主流烟气中半挥发性物质吡啶.docx
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主流烟气中半挥发性物质吡啶
卷烟主流烟气中半挥发性物质（吡啶、苯乙烯、喹啉）的测定气相色谱-质谱联用法
研究报告
郑州烟草研究院
2010年1月
卷烟主流烟气中半挥发性物质（吡啶、苯乙烯、喹啉）的测定气相色谱-质谱联用法
研究报告
1.概述
半挥发性物质是卷烟烟气的重要组成部分，在主流烟气粒相物和气相物中均有分布，其中吡啶、苯乙烯和喹啉是最受关注的半挥发性有机化合物，这些物质危害性较大，是Hoffman清单[1]和加拿大政府检测名单中[2]的重要有害成分。
国际癌症研究署对加拿大政府名单中的有害成分的毒性评价结果表明有27种化学成分为致癌物、可疑致癌物或致癌性不明确的化合物。
其中，苯乙烯为人体可能的致癌物，吡啶为致癌性不明确的化合物，因此，这两种化合物应当为卷烟烟气中毒性较大的有害成分。
此外，吡啶、苯乙烯和喹啉还是美国环保署（EPA）所规定的有害化学成分之一[3]，加拿大政府也把这三种物质作为烟草制品管制成分和必须披露含量的化学成分。
随着人们对烟气中这些化合物毒性认识的深入和《烟草控制框架公约》的实施，预计不久的将来，许多国家将制订相关的法律法规来限制卷烟主流烟气中吡啶、苯乙烯和喹啉的释放量，并对卷烟主流烟气中这些化合物的释放量进行披露。
目前，许多国家都建立了这些化合物的测定方法，包括冷溶剂吸收法、热脱附法和吸附剂法等[4-7]。
半挥发性物质在卷烟主流烟气的粒相物和气相物中均有分布，所以传统的滤片和静电捕集方法都不能完全有效地捕集烟气中的这些半挥发性有机化合物。
以往的文献主要采用剑桥滤片捕集烟气粒相、低温冷阱捕集烟气气相中的半挥发性成分，然后采用气相色谱-质谱进行检测，该方法也为加拿大政府方法所采用。
但在该方法中，为了有效捕集卷烟主流烟气气相物中的半挥发性成分，往往需要将两个低温冷却（≤-70℃）的溶剂瓶串联起来进行捕集，该装置死体积较大，需要使用干冰进行冷却，操作十分繁琐。
上海烟草公司在国家烟草专卖局资助项目《采用热脱附技术和GC/MS方法测定卷烟烟气中的挥发性有机化合物》中，分析了卷烟主流烟气气相中的吡啶、苯乙烯、喹啉等化合物，该方法具有较好的灵敏度。
但存在许多问题，例如烟气粒相物对冷阱（热脱附仪关键部件）产生污染，只能采用溶剂萃取和气质联用法进行分析，烟气气相物则采用热脱附－气相色谱-质谱联用法进行测定，其次，热脱附法稳定性不好，并需要对热脱附仪设定多个参数，且吸附采样管对吸烟实验中的吸阻影响较大。
尽管目前已经建立了多种分析半挥发性物质的分析方法，然而还都没有形成统一的ISO标准方法。
因此，该项目拟建立和制定一种重复性好、稳定性高的卷烟主流烟气中这些半挥发性物质的标准测定方法，这对适应我国履行烟草框架公约的形势需要，监测这些物质的释放量和保障人身健康安全等方面都具有重要意义。
2.实验
2.1.仪器与试剂
Agilent6890－5975气相色谱质谱联用仪（Agilent公司）；DB-WAXETER（30m×0.25mm×0.25μm）气相色谱柱（Agilent公司）；KQ-300DE超声波清洗仪（昆山市超声仪器有限公司）；SM450二十孔道吸烟机（CERULEAN公司）；SartoriusBP121S分析天平（感量：
0.1mg）。
XAD-4树脂吸附管（SUPELCO公司）；甲醇（色谱纯，Fisher公司）；三乙胺（SIGMA公司）；吡啶、苯乙烯、喹啉、D5－吡啶、D8-苯乙烯、D7－喹啉（ACROS公司）；
2.2烟气捕集及样品处理
将样品卷烟在（22±1）℃、相对湿度60%±2%条件下平衡48h，然后根据重量及吸阻选出合适烟支。
在温度（22±2）℃、相对湿度60%±5%条件下，用JJ-3A十孔道吸烟机按照GB/T19609-2004规定的条件抽吸卷烟，每个孔道抽吸4支烟，用剑桥滤片捕集卷烟主流烟气粒相物，在捕集器后接一个XAD-4树脂吸附管来捕集主流烟气气相物。
将1张捕集有粒相物的剑桥滤片折叠放入50mL锥形瓶中，将XAD-吸附管中的吸附剂也转移至锥形瓶中，准确加入20mL含有一定量内标（D5-吡啶，D8-苯乙烯，D7－喹啉）的0.01%三乙胺/甲醇萃取液，室温下超声萃取30min，静置5min。
