溶劑配比與工作電壓對電子煙氣溶膠主要成分釋放量的影響

張霞，李廷華，張濤，沈艷飛，李壽波，洪鎏，吳俊，韓熠，陳永寬，朱東來

云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南昆明 650231

電子煙[1]又名電子尼古?。焿A）傳送系統(tǒng)（Electronic nicotine delivery systems, 簡稱ENDS），是通過電加熱霧化煙液形成煙霧（氣溶膠）供消費(fèi)者吸食的產(chǎn)品或裝置。絕大多數(shù)電子煙含有煙堿，但也有少數(shù)電子煙不含煙堿[2]。由于電子煙在生理、心理感受及吸食方式等方面比較接近傳統(tǒng)卷煙，受到了廣大消費(fèi)者的青睞，因此已成為新型煙草制品的主流產(chǎn)品之一。

電子煙有害成分釋放量低于傳統(tǒng)卷煙[3-4]，但長期使用電子煙同樣會導(dǎo)致煙堿致癮性以及一系列的健康問題[5]，長期吸食電子煙會使血漿中煙堿的濃度升高[6-8]。因此，研究影響電子煙煙堿釋放量的因素對了解電子煙煙堿的遞送規(guī)律具有重要意義。煙霧量作為電子煙產(chǎn)品的一個(gè)重要感官評價(jià)指標(biāo)[9-11]，主要取決于氣溶膠中1,2-丙二醇和丙三醇的量。

目前已有文獻(xiàn)[12-14]報(bào)道了抽吸行為、工作電壓和煙堿濃度對于電子煙煙堿釋放量的影響。也有文獻(xiàn)[15]報(bào)道了抽吸參數(shù)、加熱功率和霧化劑配比對電子煙氣溶膠中煙堿釋放量的影響。這些文獻(xiàn)均指出工作電壓和霧化劑配比對煙堿釋放量均有一定程度的影響，但是綜合評價(jià)溶劑配比與工作電壓對氣溶膠中主要成分（1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿）釋放量的影響，目前鮮有報(bào)道。因此本文選用可填充煙液式煙彈，采用電子煙吸煙機(jī)，系統(tǒng)研究溶劑配比與工作電壓對電子煙氣溶膠中主要成分釋放量的綜合影響，旨在為電子煙產(chǎn)品設(shè)計(jì)及安全性評價(jià)提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器、試劑與材料

CETI8 V3.0電子煙吸煙機(jī)（英國斯茹林(Cerulean)公司）；Trace 1310 氣相色譜儀配備FID檢測器（美國Thermo fisher）；HY-8調(diào)速振蕩器（常州國華電器有限公司）；CP2245電子天平（感量：0.0001 g，德國Sartorius公司）。

異丙醇（色譜純，美國Dikma公司）；煙堿（純度＞99%，加拿大TRC公司）；2-甲基喹啉（純度＞99%，加拿大TRC公司）； 1,2-丙二醇（分析純，純度＞99.8%，北京百靈威公司）；丙三醇（分析純，純度＞99%，天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司）；1,3-丁二醇（純度＞99%，加拿大TRC公司）。

調(diào)壓試驗(yàn)用可填充煙液式煙彈，所含發(fā)熱元件為鎳鉻發(fā)熱絲，阻值3.0 Ω（均采用萬用表進(jìn)行測試分選）。采用直流電源（兆信，型號PS-305D）代替可調(diào)壓電池桿實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)，直流電源與煙彈的連接線和煙彈串聯(lián)阻值為3.5Ω。實(shí)驗(yàn)過程中選定的電壓設(shè)定值分別為3.7V、4.5V、5.3V、6.1V。

電子煙煙液樣品：為減少實(shí)驗(yàn)誤差確保測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，每個(gè)煙彈中準(zhǔn)確注入0.70g煙液。煙液樣品為自主配制的不同溶劑質(zhì)量配比、相同煙堿濃度的樣品，1,2-丙二醇和丙三醇的配比分別為2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2，煙堿濃度均為10mg/g。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法和條件

