CN106932464A - 一种卷烟主流烟气气相成分实时分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卷烟主流烟气气相成分实时分析装置，其特征是：五端口烟气流通管的第一端口通过吸烟机电磁三通阀与单通道吸烟机的抽吸筒相连，第二端口与卷烟夹持器相连，第三端口与烟气传输石英毛细管相连，且烟气传输石英毛细管的另一端进入光电离飞行时间质谱仪的光电离区中，第四端口与压力感应器相连，且压力感应器通过导线依次与电脑和光电离飞行时间质谱仪的信号输入输出接口相连，第五端口与残留烟气清除器相连。本发明不但能有效消除烟气残留产生的干扰效应以及标准气体与卷烟烟气采样模式的不同带来的系统误差，而且能实现吸烟机与质谱仪的联动，适合于在商用单通道吸烟机的各种抽吸条件下对单口卷烟烟气气相成分进行逐口实时分析。

Description

一种卷烟主流烟气气相成分实时分析装置

技术领域

本发明涉及一种卷烟主流烟气化学成分的分析装置，更具体地说是一种用于单口卷烟烟气气相成分的逐口实时分析装置。

背景技术

卷烟烟气是一种十分复杂的气溶胶混合物，迄今为止，已经从中鉴定出了数千种化学成分。通常，为了研究方便，人们采用剑桥滤片将卷烟烟气分为粒相物质和气相物质两部分。其中，气相物质约占烟气总量的92％，不但含有多种有害成分，而且对卷烟烟气的感官品质也有着十分重要的影响；另外，气相物质性质活泼，内部的物质组成变化较快。因此，为了获得进入吸烟者口腔时的初生烟气信息，近年来，对新鲜的单口卷烟烟气气相成分进行在线和实时分析研究日益受到了人们的关注和重视。

真空紫外光电离飞行质谱技术是一种非常优秀的、普适的和快速的探测手段，它通常使用真空紫外灯、激光或同步辐射光作为电离光源，具有软电离、无碎片、灵敏度高、适合多组分同时检测等优点，已成为卷烟烟气气相成分在线和实时分析的重要技术手段。然而，目前在采用真空紫外光电离飞行质谱仪与商用吸烟机联用对卷烟烟气气相成分进行在线和实时分析时，仍然存在着如下三个方面的问题：

第一、在吸烟机对上一口烟气抽吸后，卷烟夹持器和吸烟机烟气流动管道内往往会残存着大量残余的烟气，从而对下一口烟气的定量分析结果带来了很大的干扰效应。为了消除这种干扰，一般的方法是，在每两口烟气抽吸间隙，从卷烟夹持器中拔出烟支，并让吸烟机进行几次空吸，但是由于商用吸烟机的烟气流动管道较长，吸烟机的每次抽吸体积和抽吸时间有限，利用吸烟机抽吸空气的方式清除残余烟气效率较低，无法很好的消除烟气残留所带来的干扰效应。已有采用其它方式清除残留烟气干扰效应的报道。例如，中国发明专利CN201110058558.1公开了一种卷烟烟气气相化学成分在线分析装置，该装置在每口烟气抽吸后自动更换新的卷烟夹持器，并采用真空泵抽出吸烟机管道和抽吸筒内的剩余气体，虽然清除效果较好，但是该装置主要实现的功能是在线检测卷烟抽吸刚结束时的烟气气相成分并研究其动态变化过程。近来，庞永强等人(庞永强，姜兴益，罗彦波，等.PI-TOF/MS法逐口在线分析卷烟主流烟气中7种有机物.烟草科技,2015,48(4):37-41)建立了一种采用光致电离飞行时间质谱技术逐口在线分析卷烟主流烟气中7种有机物的装置和方法，该装置采用高纯氮气反吹内径为350μm毛细采样管的方式来清除残留烟气，但是由于受毛细管内径的限制，氮气用量低，不足以有效清除毛细管前端的过渡管、尤其是卷烟夹持器内的残留烟气。

