樊美娟,王洪波,趙 樂*,潘立寧,廖頭根,王明鋒,喬梁峻,華辰鳳,陳 黎,崔華鵬,郭軍偉,張翼鵬,王 猛,劉惠民
1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院,鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 450001
2.云南中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)中心,昆明市五華區(qū)紅錦路367號 650231
隨著電子煙(E-cigarette)的迅猛發(fā)展,其安全風險引起了廣泛關(guān)注[1-4]。目前,玻璃纖維是電子煙主要的導油材料。英國標準PAS 54115[5]建議重點關(guān)注氣溶膠中的二氧化硅(SiO2)顆粒,若氣溶膠中發(fā)現(xiàn)針狀或其他危險的小尺寸顆粒,建議更換其他等級的導油材料。Williams等[6]采用掃描電鏡能譜儀(Scanning electron microscope-energy dispersive spectrometer,SEM-EDS)對一個抽吸過的可填充式電子煙的儲油棉進行觀察,在其表面發(fā)現(xiàn)了含有玻璃纖維的液珠;采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(Inductively coupled plasma-optical emission spectrometer,ICP-OES)測定的結(jié)果顯示,氣溶膠中硅含量為2.24 μg/10口。Williams等[7]又采用SEM-EDS對5個預填充式電子煙的導油繩和導氣管材質(zhì)進行剖析,發(fā)現(xiàn)導油繩主要包含硅、氧元素,導氣管主要包含硅、氧、鈣、鋁和鎂元素,二者材質(zhì)均為玻璃纖維;采用ICP-OES對氣溶膠中硅元素測定的結(jié)果顯示,硅元素含量為0.094~6.835 μg/10口,進而明確了氣溶膠中的硅元素源于導油繩和導氣管。
常見的玻璃纖維包括石棉纖維和人造玻璃纖維[8-9]。石棉纖維是一種天然無機結(jié)晶狀礦物纖維,受外力作用可能沿軸向開裂成更細的纖維,其直徑一般為0.02~2.00 μm,IARC將此類纖維歸為2B類致癌物(對人類是可能致癌物)[10-11]。人造玻璃纖維為非晶體結(jié)構(gòu),不能沿軸向開裂成更細纖維,但此類纖維受力后易斷裂成較短纖維,其直徑一般為5~30 μm[9],IARC將此類玻璃纖維歸為3類致癌物(即根據(jù)現(xiàn)有的證據(jù)不能對人類致癌性進行分類)[9-11]。
玻璃纖維的物理形態(tài)和幾何尺寸決定其是否具有致癌性[9-11],但關(guān)于氣溶膠中玻璃纖維的直徑、長度等的測定鮮見報道。因此,采用電子顯微鏡觀察電子煙氣溶膠中玻璃纖維的物理形態(tài)和幾何尺寸,采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry,ICP-MS)測定氣溶膠中玻璃纖維的釋放量,并考察電子煙具用玻璃纖維在抽吸過程中的釋放趨勢,旨在為電子煙煙具材料安全性評估提供數(shù)據(jù)支撐。
15種電子煙樣品,包括4種一次性電子煙(編號:1~4)、4種煙彈式電子煙(編號:5~8)、7種可填充式電子煙(編號:9~15)。
丙二醇、丙三醇、甲醇、異丙醇(色譜級,英國Alfa Aesar公司);煙堿(質(zhì)量分數(shù)為99%,陜西港華生物科技有限公司);二氧化硅標準溶液(100 μg/mL,中國計量科學研究院);內(nèi)標溶液(Bi、Ge、In、Li、Sc、Tb、Y,10 μg/mL,美國Agilent公司);水(初始比阻抗值≥18.2 MΩ·cm);濃硝酸(質(zhì)量分數(shù)為65%)、雙氧水(30%)、氫氟酸(40%)(德國EMSURE公司);干冰(鄭州非凡創(chuàng)新科技公司)。
SM450直線型吸煙機(英國Cerulean公司);7500a型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國Agilent公司);Mars5型密閉微波消解儀(美國CEM公司);IX71型熒光倒置顯微鏡(日本Olympus公司);3-18K型高速離心機(德國Sigma公司);LC-223型烘箱(上海愛斯佩克環(huán)境設(shè)備有限公司);G-160型控溫電加熱器(上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司);AEI63型電子天平(感量:0.000 1 g,瑞士Mettler Toledo公司);無濾片夾持器[12](本課題組研制)。