1.2.1 氣溶膠總粒相物的捕集

采用Coresta推薦的電子煙抽吸模式（抽吸容量55mL，抽吸頻率30s，抽吸持續(xù)時(shí)間3s，抽吸曲線為方波）[15]。

使用CETI8 V3.0電子煙吸煙機(jī)抽吸可注油煙彈電子煙，采用Ф44 mm的劍橋?yàn)V片捕集氣溶膠總粒相物，每20口或10口氣溶膠粒相物收集在一張濾片上，為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可比性，將不同工作電壓下煙彈的抽吸口數(shù)統(tǒng)一確定為20口。

1.2.2 氣溶膠中主要成分分析樣品制備

將捕集電子煙氣溶膠的劍橋?yàn)V片置于50 mL三角瓶中，加入20 mL含內(nèi)標(biāo)的萃取溶液（內(nèi)標(biāo)物2-甲基喹啉的濃度為0.2 mg/mL，1,3-丁二醇的濃度為1.0 mg/mL），室溫下機(jī)械振蕩20 min，取1 mL萃取液到2 mL色譜瓶中即可進(jìn)行GC-FID 分析。

1.3 氣相色譜分析條件

參照文獻(xiàn)[14]中的實(shí)驗(yàn)條件，具體如下：美國Thermo fisher公司Trace 1310氣相色譜儀配備FID檢測器，色譜柱為DB-ALC1（30m×0.32mm,1.8μm）；程序升溫，初溫100℃（保持1min），以15℃/min的速率升至130℃，以40℃/ min的速率升至220℃，保持10 min；進(jìn)樣口溫度為250℃，進(jìn)樣體積為1μL，分流進(jìn)樣，分流比50:1；載氣為氦氣，載氣流速1.8 mL/min，恒流模式；FID檢測器溫度275℃，空氣流速450 mL/min；氫氣流速40 mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溶劑配比的選擇

國際市場銷售的各品牌煙液其溶劑均為1,2-丙二醇（PG）和丙三醇（VG）的混合液。主要品牌煙液產(chǎn)品的溶劑配比見表1?；诒?的調(diào)研結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在市售煙液中PG:VG最高為76:24，最低為20:80。為了便于開展實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)，本文擬定7種不同的PG、VG配比，其質(zhì)量比分別為2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2。同時(shí)結(jié)合所選煙具的工作電壓范圍選擇了中等煙堿濃度作為研究對象，在7種不同溶劑配比的煙液中均添加最終濃度為10 mg/g的煙堿作為實(shí)驗(yàn)樣品，研究7種不同溶劑配比的煙液在不同電壓下對氣溶膠中煙堿、1,2-丙二醇和丙三醇釋放量的影響。

表1 不同溶劑配比的煙液產(chǎn)品示例Tab. 1 Samples of e-liquids with different PG-VG ratios

2.2 不同電壓下抽吸電子煙產(chǎn)生氣溶膠中主要成分釋放量

在3.7V、4.5V、5.3V、6.1V這幾個(gè)電壓梯度變化下，7種不同1,2-丙二醇和丙三醇配比的煙液加熱霧化后產(chǎn)生的氣溶膠中的主要成分（包括煙堿、1,2-丙二醇和丙三醇）釋放量值見表2。從表2中數(shù)據(jù)可以看出，氣溶膠中煙堿、1,2-丙二醇和丙三醇的釋放量分布范圍分別是 7.87 ～ 51.77 μg/口、169.52 ～ 3707.47μg/口、510.16 ～ 2582.54 μg/口，跨度非常大。

表2 不同溶劑配比的煙液在不同電壓霧化產(chǎn)生的氣溶膠中主要成分釋放量Tab.2 Release amount of main components of aerosol produced by atomization of e-liquid with different PG-VG ratios under different working voltages μg/puff

