煙草揮發(fā)性有機物的高效采樣分析技術(shù)研究進展

吳嘉慧,王 予，潘曉薇，賴燕華,韓 冰，陶 紅，張卓旻,李攻科

(1.中山大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510275；2.廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，廣東 廣州 510385)

煙草揮發(fā)性有機物(Volatile organic compounds,VOCs)主要來源包括：煙草自身釋放的VOCs、加入的香精香料及輔料成分。不同產(chǎn)地、不同生產(chǎn)工藝、不同香型的煙草VOCs化學(xué)組成和比例的不同，決定了煙草產(chǎn)品的風(fēng)格特征和品質(zhì)。如2,3,5-三甲基吡嗪是白肋煙的特征嗅香成分，給使用者帶來香甜的感受；乙醛和吡啶分別是刺鼻而辛辣和甜的口感[1-2]。目前發(fā)現(xiàn)的煙草VOCs種類多達數(shù)千種[3]，且隨著采樣技術(shù)的進步而不斷增多。煙草及煙草產(chǎn)品VOCs的高效采樣分析研究，可為煙草產(chǎn)品的質(zhì)量控制、調(diào)香工藝提升、降焦減害等方面提供有力的技術(shù)支持和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但目前煙草VOCs的感官評價主要依賴于文獻知識和人工嗅感分析，主觀性強、耗時長，且準確度不佳，因此發(fā)展高效、準確的煙草VOCs采樣技術(shù)具有重要意義。

煙草VOCs含量低、組成復(fù)雜、揮發(fā)性強，難以捕集，加之煙草及煙草產(chǎn)品基體復(fù)雜，因此高效采樣煙草VOCs并結(jié)合適當?shù)臋z測技術(shù)進行分析是分析化學(xué)領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。煙草VOCs主要的分析技術(shù)是采用氣相色譜(Gas chromatography,GC)[4]和液相色譜(Liquid chromatography,LC)[5]等色譜技術(shù)結(jié)合火焰離子化檢測器(Flame ionization detector,FID)[6]、氮磷檢測器(Nitrogen phosphorus detector,NPD)[7]、質(zhì)譜(Mass spectrometric detector,MS)[8]、紫外檢測(Ultraviolet detection,UV)[9]、氣體傳感器[10]等檢測器進行分析。質(zhì)譜作為通用型檢測器，兼具定性定量功能，分析靈敏度高、準確度好。1990年代初期，氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(Gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)技術(shù)的發(fā)展大大促進了煙草VOCs分析方法的發(fā)展。但煙草本身吸附能力較強，煙草VOCs成分復(fù)雜，極性范圍廣且含量較低，結(jié)合高效采樣技術(shù)對煙草VOCs進行分離富集[11]是提高煙草VOCs分析靈敏度和準確度的關(guān)鍵前提。目前煙草VOCs的常規(guī)前處理方法有同時蒸餾萃取、直接溶劑提取、吸附熱脫附法等，但這些方法都具有一定局限性，如同時蒸餾萃取法較長的加熱過程易造成熱敏組分分解或發(fā)生副反應(yīng)[12]；直接溶劑提取法大量使用有機溶劑，且萃取效率不高；吸附熱脫附法加熱過程中容易導(dǎo)致副反應(yīng)和焦炭化[13]。理想的煙草VOCs采樣技術(shù)應(yīng)具有良好的選擇性及富集容量，同時適合于多元采樣場景的實際應(yīng)用。因此研發(fā)針對煙草VOCs的高選擇性、高富集容量采樣介質(zhì)，并采用合適的方法將其固載為具有較強適用性的高效采樣技術(shù)，是提高煙草VOCs采樣效率的關(guān)鍵所在。本文將綜述近年來煙草VOCs分離富集介質(zhì)及相關(guān)采樣方法的研究進展，并對煙草VOCs分析技術(shù)在煙草產(chǎn)品質(zhì)量控制等方面的實際應(yīng)用情況進行總結(jié)。

1 煙草揮發(fā)性有機物的高效分離富集介質(zhì)

分離富集介質(zhì)是研發(fā)高效煙草VOCs采樣技術(shù)的核心，通常采用多孔結(jié)構(gòu)或比表面積較大的高分子材料對目標VOCs進行吸附富集。傳統(tǒng)的煙草VOCs富集介質(zhì)主要包括Tenax[14]、碳分子篩[15]、劍橋濾片[16]等，這些傳統(tǒng)介質(zhì)缺少與目標物結(jié)構(gòu)匹配的孔洞及極性，常以范德華力進行物理吸附，基質(zhì)效應(yīng)明顯，用于復(fù)雜煙草VOCs采樣時，富集容量有限、選擇性不高，抗干擾能力及分離富集效果不佳。近年來隨著材料科學(xué)的發(fā)展，石墨烯及其復(fù)合材料、硅基材料、磁性富集材料、聚合物納米絲、離子液體等新型VOCs分離富集介質(zhì)(表1)的出現(xiàn)極大地提高了煙草VOCs的分離富集效率，并增強了與后續(xù)分析儀器聯(lián)用的便利性，有效拓展了應(yīng)用范圍。

表1 煙草VOCs高效分離富集介質(zhì)的對比Table 1 Comparison of efficient separation-enrichment media for tobacco VOCs

