蘆楠，白若石 ，張杰 ，劉興余 ，劉冬燁，周駿

上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心北京工作站，北京通州萬(wàn)盛南街99號(hào) 101121

煙草與煙氣化學(xué)

不同抽吸方式下改進(jìn)離子色譜法測(cè)定卷煙主流煙氣中的氨

蘆楠，白若石 ，張杰 ，劉興余 ，劉冬燁，周駿

上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心北京工作站，北京通州萬(wàn)盛南街99號(hào) 101121

為測(cè)定卷煙主流煙氣中的氨，采用浸潤(rùn)了鹽酸-乙醇水溶液的劍橋?yàn)V片直接捕集卷煙主流煙氣中氣、粒兩相中的氨，建立了ISO和Health Canada兩種抽吸方式下離子色譜測(cè)定卷煙主流煙氣中氨的快速分析方法。結(jié)果表明：（1）省去了接裝吸收阱的過(guò)程，提高了實(shí)驗(yàn)效率；（2）檢出限為0.021 μg/mL，ISO抽吸方式下組間精密度和組內(nèi)精密度分別為4.25%和3.97%，Health Canada抽吸方式下組間精密度和組內(nèi)精密度分別為4.68%和4.37%， NH4+的加標(biāo)回收率在95.06%～97.18%之間；（3）該方法的測(cè)定結(jié)果與煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 377-2010的測(cè)定結(jié)果無(wú)顯著性差異。

主流煙氣；氨；離子色譜

煙氣中的氨是44種Hoffman有害成分名單中的一種[1]，中國(guó)的卷煙安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)中也有氨[2]。氨在新鮮煙葉中的含量較少，經(jīng)過(guò)調(diào)制發(fā)酵后，由于蛋白質(zhì)、氨基酸的代謝（氧化、脫氧等反應(yīng)），其含量增加。煙葉中的氨基酸、蛋白質(zhì)、硝酸鹽和銨鹽等是卷煙煙氣中氨的重要前體物[3]。氨不僅影響卷煙的吃味，還會(huì)刺激人體的視覺及呼吸系統(tǒng)，長(zhǎng)期吸入會(huì)對(duì)人體造成較嚴(yán)重的危害。卷煙經(jīng)燃吸后，氨在煙氣氣相和粒相中都有存在[4]，粒相中氨含量占總量的比例超過(guò)80%[5]。

離子色譜法具有選擇性好、靈敏、快速、簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，是測(cè)定卷煙煙氣中氨含量應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)。王希琴等[6]、趙曉東等[7]、馬雁軍等[8]、施紅林等[9]、徐祎然[10]等及煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 377-2010[11]都采用了離子色譜法測(cè)定卷煙主流煙氣中的氨。國(guó)外煙草公司和機(jī)構(gòu)如Philip Morris、Reynolds、BAT、Arista、Health Canada等，也建立了較成熟的離子色譜法測(cè)定卷煙主流煙氣中氨的分析方法[12-17]。各種方法均利用劍橋?yàn)V片來(lái)收集粒相物中的氨，同時(shí)利用加入捕集液的吸收阱來(lái)收集氣相物中的氨，最終測(cè)定了氣、粒兩相中氨的總量。其中煙氣捕集是氨檢測(cè)工作的首要環(huán)節(jié)，也是氨檢測(cè)工作中較為繁瑣的步驟，特別是接裝吸收阱過(guò)程，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，實(shí)驗(yàn)效率低，給檢測(cè)工作帶來(lái)了不便。本文對(duì)ISO和Health Canada兩種抽吸方式下卷煙主流煙氣中氨的收集、前處理和儀器分析方法進(jìn)行了研究，并對(duì)兩種抽吸方式下卷煙主流煙氣中氨的釋放量進(jìn)行了比較。特別是利用浸潤(rùn)了捕集液的劍橋?yàn)V片直接捕集卷煙主流煙氣中氣、粒兩相中的氨，省去了接裝吸收阱的過(guò)程，提高了實(shí)驗(yàn)效率，并優(yōu)化了捕集、萃取和離子色譜分析條件，驗(yàn)證并建立了離子色譜測(cè)定卷煙主流煙氣中氨的快速分析方法。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