第二、在定量分析方面，为了测量标准气体的信号强度或标准工作曲线，一般是采用质谱仪的进样毛细管对静态的标准气体或气体发生器中产生的标准气体直接进行采样；而在卷烟烟气的在线和实时分析过程中，需要采用质谱仪的进样毛细管对抽吸过程中流速呈现变化的烟气进行采样。由于流动的烟气会在管道内产生压力，因此上述两种采样方式的采样压力存在差异，所以其进样量也会有差异，这样会给卷烟烟气的定量分析结果带来较大的系统误差。

第三、由于商用吸烟机和真空紫外光电离飞行质谱仪是两种不同类型的仪器，因此如何有效协调这两种仪器之间的联动，也是需要进一步解决的问题。

发明内容

本发明为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种结构简单、操作方便、定性和定量效果好，可以实现在商用单通道吸烟机的各种抽吸条件下，对单口卷烟烟气气相物中多组分同时进行实时分析的卷烟烟气分析装置，从而为烟草科技人员准确、科学地分析新鲜卷烟烟气气相化学成分提供一种好的技术手段。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种卷烟主流烟气气相成分实时分析装置，其结构特点是：设置商用单通道吸烟机、光电离飞行时间质谱仪、五端口烟气流通管、烟气传输石英毛细管、电脑和残留烟气清除器；

所述商用单通道吸烟机的抽吸筒前端的吸烟机电磁三通阀的第一个端口与所述抽吸筒相连，第二个端口与所述五端口烟气流通管的第一端口相连，第三个端口与烟气排出管相连；

所述光电离飞行时间质谱仪的外部设置有上部真空抽气口、下部真空抽气口和信号输入输出接口，内部设置有真空紫外光源和光电离区；

所述五端口烟气流通管的第二端口与卷烟夹持器相连通，且所述卷烟夹持器既可以在其中插入卷烟烟支，也可以与标准气体袋相连接；

所述五端口烟气流通管的第三端口与所述烟气传输石英毛细管相连通，第四端口与压力感应器相连，第五端口与残留烟气清除器相连；

所述烟气传输石英毛细管的一个端口与所述五端口烟气流通管的第三端口相连通，另一个端口穿过所述光电离飞行时间质谱仪的腔壁进入真空紫外光电离区中；

所述电脑通过导线分别与所述压力传感器和所述光电离飞行时间质谱仪的信号输入输出接口相连接。

本发明一种卷烟主流烟气气相成分实时分析装置的结构特点也在于：

所述残留烟气清除器由烟气清除电磁三通阀、电磁阀控制器、膜片真空泵和空气流入管组成；所述烟气清除电磁三通阀的第一个端口与所述五端口烟气流通管的第五端口相连，第二个端口可以经过渡软管与膜片真空泵相连，第三个端口与所述空气流入管相连，且所述烟气清除电磁三通阀的运行程序可由所述电磁阀控制器设置并控制。

所述标准气体袋由袋体、气体流入管、气体流出管、二通阀A和二通阀B组成；所述袋体上设置有两个开口，其中一个开口是依次与所述气体流入管和所述二通阀A相连的气体流入口，另一个开口是依次通过所述气体流出管和所述二通阀B与气体吸嘴相连通的气体流出口；且所述气体吸嘴既以可插入密封帽中，也可以插入所述卷烟夹持器中。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明将商用单通道吸烟机较长的烟气流通管道，修改为管道长度较短的五端口烟气流通管，并在紧靠卷烟夹持器的烟气流出端设置用于取样分析的烟气传输石英毛细管，较好地实现了对新鲜的卷烟烟气气相成分进行实时采样；同时，在五端口烟气流通管上设置有压力传感器，能够将卷烟抽吸和停止过程传输给带专用程序控制软件的电脑，并由电脑程序自动地启动和停止光电离飞行时间质谱仪的分析，有效地实现了吸烟机和光电离飞行时间质谱仪之间的联动，消除了因人为启动和停止质谱分析与吸烟机抽吸卷烟过程的不同步而带来的误差；另外，在上一口烟气抽吸结束后，采用带真空泵的残留烟气清除器抽出卷烟夹持器和五端口烟气流通管内的残留烟气，并且残留烟气的清除效果可由质谱仪记录，从而确保最大限度地减少上口烟气的残留对下口烟气分析结果的影响。

2、本发明在测定标准气体时，采用吸烟机抽吸标准气体袋内的标准气体，并由烟气传输石英毛细管实时采样，这与卷烟的抽吸和烟气气相成分的采样过程完全相同，消除了两种采样过程因进样量的差异而存在的系统误差。

