CN103364484A - 一种卷烟主流烟气在线分析装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种卷烟主流烟气在线分析装置及方法，其装置包括吸烟机和大气压化学电离串联质谱仪；其在线分析方法是，卷烟抽吸后，主流烟气被采集进入主流烟气采集瓶中，烟气样品经气体样品进样阀直接被引入到大气压化学电离串联质谱仪离子源进行快速分析。与传统的分析卷烟主流烟气的方法相比，本方法中吸烟机和样品采集及引入装置结构简单、操作方便，通过毛细管将吸烟机的采样瓶与质谱仪的离子源相连，可以实现气体样品的直接引入，从卷烟抽吸到进样分析只需几秒钟时间，灵敏度高，重复性好，适合用于单口及逐口抽吸卷烟主流烟气中有机化合物的在线分析。

Description

一种卷烟主流烟气在线分析装置及方法

 

技术领域

本发明涉及气体在线分析领域，具体地讲，是一种卷烟主流烟气在线分析装置及方法，是利用吸烟机和大气压化学电离（APCI）质谱在线分析卷烟主流烟气中有机化合物的方法。

背景技术

卷烟烟气是烟草在燃吸期间不完全燃烧产生的气溶胶，是一个不断变化着的极为复杂的化学体系，它是在卷烟抽吸过程中由烟草燃烧、裂解和蒸馏而产生的。卷烟烟气根据形成特征可分为主流烟气、侧流烟气以及环境烟气（ETS）。主流烟气是指当吸烟者抽吸卷烟时，从卷烟的嘴端或烟蒂末端吸出的那部分烟气；侧流烟气是指从烟支的点燃端尤其是两次抽吸之间阴燃产生的烟气，在抽吸期间经过卷烟纸扩散出来的烟气也属于侧流烟气的范畴。环境烟气由侧流烟气、呼出的主流烟气以及周围的空气混合而成的，是被环境空气高度稀释了的烟气。

通常，为了研究方便，人们采用剑桥滤片（一种玻璃纤维制成的滤片，它能滤除直径大于0.3 μm的微粒99.5%以上）将烟气分为粒相物质和气相物质两部分，其中室温条件下可以通过剑桥滤片的烟气部分称为气相物质。能够被剑桥滤片截取的部分被称为粒相物质。气相物质所占烟气总量的比重达92%，主要有氮气、氧气、二氧化碳、一氧化碳和氢，此外还包括挥发性烃类、酯类、呋喃类、腈类、醛酮、醇类等等；粒相物质约占烟气总量的不到8%，主要由水、烟碱和焦油组成，其中焦油又是由多种烃类及烃的氧化物、硫化物和氮化物等组成的复杂混合物；另外，还有一类中间类型的物质，如一些半挥发性酸类物质和醛类物质等，它们在烟气的气、粒两相中同时存在。烟气中化合物的含量大部分都在痕量水平。

卷烟主流烟气化学成分的分析是一项十分重要的基础性研究工作，迄今为止，人们已经从卷烟烟气中鉴定出几千种物质，有些物质的性质非常活泼，导致卷烟烟气是一个高度动态的、不断变化的混合体系。传统的分析方法常利用剑桥滤片、冷阱捕集、静电捕集等多种技术捕集卷烟烟气成分，然后根据需要采用溶剂萃取、同时蒸馏萃取技术、固相微萃取技术等前处理过程进行样品的提取、分离和富集，再用色谱或者色谱-质谱联用仪器进行分析。然而，离线式分析方法要受到烟气样品采集、样品转移、分析物的解析和预浓缩色谱分离、检测和数据处理等因素的影响，分析结果忽略了烟气动力学和烟气化学成分的形成机理，并且需要耗费大量时间。所以，要想从化学的组成的角度对卷烟烟气质量、风格特征以及香气成分和有害成分进行剖析和评价的一个科学的方法就是对单口卷烟烟气进行在线和实时分析。