取2mL萃取液，用0.45μm微孔滤膜过滤，滤液进行GC-MS分析。
2.3标准曲线配制及样品中半挥发性物质的含量测定
2.3.1内标溶液的配制
分别准确称量约0.5g、0.5g、0.05g的D5-吡啶、D8-苯乙烯、D7-喹啉标样置于25ml棕色容量瓶中，用0.01％三乙胺/甲醇溶液稀释至刻度，准确移取2.0mL的D5-吡啶、D8-苯乙烯、D7-喹啉内标溶液至100mL棕色容量瓶中，用0.01％三乙胺/甲醇溶液稀释至刻度制备一级混合内标溶液，再将一级混合内标溶液稀释10倍，制备二级混合内标溶液。
2.3.2吡啶、苯乙烯、喹啉工作标准溶液的配制
分别准确称量1g、1g和0.05g的吡啶,苯乙烯、喹啉标样于100ml容量瓶中，用三乙胺/甲醇溶液稀释至刻度，该溶液为标样储备液。
准确移取2.0mL的标样储备液至100mL棕色容量瓶中，用三乙胺/甲醇溶液稀释至刻度，制备一级标准溶液。
准确移取5ml一级标准溶液至100ml容量瓶中，用三乙胺/甲醇溶液稀释至刻度，该溶液为二级标准溶液。
分别准确移取0.1ml、0.2ml、0.5ml、1ml、2ml和5ml的吡啶、苯乙烯、喹啉的二级标准溶液至10mL棕色容量瓶中，再准确加入0.5mL二级混合内标溶液，最后用甲醇稀释至刻度，此6个标准溶液为系列工作标准溶液。
2.3.3气相色谱－质谱分析条件
采用DB-WAXETR（30m×0.25mm×0.25μm）毛细管色谱柱分离，进样量1μL，分流比5:
1，柱流量1.2mL/min。
升温程序：
50℃（2min）5℃/min200℃（20min）。
质谱条件：
EI源，电离电压70eV，扫描方式：
SIM。
各化合物的定量特征离子和保留时间见表1：
表1半挥发性物质的定量定性离子
化合物
保留时间（min）
定量离子（m/z）
定性离子（m/z）
吡啶
7.40
79
52
D5-吡啶
7.44
84
56
苯乙烯
9.28
104
78
D8-苯乙烯
9.27
112
喹啉
25.12
129
102
D7-喹啉
25.15
136
3.结果与讨论
3.1卷烟烟气样品中色谱峰的定性
为了对烟气中的半挥发性物质进行定性分析，采用下面几种方法确认吡啶、苯乙烯和喹啉的色谱峰：
①比较标样和样品色谱峰的保留时间，并通过NIST库进行匹配，；②加标使色谱峰增高；③比较标样和样品色谱峰定量、定性离子的丰度比。
图1为吡啶、苯乙烯、喹啉的标准物质色谱图和烟气样品色谱图。
A
图1标准样品（A）和烟气样品（B）色谱图:
1：
吡啶＋D5-吡啶；2：
苯乙烯＋D8-苯乙烯；
3：
喹啉＋D7-喹啉
3.2主流烟气样品的捕集效率
XAD-4是一种大孔吸附树脂，此类吸附剂对C5以上的化合物有比较好的吸附效果，在环境烟草烟气分析中常常被用作烟碱等化合物的采样捕集。
在采用吸附剂捕集气相中的半挥发性化合物时，样品的穿透率是表征吸附剂对烟气成分捕集效率高低的一个重要指标。
所谓的样品穿透率就是将两个吸附管串连起来捕集烟气气相成分，后面一个吸附管所吸附化合物的含量在两个吸附管总量中所占的百分比，通常这一比例在5％以下就可以认为是达到了比较好的吸附效果。
表2为3种半挥发性成分的穿透率结果。
结果表明本项目所采用的XAD-4树脂可以比较完全的捕集主流烟气粒相物中的半挥发性成分。
表2主流烟气气相中3种半挥发性成分的捕集效率
化合物
校正面积
穿透率
吸附管1
吸附管2
总和
吡啶
1.06E+01
4.62E-01
1.10E+01
4.2%
苯乙烯
1.55E+01
6.11E-02
1.56E+01
0.4%
喹啉
1.21E-03
0
1.21E-03
0.0%
3.3样品萃取溶剂的优化
为考察不同萃取溶剂对实验结果的影响，分别用20ml甲醇、二氯甲烷、乙酸乙酯在相同条件下对同一卷烟烟气样品进行萃取和GC-MS分析，结果（图2）表明，这3种溶剂对目标化合物的萃取效率都比较接近，相比之下，甲醇的萃取效率略高
。
图2萃取溶剂对测定结果的影响
3.4萃取时间的影响
为确定适宜的萃取时间，用20ml甲醇对同一种卷烟烟气样品分别萃取10，20，30，40min，而后进行GC-MS分析。
结果（图3）显示，30min已经达到萃取完全。