3、本发明结构简单、操作方便、定性和定量分析效果好，不需要任何溶剂和前处理过程，可以实现卷烟抽吸过程与烟气分析过程同步进行，在国际标准抽吸模式下，烟气从产生到检测完毕只需要2秒钟时间，从而最大限度地实现了对新鲜卷烟烟气气相成分进行逐口实时分析。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图中标号：1商用单通道吸烟机、2抽吸筒、3吸烟机电磁三通阀、4五端口烟气流通管、5烟气排出管、6压力感应器、7残留烟气清除器、8烟气传输石英毛细管、9卷烟夹持器、10卷烟烟支、11标准气体袋、12光电离飞行时间质谱仪、13上部真空抽气口、14下部真空抽气口、15真空紫外光源、16光电离区、17离子传输区、18离子双脉冲引出区、19离子加速区、20离子反射区、21离子微通道检测器、22信号输入输出接口、23电脑。

图2为本发明残留烟气清除器的结构示意图；

图中标号：7a烟气清除电磁三通阀、7b电磁阀控制器、7c膜片真空泵、7d空气流入管、7e过渡软管。

图3为本发明标准气体袋的结构示意图；

图中标号：11a袋体、11b气体流入口、11c气体流出口、11d气体流入管、11e气体流出管、11f二通阀A、11g二通阀B、11h气体吸嘴、11i密封帽。

图4为实施例1中卷烟烟气气相化学成分逐口实时分析光电离质谱图。

图5为实施例1中第一口烟气分析后残留烟气清除时的光电离质谱图。

图6为实施例2中不同浓度甲苯标准气体的光电离质谱图。

图7为实施例2中浓度为98ppm的甲苯标准气体抽吸结束后残留气体清除时的光电离质谱图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述，以下实施例可以使专业技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。

如图1所示，分析装置的各构成部分包括商用单通道吸烟机1、光电离飞行时间质谱仪12、五端口烟气流通管4、烟气传输石英毛细管8、电脑23和残留烟气清除器7；

商用单通道吸烟机1的抽吸筒2前端的吸烟机电磁三通阀3的第一个端口与抽吸筒2相连，第二个端口与五端口烟气流通管4的第一端口相连，第三个端口与烟气排出管5相连；

光电离飞行时间质谱仪12的外部和内部分别设置有上部真空抽气口13、下部真空抽气口14、信号输入输出接口22、真空紫外光源15、光电离区16、离子传输区17、离子双脉冲引出区18、离子加速区19、离子反射区20和离子微通道检测器21；

五端口烟气流通管4的第二端口与卷烟夹持器9相连通，且卷烟夹持器9既可以在其中插入卷烟烟支10、也可以与标准气体袋11相连接；

五端口烟气流通管4的第三端口与烟气传输石英毛细管8相连通，第四端口与压力感应器6相连，第五端口与残留烟气清除器7相连；

烟气传输石英毛细管8的一个端口与五端口烟气流通管4的第三端口相连通，另一个端口穿过光电离飞行时间质谱仪12的腔壁进入真空紫外光电离区16中；

电脑23通过导线分别与压力传感器6和光电离飞行时间质谱仪12的信号输入输出接口22相连接；

如图2所示，残留烟气清除器7由烟气清除电磁三通阀7a、电磁阀控制器7b、膜片真空泵7c和空气流入管7d组成；烟气清除电磁三通阀7a的第一个端口与五端口烟气流通管4的第五端口相连，第二个端口可以经过渡软管7e与膜片真空泵7c相连，第三个端口与空气流入管7d相连，且烟气清除电磁三通阀7a的运行程序可由电磁阀控制器7b设置并控制；

如图3所示，标准气体袋11由袋体11a、气体流入管11d、气体流出管11e、二通阀A11f和二通阀B 11g组成；袋体11a上设置有两个开口，其中一个开口是依次与气体流入管11d和二通阀A 11f相连的气体流入口11b，另一个开口是依次通过气体流出管11e和二通阀B 11g与气体吸嘴11h相连通的气体流出口11c，且气体吸嘴11h既以可插入密封帽11i中，也可以插入所述卷烟夹持器9中。