1.1 石墨烯及其復(fù)合材料

G和GO的sp2結(jié)構(gòu)使其對TSNAs、PAHs等共軛化合物具有出色的π-π親和力，但G和GO在煙草VOCs中醛、酮等不飽和化合物富集方面的研究仍有很大提升空間。目前G和GO多通過Hummers法[26]及改良的Hummers法[27]合成，合成過程中需使用到KMnO4和濃H2SO4，可能產(chǎn)生NO2、N2O4等有害氣體，且合成過程較為復(fù)雜。綠色溫和的石墨烯及其復(fù)合富集介質(zhì)合成方法，將是未來一段時間的研究熱點。

1.2 硅基材料

Si作為14號碳族無機元素，最外層的4個價電子使其處于亞穩(wěn)態(tài)，可與多種元素形成穩(wěn)定共價化合物，硅膠表面的硅羥基與烷基發(fā)生硅烷化作用，可固定較長的脂鏈而形成一系列硅基吸附劑。非極性鍵合相十八烷基硅膠(Octadecylsilica,ODS或C18)是最受歡迎的硅基介質(zhì)，可與TSNAs[28-29]和PAHs[30]等化合物產(chǎn)生較強的范德華相互作用，對煙草VOCs表現(xiàn)出良好的吸附選擇性。Fujioka等[31]用磷酸鹽緩沖液吸收主流煙氣，再分別以巰乙胺、1，2-苯二胺和N-甲基肼將單羰基、二羰基和不飽和羰基化合物衍生化為噻唑烷、吡唑和吡唑啉類含氮化合物，并以C18固相萃取柱高效富集主流煙氣中的甲醛、丙二醛等6種羰基衍生物，結(jié)合SPE/GC-NPD對衍生物進行定量分析。該方法選擇性好、靈敏度高，適用于煙氣中含羰基VOCs的高效采樣分析。Zhang等[29]聯(lián)用丙磺酸陽離子交換SPE柱和C18反相SPE柱兩種硅膠基質(zhì)萃取柱在線富集煙氣吸收液中的TSNAs，結(jié)合全自動二維在線LC-MS/MS技術(shù)分析了煙氣中的TSNAs，該方法可有效減少樣品用量，同時相連的SPE柱消除了不同極性物質(zhì)的干擾，檢出限為0.2～1.0 pg/支，與離線SPE方法獲得的靈敏度相當。SiO2具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和機械特性，可作為富集介質(zhì)的載體，常見載體形態(tài)主要包括纖維狀及塊狀載體。纖維狀SiO2介質(zhì)是最常見的SPME涂層載體，但其脆性高、易斷裂，導(dǎo)致傳統(tǒng)SPME纖維使用壽命較短。塊狀SiO2介質(zhì)具有無定性形狀和光滑表面，且比表面積大，具有出色的富集性能，同時避免了纖維易斷裂的缺點，可有效提升硅基富集介質(zhì)的耐久性，降低分析成本。Luo等[32]將塊狀玻璃料(SiO2)與伯仲胺(Primary secondary amine,PSA)固定成塊狀SiO2/PSA，并作為SPE萃取劑固定于移液槍頭尖端，對吸收了香煙主流煙氣的乙酸乙酯溶液進行凈化預(yù)處理，結(jié)合在線凝膠滲透色譜/GC-MS/MS同時測定了煙草煙霧中的PAHs和TSNAs，檢出限為0.01～0.23 ng/支，處理后基質(zhì)干擾明顯減少。碳化硅(SiC)是另一類新型硅基化合物，具有低熱膨脹系數(shù)、優(yōu)異耐腐蝕、抗氧化和高強度的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于氣體吸附采樣領(lǐng)域。Tian等[33]將納米SiC作為SPME涂層直接涂覆于不銹鋼絲上，結(jié)合GC-MS技術(shù)測定了煙灰水溶液中的10種PAHs，檢出限為0.003～0.030 μg/L。SiC涂層具有大量孔結(jié)構(gòu)和凸面，大大增加了比表面積，表現(xiàn)出優(yōu)良的萃取性能，萃取效果優(yōu)于商用PDMS涂層。

硅基材料因其較好的吸附容量及機械性能，正逐漸成為煙草VOCs的新型高效富集基質(zhì)，但其表面較難進行化學(xué)修飾，限制了萃取選擇性能的提升。研制表面易修飾基團、比表面及孔洞可控的硅基介質(zhì)，并應(yīng)用于煙草VOCs的富集采樣，將是未來的研究熱點。

1.3 磁性富集材料

磁性固相材料是MSPE技術(shù)的核心，一般由鐵礦物和超順磁性氧化鐵組成，如磁鐵礦(Fe3O4)[34]和磁赤鐵礦(γ-Fe2O3)[35]。磁性介孔二氧化硅微球一般采用共沉淀法和溶膠-凝膠法以介孔二氧化硅殼包裹磁性Fe3O4納米核進行合成，納米級尺寸及表面豐富的C18基團使其具有良好的磁分離富集性能，可在外磁場作用下輕松實現(xiàn)分離、富集一體化過程。Huang等[36]以Fe3O4為磁性微球，十六烷基三甲基溴化銨為模板，與原硅酸四乙酯和苯基三乙氧基硅烷共縮合，制備了具有苯基化核殼結(jié)構(gòu)的Fe3O4@mSiO2磁性微球，用于富集煙草主流煙氣中衍生化處理后的乙醛，結(jié)合GC-MS測定了煙氣中的乙醛含量，方法檢出限為0.04 mg/mL(圖1)。在6次循環(huán)后該微球?qū)σ胰┭苌锏母患嗜钥蛇_75%。在磁性固相材料表面包覆或原位固載有機聚合物進行表面官能團修飾，可有效提升磁性固相材料的富集選擇性。陳嘉彬等[37]先后加入Fe3O4、四乙基原硅酸鹽、甲基丙烯酸(MMA)、引發(fā)劑偶氮二異丁腈和交聯(lián)劑三羥甲基丙烷三丙烯酸酯，制備了Fe3O4@SiO2@MAA磁性固相萃取劑，在酸性條件下，其表面的羧基與煙氣乙酸銨水溶液中陽離子形式的TSNAs發(fā)生陽離子交換作用從而實現(xiàn)萃取。結(jié)合HPLC-MS/MS方法測定了N-亞硝基降煙堿等4種TSNAs，檢出限為0.03～0.14 μg/L。具有配位鍵的化合物也可對磁性固相材料進行功能化。油酸(Oleic acid,OA)作為長鏈脂肪酸，其羧基(—COO—)可與Fe3O4表面的鐵原子配位，而長脂鏈使OA具有較好的親脂性，有利于提高磁性富集介質(zhì)對弱極性VOCs的富集選擇性。Feng等[38]采用油酸與Fe3O4在水溶液中一步法合成了Fe3O4-OA，并作為MSPE吸附劑結(jié)合HPLC/熒光檢測法直接測定了香煙煙霧萃取物中的苯并[a]芘，檢出限為0.12 ng/mL。