SM450二十孔道吸煙機(jī)（英國(guó)Cerulean公司），CLC707恒溫恒濕箱（德國(guó)Climell公司），ICS-5000-MSQ離子色譜-質(zhì)譜儀（美國(guó)ThermoFisher公司），Milli-Q超純水器（美國(guó)Millipore公司），PDS-W11煙支重量吸阻分選儀（中國(guó)Omerica公司），OnGuard Ⅱ RP樣品前處理柱（美國(guó)ThermoFisher公司），水相聚醚砜針式濾器（上海安譜科學(xué)儀器有限公司）

NH4

+標(biāo)準(zhǔn)溶液（GBW（E）080220，以氮計(jì)100 μg/mL，中國(guó)計(jì)量科學(xué)院），使用時(shí)按比例換算成氨含量。鹽酸（分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%～38%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），乙醇（99.7%，百靈威科技有限公司），甲烷磺酸淋洗液發(fā)生罐（MSA，美國(guó)ThermoFisher公司），實(shí)驗(yàn)用水均來(lái)自Milli-Q超純水系統(tǒng)，符合GB/T6682-2008的一級(jí)水要求。

1.2 溶液的配制

0.01mol/L鹽酸溶液：移取1.7 mL鹽酸到1000 mL超純水中，用超純水定容至2000 mL。濃度約為0.01 mol/L，每次實(shí)驗(yàn)前配制。

0.03mol/L鹽酸-乙醇水溶液：移取5.0 mL 鹽酸到1000 mL乙醇中，用超純水定容至2000 mL。濃度約為0.03 mol/L，每次實(shí)驗(yàn)前配制。

流動(dòng)相：0.03 mol/L MSA 。

1.3 方法

1.3.1 主流煙氣的捕集

卷煙樣品在溫度(22±1)℃、相對(duì)濕度(60±2)%的恒溫恒濕箱中平衡48 h后，根據(jù)重量和吸阻挑選出合適煙支。取1張44 mm劍橋?yàn)V片置于100 mL燒杯中，加入2.0 mL 0.03 mol/L鹽酸-乙醇水溶液，使其完全浸泡，然后在溫度（22±1）℃、相對(duì)濕度（60±2）%的恒溫恒濕箱中平衡2 h。將2張44 mm劍橋?yàn)V片（1張為鹽酸-乙醇水溶液預(yù)處理，1張為未處理）置于卷煙夾持器中，其中預(yù)處理過(guò)的濾片置于卷煙夾持器的前端，且糙面朝前，如圖1所示。用SM450二十孔道吸煙機(jī)分別按ISO和Health Canada兩種抽吸方式規(guī)定進(jìn)行抽吸，兩種抽吸方式的條件如表1所示，其中ISO條件下燃吸后空吸4口，Health Canada條件下燃吸后空吸5口。每種抽吸方式均設(shè)置5個(gè)樣品平行。

圖1 主流煙氣中NH3捕集方法示意圖Fig. 1 Schematic diagram of trapping methods of NH3 in mainstream smoke

表1 ISO和Health Canada兩種抽吸方式的條件Tab. 1 Conditions of two smoking regimes of ISO and Health Canada

1.3.2 煙氣樣品的萃取和分析

將2張捕集有粒相物和氣相物的劍橋?yàn)V片折疊放入50 mL錐形瓶中，準(zhǔn)確加入40 mL 0.01 mol/L鹽酸溶液，室溫下震蕩40 min，放置5 min。移取約10 mL 萃取液，經(jīng)過(guò)0.45 μm的水相聚醚砜針式濾器和OnGuard Ⅱ RP樣品前處理柱，棄去前5 mL濾液，剩余濾液供離子色譜分析。

1.3.3 空白樣品的制備

取2張空白劍橋?yàn)V片按“1.3.1”節(jié)所述方法制備，不抽吸卷煙，然后按“1.3.2”節(jié)所述方法進(jìn)樣分析，最后卷煙樣品中主流煙氣中的氨含量應(yīng)為樣品實(shí)際測(cè)定值扣除空白樣品中的氨含量。

1.3.4 離子色譜條件[8]

