CN104764791A

CN104764791A - 一种实时在线分析电子烟烟雾中重金属的装置与方法

Info

Publication number: CN104764791A
Application number: CN201510139842.XA
Authority: CN
Inventors: 田永峰; 高晓华; 杨柳; 李寿波; 吴亿勤; 胡燕; 缪燕霞; 段沅杏; 杨继; 孙志勇; 陈永宽; 缪明明
Original assignee: China Tobacco Yunnan Industrial Co Ltd
Current assignee: China Tobacco Yunnan Industrial Co Ltd
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2035-03-27
Also published as: CN104764791B

Abstract

本发明涉及一种实时在线分析电子烟烟雾中重金属的装置与方法，属于电子烟烟雾检测技术领域。该方法包括包括吸烟机、电磁线圈、电解池和电化学工作站；所述的吸烟机包括吸烟装置和排气装置，吸烟装置通过进气通道与电解池相连，排气装置通过出气通道与电解池相连；吸烟装置上设有多个夹持器；电解池设于电磁线圈的轴向上，且电磁线圈位于电解池的中部；电磁线圈的线圈两端分别与电源的正负极相连；电化学工作站分别连接有工作电极、参比电极和对电极，且工作电极、参比电极和对电极均插入到电解池中。此装置与方法对不同类型电子烟烟雾中的气相成分和粒相成分均适合，适用于现有市售电子烟以及卷烟产品烟气中重金属元素的检测。

Description

一种实时在线分析电子烟烟雾中重金属的装置与方法

技术领域

本发明属于电子烟烟雾检测技术领域，具体涉及一种适用于电子烟烟雾实时在线重金属元素检测的试验装置及方法。

背景技术

由于传统烟草制品对吸烟者健康存在潜在的影响，因此以丙二醇、丙三醇、以及一定含量尼古丁附加雾化系统制成的电子烟被认为是低危害的传统电子烟替代品。近期，电子烟雾的安全性引起了国内专家学者的关注。随着电子烟消费市场的迅猛发展，以及大量民营制造企业的涌入，市售电子烟产品的质量安全性引起了越来越多的争议。当前，立足我国国情并结合电子烟市场发展规律，把电子烟产品纳入烟草制品进行专卖管制，促使我国电子烟市场走上法制化、规范化、科学化的发展迫在眉睫。

电子烟雾的捕集目前还没有国家标准，因此对电子烟雾的有效捕集还无法实现。电子烟雾的安全性评价就更无法实现。目前的文献报道的电子烟的使用安全性评价还是使用传统的吸烟机结合剑桥滤片的捕集方式。由于电子烟烟油的组分90%以上是丙二醇和丙三醇，并且电子烟雾的形成方式为电加热。因此电子烟雾的形成机理与传统卷烟完全不同。目前亟需一种针对电子烟雾的使用安全性进行评估的设备，在此设备上可以实现对电子烟雾的有效评估。

在电化学体系中，外加磁场不仅能影响质量传输速度，也能影响金属与溶液的界面电位差，进而影响电化学过程。在磁场的影响下，电化学过程中受磁场与电场相互作用，产生洛伦兹力（Lorentz），可加速溶液的流动，降低边界层的厚度，从而提高质量传递速度，即产生“磁流体动力学效应(MHD)”。在溶出伏安分析的预富集过程中，对电化学体系施加一个均匀的外加磁场，同时在电解质溶液中加入浓度较高的Fe³⁺，在重金属的预富集过程中，Fe³⁺与待测定的金属离子发生共沉积，就会产生一个较大的负电流J(A/m³)，磁场和电场的相互作用产生一个洛伦兹力FL (N/m³)，其大小和方向遵循右手定则，所产生的洛伦兹力引起电解质溶液的扰动，进而就会使更多的被测定的重金属沉积在电极的表面，在之后的溶出过程中产生较大的阳极溶出峰，从而获得更高灵敏度。

目前对电子烟烟雾中的重金属元素提供一种实时在线检测的方法还未见有文献或专利报道。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的状况而提供的一种适用于电子烟全烟雾实时在线条件下检测重金属元素的试验装置及其试验方法。该装置可检测电子烟烟雾实时在线条件下的重金属浓度，为电子烟的使用安全性研究提供技术支撑。

