電子煙液中煙堿穩(wěn)定性及其釋放行為分析

楊洋，徐建，劉金莉，盧昕博，李霞，朱書秀

浙江中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，浙江省杭州市西湖區(qū)科海路118號 310024

電子煙通過硅芯片和氣流感應器控制煙霧輸出量及工作狀態(tài)，吸氣時，在傳感器中形成高速氣流，氣流傳感器感知人口腔吸氣，從而觸發(fā)氣流傳感開關，使氣流傳感開關打開，產品開始進入工作狀態(tài)，霧化器將電子煙液霧化成氣溶膠，電子煙可以使消費者像吸食傳統(tǒng)卷煙一樣吐出煙霧。根據文獻報道[1-2]，電子煙液的主要成分是溶劑(1,2-丙二醇和甘油，總含量一般在90%以上)，煙堿(一般為0～3%)和香味物質(根據不同口味，如煙草，薄荷，咖啡，水果等)。

目前，國內針對電子煙的研究報道多集中在電子煙化學組分的分析方法[3-6]及物理指標測定方法[7-9]，國外針對電子煙的研究報道多集中在電子煙的煙堿成癮及吸食安全性研究[10-12]。電子煙作為一種煙堿釋放系統(tǒng)，煙堿釋放行為是其產品設計、構建、成型的核心評價指標。Goniewicz等[10]研究了英國普及率很高的五個品牌（六個產品）電子煙的煙堿釋放行為，結果表明，抽吸300口煙堿釋放范圍從2 mg到15 mg，氣溶膠中煙堿濃度與電子煙液中煙堿濃度沒有直接關系。Trtchounian等[13]研究發(fā)現，電子煙的霧化量的穩(wěn)定性較傳統(tǒng)卷煙差，隨著抽吸口數的增加，電子煙霧化量下降明顯，這反映了電子煙的煙堿、香味成分釋放都是不均勻的。左力瑋[14]考察電子煙液在調配完成30天內煙堿含量及煙液pH值變化情況，發(fā)現電子煙液穩(wěn)定性良好，常規(guī)干燥避光保存即可保證其穩(wěn)定性，采用ISO和加拿大深度兩種抽吸模式抽吸電子煙, 認為氣溶膠中煙堿釋放率主要受電子煙自身霧化能力及物質由煙液向氣溶膠的轉化能力這兩個因素控制。

本文選取了7種市售電子煙及30種市售電子煙液，采用氣相色譜對電子煙液、抽吸試驗氣溶膠中煙堿指標開展檢驗并進行分析，旨在深度解析電子煙中煙堿的釋放差異，為深入研發(fā)電子煙產品提供基礎參考，同時為電子煙質量評價和吸食品質的控制提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

電子煙及煙液樣品：購買國內網絡銷量前列的7個品牌仿真型電子煙（氣動式），均為可充電分段式電子煙，煙彈可以拆卸更換，同時購買了其不同規(guī)格（不同風格口味、不同煙堿含量）電子煙液30種；XS205型電子天平，感量0.01 mg、XP504型電子天平，感量0.1 mg，(梅特勒托利多儀器(上海)有限公司)；PHH-101烘箱(上海愛斯佩克環(huán)境試驗設備有限公司)；THZ-320型臺式恒溫振蕩器(上海精宏實驗設備有限公司)；SM-450型直線吸煙機（CERULEAN）；安捷倫氣相色譜儀7980A，配備自動進樣器、GC ChemStation色譜工作站（美國安捷倫公司）；煙堿（純度＞99.5%，國家煙草質量監(jiān)督檢驗中心制）；煙堿/1,2-丙二醇 標準品（6.00 mg/mL, AccuStandard?公司）；無水硫酸鈉為分析純(國藥集團)。

1.2 分析方法

電子煙抽吸口數檢測：根據不同種類電子煙的電池結構，分別選取電子煙各部分組件，設計不同接口實現電池與霧化器的連接，采用多功能數據采集器對霧化器工作時電阻絲兩端的電壓進行實時記錄，獲得在電子煙抽吸過程中電池的實時損耗狀況及抽吸口數的差異。

電子煙液中煙堿含量的檢測[8]：從電子煙煙彈或補充液中準確稱取100μL（mg）的煙液至100 mL具塞錐形瓶，加入20 mL的含0.5 g/L的正十七烷異丙醇溶液, 加入0.5 g無水硫酸鈉脫水干燥。在振蕩搖床(轉速為120 rpm)上振蕩萃取10 min。用0.22 μm有機濾膜后直接進樣GC分析，計算得出煙彈中煙堿值。氣相色譜分析條件為：采用固定相為80～100目的Chromsorb W+10 % PEG 20M + 2 % KOH的填充不銹鋼柱；柱溫：170 ℃；進樣口溫度：270 ℃；檢測器溫度：270 ℃；載氣：氦氣；流速：30 mL/min。分析時間為10 min；進樣量：2 μL。