2.3 煙堿、1,2-丙二醇和丙三醇的相關(guān)性分析結(jié)果

對表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的Pearson 相關(guān)性分析，明確煙堿與1,2-丙二醇、丙 三醇的相關(guān)性，具體分析結(jié)果見表3。從表3可以看出，煙堿與1,2-丙二醇呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.898，氣溶膠中1,2-丙二醇釋放量越高則煙堿的釋放量也越高，而煙堿與丙三醇之間的相關(guān)性不顯著，這與文獻(xiàn)報(bào)道[11]一致，說明1,2-丙二醇對煙堿遞送起關(guān)鍵作用，煙堿很可能是被1,2-丙二醇包裹或夾帶著由煙液向氣溶膠中遞送，因此不同的溶劑配比對煙堿的釋放量也會存在一定的影響。

表3 煙堿、1,2-丙二醇和丙三醇的相關(guān)性分析結(jié)果Tab.3 Correlation analysis of nicotine, 1,2-propylene glycol and glycerol

2.4 溶劑配比與工作電壓兩因素對氣溶膠中主要成分釋放量影響比較分析

通過方差分析可以了解各因素對指標(biāo)的影響程度，為深入了解溶劑配比與工作電壓兩種因素對氣溶膠中主要成分釋放量的影響程度，對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了兩因素方差分析-效應(yīng)估計(jì)，具體結(jié)果見表4。結(jié)果表明工作電壓和溶劑配比對氣溶膠中煙堿、1,2-丙二醇和丙三醇釋放量均有顯著影響。

根據(jù)文獻(xiàn)[17-19]可知 偏η2能直觀地看出每個(gè)因素對總體變異的貢獻(xiàn)，而偏η2能看出某個(gè)因素與誤差的關(guān)系，因此本文選擇根據(jù)偏 η2來評判兩種因素的影響程度，從表3中可以看出對于煙堿來說，工作電壓和溶劑配比的偏η2分別為0.930、0.889，表明工作電壓對于氣溶膠中煙堿釋放量的影響要略大于溶劑配比；對于1,2-丙二醇來說，工作電壓和溶劑配比的偏η2分別為0.722、0.897，表明溶劑配比對于氣溶膠中1,2-丙二醇釋放量的影響要大于工作電壓；對于丙三醇來說，工作電壓和溶劑配比的偏η2分別為0.846、0.818，表明工作電壓對氣溶膠中丙三醇釋放量的影響要大于溶劑配比。分析原因可能是1,2-丙二醇沸點(diǎn)較低，容易發(fā)生霧化從煙液轉(zhuǎn)移至氣溶膠中，因此電子煙液中的溶劑配比對于1,2-丙二醇影響更大。而甘油沸點(diǎn)較高，需要較高的溫度才能霧化，工作電壓與加熱溫度直接相關(guān)，因此工作電壓對于丙三醇的影響更大。

根據(jù)本文的研究結(jié)果并結(jié)合文獻(xiàn)[14]的相關(guān)結(jié)論，可以形成以下建議：在產(chǎn)品研發(fā)過程中如果需要調(diào)整氣溶膠的煙堿釋放量，可以采取改變煙液中煙堿濃度、工作電壓（即加熱功率）、溶劑配比等方式。

表4 工作電壓和溶劑配比對氣溶膠主要成分釋放量影響的方差分析Tab.4 Variance analysis of effects of working voltage and PG-VG ratio on the release amount of main components of e-cigarette aerosol

2.5 不同溶劑配比對主要成分釋放穩(wěn)定性的影響

選定3種不同溶劑配比（PG:VG）的煙液在同一工作電壓下的煙堿釋放量進(jìn)行分析，每20口為一個(gè)樣品，共抽吸100口，考察不同溶劑配比對煙堿釋放穩(wěn)定性的影響。結(jié)果見圖1-圖3。從圖中的結(jié)果可以看出在同一工作電壓下，3種溶劑配比的煙液在同一電壓下抽吸相同口數(shù)煙堿、1,2-丙二醇和丙三醇釋放量差異均較小，總體來說釋放較穩(wěn)定，說明溶劑配比對于3種主要成分釋放量的穩(wěn)定性影響不顯著。

