CN107300541A - 一种定量表征电子烟烟雾质量浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定量表征电子烟烟雾质量浓度的方法。利用模拟抽吸装置触发电子烟产生烟雾，并用透明容器作为烟雾测量腔实时收集产生的电子烟烟雾，使用激光光束照射透明的烟雾测量腔，测定激光光束的入射光强I和透射光强I₀，计算出透光率T；再利用关系式即可对电子烟烟雾质量浓度进行实时定量的表征。本发明在充分考虑了烟雾的光散射和光吸收作用前提下，建立了烟雾质量浓度与透光率的定量关系，且测定时无需对烟雾进行稀释或其他处理，具有快速准确、实时直观、重复性好等优点。为电子烟烟雾的定量评价、实时测定奠定了理论基础。该方法应用于烟雾量的测定时灵敏度高、精度高和重复性好，可以进一步拓展应用于测定其他雾状气溶胶。

Description

一种定量表征电子烟烟雾质量浓度的方法

技术领域

本发明属于电子烟技术领域，具体是涉及一种定量表征电子烟烟雾质量浓度的方法。

背景技术

近年来，随着WHO《烟草控制框架公约》的深入实施，全球控烟形式的日益严峻和消费者健康意识的逐步提高，电子卷烟作为低危害新型烟草制品的一种重要形式，采用微电子技术人性化地模拟整个抽烟过程，通过电加热方式雾化烟油来产生气溶胶供抽吸者享用，因其在生理感受、心理感知和吸食方式等方面比较接近于传统卷烟，受到广大消费者的青睐而获得了快速发展。

烟雾质量浓度作为电子烟感官质量评价的重要质量指标之一，它对用户抽吸体验、心理需求和生理满足感有直接影响。目前，国内外科研工作者已针对电子烟烟雾开展了一些定量测定、粒径分布和与卷烟烟气比较的研究。例如，专利CN104122179A，使用快速粒径谱仪测定气溶胶颗粒的粒径分布和数目后通过计算可表征烟雾量，测定时首先需对电子烟烟雾进行稀释处理，虽能评价单口或多口抽吸产生的烟雾总量，但无法实现逐口的连续、实时测定，且稀释时会对烟雾的真实结果产生影响。专利CN106102487A涉及一种电子烟及其烟雾量控制方法，以建模方式根据抽吸力度匹配电子烟产品的烟雾量；专利CN105122039A公开的一种电子烟烟雾量测试仪和测试方法，虽然可将实际烟雾量与预设定的最小烟雾量进行粗略比较，但尚未能对电子烟烟雾质量浓度进行准确表征。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可定量表征电子烟烟雾质量浓度的方法，实现电子烟烟雾质量浓度的实时、在线、快速和定量检测，为电子烟烟雾的量化研究提供技术支持。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现。

除非另有说明，本发明所采用的百分数均为质量百分数。

本发明的技术方案主要基于以下认识：根据气溶胶消光定律可知，当一束光强为I₀的单色平行光通过介质厚度为L的粉尘区域,假设单位粉尘区域有N个大小相同的散射颗粒,那么受颗粒的散射和吸收的共同作用,透过粉尘区域的单色平行光的光强I将会减弱。而光线通过雾状气溶胶或溶液时也存在同样的现象。本发明基于光透射原理和消光定律提出了一种定量表征电子烟烟雾质量浓度的方法，包括以下步骤：

(1)利用模拟抽吸装置触发电子烟产生烟雾；

(2)用透明容器作为烟雾测量腔，实时收集产生的电子烟烟雾；

(3)使用激光光束照射烟雾测量腔，测定激光光束的入射光强I和透射光强I₀，依据透光率定义T＝I/I₀计算得到透光率T；

(4)根据气溶胶理论，按下式计算即可得到电子烟烟雾的质量浓度：

式中W为电子烟烟雾质量浓度；λ为入射光波长；ρ₀为烟雾颗粒标准密度，为常数1.0g/cm³；L为激光光束的光程；C为与入射光波长对应的经验常数；T为透光率。

优选的，所述的入射光波长为1.06μm，对应的经验常数C为0.61。

所述的烟雾测量腔内为抽真空状态。

本发明的定量表征电子烟烟雾质量浓度的方法，测试光源选择单色性好、相干性强、平行性好的激光。通过测定烟雾透光率间接量化表征烟雾质量浓度，烟雾质量浓度与-LnT成正比；进而在确定的光源波长、光程和颗粒标准密度、经验常数的基础上，通过计算准确表征电子烟烟雾质量浓度。

具体的计算、推导过程如下：

(1)光在大气中传输的一般方程

(2)透光率的定义

(3)对于某一雾滴尺度谱，其消光系数G_ext与消光因子Q_ext之间满足关系:

(4)根据Chylek的研究结果，当选择适当的波长时，气溶胶消光因子 Q_ext与粒子尺寸α满足近似关系式：

(5)经计算转换可得

(6)单位体积的气溶胶质量烟雾量即为气溶胶烟雾质量浓度，即

联立上述公式，有

其中，W为电子烟烟雾质量浓度；λ为入射光波长；ρ₀为烟雾颗粒标准密度；L为激光光束的光程；C为与入射光波长对应的经验常数；T为透光率； G_ext为气溶胶消光系数；Q_ext为消光因子；n(r)为雾滴尺度谱。

从以上推导过程可知，电子烟烟雾质量浓度的值取决于烟雾颗粒直径d、颗粒密度ρ₀、入射光强I₀、出射光强I、光源的波长λ、光程L及经验常数C。由于采用消光系数作为中间变量，即已同时考虑了雾滴的光散射和雾滴的光吸收作用，当测量腔内抽真空时，空气分子对烟雾的消光作用可以忽略。

结合相关文献及气溶胶理论，通常假定电子烟烟雾中的气溶胶颗粒为球形且颗粒密度为标准密度，即水的密度：1.0g/cm³。实际上，在对比同一电子烟逐口烟雾量的变化或比较不同电子烟烟雾量的差别时，颗粒密度值的选取只要固定，不会影响烟雾质量浓度或烟雾量相对值的大小。采用同一测试系统时，k＝2λρ₀/3πLC即为定值，电子烟烟雾质量浓度与-lnT严格成正比关系，可以使用-lnT间接实时定量表征烟雾质量浓度W。

进一步的，通过将电子烟烟雾质量浓度值对烟雾测量腔体积进行积分运算后，就可以准确地表征电子烟的烟雾质量。

从以上原理描述还可以看出，本发明的方法并不局限于电子烟烟雾的表征，还可拓展应用于其他雾状气溶胶质量浓度或气溶胶总质量的定量表征。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

1、现有技术中，对于电子烟烟雾质量浓度的定量表征方法未见报道，本发明首创性地提出了一种实时、在线和定量表征电子烟烟雾质量浓度的方法，为电子烟烟雾的定量评价、实时测定奠定了理论基础。

2、本发明在充分考虑烟雾的光散射和光吸收作用前提下，建立了电子烟烟雾质量浓度与透光率之间的定量关系，且测定时无需对电子烟烟雾进行稀释或其他处理，具有快速准确、实时直观、重复性好等优点。

3、本发明应用于电子烟烟雾质量浓度或烟雾量的测定与表征时，具有灵敏度高、精度高和重复性好的特点。通过选择合适的测试光源波长，还可以拓展应用于测定其他雾状气溶胶。

附图说明

图1为本发明实施例中定量表征电子烟烟雾质量浓度的原理示意图；

图2为实施例1两种抽吸间隔的烟雾质量浓度随抽吸口数的变化曲线；

图3为实施例2不同溶剂的烟雾质量浓度变化曲线；

图4为实施例3不同工作电压下烟雾质量浓度的变化曲线。

图中：1-烟雾质量浓度测试系统；2-测试分析软件；3-激光源；4-准直透镜；5-烟雾测量腔；6-接收透镜；7-测试样；8-流量控制单元；9-光电接收器；10-信号处理电路。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，但附图和实施例并不是对本发明技术方案的限定，所有基于本发明教导所作出的变化或等同替换均应属于本发明的保护范围。

实施例1

对样品电子烟的烟雾质量浓度进行实时在线检测。

如图1所示，测试系统由下位机烟雾质量浓度测试装置和PC端上位机测试分析软件组成。测试装置与分析软件以串口或以太网方式建立连接，实现数据传输。所述的烟雾质量浓度测试装置包括激光源、准直透镜、由透明材料制成的烟雾测量腔、接收透镜、光电接收器、信号处理电路等。

测试系统的工作过程简述如下：由步进电机带动丝杠拉伸注射器活塞杆使烟雾测量腔内部产生负压，进而触发电子烟工作，同时将电子烟产生的烟雾吸入烟雾测量腔。激光源发射的光束经准直透镜校直后，照射至透明的烟雾测量腔，入射光信号经电子烟气溶胶后到达接收透镜，光电接收器将采集到的光信号发送至信号处理电路进行处理，最后将电子烟每口烟雾的-lnT数据实时显示在PC端软件界面上。其中，测试激光的入射光波长为1.06μm，对应的经验常数C为0.61。表1给出了部分光源波长与经验参数的对应关系。