从目前文献资料的报道来看，对卷烟烟气气相组分进行分析是各类在线分析研究的重点，傅里叶变换-红外光谱法（FT-IR）和光电离质谱技术（SPI/REMPI -TOFMS）等技术手段已经应用于该类分析。FT-IR法是一种快速、无损的分析方法，自从1956年Philippe和Hobbs首次将红外光谱法应用于卷烟烟气分析以来，该方法在研究新鲜烟气中的化学反应和烟气气相组分的分析中得到了广泛的应用。但是，由于红外光谱法是依据化合物的特定吸收波长对组分进行定性，因而对于复杂的烟气体系而言，该方法只能对其中少数特定的目标物质进行分析，而且其定量分析结果的可靠性也不理想。光电离技术是近年来发展起来的一种新的软电离技术，不产生分子碎片。该技术提供了一个很好的实时在线分析卷烟主流烟气中多种痕量化学成分的方法，也适合于逐口抽吸主流烟气的分析，具有良好的时间分辨率和较低的检测限。但是，由于实验设备昂贵、操作复杂，在对卷烟烟气组分进行定性和定量分析时也要受到限制。

发明内容

本发明的目的是针对现有卷烟烟气实时在线分析技术存在的不足之处而发明的一种卷烟主流烟气的在线分析装置及方法, 是吸烟机和大气压化学电离质谱在线分析卷烟主流烟气中有机化合物的方法。

本发明的一种卷烟主流烟气在线分析装置，包括单孔道吸烟机和大气压化学电离串联质谱仪，其特征在于：所述单孔道吸烟机由卷烟夹持器、主流烟气采集瓶、取样泵组成，主流烟气采集瓶通过两通阀、流量控制阀分别与卷烟夹持器和取样泵相连接，主流烟气采集瓶上端连接有气体样品进样阀；所述大气压化学电离串联质谱仪离子源的毛细管喷嘴为一根长32-55cm的毛细管，该毛细管与气体样品进样阀直接相连，毛细管伸出离子源部分通过控温传输线加热保温，主流烟气样品通过毛细管直接被引入到质谱仪离子源内进行质谱分析。

所述主流烟气采样瓶为两端连通，瓶体中部有一出气孔与主流烟气进样阀直接相连，可以很容易从吸烟机上拆卸下来，瓶体容积可以根据需要确定，一般为8~25 mL。

所述主流烟气采样瓶、两通阀、流量控制阀及气体样品进样阀采用聚四氟乙烯、玻璃、不锈钢等材质制备。

所述主流烟气采样瓶、两通阀、流量控制阀及气体样品进样阀内部都经过钝化处理。

所述纯净空气是按照空气中氮气和氧气的浓度比混合而成，作为质谱进样背景气体。

利用上述装置进行卷烟主流烟气在线分析时，吸烟机抽吸卷烟，主流烟气进入采集瓶中，通过手动切换三通阀将主流烟气样品直接引入到离子源内进行在线分析，其具体过程如下：将主流烟气采集瓶安装于吸烟机上，设定好卷烟抽吸模式后点燃卷烟，每口抽吸完成后，卷烟主流烟气进入主流烟气采集瓶中，气体样品通过气体样品进样阀，经毛细管直接引入到质谱仪离子源内并同时被离子化，实现气体样品的在线分析。每口主流烟气分析完成后，将主流烟气采集瓶拆卸下来并安装一个新的，进行下一口主流烟气的分析。