本发明采用的技术方案如下：

一种实时在线分析电子烟烟雾中重金属的装置，包括吸烟机、电磁线圈、电解池和电化学工作站；

所述的电解池内装有电解质水溶液，开口处用密封塞密封；

所述的吸烟机包括吸烟装置和排气装置，所述的吸烟装置与进气通道的一端相连，所述的进气通道穿过密封塞进入电解池中，且进气通道的另一端位于电解质水溶液液面下；

所述的排气装置与出气通道的一端相连，所述的出气通道穿过密封塞进入电解池中，且出气通道的另一端位于电解质水溶液液面上；

所述的吸烟装置上设有多个夹持器；

所述的电解池设于电磁线圈的轴向上，且电磁线圈位于电解池的中部；

电磁线圈的线圈两端分别与电源的正负极相连；

电化学工作站分别连接有工作电极、参比电极和对电极，所述的工作电极、参比电极和对电极均穿过密封塞插入到电解池中。

进一步，优选的是所述的吸烟机为直线式吸烟机或转盘式吸烟机。

进一步，优选的是所述的工作电极为玻碳电极。

进一步，优选的是所述的参比电极为Ag|AgCl|KCl。

进一步，优选的是所述的对电极为铂对电极。

进一步，优选的是所述的电源为单路直流稳压电源。

本发明装置的作用是在线捕集电子烟烟气并向电解池施加磁流体动力学扰动，由此可提高电化学工作站对重金属的检测灵敏度。

本发明还提供一种实时在线分析电子烟烟雾中重金属的方法，使用上述的实时在线分析电子烟烟雾中重金属的装置，包括如下步骤：

步骤一，工作电极预处理：将工作电极放入含30mM HNO₃和0.1M KNO₃的电解质溶液中，电压为1 V时氧化60 s后取出；然后依次用1.0μm、0.3μm和0.05μm的Al₂O₃粉末在1200 grit 的金相砂纸上打磨至电极表面呈光亮的镜面，然后依次用乙醇和二次蒸馏水进行超声清洗，取出后，再用二次蒸馏水冲洗电极表面及周围，最后用N₂吹干；

步骤二，测试：将电解池内放入电解质水溶液；所述的电解质水溶液含有1mM Hg(NO₃)₂，30mM HNO₃和0.1M KNO₃；

将电子烟用夹持器夹持，然后开启吸烟机对电子烟进行抽吸，并同时开启电源和电化学工作站，用方波阳极溶出伏安法测定重金属，包括以下几个步骤：

a. 金属离子的沉积：沉积电压Ed = –0.8 V，沉积电流td = 60 s；

b. 静置20s；

c. 采用方波溶出伏安法测定重金属的相关实验参数为：方波振幅10 mV；脉冲振幅25 mV；频率15 Hz；初始电压-0.80 V；终止电压0.55V。

进一步，优选的是所述的超声清洗次数为3次，每次的超声时间为2～3分钟。

本发明实时在线分析电子烟烟雾中重金属的装置中，烟雾的定量富集和检测浓度由吸烟机的抽吸体积和抽吸口数来控制。电子烟烟雾成分在电解池中通过溶液捕集，捕集后经过电化学工作站检测捕集液中的重金属元素浓度，最终通过计算得到电子烟烟雾中重金属元素的含量。

本发明中，电解池中的烟雾捕集液经过处理后，样品检测使用电化学工作站进行重金属元素检测；除此之外，样品也可使用原子吸收光谱仪，电感耦合等离子体质谱仪来检测。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

（1）本发明实时在线分析电子烟烟雾中重金属的装置包括使用基于磁流体动力学效应扰动的电化学体系和在线气溶胶捕集装置，提高了对重金属元素的检测灵敏度；

（2）本发明装置的电解池外部配有电磁线圈，通过电磁线圈对电解池内提供了磁场，使电解池内流体受到洛伦兹力的作用，施加磁流体动力学扰动，而提高了重金属元素检测的灵敏度；

（3）本发明可以实现电子烟烟雾重金属元素的实时在线检测，避免了传统使用剑桥滤片捕集电子烟烟雾的滤片穿透以及烟雾气相成分散失等缺陷；

（4）本发明不但可以实现不同剂量，不同种类的电子烟烟雾重金属的实时在线检测，还可以实现卷烟，低温烟等烟草制品的实时在线烟雾重金属检测；

（5）本发明装置通过调节吸烟机的抽吸体积和抽吸口数实现了对捕集装置内烟雾浓度进行实时在线的监控，解决目前尚不具备的实时在线烟雾重金属检测设备的问题；

（6）本发明装置方法对不同类型电子烟烟雾中的气相成分和粒相成分均适合，适用于现有市售电子烟以及卷烟产品烟气中重金属元素的检测。同时具有操作简单，成本低，可实时监控烟雾浓度，精确检测烟雾释放的过程和效果，并可解决目前存在的电子烟烟雾中气相成分捕集后发生陈化，烟雾化学成分改变以及实时在线电子烟烟雾重金属检测装置缺失等问题。

附图说明

图1为本发明实时在线分析电子烟烟雾中重金属的装置的结构示意图；

图2为本发明电解池的放大图；

图1和图2中，1、吸烟机；2、工作电极；3、参比电极；4、对电极；5、夹持器；6、电子烟；7、电磁线圈；8、电解池；9、电化学工作站；10、电源；11、吸烟装置；12、排气装置；13、进气通道；14、出气通道；15、密封塞；