圖1 功能性磁介孔微球在煙氣采樣富集過程中的應(yīng)用[36]Fig.1 The application of functional magnetic mesoporous micro-spheres for sampling and enriching cigarette gas[36]

以Fe3O4為中心的磁性吸附介質(zhì)是MSPE技術(shù)的核心，在外磁場的作用下可輕松分離目標物與基質(zhì)，使用便利，可有效避免采樣富集過程的交叉污染，穩(wěn)定性好、富集容量較高，在大通量煙草VOCs分析中發(fā)揮著重要作用。目前磁性固相介質(zhì)常通過共沉淀法和溶膠-凝膠法在合成過程中同時實現(xiàn)磁性介質(zhì)的表面修飾，以改善介質(zhì)的富集選擇性，并進一步提高其理化穩(wěn)定性和壽命。

1.4 聚合物納米絲

聚合物納米絲是一類具有松散結(jié)構(gòu)及相互連接纖維網(wǎng)絡(luò)的固相吸附介質(zhì)，具有良好的化學(xué)和機械穩(wěn)定性及較大的比表面積，目前已應(yīng)用于煙草VOCs的高效分離富集。調(diào)控聚合物單體結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)納米絲介質(zhì)的表面改性，提升聚合物納米絲富集介質(zhì)的選擇性。聚合物納米絲有多種制備技術(shù)，最常使用的是電紡絲技術(shù)，即聚合物溶液在高電場作用下分散形成微米到納米尺寸纖維，通過針尖或噴嘴在接收平面上形成超細纖維，填入管內(nèi)構(gòu)成SPE柱或保持2D膜狀結(jié)構(gòu)[39]。納米絲的富集效率與其表面/體積比直接相關(guān)。Guo等[40]使用聚苯乙烯(Polystyrene,PS)制備納米絲SPE纖維，同時加入具有活性羥基的聚甲基丙烯酸甲酯及聚(三聚氰胺-脲-甲醛)溶膠-凝膠增加納米纖維的吸附位點，結(jié)合GC-MS成功采集并分析了卷煙主流煙氣中的尼古丁含量，其RSD為3.6%～5.3%，表明加入含羥基的電紡絲可有效提高尼古丁的吸附效率。將聚合物納米絲制成纖維膜可同時保留絲狀材料特性并增強富集介質(zhì)的機械強度，再輔以調(diào)控膜孔徑等步驟，可進一步提高納米絲纖維膜的富集選擇性。申素素等[41]采用靜電紡絲技術(shù)以聚丙烯腈(Polyacrylonitrile,PAN)和二氧化硅制備PAN-SiO2納米絲纖維復(fù)合膜，刺狀結(jié)構(gòu)的SiO2阻滯擴散到纖維膜表面的氣體，延長了纖維膜與氣體的接觸時間，提高了富集效率。該富集介質(zhì)被成功應(yīng)用于香煙煙氣VOCs的采樣(圖2)。結(jié)合高分辨率質(zhì)譜儀進行檢測，正離子模式下可檢測到尼古丁、丙酮和苯乙烯等21種煙氣VOCs；負離子模式下可檢測到水楊酸、蘋果酸和乳酸等6種有機酸VOCs，尼古丁的檢出限為0.071 ng/L，RSD為0.06%～0.58%。

圖2 納米絲纖維膜香煙煙氣富集裝置示意圖[41]Fig.2 PAN-SiO2 nanofibrous membrane based sampling device for burning cigarette VOCs[41]

聚合物納米絲在煙草VOCs采樣過程中表現(xiàn)出極好的富集性能，改變靜電紡絲過程的電壓、紡絲液組成和濃度，加入適當功能化配體可實現(xiàn)納米絲的機械特性調(diào)控及富集性能提升。隨著更多種類聚合物納米絲介質(zhì)的研發(fā)及制絲方式的革新，聚合物納米絲將成為重要的煙草VOCs高效富集介質(zhì)。

1.5 離子液體

由于組成ILs的陽離子常具有π電子結(jié)構(gòu)，目前在煙草VOCs分析中，ILs多用于萃取能產(chǎn)生強π-π相互作用的PAHs，目標物種類有待拓展。另外，研發(fā)綠色環(huán)保、穩(wěn)定高效的固載方法，提高ILs介質(zhì)采樣的便利性和使用壽命也將是未來的熱點研究方向。