具体实施中，五端口烟气流通管4的长度设置为6-10cm；电脑23内部装有专用的压力感应器6的信号接收及光电离飞行时间质谱仪12的设置和运行控制软件；烟气传输石英毛细管8位于五端口烟气流通管4的第三端口和光电离飞行时间质谱仪12的光电离区16腔壁之间的部分设置有电加热套，加热温度由一个专用的温度控制器设定并控制，且烟气传输石英毛细管8与五端口烟气流通管4的第三端口和光电离飞行时间质谱仪12的光电离区16腔壁之间以不漏气的任何方式进行连接或固定；残留烟气清除器7的烟气清除电磁三通阀7a可以通过电磁阀控制器7b设定两个相互切换的运行程序，且烟气清除电磁三通阀7a的第二个端口经过渡软管7e与膜片真空泵7c相连，这种连接方式可以确保膜片真空泵7c能够方便地与烟气清除电磁三通阀7a的第二个端口之间进行连接和拆卸，除此以外，也可以不漏气的任何方式进行连接和快卸。

本发明所使用的光电离飞行时间质谱仪12为安徽中烟工业有限责任公司和中国科学技术大学国家同步辐射实验室联合研制的仪器，质量分辨率优于2000，其真空紫外光源15既可以是真空紫外灯，也可以使同步辐射真空紫外光。

本发明所使用单通道吸烟机1为德国Borgwaldt公司生产的LM1型产品，其吸烟机电磁三通阀3的运行过程可以通过吸烟机自带的控制面版进行设置。

实验前，先从残留烟气清除器7中卸下膜片真空泵7c，从标准气体袋11的气体吸嘴11h上取下密封帽11i，并通过过渡软管7e将气体吸嘴11h与膜片真空泵7c相连，关闭二通阀A11f，打开二通阀B11g，启动膜片真空泵7c对标准气体袋11抽真空；然后，关闭二通阀B11g，并将二通阀A11f与高纯氮气钢瓶相连，打开二通阀A11f向标准气体袋内充入高纯氮气；再次关闭二通阀A11f，打开二通阀B11g，将标准气体袋抽真空；重复上述过程三次后，以标准气体钢瓶代替高纯氮气钢瓶，继续重复上述过程三次；待再次向标准气体袋内充入标准气体后，关闭二通阀A11f，此时二通阀A11f和二通阀B11g处于同时关闭状态；最后，将标准气体袋的气体吸嘴与膜片真空泵分离，并轻压标准气体袋的袋体，打开二通阀B11g，待有气体从气体吸嘴中流出时，在气体吸嘴上盖上密封帽。

紧接着，在卷烟夹持器9中装入剑桥滤片；打开光电离飞行时间质谱仪12和商用单通道吸烟机1的工作电源；设置商用单通道吸烟机1的抽吸条件和烟气传输石英毛细管8的加热温度；通过过渡软管7e将膜片真空泵7c与残留烟气清除器7中烟气清除电磁三通阀7a的第二个端口相连，并打开残留烟气清除器7的膜片真空泵7c和电磁阀控制器7b，通过电磁阀控制器7b设定烟气清除电磁三通阀7a的运行程序I和运行程序II。其中，运行程序I在不抽吸卷烟时使用，其运行模式为膜片真空泵7c始终与残留烟气清除器7的空气流入管7d相连通；运行程序II在卷烟抽吸过程使用，其运行模式为膜片真空泵7c既可以与残留烟气清除器7的空气流入管7d相连通，也可以与五端口烟气流通管4的第五端口相连通。待光电离飞行时间质谱仪12的真空度和烟气传输石英毛细管8的加热温度满足要求时，即可进行实验。