色譜柱：Dionex IonPac CS16A陽(yáng)離子交換分析柱(250mm×3mm)；預(yù)柱：Dionex IonPac CG16A陽(yáng)離子交換預(yù)柱；抑制器：CSRS-ULTRA-Ⅱ(4 mm)抑制器；抑制電流：40 mA；柱溫：40 ℃；柱流速：0.45 mL/min；進(jìn)樣量：25 μL；流動(dòng)相：0.03 mol/L MSA。洗脫方式：等度洗脫。

2 結(jié)果與討論

2.1 萃取液的選擇及用量

煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 377-2010采用裝有20 mL 0.01 mol/L鹽酸溶液的吸收阱來(lái)捕集主流煙氣中氣相物中的氨，采用20 mL 0.01 mol/L鹽酸溶液來(lái)萃取已捕集到劍橋?yàn)V片上的主流煙氣中粒相物中的氨，二者相加最后得出卷煙主流煙氣中氨的總量。本實(shí)驗(yàn)用浸潤(rùn)了捕集液的劍橋?yàn)V片在抽吸過(guò)程中一次捕集了主流煙氣中氣相物和粒相物中的氨，參考煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 377-2010萃取液的用量，選用40 mL 0.01 mol/L的鹽酸溶液作為萃取液。

2.2 捕集液的選擇及用量

劍橋?yàn)V片的預(yù)處理須保證施加于濾片上的捕集液分布均勻，且不影響抽吸曲線。捕集液的量過(guò)多或過(guò)少，都不利于主流煙氣中氨的捕獲。由于乙醇易揮發(fā)且無(wú)毒，本實(shí)驗(yàn)采用鹽酸的乙醇-水（V:V=1:1）溶液作為捕集液來(lái)處理劍橋?yàn)V片，并對(duì)施加體積進(jìn)行了優(yōu)化，最后確定的使用條件為采用2.0 mL的鹽酸-乙醇水溶液潤(rùn)濕44 mm劍橋?yàn)V片，待溶液完全吸收且濾片完全浸透，取出放置于恒溫恒濕箱中平衡。

為了確定捕集液的濃度，采用不同濃度的鹽酸-乙醇水溶液（0.01 mol/L、0.03 mol/L、0.05 mol/L、0.07 mol/L，0.1 mol/L）來(lái)處理劍橋?yàn)V片，考察其對(duì)氨萃取效率的影響，其它條件不變，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同濃度鹽酸對(duì)氨萃取效率的影響 (n=5)Fig. 2 Effect of hydrochloric acid of different concentrations on the extraction efficiency of NH3 (n=5)

由圖可見，0.01 mol/L (NH3=7.61 μg/cig)、0.03 mol/L (NH3=7.98 μg/cig)、0.05 mol/L (NH3=7.74 μg/cig)、 0.07 mol/L(NH3=8.23 μg/cig)和 0.1 mol/L(NH3=7.68 μg/cig)不同捕集液的濃度對(duì)氨的捕集結(jié)果無(wú)明顯影響(RSD=3.25%)，考慮到部分卷煙樣品進(jìn)行深度抽吸時(shí)可能會(huì)含有較高含量的氨，故本方法采用0.03 mol/L鹽酸作為捕集液。

2.3 劍橋?yàn)V片平衡時(shí)間的選擇

圖3 不同平衡時(shí)間對(duì)氨含量的影響(n=5)Fig. 3 Effect of different equilibrium time on the content of NH3(n=5)

為使乙醇盡快揮發(fā)，濾片濕潤(rùn)均勻，預(yù)處理后的劍橋?yàn)V片須置于恒溫恒濕箱中平衡一定時(shí)間。選取不同平衡時(shí)間的劍橋?yàn)V片，捕集主流煙氣中的氨，結(jié)果見圖3。由圖3可以看出，1 h (NH3=7.91 μg/cig)、2 h (NH3=7.75 μg/cig)、3 h (NH3=8.12 μg/cig)、4 h(NH3=7.48 μg/cig)和 5 h(NH3=8.35 μg/cig)不同平衡時(shí)間對(duì)劍橋?yàn)V片捕集氨影響不大(RSD=4.22%)?？紤]乙醇充分揮發(fā)和盡量縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，選取2 h作為主流煙氣劍橋?yàn)V片的平衡時(shí)間。