1.2.1 標準溶液的配制
標準儲備液:準確稱量0.328 3 g二氧化硅標準溶液至50 mL塑料(PET)容量瓶中,用5%硝酸溶液定容。標準溶液:分別準確稱量0、0.352 5、0.707 3、1.686 5、2.734 7、6.360 2、10.460 5和13.954 1 g標準儲備液至50 mL塑料容量瓶中,用5%硝酸溶液定容,搖勻,得到8級標準工作溶液。
1.2.2 氣溶膠中玻璃纖維的定性分析
電子煙液主要用于可填充式電子煙。采用PAS 54115[5]推薦的評價電子煙具材料的測試電子煙液配方:丙二醇、丙三醇、水、煙堿的體積比為78∶18∶2∶2。配制方法:準確移取 2 mL 煙堿標準溶液加入100 mL棕色容量瓶中,再加入2 mL水、18 mL丙三醇,最后用丙二醇定容至刻度,搖勻后備用。
參照CORESTA[13]推薦的抽吸模式(抽吸時間3 s,抽吸間隔30 s,抽吸容量55 mL)抽吸200口。采用PAS 54115[5]推薦的甲醇作為捕集液,容量10 mL,將吸收瓶置于異丙醇-干冰冷阱中(-78℃)。抽吸結(jié)束后,用50 mL甲醇沖洗夾持器、連接管和吸收瓶,將捕集液和沖洗液也一并轉(zhuǎn)入離心管中。將離心管置于離心機中,以5 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心10 min,棄上清液,保留2 mL離心液,用于觀察玻璃纖維。參照YC/T 409—2011[14]的方法制備纖維載玻片,并定性分析電子煙氣溶膠中的玻璃纖維。
1.2.3 氣溶膠中玻璃纖維的定量分析
實驗前期對5家國內(nèi)生產(chǎn)規(guī)模較大的電子煙生產(chǎn)企業(yè)進行了現(xiàn)場調(diào)研,發(fā)現(xiàn)市場上銷售的電子煙用導油繩基本為高硅氧玻璃纖維。JC/T 1089—2008[15]規(guī)定 SiO2含量應高于 96%。采用ICP-MS測試捕集液中的Si元素,換算得出SiO2含量。不同電子煙中所用玻璃纖維的型號不同,SiO2含量可能有一定差異,但其含量均高于96%,基本上能夠代表玻璃纖維的含量,因此本文中玻璃纖維的含量均以SiO2計。
電子煙的抽吸條件和氣溶膠的捕集方法與1.2.2節(jié)相同。抽吸結(jié)束后,將捕集液轉(zhuǎn)移至微波消解罐中,用50 mL甲醇沖洗夾持器、連接管和吸收瓶,沖洗液也一并移至微波消解罐中。將消解罐轉(zhuǎn)移至控溫電加熱器上,120℃下加熱至甲醇全部蒸干。待黃煙散盡,取下冷卻,向消解罐中加入2 mL 30%過氧化氫和1 mL 40%氫氟酸,按設(shè)定的微波消解程序(表1)進行消解。消解完全后,將消解液轉(zhuǎn)移至容量瓶中,用去離子水沖洗消解罐3~4次,沖洗液一并轉(zhuǎn)入50 mL塑料容量瓶中,定容后取樣進行ICP-MS測定。ICP-MS儀器參數(shù)見表2。待測元素質(zhì)量數(shù),對應內(nèi)標元素及積分時間見表3。
以50 mL甲醇作為沖洗液,考察其對夾持器、連接管和吸收瓶殘留玻璃纖維的沖洗效率。以5種可填充式電子煙為研究對象,比較了捕集液、第1次沖洗液(50 mL甲醇)和第2次沖洗液(50 mL甲醇)中SiO2的量,結(jié)果見表4。由表4可知:第1次沖洗液中SiO2的量較高,占SiO2總量的11%~20%;第2次沖洗液中SiO2的量較低,占比<2.0%。這說明以50 mL甲醇作為沖洗液,能夠?qū)A持器、連接管和吸收瓶殘留的大部分玻璃纖維沖洗下來。
選擇最低濃度標準工作溶液(4.75 μg/L)連續(xù)進樣10次,通過標準曲線計算濃度,并計算測定結(jié)果標準偏差,以3倍標準偏差作為儀器檢出限,10倍標準偏差作為儀器定量限,結(jié)果見表5。
選取1種可填充式電子煙,進行低、中、高3個濃度水平的加標回收率實驗,平行測定6次,計算加標回收率及相對標準偏差(RSD),結(jié)果見表6。由表6可知,SiO2的加標回收率在82.0%~102.3%之間,表明方法具有較好的回收率;3個加標水平下的RSD分別為3.8%、3.6%和2.7%,說明方法精密度較好。
表1 微波消解程序Tab.1 Program of microwave digestion