2 煙草揮發(fā)性有機物的高效采樣技術(shù)

將高效富集介質(zhì)結(jié)合相應(yīng)的固載技術(shù)，并根據(jù)煙草VOCs的采樣特點，研發(fā)高效采樣技術(shù)，是富集介質(zhì)實際應(yīng)用于煙草VOCs高效采樣及高靈敏分析的重要前提。近年來，煙草VOCs采樣技術(shù)朝著高效環(huán)保、微型便攜等方向發(fā)展，發(fā)展了以QuEChERS技術(shù)、SPME技術(shù)、液相微萃取技術(shù)、頂空萃取技術(shù)、全量空氣采樣技術(shù)等為代表的系列煙草VOCs高效采樣技術(shù)，有效提高了煙草VOCs采樣效率、便利性及準確度，各方法的優(yōu)缺點歸納見表2。

表2 煙草VOCs高效樣品前處理方法對比Table 2 Comparison of the sample pretreatment methods for tobacco VOCs

2.1 QuEChERS技術(shù)

QuEChERS方法是一種分散固相萃取技術(shù)，一般指采用少量乙腈等有機溶劑提取樣品，以MgSO4等無機鹽進行鹽析和相分離的前處理技術(shù)。QuEChERS方法主要包括溶劑微量萃取和分散固相微萃取凈化過程，具有快速、簡單、價廉、有效、牢固和安全的優(yōu)點[46]，目前已應(yīng)用于強極性煙草VOCs的富集采樣。Demirci等[47]以乙腈萃取香煙濾嘴，再以非極性聚苯乙烯型離子交換樹脂(XAD-4)作為SPE吸附劑純化萃取液，結(jié)合HPLC/UV測定了香煙濾嘴焦油中的苯酚，方法檢出限為2.17 μg/支，回收率接近100%，前處理過程簡單、靈敏度好、準確度高。Li等[48]采用1∶4的甲醇和二氯甲烷混合液代替?zhèn)鹘y(tǒng)乙腈溶劑，建立了QuEChERS/GC-MS聯(lián)用測定煙草中生物堿的方法。該改良的QuEChERS方法可同時檢測煙草和煙草制品中的尼古丁等9種生物堿，檢出限為0.006 5～0.150 9 μg/g，回收率為89%～108%。QuEChERS方法靈活性強，改變萃取溶劑、無機鹽等條件仍可獲得高回收率，可快速消除基質(zhì)干擾，可選擇目標物多，但無機鹽稱取、鹽析時的搖晃操作及離心步驟限制了其自動化發(fā)展。

2.2 固相微萃取及其改進技術(shù)

SPME技術(shù)是Pawliszyn在20世紀90年代研發(fā)的一種采樣技術(shù)，通過固載于萃取纖維表面的微量涂層介質(zhì)對樣品進行萃取，完成萃取后可直接將萃取纖維涂層插入GC的進樣口熱解吸進樣分析。SPME技術(shù)集樣品分離富集及進樣于一體，具有操作簡單、分析時間短、樣品需要量少、幾乎不使用有機溶劑等優(yōu)點，易實現(xiàn)自動化，相較于SPE技術(shù)具有更好的分離富集效率。SPME技術(shù)的萃取操作有3種模式：(1)直接SPME法：將SPME萃取纖維浸入樣品中進行萃取，適用于較潔凈的液體樣品[49]；(2)頂空SPME法：將SPME纖維置于樣品頂空相中進行萃取，多用于復(fù)雜基體樣品的采樣[50]；(3)膜保護SPME法：以多孔膜保護SPME涂層進行萃取的方式，受基質(zhì)影響小，具有非常強的抗干擾能力[51]。煙草VOCs主要采用頂空SPME法進行采樣分析，采樣時萃取頭不與基質(zhì)直接接觸[52]，可有效避免基質(zhì)干擾。劉嘉莉等[53]比較了聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯(PDMS/DVB)、碳分子篩(CAR)/PDMS、PDMS 3種商用SPME萃取涂層富集主流煙氣中重要香味成分的效率，結(jié)果表明CAR/PDMS涂層的富集效率明顯高于其他兩種涂層，此方法還被應(yīng)用于探究香煙抽吸口序與香煙煙氣成分逐口釋放量的關(guān)聯(lián)。Demirci[54]采用乙腈萃取卷煙濾嘴焦油中的PAHs，再采用PDMS萃取頭進行富集采樣，結(jié)合HPLC/UV測定了焦油中的6種PAHs，檢出限為0.17～5.02 ng/mL，方法靈敏度高、速度快。除商用SPME萃取涂層外，研究者們還制備了多種選擇性好、富集容量高的涂層，用于煙草VOCs的高效采樣。Ghiasvand等[55]制備了薄膜化的磺化石墨烯-聚苯胺納米復(fù)合材料，通過電泳沉積方法將材料固載于表面鍍鉑的不銹鋼絲上，建立了真空輔助頂空SPME/GC-FID測定煙草和頭發(fā)樣品中尼古丁的分析方法，方法檢出限為0.002 μg/g，該磺化石墨烯復(fù)合涂層對于極性和中等極性的煙草VOCs表現(xiàn)出良好的選擇性和更高的采樣效率。通過引入真空[55]、微波[56]和超聲-微波聯(lián)用[57]等技術(shù)可有效提高SPME采樣過程的傳質(zhì)和采樣效率，促進目標物與基質(zhì)分離。Sha等[56]在微波輔助下采用聚乙二醇(CW)/DVB等5種商用SPME萃取涂層頂空富集香煙隔墊中的苯酚，并結(jié)合GC-MS方法進行測定，檢出限為0.5 ng/mL，微波處理60 s即可使苯酚充分揮發(fā)，結(jié)果表明微波輔助技術(shù)可有效縮短采樣時間，提高萃取效率。