電子煙氣溶膠中煙堿含量的檢測[5]：參考CORESTA推薦電子煙抽吸模式（55 mL/3 s/30 s），擬每輪抽吸25口，即每張劍橋濾片捕集25口的氣溶膠，進行電子煙抽吸時煙堿釋放行為的考察，氣相分析條件同上。

2 結果與分析

2.1 煙液中煙堿含量和穩(wěn)定性考察

對30種市售電子煙液的煙堿值進行檢測，結果如表1所示。從表中可以觀察到，不同品牌電子煙液煙堿含量差異較大，實測值在0～19.43 mg/mL。目前市售電子煙液針對煙堿含量標注沒有統(tǒng)一規(guī)范，部分電子煙液沒有明確標注煙堿含量，僅僅以高、中、低標注，部分電子煙液僅標注其煙堿含量（mg）和煙液總體積（mL）。實測值（mg/mL）均低于標注值，實測值（mg/mL）與標注值偏離最高可達29.3%。El-Hellani[15]和St.Helen[16]等人對常見市售電子煙中煙堿進行大量檢測表明，電子煙液或煙彈中的實測煙堿含量與其盒標煙堿含量之間存在很大差異，且實測值（mg/mL）均低于標注值。這反映了目前電子煙液在質量控制上尚有待改進，實驗中發(fā)現電子煙液粘度較大，在移取過程中，容易在移液管壁或移液槍頭殘留，建議電子煙液產品煙堿含量標注信息采用 “mg/g”為單位的表述方法。

表1 電子煙液中煙堿的標注值和實測值Tab.1 Labeled value and measured value nicotine in cartridges or refill fluids of e-cigarette products

續(xù)表1

煙堿是一種易揮發(fā)，堿性較強的吡啶族生物堿，在空氣中易被氧化，也會被微生物和細菌的酶降解。市售電子煙液多為室溫存放，進一步研究電子煙液中煙堿的室溫穩(wěn)定性，選取了3種電子煙液，（1-3#：15.61 mg/mL、2-7#：10.07 mg/mL和7-30#：5.45 mg/mL）和AccuStandard?公司提供的6.00 mg/mL 煙堿/1,2-丙二醇標準品為研究對象。分別對樣本進行煙堿含量測試，每周測試一次，持續(xù)檢測半年，樣本室溫存放在實驗室通風柜中，結果如圖1所示。3種不同品牌濃度的煙液樣本和標準品都表現出了良好的穩(wěn)定性，1-3#、2-7#、7-30#、標準品的測試煙堿值依次為15.53±0.21、10.11±0.19、5.54±0.14、5.98±0.14 mg/mL。在半年的檢測周期內，樣本無明顯外觀變化，檢測出的煙堿量基本穩(wěn)定。其原因可能是由于煙堿在丙二醇、丙三醇中具有較高的溶解性，溶液體系相對穩(wěn)定，丙二醇、丙三醇所擁有的抗菌活性，能夠抑制煙液中細菌的存在，從而延緩了煙堿的降解。

2.2 電子煙抽吸口數考察

當前，電子煙中電池的容量是影響電子煙抽吸時抽吸口數的重要指標，但未能引起足夠重視，市售電子煙的使用說明書中，多數沒有提及所用電池的類型、容量和一次充電周期下的可抽吸次數。文中將電池正負極和霧化器正負極二者用銅導線串聯，使用fluke數字萬用表實測吸煙機抽吸電子煙過程中，電池電壓的衰減變化，為防止煙彈中煙液不足損傷霧化器，實驗過程中電子煙每抽吸50口后，更換新煙彈。

圖1 不同濃度電子煙液的煙堿穩(wěn)定性Fig.1 Nicotine stability of electronic cigarette refill solutions with different concentrations

