 Structure of array type multi-port puff-by-puff smoking machine

如圖1b 所示，后夾持組件由抽吸氣體管路（7）和硅膠軟體密封組件Ⅰ（8）組成，前夾持組件由嵌入式硅膠軟體密封組件Ⅱ（10）、煙具開關觸發裝置（11）、煙具夾持器（13）、煙具支架（14）、氣缸Ⅱ（15）、導軌和滑塊（16）等組成。其中，硅膠軟體密封組件Ⅰ、Ⅱ用于保障通路的氣密性；通過調節煙具夾持器的前后位置和高度可以適應不同品牌和形狀的加熱卷煙器具；在抽吸開始前，調整煙具開關觸發裝置至煙具開關位置，根據待測樣品要求將煙具觸發方式（單擊、雙擊、三擊或長按）、按壓時長、預熱時間、抽吸總時長（即抽吸口數）等參數輸入吸煙機控制系統，經過算法計算后依次自動觸發夾持通道1#～6#中的煙具開關使煙具預熱。

1.2 捕集時序控制設計

吸煙機最多可安裝6 支加熱卷煙和12 個捕集器，通過參數設置使每支煙的每一口都按照不同的抽吸參數進行抽吸。系統啟動后，捕集器安裝板帶動捕集器向右運行，當1#捕集器運行至1#夾持通道并與對應的抽吸單元形成密封氣路時，抽吸單元按照設置的抽吸參數對煙支進行抽吸，使1#捕集器捕集1#通道煙支的第1 口煙氣成分；抽吸完成后，夾持組件釋放捕集器，捕集器安裝板向右移動一個通道距離，此時1#捕集器對應2#夾持通道，2#捕集器對應1#夾持通道，密封1#和2#夾持通道并按照設定參數進行抽吸，使1#捕集器捕集2#通道煙支的第1 口煙氣成分，2#捕集器捕集1#通道煙支的第2 口煙氣成分；向右逐次推進捕集器安裝板，直至12#捕集器向右運行至6#夾持通道結束，此時1#捕集器捕集到所有煙支的第1口煙氣成分，2#捕集器捕集到所有煙支的第2 口煙氣成分，依次類推，直至完成逐口煙氣捕集。

1.3 抽吸容量標定

如圖2 所示，吸煙機中的標定管路由吸阻模塊和ASL1050MD1F2C03A00 高精度壓差傳感器（美國西特公司）組成。標定管路與捕集器并聯，其與抽吸管路可通過三通電磁閥進行切換。抽吸容量標準曲線的建立方法：①在煙具夾持器端連接皂膜流量計并連通抽吸管路，設定不同抽吸容量（Q=35、40、45、50、55 mL/口）進行抽吸，記錄皂膜流量計讀數，每個抽吸容量重復12 次，取平均值作為抽吸容量的實際值；② 在煙具夾持器端連接標準棒并連通標定管路，設定不同抽吸容量（Q=35、40、45、50、55 mL/口）進行抽吸，利用高精度壓差傳感器檢測吸阻模塊兩端壓差并實時采集壓降數據，進而獲得壓降（ΔP）-時間（t）曲線（圖3a）；③ 根據公式（1）對抽吸時間段內的壓降數據進行積分，采用積分值ΔP吸組來表征煙支吸阻［11］，每個抽吸容量重復12 次，取平均值；④ 繪制吸阻-實際抽吸容量散點圖，對散點圖進行平滑處理后得到吸阻-抽吸容量曲線圖（圖3b）。根據抽吸容量從標準曲線上獲得對應的吸阻值，通過調節氣缸Ⅰ中的活塞行程使吸阻滿足要求，即可完成抽吸容量的標定。

圖2 抽吸容量標定原理示意圖Fig.2 Principle of puff volume calibration

圖3 抽吸容量標定過程Fig.3 Calibration process of puff volume

1.4 控制系統設計

控制系統基于C#語言開發設計，運行環境為Windows10 專業版操作系統，軟件操作界面見圖4。吸煙機啟動后，設置抽吸容量、抽吸曲線、抽吸周期、抽吸時間、抽吸通道數、煙支預熱時間、捕集器數量（即抽吸口數）以及加熱卷煙所需要的觸發時間等抽吸參數，同時根據實驗需求選擇是否采用逐口抽吸模式。參數設置完成后返回初始界面，在捕集器中放入劍橋濾片，安裝煙具并調節煙具夾持器高度以及前后位置，點擊開始按鈕。6 個通道可獨立設置抽吸參數分別控制抽吸動作，支持各種主流抽吸參數或單獨設置個性化抽吸參數。吸煙機具有記憶功能，所設置的參數自動存儲并可以在下次測試同一樣品時直接調用。

圖4 吸煙機操作界面Fig.4 Operation interface of the smoking machine

2 應用效果

2.1 實驗設計

2.1.1 材料與儀器

iQOS 器具（中心加熱，持續加熱時間約為5.5 min）、iQOS“萬寶路”原味加熱卷煙（菲利普·莫里斯公司）；正十七烷（純度≥99.5%，美國Aladdin 公司）；異丙醇、1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿（色譜純，美國SIGMA公司）。

i-MAC600A 陣列式多通道逐口吸煙機（中國煙草總公司鄭州煙草研究院）；配有FID 和TCD 檢測器的7890 氣相色譜儀（美國Agilent 公司）；CP2245電子天平（精度0.000 1 g，德國Sartorius公司）；HY-8調速振蕩器（常州國華電器有限公司）；恒溫恒濕干燥箱（德國Memmert公司）。