SPME萃取效率高，但傳統(tǒng)纖維式SPME涂層體積微小，富集容量不高，在復(fù)雜樣品富集采集過程中可能存在信息丟失現(xiàn)象。針捕集(Needle trap,NT)、攪拌棒吸附萃取(Stir bar sorptive extraction,SBSE)是SPME技術(shù)的拓展，可有效增大涂層體積，提高萃取容量，更適用于現(xiàn)場采樣。Li等[48]采用Carboxen 1000為富集介質(zhì)，研究了NT技術(shù)采集氣溶膠樣品過程中樣品粒徑范圍對捕集效率的影響，李遠根等[58]采用以Carboxen 1000為富集介質(zhì)的閉路循環(huán)動態(tài)NT技術(shù)富集煙草VOCs，結(jié)合GC-MS分析了卷煙煙絲中的有機酸、酯、醛、醇等45種化合物，通過比較檢出的VOCs數(shù)量和總峰面積，發(fā)現(xiàn)NT技術(shù)的靈敏度、重復(fù)性均優(yōu)于SPME，更適于卷煙煙絲VOCs分析。SBSE技術(shù)是在90年代末出現(xiàn)的一種微萃取技術(shù)[59]，通過攪拌液體樣品促進分析物向涂層傳質(zhì)實現(xiàn)富集。SBSE與SPME萃取機理非常相似，但攪拌棒“Twister”涂層的涂層膜厚度(商品化攪拌棒多為mm級)遠高于SPME涂層(多數(shù)為μm級)，使用的吸附介質(zhì)量比SPME高50～250倍左右，具有比SPME更小的相比，有效提高了富集容量，表現(xiàn)出更好的靈敏度和重現(xiàn)性[60]。目前，SBSE技術(shù)在煙草VOCs分析中也有較多應(yīng)用。Hou等[61]采用PDMS攪拌棒富集香煙香精中的香味成分，以熱脫附-冷進樣系統(tǒng)(Thermal desorption-cold injection system,TD-CIS)脫附目標物，結(jié)合GC-MS鑒別出30種VOCs，平均RSD小于10%。劉汗青等[62]也采用PDMS攪拌棒建立了SBSE/TD-GC-MS分析煙草揮發(fā)性和半揮發(fā)性表香成分的方法，鑒定出27種成分，結(jié)果表明該方法具有較高的準確度和較好的重現(xiàn)性，可作為煙草香精香料的質(zhì)量監(jiān)控方法。Kaur等[63]建立了頂空SBSE/TD-GC-MS半定量測定稀釋于室內(nèi)空氣的香煙煙霧中的16種VOCs的分析方法，發(fā)現(xiàn)吸附在SBSE上的VOCs在40 min內(nèi)自發(fā)性解吸損失量達到19%～31%，因此需要在采樣后10 min內(nèi)將SBSE盡快轉(zhuǎn)移至TD系統(tǒng)進行解吸分析，以保證方法的重現(xiàn)性和準確性。

目前，SPME及其相關(guān)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于煙草VOCs的采樣富集，但是商用涂層種類有限，且選擇性不高，研發(fā)適用于煙草VOCs的機械強度好、選擇性和富集容量高的涂層，依然是該領(lǐng)域方興未艾的研究熱點。

2.3 改進型液相萃取技術(shù)

傳統(tǒng)液液萃取采用溶劑萃取分離待測組分和基質(zhì)，含有待測物的萃取劑可直接進入GC、HPLC等儀器進行分析。液液萃取一般需要使用較大量的有機溶劑，對環(huán)境和分析人員健康具有潛在風(fēng)險，同時由于煙草基體極為復(fù)雜，萃取液與樣品直接接觸易引入基體物質(zhì)，產(chǎn)生基體干擾。因此，目前許多研究致力于開發(fā)有機溶劑使用量少、萃取效率高的改進型液相萃取技術(shù)。付秋娟等[64]以5 mL乙酸乙酯萃取0.1 g煙草粉末樣品，結(jié)合UPLC/UV方法測定了煙草中西柏三烯二醇的兩種異構(gòu)體，檢出限分別為0.116 6、0.149 5 μg/mL，提取過程僅需10 min，與現(xiàn)行標準YC/T 470-2013[65]相比，萃取等量樣品所需的有機溶劑量可減少一半。索氏提取法通過虹吸作用使樣品反復(fù)與新鮮的萃取劑接觸，促進傳質(zhì)平衡，且浸出目標物后不必過濾，也是一種改進型的液相萃取法。但索氏提取法提取時間長、溫度高，易導(dǎo)致熱敏性目標物的分解[66]。申欽鵬等[67]設(shè)計了一種帶硅膠柱層析凈化功能的索氏提取裝置，串聯(lián)溶劑提取、固相萃取凈化和濃縮步驟，縮短了提取時間，減少了雜質(zhì)干擾，以50 mL己烷-乙醇(99∶1)萃取捕集卷煙主流煙氣后的劍橋濾片，結(jié)合GC-MS測定了其中的苯并[a]芘，檢出限為0.12 ng/支。加壓溶劑萃取(Pressurized liquid extraction,PLE)是一種在高溫高壓條件下采用少量有機溶劑對樣品進行萃取的改進型液相萃取技術(shù)，高溫高壓可降低溶劑粘度，便于溶劑浸潤樣品，溶出目標物，有效促進目標物從基質(zhì)到萃取劑的傳質(zhì)過程，提高萃取效率[68]。Ramirez等[69]采用PLE方法萃取吸煙和非吸煙家庭房屋中的灰塵樣品，并結(jié)合二維氣相色譜/氮化學(xué)發(fā)光檢測器，分析了室內(nèi)灰塵樣品中包括尼古丁、N-亞硝胺和TSNAs等在內(nèi)的15種含氮化合物，檢出限為2.5～15.8 ng/g。