图3为不同条件下1μM重金属镉离子的方波阳极溶出伏安曲线；

图3中，(a) B=0T，0mM Fe³⁺； (b) B=0T，120mM Fe³⁺； (c) B=0.6T，0mM Fe³⁺； (d)B=0.6T，120mM Fe³⁺；

图4重金属镉离子的校正曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

如图1~2所示，一种实时在线分析电子烟烟雾中重金属的装置，包括吸烟机1、电磁线圈7、电解池8和电化学工作站9；

所述的电解池8内装有电解质水溶液，开口处用密封塞15密封；

所述的吸烟机1包括吸烟装置11和排气装置12，所述的吸烟装置11与进气通道13的一端相连，所述的进气通道13穿过密封塞15进入电解池8中，且进气通道13的另一端位于电解质水溶液液面下；

所述的排气装置12与出气通道14的一端相连，所述的出气通道14穿过密封塞15进入电解池8中，且出气通道14的另一端位于电解质水溶液液面上；

所述的吸烟装置11上设有多个夹持器5；

所述的电解池8设于电磁线圈7的轴向上，且电磁线圈7位于电解池8的中部；

电磁线圈7的线圈两端分别与电源10的正负极相连；

电化学工作站9分别连接有工作电极2、参比电极3和对电极4，所述的工作电极2、参比电极3和对电极4均穿过密封塞15插入到电解池8中。

所述的工作电极2为玻碳电极，参比电极3为Ag|AgCl|KCl，对电极4为铂对电极。

所述的吸烟机1为直线式吸烟机或转盘式吸烟机。

所述的电源10为单路直流稳压电源。

本发明在进行实时在线电子烟烟雾重金属元素的检测时，电子烟6被夹持器5夹持住。电子烟6的烟雾通过吸烟机1产生的负压进入电解池8，同时打开电源10，电磁线圈7产生磁场，使电解池8内电解质溶液受到洛伦兹力的作用，施加磁流体动力学扰动，而提高重金属元素检测的灵敏度；工作电极2，参比电极2和铂对电极4与电化学工作站9相连接，实现对电解池8中的重金属元素浓度进行检测。

测试方法中所用的材料及仪器：

本发明实施例中重金属的储备液均由其对应的硝酸盐溶于二次蒸馏水制备。其他试剂均为分析纯，未经纯化即可使用。

所有电化学检测都在电化学工作站上进行。在室温(25±1℃)条件下，使用传统的三电极体系进行实验。工作电极为直径为1~3mm的玻碳电极，参比电极为Ag|AgCl|KCl (3M)，对电极为铂电极。文中所有电压均是相对于参比电极而言的。

磁场由自制的电磁线圈供给，磁场的方向为水平方向（与电极表面平行），磁极直径D＝2~5 cm，气隙宽度d＝1~3 cm固定，电流由单路直流稳压电源，电流大小可调，最高磁场强度超过1T，通过调节电流可方便地控制磁场强度的大小。磁场强度由直流特斯拉计测定。

电极预处理

每次实验之前，工作电极2均需进行电化学预处理，将电极放入含30 mM HNO₃和0.1 M KNO₃的电解质溶液中，电压为1 V时氧化60 s，以除去以前测定时残留在电极表面的汞膜。取出后，依次用1.0、0.3和0.05 μm的Al₂O₃粉末在1200 grit 的Carbimet上仔细打磨至电极表面呈光亮的镜面，然后放在超声水浴槽中依次用乙醇和二次蒸馏水进行超声清洗，每次2～3分钟，共三次。取出后，再用大量的二次蒸馏水冲洗电极表面及周围，然后用N₂吹干。

测试程序

将经预处理过的工作电极2安装好后，将电解池8内放入电解质水溶液；所述的电解质水溶液含有1mM Hg(NO₃)₂，30mM HNO₃和0.1M KNO₃；将电子烟6用夹持器5夹持，然后开启吸烟机1对电子烟6进行抽吸，并同时开启电源10和电化学工作站9，用方波阳极溶出伏安法测定重金属，包括以下几个步骤：

a. 金属离子的沉积：沉积电压Ed = –0.8 V，沉积时间td = 60 s。

b. 静置20 s。

c. 采用方波溶出伏安法测定重金属的相关实验参数为：方波振幅10 mV；脉冲振幅25 mV；频率15 Hz；初始电压-0.80V；终止电压0.55V。

图3中的测试条件为富集电压：–0.8 V；富集时间：60s；方波振幅：10mV；脉冲振幅：25mV；频率：15Hz；其中，(a)B=0T，0mM Fe³⁺；(b)B=0T，120mM Fe³⁺；(c)B=0.6T，0mM Fe³⁺；(d)B=0.6T，120mM Fe³⁺；在以上4个条件下进行测试，测试时，所用电子烟及抽吸口数相同。