2.4 萃取時(shí)間的選擇

[4]中指出氨的含量會(huì)隨著萃取時(shí)間而增大，本方法中樣品的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)在直線型吸煙機(jī)上進(jìn)行，抽吸4支卷煙，用40 mL 0. 01 mol/L鹽酸震蕩萃取濾片10 min，20 min，40 min，1 h和2 h，考察氨濃度的變化，用同一張濾片進(jìn)行萃取，在不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)抽取5 mL溶液檢測(cè)，再換算回原體積萃取液中的氨濃度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 不同萃取時(shí)間對(duì)氨含量的影響(n=5)Fig. 4 Effect of different extraction time on the content of NH3(n=5)

由圖4可見，氨含量會(huì)隨著震蕩時(shí)間而變化增大，到20 min后變化趨于平緩，由于20min時(shí)才剛趨于平穩(wěn)，故本方法選擇40 min為萃取時(shí)間。由于樣品穩(wěn)定性的問題，所有的樣品在抽吸完后應(yīng)立刻按實(shí)驗(yàn)方法處理，在12 h之內(nèi)完成檢測(cè)，來(lái)不及測(cè)試的樣品放于4 ℃冰箱內(nèi)可保存48 h。

2.5 氨的捕集效率驗(yàn)證

在吸收阱中加入20 mL 0.01 mol/L鹽酸溶液來(lái)收集未被捕集到劍橋?yàn)V片上的氨，其余按“1.3.2”節(jié)所述方法進(jìn)行樣品處理，抽吸結(jié)束后，分別采用“1.3.4”節(jié)所述條件進(jìn)樣分析，設(shè)置5組平行，在ISO和Health Canada兩種抽吸方式下分別測(cè)定實(shí)際樣品中的氨含量和吸收阱中捕集到的卷煙氣相物中的氨含量。本方法中氨的捕集效率用實(shí)際樣品中的氨含量與實(shí)際樣品和吸收阱中氨含量的總和的比值表示，結(jié)果如表2所示。ISO和Health Canada兩種抽吸方式下的捕集效率均在95%以上，捕集效率較好，說(shuō)明利用浸潤(rùn)了捕集液的劍橋?yàn)V片基本可以完全捕集兩種抽吸方式下卷煙主流煙氣中氣、粒兩相中的氨。

表2 ISO和Health Canada抽吸方式下氨的捕集效率 (n=5)Tab. 2 Trapping efficiency of NH3 under two smoking regimes of ISO and Health Canada (n=5)

2.6 標(biāo)準(zhǔn)曲線、檢出限和定量限

用100 mg/L NH4+標(biāo)準(zhǔn)溶液配制NH4+濃度為0.097，0.195，0.365，0.608，0.853，1.094 μg/mL的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，按所述方法進(jìn)行測(cè)定，以NH4+的色譜峰高Y為縱坐標(biāo)，以其相應(yīng)質(zhì)量濃度X為橫坐標(biāo)進(jìn)行二次曲線擬合[8]，得二次方程Y=-0.0747X2＋0.5842X＋0.0166，R2＞0.999。取最低濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液，平行測(cè)定10次，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差為檢出限，10倍標(biāo)準(zhǔn)偏差為定量限，得出方法的檢出限為0.021 μg/mL，定量限為0.070 μg/mL，完全滿足卷煙主流煙氣中氨測(cè)定的靈敏度需要。標(biāo)樣和實(shí)際樣品主流煙氣中NH4+的離子色譜圖見圖5。

圖5 標(biāo)樣（A）和實(shí)際樣品主流煙氣（B）中NH4+的離子色譜圖Fig. 5 on chromatogram of NH4+ in standard samples (A) and mainstream smoke in actual samples (B)

2.7 重復(fù)性和回收率

對(duì)同一卷煙樣品按“1.3.2”節(jié)所述方法進(jìn)行樣品處理后，采用“1.3.4”節(jié)所述條件進(jìn)行測(cè)定實(shí)驗(yàn)。組內(nèi)測(cè)定結(jié)果重復(fù)性是以同一樣品每天重復(fù)測(cè)定5次，連續(xù)測(cè)定3天，計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)表示的。組間測(cè)定結(jié)果重復(fù)性是以連續(xù)3天，每天測(cè)定5組樣品，計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)表示的。在ISO和Health Canada兩種抽吸方式下穩(wěn)定性與重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 氨的穩(wěn)定性和重復(fù)性Tab. 3 Stability and repeatability of NH3