圖2 不同品牌電子煙的抽吸口數Fig.2 The puff number of different brands of electronic cigarette

7種品牌電子煙的電池依次編號為1#～7#，結果如圖2，可以發(fā)現7種市售電子煙電池滿額功率下，使用電壓范圍在3.0～3.6 V之間，使用SM450直線吸煙機，在CORESTA推薦電子煙抽吸模式（55 mL/3 s/30 s）下[2，14]，可抽吸口數范圍在50～420口之間，其中使用7#電池的電子煙具有最多的可抽吸口數。由此可見不同品牌電子煙所用電池在一次充電周期下，可抽吸口數差異較大，這與不同廠家所用電池的容量和所用霧化器的功率有關。當電壓衰減至3.0 V以下時，所選電子煙樣品均隨著抽吸口數的增加而急劇衰減，需對電池進行充電。所檢測電子煙使用說明書內關于電池信息標注不全，未見所用霧化器的標準信息，建議應標示所用電池額定容量、正常工作電壓，所用霧化器的功率，阻值等信息。

2.3 煙堿釋放行為考察

選用可抽吸次數最多的7#電池，7-28#電子煙液，使用微量注射器在空白煙彈中分別注入0.5 mL、0.8 mL的煙液，采用直線吸煙機在CORESTA電子煙抽吸模式（55 mL/3 s/30 s）下抽吸，每輪抽吸25口，連續(xù)抽吸（若電池電量耗盡或煙彈內可釋放煙液耗盡，記錄具體抽吸口數：電子煙電池電量耗盡，前端指示燈會連續(xù)閃爍示警；煙彈內可釋放煙液耗盡，每輪吸煙實驗后捕集器質量不再增加），通過劍橋濾片捕集電子煙氣溶膠，利用氣相色譜方法檢測捕集的氣溶膠中的煙堿量。試驗中發(fā)現電池電壓對煙堿的釋放行為有較直觀的影響，因此設定了兩種實驗條件，來考察煙堿的釋放。一種為穩(wěn)壓抽吸狀態(tài)，實驗電子煙在完全充滿電量的起始條件開始每輪抽吸，每輪抽吸實驗結束后，在下一輪抽吸實驗開始前再次充滿電量；考察電池穩(wěn)壓情況下煙液中煙堿的釋放行為。另一種為自然抽吸狀態(tài)，實驗電子煙在完全充滿電量的起始條件開始抽吸（之后不再充電，一直測試到電量耗盡或可釋放煙液耗盡），考察常態(tài)下煙液中煙堿的釋放行為（表2）。

表2 7#電子煙抽吸口數及煙堿釋放量Tab.2 The puff number and nicotine release profiles for 7# electronic cigarette

圖3 （7#）電子煙在穩(wěn)壓、自然抽吸條件下的煙堿釋放行為Fig.3 Nicotine release behaviors of 7# electronic cigarette under constant/exhausted voltage

實驗結果如圖3所示，在穩(wěn)壓抽吸條件下，煙彈內初始煙液為0.5 mL，在前8輪（200口）的抽吸實驗中，煙堿釋放量維持在0.65 mg/輪次附近，煙堿釋放量和抽吸口數呈正相關性，11輪之后，煙堿釋放量隨著煙彈內殘余煙液減少，逐步降低到0.1 mg/輪次以下；煙彈內初始煙液為0.8 mL，在之前的13輪抽吸實驗中，煙堿釋放量維持0.65 mg/輪次上下，煙堿釋放量和抽吸口數呈正相關性，14輪之后，煙堿釋放量隨著煙彈內煙液消耗，逐步降低到0.1 mg/輪次以下。

在自然抽吸條件下，隨著電子煙抽吸口數的增加，每輪煙堿釋放量逐步降低，釋放速率明顯低于穩(wěn)壓抽吸實驗；相同抽吸口數下，煙堿釋放量低于穩(wěn)壓抽吸實驗；總抽吸口數相對穩(wěn)壓抽吸實驗略有增加。當煙彈內初始煙液為0.5 mL時，穩(wěn)壓和自然抽吸試驗下，可抽吸口數都不足300口，電池電量尚有剩余，煙彈內可釋放煙堿（或煙液）耗盡，其中穩(wěn)壓抽吸下煙堿釋放率為73%，自然抽吸下煙堿釋放率為68%。當煙彈內初始煙液為0.8 mL時，穩(wěn)壓抽吸實驗中，煙彈內可釋放煙堿（或煙液）耗盡，自然抽吸實驗中，電池電量耗盡，煙彈內尚有部分可釋放煙堿（或煙液）殘留，其中穩(wěn)壓抽吸下煙堿釋放率為69%，自然抽吸下煙堿釋放率為60%。自然抽吸時，煙彈內初始煙液0.5 mL（前六輪每輪抽吸的煙堿釋放量依次為0.67、0.65、0.65、0.60、0.53、0.52 mg）和0.8 mL（前六輪每輪抽吸的煙堿釋放量依次為0.66、0.66、0.64、0.61、0.57、0.53 mg），前6輪每一輪煙堿釋放量基本一致。對于初始煙液0.5 mL的樣品，由于后續(xù)實驗電池電量充足，6輪之后，煙堿釋放量隨著煙彈內煙液減少，以每輪減少0.04 mg的速率逐步降低到0.1 mg/輪次以下，每輪煙堿釋放量和抽吸口數呈負相關性。對于初始煙液0.8 mL的樣品，由于后續(xù)實驗可釋放煙液富余，6輪之后，每輪煙堿釋放量隨著電池電量的損耗逐漸降低，相同輪次下，初始煙液0.8 mL的樣品釋放量要高于初始煙液0.5 mL的樣品。圖3的分析結果表明，自然抽吸時，煙彈中可釋放煙液量和煙桿中電池電量對煙堿釋放行為有明顯影響。