2.4 液相微萃取技術(shù)

傳統(tǒng)液相萃取技術(shù)使用大量的有機溶劑，易造成污染。液相微萃取是液相萃取的改進方法，采用特定負載技術(shù)將100 μL或更少體積的溶劑固載成萃取相，用于分離富集痕量目標物。目前，液相微萃取已發(fā)展出多種形式，包括中空纖維液相微萃取、分散液-液微萃取等方法。中空纖維液相微萃取(Hollow fiber-liquid phase microextraction,HF-LPME)是一種膜液相微萃取方法，聚合物膜多為多孔膜，膜層卷曲呈棒狀搭載在針尖上，萃取溶劑裝載于棒的內(nèi)腔體和多孔壁上，膜層與樣品相接觸后快速萃取目標物，表現(xiàn)出高的萃取回收率和抗干擾能力[70]。Esrafili等[71]使用聚丙烯中空纖維，建立了自動在線HF-LPME/HPLC-UV方法，測定了香煙煙氣中的吡啶類化合物，檢出限為0.5～1.0 μg/L，該方法的RSD小于6.3%，表現(xiàn)出優(yōu)異的重現(xiàn)性。分散液-液微萃取(Dispersive liquid-liquid microextraction,DLLME)是指將適當?shù)妮腿┖头稚┗旌衔锟焖僮⑷霕悠匪芤褐?，形成混濁溶液，萃取溶劑液滴與樣品溶液充分接觸，快速達到萃取平衡的一種液相微萃取方法。Tabrizi等[72]將卷煙煙霧先后以H2SO4和抗壞血酸溶液捕集，加入2,4-二硝基苯肼(2,4-Dinitrophenylhydrazine,DNPH)，在沸水浴中加熱衍生化后以CCl4為萃取溶劑，乙醇為分散溶劑，采用DLLME/HPLC-UV聯(lián)用方法測定了卷煙煙霧中的苯甲醛、丁醛和糠醛，檢出限為7.92～21.3 μg/L，回收率為88.0%～109%。Cai等[73]采用原位乙?；虳LLME/GC-MS聯(lián)用法測定了煙草主流煙氣中的32種酚，檢出限為1.12～1.74 ng/支。液相微萃取技術(shù)大大減少了有機溶劑的用量，但是所使用的萃取溶劑種類有限，選擇性和容量均有待提高，研發(fā)高選擇性、高富集容量的微萃取溶劑將會是未來一段時間的熱點。

2.5 頂空萃取技術(shù)

頂空法(Headspace,HS)是將樣品在密閉容器中加熱到一定溫度，采集容器中的氣體后直接分析樣品中揮發(fā)性成分的方法，無需使用有機溶劑，減少了非揮發(fā)性基質(zhì)引起的干擾，是一種高效的氣體樣品前處理技術(shù)[74]。HS分為靜態(tài)頂空技術(shù)(Static headspace,SHS)和動態(tài)頂空技術(shù)(Dynamic headspace,DHS)。SHS基于樣品氣相與基質(zhì)間的分配平衡，易實現(xiàn)自動化[75-76]。香煙煙氣含有多種頂空成分，揮發(fā)性的VOCs可直接通入HS/GC-MS儀器進行分析，操作簡便，能實現(xiàn)大量煙葉原料的快速分析，避免了繁瑣的前處理過程。Zhang等[77]在低于-70 ℃的干冰/異丙醇浴中以甲醇吸收煙草主流煙氣，提取其中的醛類物質(zhì)，加熱吸收瓶后采用SHS/GC-MS法分析卷煙主流煙氣中乙醛等4種醛類物質(zhì)，檢出限為0.014～0.12 μg/支，甲醇中的醛類化合物可在8 h內(nèi)保持較好穩(wěn)定性，該方法靈敏度高。羅熹等[78]采用SHS/GC-MS法測定了煙用絲束中丙酮的殘留量，研究了試樣質(zhì)量對響應(yīng)面積和分配系數(shù)的影響，為煙絲的質(zhì)量安全提供了技術(shù)支持。煙絲燃燒程度不同也會影響SHS技術(shù)的準確度，趙輝等[79]采用紅外鏡面反射爐模擬卷煙的燃燒過程，快速升溫至900 ℃使煙絲燃燒完全，結(jié)合SHS/GC-MS測定了煙葉煙氣中的VOCs，判斷出不同煙葉部位的感官質(zhì)量差異。該方法可有效減小分析誤差。