采用標(biāo)樣加入法測(cè)定方法的回收率，即在空白濾片上分別加入對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)曲線的低濃度（0.097 μg/mL）、中濃度（0.365 μg/mL）和高濃度（0.853 μg/mL）的氨標(biāo)準(zhǔn)溶液，按“1.3.4”節(jié)所述條件進(jìn)行定量分析?；厥章蕿闇y(cè)定量和加入量的比值，每個(gè)濃度做5組平行，計(jì)算平均值，結(jié)果見表4。

表4 氨的加標(biāo)回收率(n=5)Tab. 4 Recoveries of NH3 (n=5)

2.8 部分卷煙樣品主流煙氣中氨含量及不同方法測(cè)定結(jié)果比較

對(duì)6個(gè)卷煙樣品分別用煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 377-2010和本方法進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表6所示，并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)在0.05的顯著水平下進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)。結(jié)果表明：煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 377-2010與本方法的t值為-0.687，P=0.261＞0.05，說(shuō)明方法間差異達(dá)不到顯著水平，本方法適用于卷煙主流煙氣中氨的定量檢測(cè)。由于目前國(guó)際和國(guó)內(nèi)還沒有在Health Canada抽吸方式下測(cè)定主流煙氣中氨的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法，關(guān)于本方法在Health Canada抽吸方式下的測(cè)定結(jié)果比較暫不作討論。

表5 ISO和Health Canada抽吸方式下的氨測(cè)定結(jié)果(n=5)Tab. 5 Measurement results of NH3 under two smoking regimes of ISO and Health Canada (n=5)

3 結(jié)論

建立了在ISO和Health Canada兩種抽吸方式下，以鹽酸-乙醇水溶液為捕集液處理劍橋?yàn)V片，鹽酸溶液為萃取液震蕩后經(jīng)離子色譜測(cè)定卷煙主流煙氣中氨的方法。相對(duì)于煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 377-2010，省去了接裝吸收阱的過(guò)程，簡(jiǎn)化了操作，縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，降低了氨的管路吸附，避免了由于吸收阱中的溶液反應(yīng)、容器清洗以及管路吸附等帶來(lái)的對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。該方法捕集完全，測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，方法的回收率、準(zhǔn)確度和重復(fù)性均符合要求，適合于卷煙主流煙氣中氨的日常檢測(cè)。

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Determination of ammonia in mainstream cigarette smoke by improved ion chromatography under different smoking regimes

LU Nan, BAI Ruoshi, ZHANG Jie, LIU Xingyu, LIU Dongye, ZHOU Jun
Beijing Research Station, Technical Center of Shanghai Tobacco Group Co. Ltd, Beijing, 101121, China

In order to rapidly determine ammonia in mainstream cigarette smoke, an improved method of ion chromatography was developed by trapping ammonia in gas and particulate phase using a Cambridge filter pad pretreated with ethanol-water solution of hydrochloric acid under both the ISO and Canadian intense smoking regimes. Results showed that this method eliminated the process of installation and removal of impingers so that experiment efficiency was improved. Limit of detection for ammonia was 0.021μg/mL. The method achieved excellent reproducibility with inter-assay RSD of 4.25% and 4.68%, whilst intra-assay RSD was 3.97% and 4.37% under ISO and Canadian intense smoking regime. The recovery was in the range of 95.06% - 97.18%. The test data of the same samples using the method showed no significant difference compared with those using standard method of tobacco industry YC/T 377-2010.

mainstream cigarette smoke; ammonia; ion chromatography

10.3969/j.issn.1004-5708.2014.04.001

TS411 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1004-5708（2014）04-0001-06

蘆楠(1984—)，男，碩士，助理工程師，主要從事煙草及煙氣中有害成分分析技術(shù)研究，Tel：010-59028222，Email：lunan07@mails.ucas.ac.cn

周駿（1966—），男，博士，研究員，主要從事卷煙減害降焦技術(shù)研究，Tel：010-59028201，Email：zhoujun100@sohu.com

2013-12-19