結合7-28#電子煙液煙堿釋放行為結果，依次考察了其余6種牌號電子煙在自然抽吸條件下的煙堿釋放行為，抽吸方法同上，煙彈內初始煙液為0.4 mL，抽吸至該輪電池電量耗盡或煙彈內可釋放煙液耗盡，停止抽吸。實驗電子煙煙彈中初始煙堿含量、抽吸時氣溶膠的煙堿值、及煙彈中殘留的煙堿值詳見表3，結果如圖4所示。

表3 其他電子煙自然抽吸口數及煙堿釋放量Tab.3 Nicotine measured value in vapour and cartridges of other e-cigarette products after puffs

圖4 不同牌號電子煙，抽吸口數與煙堿釋放量的關系Fig.4 Nicotine release behavior of different grades of electronic cigarette

實驗過程中測試電子煙電池電量耗盡，前端指示燈會連續(xù)閃爍示警，并結合圖2不同品牌電子煙的抽吸口數，可以發(fā)現，2#、3#、4#、6#屬于電池容量耗盡，煙液尚有殘余；實驗過程中測試電子煙內可釋放煙液耗盡，后續(xù)每輪吸煙實驗后捕集器質量不再增加，實驗發(fā)現，1#電子煙從第4輪開始、5#電子煙從第7輪開始，后續(xù)2輪抽吸試驗，每輪抽吸前后，捕集器質量基本無變化，煙堿均未檢出。故1#、5#電子煙在自然抽吸條件下，屬于煙彈可釋放煙液耗盡。不同品牌電子煙可釋放煙堿值存在顯著差異，釋放量范圍為初始煙彈中煙堿含量的10%～73%不等。1-1#、3-11#、4-14#樣品中的煙彈殘留煙堿值與氣溶膠中煙堿值之和遠低于煙彈初始煙堿值，Goniewicz等[10]研究了E-Lites品牌電子煙的煙堿釋放，在抽吸300口后，樣品中的煙彈殘留煙堿值（1.9 mg）與氣溶膠中煙堿值（2.1 mg）之和也同樣遠低于煙彈初始煙堿值（19.7 mg），可能是由于電子煙內部構造的差異、導油棉及霧化器的殘留及煙彈的物理泄漏導致煙堿損失。各品牌電子煙抽吸實驗結束（電池電量耗盡或煙彈內可釋放煙液耗盡），煙彈中均有煙堿殘留，殘留煙堿范圍為初始煙彈中煙堿含量的11%-49%不等。廢棄的電子煙（含煙彈）及使用后煙彈具有安全隱患，應投入有害垃圾箱中，維護消費者自身安全。

3 結論

對7種市售電子煙和30種煙液產品，從煙堿含量、可抽吸口數、煙堿釋放行為方面進行了分析比較，結果表明：①電子煙液常溫放置半年，其中煙堿仍具有良好的穩(wěn)定性；②不同品牌電子煙液中煙堿含量差別很大，含量范圍在0～19.43 mg/mL，電子煙液中實測煙堿值與標注值差異較大，建議煙堿含量標注信息采用 “mg/g”為單位的表述方法；③不同品牌電子煙可抽吸口數差異較大，建議應標示所用電池額定容量、正常工作電壓，所用霧化器的功率，阻值等信息；④抽吸時煙彈中可釋放煙液量和煙桿中電池容量對煙堿釋放行為影響顯著，氣溶膠中煙堿濃度與電子煙液中煙堿濃度沒有直接關系。

[1]李保江.全球電子煙市場發(fā)展、主要爭議及政府管制[J]中國煙草學報,2014,20(4)：101-107.LI BaoJiang.A global perspective on electronic cigarette’s future development and related controversial and regulatory issues[J]Acta Tabacaria Sinica,2014,20(4)：101-107.