本发明的有益效果如下：

本发明可以实现卷烟主流烟气的单口及逐口抽吸在线分析；吸烟及样品引入装置结构简单、操作方便，从进样到数据采集完成只需几秒钟时间，操作过程简单快速。

本发明中的主流烟气采集瓶可以很容易地从吸烟机上拆卸更换新的，能有效避免在卷烟烟气逐口分析过程中由于两口抽吸之间残留的烟气而引起的实验误差。

本发明的分析方法可以同时在线检测卷烟主流烟气中不同类型的有机化合物。该分析方法，灵敏度高，重复性好，定性和定量准确度高。

附图说明

图1为卷烟主流烟气在线分析装置示意图。

图1中序号：1是改造后的吸烟机，1.1是卷烟样品，1.2是卷烟夹持器，1.3是两通阀、1.4是主流烟气采样瓶、1.5是取样泵、1.6是流量控制阀、1.7是气体样品进样阀、1.8是纯净空气进样口；

2是大气压化学电离串联质谱仪，2.1是质谱毛细管进样口，2.2是控温传输线，2.3是APCI源体，2.4是APCI喷嘴，2.5是电晕放电针，2.6是电晕放电区，2.7是样品锥孔。

图2为卷烟主流烟气在线分析全扫描质谱图。（a）卷烟主流烟气气相组分全扫描质谱图；（b）卷烟主流烟气全组分全扫描质谱图。

图3为逐口抽吸卷烟主流烟气在线分析全扫描总离子流图。

图4为丙烯腈、巴豆醛、苯和甲苯的全扫描和子离子扫描质谱图。

图5为丙烯腈、巴豆醛、苯和甲苯的多重反应监测（MRM）总离子流图及定量标准曲线。

图6为2R4F参考卷烟中丙烯腈、巴豆醛、苯和甲苯逐口抽吸单口释放量变化趋势及总释放量。

具体实施方式

本发明以下将结合实施例（附图）作进一步说明：

实施例1

卷烟主流烟气全组分及气相组分的在线分析。

具体操作步骤如下：

本实例中，将卷烟置于（22±1）℃、相对湿度在60%±2%条件下平衡48小时，然后根据重量选出合适烟支，在温度（22±1）℃、相对湿度在60%±5%条件下抽吸卷烟。单口抽吸完成后，主流烟气进入采样瓶1.4，关闭两通阀1.3，打开气体样品进样阀1.7，主流烟气样品通过质谱毛细管进样口2.1引入到质谱仪离子源内，经电离后进入质谱仪质量分析器进行分析检测。对于主流烟气气相组分的在线分析，是将剑桥滤片置于卷烟夹持器1.2中，卷烟抽吸后，主流烟气经剑桥滤片过滤后进入主流烟气采集瓶中的为主流烟气气相组分，然后再进行在线质谱分析。

图2为卷烟主流烟气在线分析全扫描质谱图。其中，（a）为卷烟主流烟气气相组分全扫描质谱图；（b）为卷烟主流烟气全组分全扫描质谱图。

结果表明采用本发明方法可用于在线分析卷烟主流烟气全组分和气相组分。

实施例2

逐口抽吸卷烟主流烟气气相组分的在线分析。

具体操作步骤如下：

本实例中，将卷烟置于（22±1）℃、相对湿度在60%±2%条件下平衡48小时，然后根据重量选出合适烟支，在温度（22±1）℃、相对湿度在60%±5%条件下，在ISO标准抽吸模式（每口抽吸2s，抽吸体积35mL，每60s抽吸一口）下抽吸卷烟。每口抽吸完成后，主流烟气进入采样瓶1.4，关闭两通阀1.3，打开气体样品进样阀1.7，主流烟气样品通过质谱毛细管进样口2.1引入到质谱仪离子源内，经电离后进入质谱仪质量分析器进行分析检测。每口抽吸进样完成后，将样品瓶拆卸下来更换新的，至一支卷烟抽吸结束。

图3为逐口抽烟卷烟主流烟气气相成分全扫描总离子流图。

结果表明，主流烟气气相组分中的有机化合物在离子源内的电离响应速度快，没有残留及过饱和现象，时间分辨率较高且信号比较稳定，因此本发明方法可用于逐口抽吸卷烟主流烟气气相组分的在线分析。