圖1 不同PG-VG配比煙液每抽吸20口的煙堿釋放量Fig.1 Release amount of nicotine per 20 puffs of e-liquid WITH different PG-VG ratios

圖2 不同PG-VG配比煙液每抽吸20口的1,2-丙二醇釋放量Fig.2 Release amount of 1,2-propylene glycol per 20 puffs of e-liquid different PG-VG ratios

2.6 不同工作電壓對主要成分釋放穩(wěn)定性的影響

選定一種固定溶劑配比（PG:VG=4:6）的煙液在不同工作電壓（3.7V、4.5V、5.3V、6.1V）下的煙堿釋放量進(jìn)行分析，每20口為一個(gè)樣品，共抽吸100口，考察不同溶劑配比對煙堿釋放穩(wěn)定性的影響。結(jié)果見圖4-圖6。從圖中的結(jié)果可以看出該種煙液在不同電壓下抽吸相同口數(shù)煙堿、1,2-丙二醇和丙三醇釋放量差異均較小，總體來說釋放較穩(wěn)定，說明工作電壓對于3種主要成分釋放量的穩(wěn)定性影響不顯著。

圖3 不同PG-VG配比煙液每抽吸20口的丙三醇釋放量Fig.3 Release amount of glycerol per 20 puffs of e-liquid with different PG-VG ratios

圖4 不同工作電壓下每抽吸20口的煙堿釋放量Fig.4 Release amount of nicotine release per 20 puffs under different voltages

圖5 不同工作電壓下每抽吸20口1,2-丙二醇釋放量Fig.5 Release amount of 1,2-propylene glycol per 20 puffs under different voltages

圖6 不同工作電壓下每抽吸20口丙三醇釋放量Fig.6 Release amount of glycerol per 20 puffs under different voltages

3 結(jié)論

本文以可填充煙液式電子煙為研究對象，研究了溶劑配比和工作電壓對電子煙氣溶膠中煙堿及霧化劑釋放量的影響規(guī)律，結(jié)果表明：不同電壓下氣溶膠中煙堿、1,2-丙二醇和丙三醇的釋放量分布范圍跨度非常大；煙堿與1,2-丙二醇呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.898，而煙堿與丙三醇之間的相關(guān)性不顯著；工作電壓、溶劑配比對氣溶膠中主要成分的釋放量均有顯著性影響，通過比較η2發(fā)現(xiàn)工作電壓對于煙堿和丙三醇的釋放量的影響要略大于溶劑配比，而溶劑配比對于1,2-丙二醇釋放量的影響要大于工作電壓。這些規(guī)律性結(jié)果對于電子煙煙具開發(fā)、煙液開發(fā)以及產(chǎn)品安全評價(jià)都具有重要意義。

[1]Trtchounian A, Williams M, Talbot P. Conventional and electronic cigarettes(e-cigarettes)have different smoking characteristics[J].Nicotine and Tobacco Research,2010,12(9):905-912.

[2]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(xué)報(bào)，2014，20(4): 101-107.LI Baojiang.A global perspective on electronic cigarette’s future development and related controversial and regulatory issues[J].Acta TabacariaSinica, 2014,20(4):101-107.

[3]Cressey D. Regulation stacks up for e-cigarettes[J].Nature，2013，501（7468）：473.

[4]Rana T, Gearld A L. Comparison of select analytes inaerosol from e-cigarettes with smoke from conventionalcigarettes and with ambient air[J]. RegulatoryToxicology and Pharmacology，2014，70(3)：704-710.

[5]Grana RA, Ling PM, Benowitz N, Glantz S. Electronic cigarettes.Circulation. 2014;129: e490–e492.

[6]Bullen C, McRobbie H, Thornley S, Glover M, Lin R, LaugesenM.Effect of an electronic nicotine delivery device (e cigarette) on desire to smoke and withdrawal, user preferences and nicotine delivery: randomised crossover trial. Tob Control. 2010;19:98–103.