表1波长与经验常数的对应关系

测试样品：选用市售可注油式雾化器(Φ9.2X49mm，电阻3.0Ω)与电池杆(Φ9.2X84mm，电池容量180mAh)，加注等质量的烟碱含量分别为6mg、12mg 和18mg的烟草口味烟油，并设定烟雾质量浓度测试系统的抽吸参数为：抽吸容量55mL，抽吸持续时间3s，虚线、实现分别代表抽吸间隔时间为8s、 30s，测定逐口的烟雾量，结果见图2曲线，其中(a)～(c)烟碱含量依次对应6～18mg，横坐标代表抽吸口数，纵坐标代表-lnT。短抽吸间隔对应的烟雾质量浓度更大，此测试结果与实际情况相符。

测试过程：将准备好的测试样品组装成可工作的电子烟，并将图1所示的测试系统进行复位后，将样品装夹于图1测试系统中7的位置，通过仪器操控界面的参数设置栏设置抽吸容量、抽吸持续时间、抽吸间隔时间及预设的总抽吸口数等参数后点击/选择确定，然后启动PC端的数据记录软件，最后点击/选择运行，系统将按照设定状态进行工作，同时PC端界面将实时记录并显示每口抽吸过程中-lnT的数值结果。

若能确定测试系统中的光源波长、经验常数和气溶胶实时颗粒密度等，可通过修改软件使界面直接输出烟雾质量浓度的实时结果。由表2可知，电子烟烟雾的-lnT会在显示终端实时显示，且无需对电子烟气溶胶进行稀释或其他特殊处理，根据数据可以确定本发明具有快速准确、实时直观、重复性好(平行测定的相对误差≤5％)等优点。若测试系统中换用其他适合波长的光源，重新标定测试系统的比例系数k值，则可用于其他雾状气溶胶的烟雾质量浓度表征。

表2烟碱6mg的电子烟烟雾-lnT的实测结果

注：表中仅列出测试过程中前25口的-lnT实时数据，其中烟碱含量6mg，抽吸容量35mL，抽吸持续时间3s，1和2#通道的抽吸间隔时间30s，3和4#通道抽吸间隔时间8s。

实施例2

重复实施例1，有以下不同点：选用市售可注油式雾化器(Φ9.2X49mm，电阻3.0Ω)与电池杆(Φ9.2X84mm，电池容量180mAh)，分别灌注等质量的 1,2-丙二醇、甘油、1,2-丙二醇：甘油＝2：1(质量比)三种常用烟油溶剂，采用CORESTA N81抽吸模式(抽吸容量55mL，抽吸持续时间3s，抽吸间隔30s) 进行抽吸，并测定逐口的烟雾质量浓度。结果见图3曲线，其中实线表示丙二醇，带菱形的实线表示甘油，虚线表示甘油与丙二醇的混合溶液，可知烟雾质量浓度甘油与丙二醇混合溶剂>甘油>丙二醇,这与感官质量评价结果完全吻合。

实施例3

重复实施例1，有以下不同点：选用市售可注油式雾化器(Φ9.2X49mm，电阻3.0Ω)和直流稳压电源进行实验，工作电压分别设置为3.7V、4.2V、 4.7V和5.2V，灌注等质量的烟碱含量18mg的烟草口味烟油，采用CORESTA N81抽吸模式进行抽吸，并测定逐口的烟雾质量浓度。结果如图4所示，实线、带三角形的实线、带正方形的实线和虚线分别表示工作电压为3.7V、4.2V、 4.7V和5.2V，曲线表明阻值一定时，烟雾质量浓度随工作电压升高而增大，且抽吸过程中质量浓度愈加稳定，该结果与实际情况一致。

Claims (4)

1.一种定量表征电子烟烟雾质量浓度的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)利用模拟抽吸装置触发电子烟产生烟雾；

(2)用透明容器作为烟雾测量腔，实时收集产生的电子烟烟雾；

(3)使用激光光束照射烟雾测量腔，测定激光光束的入射光强I和透射光强I₀，依据透光率定义T＝I/I₀计算得到透光率T；

(4)根据气溶胶理论，按下式计算即可得到电子烟烟雾的质量浓度：

<mrow> <mi>W</mi> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;lambda;&amp;rho;</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mn>3</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>L</mi> <mi>C</mi> </mrow> </mfrac> <mi>ln</mi> <mi> </mi> <mi>T</mi> <mo>;</mo> </mrow>

式中W为电子烟烟雾质量浓度；λ为入射光波长；ρ₀为烟雾颗粒标准密度，为常数1.0g/cm³；L为激光光束的光程；C为与入射光波长对应的经验常数；T为透光率。

2.根据权利要求1所述的定量表征方法，其特征在于：所述的入射光波长为1.06μm，对应的经验常数C为0.61。

3.根据权利要求1所述的定量表征方法，其特征在于：所述的烟雾测量腔内为抽真空状态。

4.根据权利要求1所述的定量表征方法，其特征在于：再进一步的将电子烟烟雾质量浓度值对烟雾测量腔体积进行积分运算，即可得出实时的电子烟烟雾质量。