DHS也稱為吹掃捕集法，是指將氮氣等惰性載氣連續(xù)通過樣品，將VOCs富集在介質(zhì)中或捕集在冷阱中以進行分析測定的一種非平衡態(tài)連續(xù)萃取方法，自1974年Bellar與Lichtcnberg首次提出以來，在環(huán)境監(jiān)測、食品檢驗、煙草成分分析等領(lǐng)域廣為應(yīng)用。與SHS相比，DHS對沸點低于200 ℃的疏水性VOCs具有更高的富集效率，但使用后需要及時清潔玻璃器皿。Brokl等[80]結(jié)合二維氣相色譜-飛行時間質(zhì)譜法，將DHS與甲醇溶劑萃取法進行對比，發(fā)現(xiàn)DHS可富集到近1 800種煙草半揮發(fā)性化合物，比溶劑萃取法多了一倍左右，若兩種方法結(jié)合互補可測定出近2 500種化合物，證明DHS在煙草VOCs分離富集中具有明顯優(yōu)勢。張麗等[81]比較了DHS、SHS和SPME法對煙草嗅香成分的富集效率，發(fā)現(xiàn)DHS能夠測定出更多種煙草嗅香成分，測定結(jié)果涵蓋的沸點范圍更廣。

2.6 全量氣體采樣技術(shù)

以氣體樣品袋、玻璃容器和不銹鋼采樣罐為捕集容器，通過輔助氣泵進行采樣的全量氣體采樣法是高通量采集氣體樣品的常用方法，采集后的樣品保存方便。氣體采樣袋多為高聚物塑料袋，制作方便、價格低廉、可自由控制容量，適合高通量煙草VOCs采樣分析研究，但需要嚴格控制操作以保證結(jié)果的重復(fù)性。鄭賽晶等[82]以Tedler采樣氣袋捕集了20支卷煙主流煙氣的氣相成分，結(jié)合TD/GC-MS方法鑒定出煙氣中的67種成分，并通過控制載氣流速、恒流時間和捕集完全率解決了采樣體積的重復(fù)性問題，檢出限為0.42～42.8 ng，實際樣品的RSD大都小于10%。楊麗莉等[83]以硅烷化處理的SUMMA罐負壓采集密閉吸煙室內(nèi)的空氣，對室內(nèi)殘余煙氣進行分析，發(fā)現(xiàn)烷烴、烯烴類VOCs含量最高，苯系物、氯代苯、鹵代烴等毒性大的VOCs檢出率較高。

全量氣體采樣法的優(yōu)勢在于高通量采樣，避免了SPE、SPME吸附劑在分析高濃度化合物時易穿透損失的缺點，但高濃度VOCs可能超過捕集裝置的采樣容量，從而引起采樣誤差。此外，相較于液體、固體樣品，流動的氣體樣品可控程度下降也可能影響分析結(jié)果重現(xiàn)性。目前全量氣體采樣法多用于大通量煙氣采樣，未來可進一步應(yīng)用于側(cè)流煙氣、燃燒不完全嗅香成分的分析研究。

3 煙草揮發(fā)性有機物分析的應(yīng)用研究

煙草VOCs準確的分析檢測結(jié)果不僅可為煙草風(fēng)味品牌設(shè)計提供客觀的質(zhì)控數(shù)據(jù)支撐，也可為目前煙草科學(xué)領(lǐng)域的熱點問題——“降焦減害”提供有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和方法學(xué)支持。

3.1 質(zhì)量控制

煙草的香氣成分主要來源于煙草本體成分、外加香精香料及加工過程化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的香氣成分，香氣成分的差異與煙草的品質(zhì)、制絲工藝息息相關(guān)，因此煙草VOCs種類和含量的準確分析結(jié)果是煙草產(chǎn)品質(zhì)量控制的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)[84]。賴燕華等[85]通過Tenax 7號捕集阱，采用吹掃捕集采集了16種卷煙樣品的頂空香氣成分，應(yīng)用聚類分析和主成分分析法對煙絲自然揮發(fā)出的頂空香氣成分進行綜合評價，成功區(qū)分了兩個品牌香煙，為卷煙品牌的風(fēng)格表征和質(zhì)量評價提供了參考方法。制煙的高溫烘焙過程會發(fā)生焦糖化作用和美拉德反應(yīng)，產(chǎn)生煙草特征香味成分，并且高溫過程可在一定程度上減少刺激性氣體的含量，提高卷煙的感官享受，但烘焙所需溫度和時間的選擇需要根據(jù)VOCs組成和含量來確定。鄧波等[86]采用HS-SPME/GC-MS結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法研究了白肋煙烘焙前后揮發(fā)性、半揮發(fā)性成分的差異，為煙草烘焙條件的改善提供了方法學(xué)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

通過煙草VOCs的檢測可以對所用煙草部位、種植方法和種植區(qū)域等進行品質(zhì)評價。丁睿等[87]以HPLC-MS/MS方法分析了我國浙江、江西等7個曬紅煙主產(chǎn)區(qū)的煙葉TSNAs和生物堿含量，并進行相關(guān)性分析，得出新煙草堿、假木賊堿對TSNAs的直接作用大，煙堿、降煙堿對TSNAs的間接作用大，浙江產(chǎn)區(qū)的曬紅煙表現(xiàn)出TSNAs和總堿含量都最高的結(jié)果。

煙草VOCs的分析檢測結(jié)果也可作為評價煙草制作過程工藝優(yōu)劣的有效判據(jù)。通常，醇化過程[88]、有機酸調(diào)制過程[89]、煙草成熟度、貯藏時間[90]等過程會對煙草的品質(zhì)及消費者的感官評價產(chǎn)生巨大影響。張夢玥等[90]采用常溫萃取的方法，結(jié)合HPLC和GC-MS方法分析了白肋煙、曬煙和烤煙煙葉在儲藏過程中主要酮類香氣成分的變化，發(fā)現(xiàn)相同儲藏條件下，酮類揮發(fā)性香氣成分含量最高的白肋煙更耐儲藏，與酮類香氣成分含量第二高的曬煙相比，白肋煙的儲藏時間長近兩倍。