表2 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定條件Tab.2 Measurement conditions of inductively coupled plasma mass spectrometry
表4 5個電子煙沖洗液中SiO2釋放量比較Tab.4 Emission of silica in rinsing liquids of five e-cigarettes (μg·30 口-1)
表5 儀器檢出限和定量限Tab.5 Detection limit and quantitative limit of instrument (μg·L-1)
表6 方法回收率及精密度(n=6)Tab.6 Recovery and precision(n=6)
采用顯微鏡觀察法定性分析15種電子煙氣溶膠中的玻璃纖維,代表性形態(tài)見圖1。由圖1可知,氣溶膠中的玻璃纖維是一種連續(xù)的形態(tài),表面平滑無痕,纖維邊緣互相平行。采用顯微鏡的標尺功能,測量其直徑,結(jié)果見圖2。由圖2可知:93%的纖維直徑分布在10.0~30.0 μm之間;纖維的最小直徑為 7.6 μm,最大直徑為28.3 μm,平均直徑為18.5 μm;纖維的長度差異較大。通過對比分析一次性、煙彈式及可填充式3種不同類型的電子煙氣溶膠中的玻璃纖維形態(tài)可知,玻璃纖維不存在明顯的類別差異,從幾何尺寸和物理形態(tài)可以推測其為人造玻璃纖維,屬于IARC定義的3類致癌物[9-11]。
圖1 氣溶膠中玻璃纖維的代表性形態(tài)Fig.1 Microscopic shape of fiber in EC aerosol
圖2 氣溶膠中玻璃纖維的直徑分布Fig.2 Diameter distribution of fiber in EC aerosols
選擇一次性電子煙、煙彈式電子煙和可填充式電子煙各3種,進行10次平行測定,測定結(jié)果見圖3。由圖3可知,同一型號電子煙氣溶膠中SiO2的釋放量差別較大,說明電子煙產(chǎn)生的氣溶膠中玻璃纖維的釋放具有隨機性。
圖3 同一型號電子煙10次平行測定結(jié)果(n=10)Fig.3 Emission of silica for 10 times repeated(n=10)
為進一步驗證電子煙氣溶膠中玻璃纖維釋放具有隨機性,分別選擇一次性電子煙、煙彈式電子煙和可填充式電子煙各3種,每輪抽吸30口(連續(xù)抽吸4輪,共120口),測定每輪抽吸的SiO2釋放量,比較分析4輪抽吸之間的SiO2釋放量差異,結(jié)果見圖4~圖6。可以看出,一次性電子煙、煙彈式電子煙和可填充式電子煙氣溶膠中的玻璃纖維均呈無規(guī)律、隨機釋放。可能的原因:玻璃纖維較脆[9],其在裝配和制造過程中受外力而斷裂成較短的纖維;電子煙在工作過程中,霧化區(qū)域溫度可高達250℃[16],加熱絲附近的煙液爆沸,導致玻璃纖維的斷裂,并且玻璃纖維會隨著抽吸作用向氣溶膠中釋放。
圖4 一次性電子煙氣溶膠中玻璃纖維的釋放趨勢Fig.4 Emission pattern of fiber in disposable EC aerosols
圖5 煙彈式電子煙氣溶膠中玻璃纖維的釋放趨勢Fig.5 Emission pattern of fiber in cartomizer EC aerosols
圖6 可填充式電子煙氣溶膠中玻璃纖維的釋放趨勢Fig.6 Emission pattern of fiber in refilled EC aerosols
測定了15種電子煙氣溶膠中SiO2的釋放量,結(jié)果見表7。由表7可知,SiO2的檢出率為100%,釋放量為47~432 μg/200口,平均釋放量為189 μg/200口。
表7 電子煙氣溶膠中SiO2的測定結(jié)果Tab.7 Emission of silica in EC aerosols (μg·200口-1)
建立了電子煙氣溶膠中玻璃纖維的定性定量分析方法。定性方法具有操作簡單、玻璃纖維易于鑒別、結(jié)果準確度高等優(yōu)點。定量方法具有靈敏度高,準確性和重復性較好等優(yōu)點。15種電子煙均釋放了玻璃纖維,其直徑分布在7.6~28.3 μm之間,且長度差異較大。電子煙用玻璃纖維為人造礦物纖維,被IARC歸為3類致癌物。氣溶膠中玻璃纖維的釋放檢出率100%,SiO2釋放量為47~432 μg/200口,且玻璃纖維的釋放規(guī)律與其抽吸口數(shù)無關(guān),呈現(xiàn)無規(guī)律、隨機釋放的特點。