图3萃取时间对测定结果的影响
3.5样品的稳定性
AA
BA
图4：
样品的稳定性，A：
:
低温放置；B：
常温放置
烟气萃取样品在低温（－4℃）以及室温下保存一周，检测结果的变化如图4所示，结果表明：
烟气萃取样品比较稳定，在考察的时间段内，测定结果变化不明显。
3.6工作曲线与检测限
将6个不同浓度的混合标样分别进行GC-MS分析，并用各种目标化合物定量离子色谱峰的面积与内标面积比值与化合物浓度进行回归分析，得回归方程及其相关参数。
将最低浓度的标准溶液平行测定5次，所得测定结果标准偏差的3倍即为测定方法的检测限（表3）。
结果表明，在卷烟烟气中半挥发性物质的含量范围内，质谱检测器响应与3种化合物的浓度呈良好的线性关系，并且3种成分的检测限均在ng级的水平，远远低于卷烟烟气中这些成分的实际含量。
表3分析方法的线性范围和检测限
化合物
浓度范围（μg/mL）
回归方程
相关系数
检测限（ng/cig）
定量限（ng/cig）
吡啶
0.12－4.80
Y=1.0394x+0.0012
0.9998
24.88
82.93
苯乙烯
0.10－4.00
Y=1.0903x+0.0086
0.9998
9.34
31.13
喹啉
0.007－0.28
Y=10.776x+0.0182
0.9995
4.05
13.50
3.7重复性和回收率
对同一烟气样品进行5次日内和日间平行测定（表4，表5），考察了方法的重复性，并在高、中、低三个含量水平上进行了回收率的测定（样品加标法，表6）。
结果表明3种半挥发性成分日内、日间测定结果的变异系数在2.3％-6.0％之间，平均回收率的结果在96.6%～107.4%之间，因此该方法重复性较好，回收率较高。
表4方法的日内重复性测定结果（μg/支）
化合物
1
2
3
4
5
平均值
RSD
吡啶
4.90
4.97
4.84
4.95
5.18
4.97
2.6%
苯乙烯
5.41
5.79
5.28
5.62
5.59
5.54
3.6%
喹啉
0.24
0.23
0.24
0.23
0.24
0.24
2.3%
表5方法的日间重复性测定结果（μg/支）
化合物
1
2
3
4
5
average
RSD
吡啶
4.90
4.84
5.18
5.32
5.01
5.05
4.0%
苯乙烯
5.41
4.93
5.59
5.75
5.19
5.38
6.0%
喹啉
0.24
0.21
0.24
0.24
0.23
0.23
5.6%
表6方法的回收率
化合物
回收率
低浓度
中浓度
高浓度
吡啶
103.9%
102.0%
99.2%
苯乙烯
104.6%
107.4%
107.3%
喹啉
96.6%
97.7%
101.4%
3.8样品测定结果
应用该方法对20个烟气样品进行了测定，其中烤烟型卷烟13个，混合型卷烟7个。
测定结果见表7：
表7样品测定结果（μg/支）
吡啶
苯乙烯
喹啉
烤烟型卷烟1
3.85
4.97
0.26
烤烟型卷烟2
2.80
3.97
0.24
烤烟型卷烟3
5.82
7.36
0.33
烤烟型卷烟4
4.75
7.55
0.18
烤烟型卷烟5
8.78
8.98
0.31
烤烟型卷烟6
14.17
11.25
0.53
烤烟型卷烟7
14.35
10.07
0.31
烤烟型卷烟8
12.45
11.50
0.31
烤烟型卷烟9
7.76
6.58
0.39
烤烟型卷烟10
6.80
5.51
0.19
烤烟型卷烟11
5.94
4.97
0.21
烤烟型卷烟12
7.02
5.23
0.20
烤烟型卷烟13
9.62
7.99
0.36
混合型卷烟1
8.40
9.00
0.48
混合型卷烟2
21.27
14.76
0.59
混合型卷烟3
3.42
1.37
0.06
混合型卷烟4
5.42
6.29
0.19
混合型卷烟5
1.20
2.41
0.08
混合型卷烟6
1.04
1.07
0.07
混合型卷烟7
5.99
6.58
0.42
3.9不同实验室之间实验结果比较
为了验证本方法在不同实验室的应用情况，本项目组织了6个实验室采用该方法对不同类型的卷烟烟气样品进行了分析测定，实验结果见表8。