煙草VOCs會表現(xiàn)出特定的香味，廠家往往通過在煙草制品中添加一定的香料使香煙表現(xiàn)出不同的風(fēng)味。對煙草產(chǎn)品中所添加的香精香料種類和含量的準確分析也是煙草產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要方面。而目前在煙草行業(yè)中，常以感官評判[91-92]香煙的風(fēng)味，耗費時間、人力，亟待發(fā)展更科學(xué)、可量化的評定標準。李達等[93]以HS-SBSE-TD/GC-MS方法測定了乙酸等11種卷煙香氣成分，優(yōu)化了香煙的加香工藝。Paschke等[94]以HS-SPME/GC-MS方法分析了草莓味的不同煙草制品中揮發(fā)性添加劑與天然草莓味的差別，并輔以感官測試以改良生產(chǎn)配方。

消費者常直接通過嗅聞香煙來評判香煙品質(zhì)的好壞，現(xiàn)行國家標準GB 5606.4-2005[91]、煙草行業(yè)標準YC/T 564-2018[92]也仍以個人感官評價來評判煙草質(zhì)量、區(qū)分香煙風(fēng)格，缺少成熟的量化標準，因此質(zhì)控方法準確度仍有待提高。目前，研究者己開始嘗試通過分析對煙草風(fēng)味影響較大的特征香味物質(zhì)的組成和含量，建立基于煙草VOCs準確分析的可量化質(zhì)控標準方法，進一步提高煙草產(chǎn)品質(zhì)量控制過程的可靠性和準確性。

3.2 降焦減害

截止2015年，我國吸煙人口多達3.16億[95]，煙草VOCs中的焦油、PAHs、TSNAs等物質(zhì)會影響人體健康，采用合適“降焦減害”的方式——包括設(shè)計新型濾嘴[96-97]、改良葉組配方[98-99]等，設(shè)計低焦油、低危害的香煙是煙草產(chǎn)品質(zhì)量提升的重要因素，準確分析煙草VOCs的組分和含量將為煙草產(chǎn)品降焦減害提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

采用合適的濾嘴是香煙降焦減排的重要手段，監(jiān)測使用濾嘴前后煙草VOCs組分和含量的變化可為降焦減排提供支撐數(shù)據(jù)。Pieraccini等[100]采用SPME/GC-MS方法測定了使用濾嘴前后煙草VOCs組分和含量的變化，證明使用濾嘴可有效降低煙草中苯、吡啶和苯酚等有害VOCs。Morabito等[101]在香煙濾嘴中加入木炭，并通過UPLC-MS/MS方法分析了新濾嘴對煙氣中羰基化合物(如甲醛、乙醛)的過濾效果，結(jié)果表明僅需100～200 mg該吸附介質(zhì)即可除去>50%的羰基化合物。Chen等[102]以一步聚合的方法，制備了多孔芳香骨架(PAF-6)包覆Fe3O4@SiO2-NH2的磁性納米顆粒作為香煙濾嘴輔材，該顆粒結(jié)構(gòu)中含有芳環(huán)和氮原子，對酚類物質(zhì)具有較強的π-π親和作用及氫鍵相互作用，可有效去除煙霧樣品中的苯酚和苯并[a]芘，去除率超過50%。

改良煙葉組成及煙絲的處理方法是減少有害成分釋放的重要手段。付瑜鋒等[103]采用pH 3.0的80%乙醇萃取劑浸提煙絲，通過分析處理后煙絲煙氣中苯酚、苯并[a]芘等有害物質(zhì)的含量，發(fā)現(xiàn)處理后主流煙氣中的有害物質(zhì)減少，卷煙危害性指數(shù)由12.8降為11.0，卷煙刺激感降低。趙云川等[104]以微波膨脹法處理梗絲，摻配8%～33%的疏松梗絲可減少單支卷煙的煙絲用量，加快卷煙的燃燒速度，與傳統(tǒng)氣流干燥的梗絲相比，煙氣中的苯并[a]芘、巴豆醛等有害成分釋放量分別降低0.19 ng/支和0.42 μg/支。

4 結(jié)論與展望

目前已發(fā)現(xiàn)數(shù)千種煙草VOCs，有嗅感的煙草VOCs是影響煙草產(chǎn)品質(zhì)量及特征風(fēng)格的主要因素，但多數(shù)煙草VOCs含量低、揮發(fā)性強，同時煙草及煙草產(chǎn)品基體極其復(fù)雜，發(fā)展準確高效的煙草VOCs采樣分析方法，并將其用于煙草產(chǎn)品質(zhì)量控制及降焦減排，一直是煙草及食品科學(xué)的難點及熱點問題。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，已有部分報道針對煙草VOCs的采樣特點及分析應(yīng)用場景需求，研制了多種高效分析富集介質(zhì)，并研發(fā)了多種適用性好的高效采樣方法，有效提升了煙草VOCs的采樣效率及分析準確性。但是，由于煙草VOCs組成復(fù)雜，分離富集介質(zhì)的機械強度、選擇性及富集容量仍需進一步提高，以減少采樣過程的信息丟失；同時，還應(yīng)進一步研究穩(wěn)定性、重復(fù)性好的固載方法，以研發(fā)采樣重現(xiàn)性好、操作簡單、環(huán)保安全、適用于大批量分析的煙草VOCs采樣方法。另一方面，基于新型高效煙草VOCs的采樣分析方法發(fā)展煙草產(chǎn)品質(zhì)量控制、風(fēng)格評定、降焦減害成效等量化評估標準方法也是未來煙草及食品科學(xué)的重要前沿問題。