实验过程中，首先，在卷烟夹持器9中插入卷烟烟支10，然后启动商用单通道吸烟机1，同时进行点火抽吸。抽吸时，卷烟烟气粒相物被剑桥滤片拦截，气相物经卷烟夹持器9进入五端口烟气流通管4内，此时微量的待测卷烟烟气通过烟气传输石英毛细管8，在真空负压的作用下被引入至光电离飞行时间质谱仪12的光电离区16；与此同时，五端口烟气流通管4内的压力会发生突然变化，此压力变化被压力感应器6感应，并转换成电信号，此电信号经带专用程序控制软件的电脑23传输给光电离飞行时间质谱仪12，光电离飞行时间质谱仪12接收到信号后被启动并行烟气分析；当卷烟抽吸停止时，五端口烟气流通管4的压力会再次发生突然变化，并被压力传感器6感应转换成电信号，此电信号再经带专用程序控制软件的电脑23传输给光电离飞行时间质谱仪12，停止烟气分析。经过此抽吸和分析，即可获得第一口主流烟气气相化学成分的光电离质谱图。

当第一口烟气抽吸并分析完毕后，将燃烧的卷烟烟支轻轻从卷烟夹持器中拔出，此时商用单通道吸烟机的抽吸筒2通过吸烟机电磁三通阀3与烟气排出管5相连通；一定时间后，残留烟气清除器7中的膜片真空泵7c与五端口烟气流通管4相连通，并按一定的循环程序清除卷烟夹持器9和五端口烟气流通管4内的残留烟气。由于在残留烟气清除的开始和停止时，五端口烟气流通管4内的压力也会发生两次突然变化，因此，光电离飞行时间质谱仪12也同样会测量出残留烟气的光电离质谱图。根据连续几次测定的残留烟气光电离质谱图，可以判断残留烟气是否清除完全。当残留烟气完全清除后，将燃烧的卷烟烟支10重新插入卷烟夹持器9中，继续抽吸。重复上述动作即可完成对单口卷烟烟气气相化学成分的逐口实时分析。

由于残留烟气的清除必须在每两口卷烟烟气抽吸间隙(通常是58秒)内完成，为了达到在规定的时间内完全清除残留烟气的目的，可以在正式样品分析前进行几次预分析，即当一口卷烟烟气抽吸完成后，通过重新设置烟气清除电磁三通阀7的运行程序II来改变膜片真空泵7c的每次抽吸时间和抽吸次数，并结合残留烟气的光电离质谱图的判断，来达到将残留烟气完全清除的目的；然后根据完全清除的结果，确定膜片真空泵7c和烟气清除电磁三通阀7a的运行程序，正式开始分析实验。

当测定标准气体的光电离质谱图时，首先从标准气体袋11的气体吸嘴11h上取下密封帽11i，并将气体吸嘴11h插入卷烟夹持器9中，打开二通阀B11g，启动商用单通道吸烟机1进行抽吸；抽吸结束后，从卷烟夹持器9中取下气体吸嘴11h，关闭二通阀B11g。一定时间后，残留烟气清除器7中的膜片真空泵7c与五端口烟气流通管4相连通，并按一定的循环程序清除卷烟夹持器9和五端口烟气流通管4内的残留标准气体。清除完毕后，将另一浓度标准气体袋11的气体吸嘴11h插入卷烟夹持器9中，继续抽吸。重复上述动作，即可完成对不同浓度标准气体的分析。

实施例1

将吸烟机抽吸参数条件设定为标准抽吸模式，即每口抽吸35mL、抽吸2秒钟，抽吸间隙为58秒钟；采用PKS106型真空紫外氪灯(德国Heraeus公司产生)作为光电离飞行时间质谱仪的真空紫外光源，该灯产生光子能量为10.6eV，能够将卷烟烟气中大多数的化学成分直接电离成分子离子；烟气传输石英毛细管的内径和长度分别设定为100μm和15cm，其加热温度设定为200℃；通过残留烟气清除器的电磁阀控制器将烟气清除电磁三通阀的运行程序II设置为：首先使膜片真空泵与空气流入管7d相连通，时间为4秒钟，然后使膜片真空泵与五端口烟气流通管4的第五端口相连通，时间为5秒钟，循环4次。在烟气分析时，同时启动商用单通道吸烟机和烟气清除电磁三通阀的运行程序II，由于卷烟抽吸时间为2秒钟，因此第一次残留烟气的清除是在卷烟抽吸结束后2秒钟时进行的，第二次至第四次残留烟气的清除均是在上次残留烟气清除后4秒钟时进行的；当一支卷烟抽吸完毕后，通过残留烟气清除器7中的电磁阀控制器7b将烟气清除电磁三通阀的运行从程序II切换至程序I。采用上述过程，即可以获得逐口实时分析时单口烟气气相成分的光电离质谱图，分析结果参见图4。