[2]謝劍平.電子煙相關技術與法律監(jiān)管[C]中國煙草學會2014年學術年會報告文集.2014：1-16.XIE JianPing.The relative technology and legislation of electronic cigarette [C]The 2014 annual conference proceedings published by China Tobacco Society.2014：1-16.

[3]韓書磊,陳歡,劉彤等.氣相色譜法分析電子煙煙液中主要生物堿含量[J].分析科學學報,2015,(31)：494-498.HAN Shulei,CHEN Huan,LIU Tong,et al.Analysis of Main Alkaloids of Refill Liquids for Electronic Cigarettes by Gas Chromatography[J].Journal of Analytical Science,2015,(31)：494-498.

[4]王奕,謝濤,王沖,等.電子煙煙油中煙堿含量的測定方法：中國,CN104215596A [P].2014-12-17.WANG Yi, XIE Tao, WANG Chong, et al.Determination method of nicotine content in e-liquids.China,CN104215596A[P].2014-12-17.

[5]段沅杏,楊帥,楊柳,等.一種檢測電子煙煙氣中煙堿含量的方法：中國,CN104062385A [P].2014-09-24.DUAN Ruanxing, YANG Shuai, YANG Liu, et al.A determination method of nicotine content in vapour of e-cigarettes.China,CN104062385A [P].2014-09-24.

[6]李霞,溫寶英,盧昕博,等.拉曼光譜法快速測定電子煙煙液中的1,2-丙二醇和丙三醇[J].煙草科技,2017,(03)： 52-56.LI Xia ,Wen BaoYing ,LU XinBo, et al.Rapid determination of 1,2-propylene glycol and glycerol in refill fluids for electronic cigarettes by Raman spectroscopy [J].Tobacco Science &Technology, 2017, (03)：52-56.

[7]何慶,徐迎波,寧勇,等.電子煙靈敏度與抽吸輕松度性能測定方法[J].中國煙草學報,2017,(01)：15-19.HE Qing,XU YingBo,NING Yong, et al.Determination of vaping sensibility and easiness of e-cigarettes[J].Acta Tabacaria Sinica,2017,(01)：15-19.

[8]韓敬美, 楊柳, 張子龍,等.電子煙煙液pH與游離煙堿含量的關系研究[J].化學研究與應用, 2016,(3)： 295-300.HAN JingMei, YANG Liu, ZHANG ZiLong, et al.Relationship between pH and free nicotine of liquids for E-cigarettes[J].Chemical Research and Application,2016,(3)：295-300.

[9]段沅杏,趙偉,楊繼等.傳統(tǒng)卷煙和電子煙煙氣氣溶膠粒徑分布研究[J].中國煙草學報,2015,(1)：1-5.DUAN YuanXing, ZHAO Wei, YANG Ji, et al.Research on particle size distribution in traditional cigarette and electronic cigarette smoke aerosols[J].Acta Tabacaria Sinica,2015,(1)：1-5.

[10]Goniewicz M L., Hajek P and McRobbie H.Nicotine content of electronic cigarettes, its release in vapour and its consistency across batches： regulatory implications[J]Addiction,2013, 109： 500-507.

[11]Meng Wang, Jian-WeiWang, Shuang-Shuang Cao.Cigarette Smoking and Electronic Cigarettes Use：A Meta-Analysis[J].Int.J.Environ.Res.Public Health 2016, 13：120-135.

[12]Cheng T.Chemical evaluation of electronic cigarettes[J].Tob Control 2014,23：ii11-ii17.

[13]Trtchounian A, Williams M, Talbot P.Conventional and electronic cigarettes (e-cigarettes) have different smoking characteristics[J].Nicotine & Tobacco Research, 2010, 12：905-912.

[14]左力瑋.電子煙煙液穩(wěn)定性及煙氣釋放基本規(guī)律研究[D].昆明理工大學,2016.

[15]El-Hellani A, El-Hage R, Baalbaki R,et al.Free-Base and Protonated Nicotine in Electronic Cigarette Liquids and Aerosols[J].Chemical Research in Toxicology, 2015, 28 (8)：1532-1537.

[16]St.Helen G, Havel C, Dempsey D, et al.Nicotine delivery,retention, and pharmacokinetics from various electronic cigarettes.[J].Addiction, 2016, 111(3)：535-544.