统卷烟和电子烟烟气气溶胶粒径分布研究

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中国烟草学报 Acta Tabacaria Sinica doi ：10.16472/j.chinatobacco.2014.298

烟草与烟气化学

传统卷烟和电子烟烟气气溶胶粒径分布研究

段沅杏，赵伟，杨继，韩敬美，孙志勇，杨柳，陈永宽

云南中烟工业有限责任公司技术中心，昆明市五华区红锦路367号 650231

摘　要：为了解传统卷烟和电子烟烟气气溶胶粒径分布特性，按照ISO 的抽吸模式，分别对10个品牌的传统卷烟和电子烟进行测试。通过在线稀释，采用模拟循环吸烟机和快速粒径谱仪对气溶胶粒径和浓度进行了测试。结果表明：（1）在相同的抽吸条件下，传统卷烟气溶胶的颗粒、单位体积数浓度都比电子烟大；（2）在不同抽吸口数下，传统卷烟气溶胶粒径每口之间差异很大，而电子烟气溶胶粒径每口之间分布比较均匀。 关键词：气溶胶；粒径分布；电子烟

引用本文：段沅杏，赵伟，杨继，等. 传统卷烟和电子烟烟气气溶胶粒径分布研究[J]. 中国烟草学报，2015,21（1）

传统卷烟和电子烟烟气气溶胶形成都是复杂的动态物理、化学、生理和环境现象共同作用的过程[1-3]。这些形成的烟气气溶胶颗粒被吸烟者吸入体内，并沉降在呼吸道和肺部，气溶胶在体内长期沉降会导致肺癌、慢性阻塞性肺病和心血管等与吸烟相关的疾病[4-5]。研究气溶胶颗粒大小和分布状态不仅作为电子烟和传统卷烟物理特性和感官特性监管的科学依据，而且对人体吸收烟气气溶胶和毒理学评价具有重要参考意义[6-7]。目前，研究烟气气溶胶的方法主要有显微镜观察法[8-9]、光散射法[10]、惯性冲击法[11]和重力沉降法[1,12]、静电迁移法[13]等。显微镜观察法和重力沉降法均是将收集到采样膜上的气溶胶颗粒物通过称重、观察进行检测，这无法实现烟气气溶胶的实时测试，收集过程中颗粒间会发生碰撞、凝聚作用影响测定结果的准确性[14-15]。光散射可用于烟气气溶胶实时测试，但只能获得气溶胶颗粒的平均粒径，粒径分布参数很难得到[16-18]。本研究基于静电迁移的原理，采用快速粒径谱仪对传统卷烟和电子烟烟气气溶胶粒径和浓度进行实时监测，可为传统卷烟和电子烟烟气气溶胶的研究提供参考。

1　材料与方法

1.1　材料、试剂与仪器

DMS 500快速粒径谱仪（Cambustion, Cambridge, UK ）；吸烟循环模拟机（SCS ）（Cambustion, Cambridge, UK ）。

市售传统卷烟样品10个和国内销量较好的一次性电子烟和循环使用的电子烟样品共10个。1.2　方法

1.2.1　吸烟循环模拟机(SCS)和快速粒径谱仪分析系统（DMS ）

吸烟循环模拟器（SCS ）是一套可以精确控制进行恒量采集烟气气溶胶的系统。SCS 提供一个可以控制的流量进入DMS ，通常通过SCS 的操作软件可以控制符合DMS 的样品流速，即烟支的抽吸模式。当DMS 需要一阵烟时（模拟吸烟动作），SCS 调整稀释空气的流速，通过孔板压力降（△P ）来计量流速。采用这种方式，进入DMS 的流量是恒定的。烟支插入SCS 采样头，SCS 直接安装在DMS500前部，这样最大程度的减少了进入DMS 旋转稀释器的传送时间。通过控制电脑对包括流量和时间数据体现吸烟行为的吸烟变量曲线进行加载，提供ISO ，Health Canada 等标准变量曲线文件。快速粒径谱仪（DMS ）是基于不同大小颗粒具有不同电迁移率的原理来测量烟气气溶胶的实时变化。

首先SCS 的变量阀通过对稀释流量的控制来实现通过测试样品的目标流量，重现吸烟气流量变曲线和提供第1级稀释，防止气溶胶颗粒凝聚。SCS 抽吸到的烟气气溶胶经过SCS 提供烟气样品的第1级稀释进入到DMS 的旋转碟稀释器，进一步稀释降低烟气气溶胶浓度，然后烟气气溶胶进入分级器，分级器利用电晕静电中和器使得气溶胶颗粒带上定量的电

基金项目：中国烟草总公司科技重大专项“电加热新型卷烟质量评价技术研究”[110201401017（XX-05)] 云南中烟工业公司科技开发计划“云南中烟新型烟草制品研发及其共性技术研究”(2014CP02)作者简介：段沅杏（1986—），硕士，研究实习员，主要从事烟草化学研究，Email ：442677197@ 通讯作者：杨柳（1976—），Email: liuyang929@ 收稿日期：2014-07-10

2中国烟草学报 Acta Tabacaria Sinica 2015 V ol.21 No.1

荷，然后将带电颗粒引入环形电场，该电场使得带电颗粒在保护气层向中心电极杆迁移。不同大小颗粒(具有不同的荷质比)在既定电场条件下发生不同程度的偏转，迁移至中心电极杆的不同位置后分别被静电计检测，检测到的信号被同时处理得到快速变化的粒径分布数据。

注：图中紫色背景的是烟气路径，浅蓝色背景是稀释空气路径。

图1　DMS 500和SCS 原理图[19]

Fig.1　Schematic diagram for DMS 500 and SCS

1.2.2　SCS抽吸方法

采用的抽吸模式：ISO抽吸模式[20]。

1.2.3　DMS 500方法

静电计个数: 22 个；粒径分辨率: 每十进制16个通道；时间分辨率: 20 s；响应时间T10-90: 200 ms；电子烟稀释因子：300；传统卷烟稀释因子：500；采样流量: 8.0 L/min；数据采集率：10Hz；校正模式：内置HEPA过滤器，自动零点校正。

2　结果与讨论

2.1　电子烟和传统卷烟稀释因子的确定

稀释因子是快速粒径谱仪对抽吸进入仪器的气溶胶浓度进行一定的稀释，保证良好的响应信号和防止大的噪音产生和信号过载造成仪器污染而设置的参数。分别比较了稀释因子为100，200，300，400，500，600时电子烟和传统卷烟的信号强弱。实验结果表明：稀释因子过低或者过高都会导致信号不稳定，重现性差。当电子烟稀释因子为300，传统卷烟稀释因子为500时信号动态测量范围指示器浮标的位置处于指示器的中间位置，重现性较好。

2.2　不同品牌的传统卷烟和电子烟气溶胶粒径分布和单位体积数浓度

按照ISO抽吸模式，SCS在抽吸持续的2 s时间内产生的烟气气溶胶进入快速粒径谱仪对每口产生的气溶胶进行实时测定和分析。表1列出10个品牌的传统卷烟和电子烟的气溶胶数据。结果表明：在相同的抽吸条件下，10个品牌的传统卷烟粒径分布集中在100-450 nm范围内，单位体积数浓度介于6.03×107-2.86×108 个/cm3之间；10个品牌电子烟粒径分布在10-70 nm范围内，单位体积数浓度介于1.08×107-6.27×107个/cm3之间。10个品牌的电子烟气溶胶颗粒粒径均小于传统卷烟。