2.1.2 方法

（1）根據標準曲線將抽吸容量標定至55 mL/口（設定值），對單口抽吸容量和逐口抽吸容量的重復性進行檢驗。 ①單口抽吸容量：1#捕集器對應1#夾持通道，連接1#通道的標定管路獲得ΔP-t曲線。由于壓降數據與流速（U）近似滿足達西流動定律［12-14］，而達西流動下流速與壓降滿足線性關系［公式（2）］，經轉換獲得單口U-t曲線（即抽吸曲線）、最大流速以及抽吸容量標定值，重復6 次。 ②逐口抽吸容量：啟動捕集器進給模塊，獲得1#通道的12 口抽吸容量的實際值和標定值，與設定值對比。

（2）將加熱卷煙樣品放置在恒溫恒濕干燥箱［溫度（22±2）℃、相對濕度60%±2%］中平衡48 h 后采用陣列式多通道逐口吸煙機對樣品進行抽吸，抽吸模式為加拿大深度抽吸（HCI）。 ①逐口捕集：吸煙機中安裝12 個捕集器，啟動捕集器進給模塊，捕集24 支加熱卷煙（分4 次抽吸，每次6 支）的12 口逐口氣溶膠；② 全部口數捕集：關閉捕集器進給模塊，在吸煙機中安裝1#~6#捕集器并使其依次對應6#~1#夾持通道，每個捕集器捕獲3 支加熱卷煙的12 口氣溶膠。參照文獻［15］對逐口捕集氣溶膠和全部口數總氣溶膠中的氣溶膠粒相物（TPM）、煙堿、丙三醇以及水分的釋放量（mg/支）進行檢測，計算逐口累計釋放量并根據公式（3）計算氣溶膠逐口捕集效率。重復3次，取平均值。

2.2 數據分析

2.2.1 抽吸管路密閉性

由圖5 可見，單口抽吸時抽吸曲線為鐘形且重復性好，抽吸流速的最大值出現在0.8~1.2 s 之間，抽吸容量標定值在0.95Q～1.05Q之間，與文獻［16］中關于單口抽吸流量圖的描述相符合，說明吸煙機設置的抽吸曲線滿足測試要求。由表1 可見，逐口抽吸時實際抽吸容量保持在54.9 ~ 55.0 mL/口之間，與設定值55.0 mL/口差異較小，說明逐口抽吸過程中未發生漏氣和抽吸容量改變等問題。抽吸容量標定值除第5 和第6 口與設定值相差0.3 mL/口外，其他均差異較小（≤0.1 mL/口）。對標定值和實際值進行t檢驗［17］，結果表明二者無顯著性差異（P=0.93），說明1.3節中的標定方法準確可靠。

表1 抽吸容量設定值為55 mL時逐口抽吸容量標定值與實際值對比Tab.1 Calibrated and actual values of puff-by-puff volume at a set value of 55 mL （mL·口-1）

圖5 抽吸容量設定值為55 mL時單口抽吸曲線和抽吸參數Fig.5 Puff-by-puff profile and parameters at a puff volume of 55 mL

2.2.2 加熱卷煙逐口煙氣常規組分

采用陣列式多通道逐口吸煙機對加熱卷煙進行逐口抽吸，逐口捕集氣溶膠中各組分釋放量見圖6。可見，隨著抽吸口序的增加，煙堿和丙三醇的釋放量呈先上升后下降趨勢，TPM 和水分的釋放量整體呈下降趨勢，與龔淑果等［9］研究（文獻值）的變化趨勢基本一致，數值大小存在較大差異可能是樣品和檢測方法不同所導致。如表2 所示，全部口數捕集的總氣溶膠中各組分相對標準偏差RSD 均在4%以下，煙堿和丙三醇RSD 在0.5%以下，說明吸煙機具有較好的重復性和穩定性；逐口捕集條件下，各組分累計釋放量RSD 均在5%以下，與全部口數捕集相比捕集效率在96%以上，說明吸煙機具有良好的捕集效果。

表2 吸煙機逐口捕集與全部口數捕集條件下加熱卷煙氣溶膠捕集效果對比Tab.2 Collection effects of aerosol from the heatstick by smoking machine under puff-by-puff trapping and total puff trapping

3 結論

基于時序控制技術和抽吸容量在線標定方法，設計了一種陣列式多通道逐口吸煙機，能夠實現多支加熱卷煙同時抽吸并對氣溶膠進行逐口捕集，抽吸前和抽吸過程中可對抽吸容量進行標定，確保抽吸容量準確可靠。對吸煙機抽吸管路的密閉性進行檢驗并利用iQOS 器具及“萬寶路”原味加熱卷煙對吸煙機進行測試，結果表明：① 吸煙機抽吸管路密閉性良好，利用標定管路標定的抽吸容量準確，加熱卷煙各組分逐口釋放趨勢與文獻一致；② 加熱卷煙各組分總釋放量RSD 在4%以下，逐口捕集氣溶膠釋放量RSD 在5%以下，表明吸煙機的重復性和穩定性良好；③ 加熱卷煙各組分逐口捕集效率在96%以上。未來可根據測試需要對吸煙機進行升級并增加捕集器數量，以適應不同抽吸口數的加熱卷煙，為新型煙草制品的研發提供支持。