另外，由于在每一次残留烟气清除时，质谱仪均会进行一次分析，因此同样也会测量出残留烟气的光电离质谱图，图5给出了第一口烟气分析后连续4次清除残留烟气时的光电离质谱图。

实施例2

基本同实施例1，所不同的是吸烟机抽吸的不是卷烟烟气，而是抽吸浓度分别为98ppm、62ppm、20ppm、6ppm和1ppm的甲苯标准气体(甲苯的氮气稀释气体)。不同浓度的甲苯标准气体的光电离质谱图以及浓度为98ppm的标准气体分析结束后连续4次清除残留气体时的光电离质谱图，分别参见图6和图7。

因此，本发明所提供的一种卷烟主流烟气气相成分实时分析装置，不但可以实现吸烟机与光电离飞行时间质谱仪之间的联动和卷烟抽吸过程与烟气分析过程的同步进行，而且还有效地消除了逐口实时分析卷烟烟气时上口烟气的残留对下口烟气产生的干扰效应，以及因标准气体采样与卷烟抽吸采样模式的不同而带来的系统误差，从而为烟草科技人员准确、科学地逐口实时分析新鲜的单口卷烟烟气提供了一种有效的技术方法和手段。

Claims (3)

1.一种卷烟主流烟气气相成分实时分析装置，其特征是：设置商用单通道吸烟机(1)、光电离飞行时间质谱仪(12)、五端口烟气流通管(4)、烟气传输石英毛细管(8)、电脑(23)和残留烟气清除器(7)；

所述商用单通道吸烟机(1)的抽吸筒(2)前端的吸烟机电磁三通阀(3)的第一个端口与所述抽吸筒(2)相连，第二个端口与所述五端口烟气流通管(4)的第一端口相连，第三个端口与烟气排出管(5)相连；

所述光电离飞行时间质谱仪(12)的外部设置有上部真空抽气口(13)、下部真空抽气口(14)和信号输入输出接口(22)，内部设置有真空紫外光源(15)和光电离区(16)；

所述五端口烟气流通管(4)的第二端口与卷烟夹持器(9)相连通，且所述卷烟夹持器(9)既可以在其中插入卷烟烟支(10)、也可以与标准气体袋(11)相连接；

所述五端口烟气流通管(4)的第三端口与所述烟气传输石英毛细管(8)相连通，第四端口与压力感应器(6)相连，第五端口与残留烟气清除器(7)相连；

所述烟气传输石英毛细管(8)的一个端口与所述五端口烟气流通管(4)的第三端口相连通，另一个端口穿过所述光电离飞行时间质谱仪(12)的腔壁进入光电离区(16)中；

所述电脑(23)通过导线分别与所述压力传感器(6)和所述光电离飞行时间质谱仪(12)的信号输入输出接口(22)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种卷烟主流烟气气相成分实时分析装置，其特征在于：所述残留烟气清除器(7)由烟气清除电磁三通阀(7a)、电磁阀控制器(7b)、膜片真空泵(7c)和空气流入管(7d)组成；所述烟气清除电磁三通阀(7a)的第一个端口与所述五端口烟气流通管(4)的第五端口相连，第二个端口可以经过渡软管(7e)与膜片真空泵(7c)相连，第三个端口与所述空气流入管(7d)相连，且所述烟气清除电磁三通阀(7a)的运行程序可由所述电磁阀控制器(7b)设置并控制。

3.根据权利要求1所述的一种卷烟主流烟气气相成分实时分析装置，其特征在于：所述标准气体袋(11)由袋体(11a)、气体流入管(11d)、气体流出管(11e)、二通阀A(11f)和二通阀B(11g)组成；所述袋体(11a)上设置有两个开口，其中一个开口是依次与所述气体流入管(11d)和所述二通阀A(11f)相连的气体流入口(11b)，另一个开口是依次通过所述气体流出管(11e)和所述二通阀B(11g)与气体吸嘴(11h)相连通的气体流出口(11c)；且所述气体吸嘴(11h)既以可插入密封帽(11i)中，也可以插入所述卷烟夹持器(9)中。