实验结果表明，应用本标准规定的方法，不同实验室得到了较为一致的分析结果，对不同类型卷烟样品同样有良好的测试效果。
表8各实验室测定结果（μg/支）
样品
化合物
实验室
平均值
SD
RSD
1#
2#
3#
4#
5#
6#
A
吡啶
4.38
4.14
4.65
4.90
3.96
4.09
4.35
0.36
8.33%
苯乙烯
5.65
5.99
5.45
4.60
5.14
5.28
5.35
0.47
8.85%
喹啉
0.23
0.24
0.23
0.27
0.24
0.27
0.25
0.02
7.55%
B
吡啶
4.88
4.74
4.30
4.57
4.02
3.96
4.41
0.38
8.61%
苯乙烯
3.29
3.30
2.68
3.05
2.92
3.24
3.08
0.25
8.01%
喹啉
0.30
0.28
0.29
0.35
0.31
0.33
0.31
0.03
8.41%
C
吡啶
6.00
5.74
6.53
7.33
5.89
6.14
6.27
0.58
9.31%
苯乙烯
7.94
7.95
7.46
7.18
7.21
7.83
7.60
0.36
4.71%
喹啉
0.26
0.28
0.27
0.30
0.29
0.31
0.29
0.02
6.56%
D
吡啶
3.78
3.11
3.28
3.82
3.07
3.39
3.41
0.32
9.53%
苯乙烯
4.69
4.16
4.38
4.35
3.81
4.41
4.30
0.29
6.84%
喹啉
0.15
0.17
0.17
0.15
0.15
0.18
0.16
0.01
8.22%
3.10测试数据与文献数据的比较
采用该方法对肯塔基参比卷烟1R5F和2R4F样品进行了测定，并将测定结果与文献报道结果进行了比较。
由表9可以看出，三种半挥发性有机化合物的测定结果与文献一致。
表9测定值与文献结果比较
化合物
1R5F
2R4F
测定值
文献报道值[8]
测定值
文献报道值[8]
吡啶
1.04
1.19
5.52
6.32
苯乙烯
1.38
1.42
5.80
5.12
喹啉
0.07
0.06
0.31
0.31
参考文献
1.D.Hoffmann,I.Hoffmann.Chem.Res.Toxicol.14（2001）767–790.
2.CanadianTobaccoReportingRegulations,CanadaGazettePartII,Vol.134,No.15,SOR/DORS/2000-273,26June2000,1761–1792.
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Toxicchemicalreleaseinventoryreportingformsandinstructions;EPA260-B-02-001（2002）Table2.
4.R.L.Stedman.Chem.Rev.68（1968）153.
5.H.Tang,G.Richards,K.Gunther,J.Crawford,M.L.Lee,E.A.Lewis,D.J.Eatough.J.HighResolut.Chromatogr.Chromatogr.Commun.11（1988）775.
6.S.Vainiotalo,R.Vaaranrinta,J.Tornaeus,N.Aremo,T.Hase,K.Peltonen.Environ.Sci.Technol.35（2001）1818.
7.E.L.White,M.S.Uhrig,T.J.Johnson,B.M.Gordon,R.D.Hicks,M.F.Borgerding,W.M.Coleman,J.F.ElderJr.J.Chromatogr.Sci.28（1990）393.
8.M.Intorp,S.Purkis,M.Whittaker,W.Wright.BeiträgezurTabakforschungInternational/ContributionstoTobaccoResearch.23（2009）161.
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