图4中的测试条件为B =0.6T，富集电压：–0.8 V；富集时间：60s；方波振幅：10mV；脉冲振幅：25mV；频率：15Hz。从下到上6条曲线的重金属镉离子的浓度依次为0.01，0.1，0.25，0.5，0.75和1μM，其它条件与图3相同。

如图3所示，曲线d的峰电流值最高，所以其实验条件为最优的实验条件，即0.6 T磁场中，诱导离子Fe³⁺的浓度为120 mM，其它条件不变时，在2 mL的电解液中，重金属镉离子的溶出峰电流与其浓度的对应关系如图4所示，从图4中可以看出，重金属镉离子的溶出峰电流与其浓度在1×10^-8 M到1×10^-6 M范围内呈良好的线性关系，相关系数R = 0.9972，线性回归方程为y (μA) = 5.799 [浓度] (μA·μM ^-1) + 0.1380 (μA)，LOD为 3.1×10^-9 M。这表明这种基于磁流体动力学的溶出伏安分析方法可用于微量样品中痕量重金属的分析，具有灵敏、准确的特性。

应用实例

应用本发明装置测定市售某品牌电子烟，抽吸75口后，电解池中重金属镉离子浓度为0.0027μg/mL。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种实时在线分析电子烟烟雾中重金属的装置，其特征在于，包括吸烟机（1）、电磁线圈（7）、电解池（8）和电化学工作站（9）；

所述的电解池（8）内装有电解质水溶液，开口处用密封塞（15）密封；

所述的吸烟机（1）包括吸烟装置（11）和排气装置（12），所述的吸烟装置（11）与进气通道（13）的一端相连，所述的进气通道（13）穿过密封塞（15）进入电解池（8）中，且进气通道（13）的另一端位于电解质水溶液液面下；

所述的排气装置（12）与出气通道（14）的一端相连，所述的出气通道（14）穿过密封塞（15）进入电解池（8）中，且出气通道（14）的另一端位于电解质水溶液液面上；

所述的吸烟装置（11）上设有多个夹持器（5）；

所述的电解池（8）设于电磁线圈（7）的轴向上，且电磁线圈（7）位于电解池（8）的中部；

电磁线圈（7）的线圈两端分别与电源（10）的正负极相连；

电化学工作站（9）分别连接有工作电极（2）、参比电极（3）和对电极（4），所述的工作电极（2）、参比电极（3）和对电极（4）均穿过密封塞（15）插入到电解池（8）中。

2.根据权利要求1所述的实时在线分析电子烟烟雾中重金属的装置，其特征在于，所述的吸烟机（1）为直线式吸烟机或转盘式吸烟机。

3.根据权利要求1所述的实时在线分析电子烟烟雾中重金属的装置，其特征在于，所述的工作电极（2）为玻碳电极。

4.根据权利要求1所述的实时在线分析电子烟烟雾中重金属的装置，其特征在于，所述的参比电极（3）为Ag|AgCl|KCl。

5.根据权利要求1所述的实时在线分析电子烟烟雾中重金属的装置，其特征在于，所述的对电极（4）为铂对电极。

6.根据权利要求1所述的实时在线分析电子烟烟雾中重金属的装置，其特征在于，所述的电源（10）为单路直流稳压电源。

7.一种实时在线分析电子烟烟雾中重金属的方法，基于权利要求1~6任意一项所述的实时在线分析电子烟烟雾中重金属的装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，工作电极预处理：将工作电极（2）放入含30mM HNO₃和0.1M KNO₃的电解质溶液中，电压为1 V时氧化60 s后取出；然后依次用1.0μm、0.3μm和0.05μm的Al₂O₃粉末在1200 grit 的金相砂纸上打磨至电极表面呈光亮的镜面，然后依次用乙醇和二次蒸馏水进行超声清洗，取出后，再用二次蒸馏水冲洗电极表面及周围，最后用N₂吹干；

步骤二，测试：将电解池（8）内放入电解质水溶液；所述的电解质水溶液含有1mM Hg(NO₃)₂，30mM HNO₃和0.1M KNO₃；

将电子烟（6）用夹持器（5）夹持，然后开启吸烟机（1）对电子烟（6）进行抽吸，并同时开启电源（10）和电化学工作站（9），用方波阳极溶出伏安法测定重金属，包括以下几个步骤：

a. 金属离子的沉积：沉积电压Ed = –0.8 V，沉积电流td = 60 s；

b. 静置20s；

8.根据权利要求7所述的实时在线分析电子烟烟雾中重金属的方法，其特征在于，所述的超声清洗次数为3次，每次的超声时间为2～3分钟。