实施例3

卷烟主流烟气气相组分中丙烯腈、巴豆醛、苯和甲苯等4种VOCs的定性和定量分析。

具体操作步骤如下：

本实例中，将卷烟置于（22±1）℃、相对湿度在60%±2%条件下平衡48小时，然后根据重量选出合适烟支，在温度（22±1）℃、相对湿度在60%±5%条件下，在ISO标准抽吸模式（每口抽吸2s，抽吸体积35mL，每60s抽吸一口）下抽吸卷烟，卷烟的点燃使用电点火器。每口抽吸完成后，主流烟气进入采样瓶1.4，关闭两通阀1.3，打开气体样品进样阀1.7，主流烟气样品通过质谱毛细管进样口2.1引入到质谱仪离子源内，经电离后进入质谱仪质量分析器进行分析检测，每次进样持续3 s。每口抽吸进样完成后，将样品瓶拆卸下来更换新的，至一支卷烟抽吸结束。4种VOCs的定性分析采用全扫描和子离子扫描模式，定量分析采用多重反应监测（MRM）模式。

图4为4种VOCs的全扫描和子离子扫描质谱图，可用于定性分析；图5为4种VOCs的多重反应监测（MRM）总离子流图，峰面积可用于定量分析。图6为2R4F参考卷烟主流烟气气相组分中4中VOCs逐口抽吸单口释放量变化趋势及总释放量。

结果表明采用本发明方法测定4种VOCs，其检测限可以达到0.19～2.05 ng/mL, 重复性为3.41%～8.72%，能够实现对主流烟气中有机化合物的定量分析。

Claims (7)

1.一种卷烟主流烟气在线分析装置，包括单孔道吸烟机和大气压化学电离串联质谱仪，其特征在于：所述单孔道吸烟机由卷烟夹持器、主流烟气采集瓶、取样泵组成，主流烟气采集瓶通过两通阀、流量控制阀分别与卷烟夹持器和取样泵相连接，主流烟气采集瓶上端连接有气体样品进样阀；所述大气压化学电离串联质谱仪离子源的毛细管喷嘴为一根长32-55cm的毛细管，该毛细管与气体样品进样阀直接相连，毛细管伸出离子源部分通过控温传输线加热保温，主流烟气样品通过毛细管直接被引入到质谱仪离子源内进行质谱分析。

2.根据权利要求1所述的卷烟主流烟气在线分析装置，其特征在于：所述气体样品进样阀为一手动切换三通阀，其中一端口为纯净空气进样口，另外两端口分别与主流烟气采集瓶和质谱仪相连。

3.根据权利要求1所述的卷烟主流烟气在线分析装置，其特征在于：所述主流烟气采样瓶、两通阀、流量控制阀及气体样品进样阀采用聚四氟乙烯、玻璃、不锈钢等材质。

4.根据权利要求1所述的卷烟主流烟气在线分析装置，其特征在于：所述主流烟气采样瓶、两通阀、流量控制阀及气体样品进样阀内部都经钝化处理。

5.根据权利要求2所述的卷烟主流烟气在线分析装置，其特征在于：所述纯净空气是按照空气中氮气和氧气的浓度比混合而成，作为质谱进样背景气体。

6.一种利用权利要求1所述装置进行在线分析卷烟主流烟气的方法，其特征在于：通过吸烟机抽吸卷烟后，主流烟气进入采集瓶中，通过手动切换三通阀将主流烟气样品直接引入到大气压化学电离串联质谱仪离子源内进行在线分析。

7.根据权利要求6所述的在线分析卷烟主流烟气的方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：将主流烟气采集瓶安装于吸烟机上，设定好卷烟抽吸模式后点燃卷烟，每口抽吸完成后，卷烟主流烟气进入主流烟气采集瓶中，气体样品通过气体样品进样阀，经质谱进样毛细管直接引入到大气压化学电离串联质谱仪离子源内，实现气体样品的在线分析。

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