[7]Vansickel AR, Cobb CO, Weaver MF, Eissenberg TE. A clinical laboratory model for evaluating the acute effects of electronic“cigarettes”:nicotine delivery profile and cardiovascular and subjective effects. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev. 2010;19:1945–1953.

[8]Vansickel AR, Eissenberg T. Electronic cigarettes: effective nicotine delivery after acute administration. Nicotine Tob Res.2013;15:267–270.

[9]影響電子煙煙霧大小的因素[N/OL]. 煙草在線.2015-04-01.http://www.tobaccochina.com/revision/cigarette/wu/20154/2015331163035_668373.shtml.The factors affecting the aerosol mass of electronic cigarette. [N/OL]. Tobacco online.2015-04-01. http://www.tobaccochina.com/revision/cigarette/wu/20154/2015331163035_668373.shtml.

[10]Amy McQueen, Stephanie Tower, Walton Sumner. Interviews with “Vapers”:Implications for future research with electronic cigarettes[J]. Nicotine&Tobacco Research,2011,13(9):860-867.

[11]張霞, 韓熠, 李壽波,等. 基于氣溶膠粒徑分布測定電子煙煙霧量[J]. 中國煙草學(xué)報(bào), 2016, 22(4):1-7.ZHANG Xia, HAN Yi, LI Shoubo, et al. Determination of aerosol mass generated by electronic cigarette based on aerosol particle size distribution [J]. Acta Tabacaria Sinica, 2016,22(4):1-7.

[12]Talih S, Balhas Z, Eissenberg T, et al. Effects of user puff topography,device voltage, and liquid nicotine concentration on electronic cigarette nicotine yield: Measurements and model Predictions[J]. Nicotine &Tobacco Research, 2015, 17(2): 150-157.

[13]El-Hellani A, Salman R, Ei-Hage R, et al. Nicotine and carbonyl emissions from popular electronic cigarette products: Correlation to liquid composition and design characteristics[J]. Nicotine &Tobacco Research, 2016. doi: 10.1093/ntr/ntw280.

[14]張霞, 朱東來, 李壽波, 等. 電子煙工作電壓對氣溶膠中關(guān)鍵成分釋放量的影響[J]. 煙草科技, 2017, 50(9):42-48.ZHANG Xia, ZHU Donglai, LI Shoubo, et al. Effects of device voltage on release of key aerosol components in e-cigarette[J].Tobacco Science & Technology, 2017, 50(9):42-48. DOI:10.16135/j.issn1002–0861.2016.0566

[15]段沅杏，楊威，田永峰，等. 電子煙抽吸參數(shù)、電池功率、霧化劑配比對氣溶膠中煙堿釋放量的影響研究[J]. 中國煙草學(xué)報(bào)，2017,23（5）：9-14.DUAN Yuanxing, YANG Wei, TIAN Yongfeng, et al. Eff ects of vaping parameters, battery power and e-liquid composition on nicotine yield in electronic cigarette aerosol [J]. Acta Tabacaria Sinica, 2017,23(5)

[16]Coresta Recommended Method No 81, Routine analyticalmachine for e-cigarette aerosol generation and collection-definitions and standard conditions.

[17]Timothy R. Levine, Craig R.Hullett. Eta squared, partial eta squared, and misreporting of effect size in communication research[J].Human Communication Research,2002,28(4):612-625.

[18]Pierce C A， Block R A，Aguinis H. Cautionary note onreporting eta-squared values from multifactor designs[J]. Educational and Psychological Measurement，2004，64（6）：916-924.

[19]張濤，蘇明亮，趙偉，等. 制絲工藝參數(shù)對9種主流煙氣成分釋放量的影響[J].煙草科技，2014（8）：32-37.Zhang Tao, Su Mingliang, Zhao Wei, et al. Effects of Five Primary Processing Parameters on Deliveries of Nine Components in Mainstream Cigarette Smoke[J]. Tobacco Science & Technology,2014(8):32-37.