CN107807165B - 一种在线监测吸烟者吸入和呼出卷烟主流烟气气相化学成分口腔残留效率的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在线监测吸烟者吸入和呼出卷烟主流烟气气相化学成分口腔残留效率的实验装置，其特征是：设置四端口烟气入嘴器、卷烟夹持器、气动三通阀、电动三通阀、在线分析质谱仪、烟气传输石英毛细管、压力传感器、真空隔膜泵、电脑和抽吸控制器。本发明结构简单、操作方便、不涉及任何前处理过程，适合于同时检测单口卷烟主流烟气气相中多种化学组分在吸烟者吸入和呼出口腔过程时的残留，从而实时获得不同吸烟者抽吸卷烟时主流烟气气相化学成分在口腔中的残留效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种在线监测吸烟者吸入和呼出卷烟主流烟气气相化学成分口腔残留效率的实验装置，属于烟草化学技术研究领域。
背景技术
吸烟者在抽吸卷烟时，一部分烟气被呼出到环境中，另一部分会残留在口腔内。这些残留烟气会刺激吸烟者口腔内壁，形成干燥、收敛、余味等一系列味觉特征，在给吸烟者带来生理享受的同时，也对吸烟者自身健康造成危害。其中，烟气中气相物质占烟气总量的92％,且其化学性质十分活泼，并含有多种有害成分，越来越受到人们的关注和重视。而卷烟烟气是一种十分复杂的混合物，通常，为了研究方便，人们采用剑桥滤片将烟气分为粒相物质和气相物质两部分进行单独研究。
在过去几十年里，人们对卷烟烟气中的气相成分进行了大量研究。但是，采用的基本都是离线的研究方法，大都是间接先将吸烟者吸入和呼出口腔的烟气收集，或是直接用稀的酸溶液洗清口腔收集烟气残留物，然后再进行检测分析。对于烟气气相物在口腔中的残留效率测定，常用的方法有集气袋捕集/色谱分析、溶剂捕集/光谱分析以及冷阱捕集/色谱分析等分析手段，而这些离线的分析方式在捕集或前处理过程中都会存在一定实验误差，影响分析结果的准确性。近些年来，对单口卷烟烟气气相成分进行实时、在线的分析研究受到了人们的关注，这种方式无需前处理，可直接对烟气成分进行取样分析。专利CN104614464A提出将吸烟机作为标准抽吸源，保证每次进入吸烟者口腔中烟气的量一致，并利用光电离飞行时间质谱仪对在吸烟者口腔内残留的主流烟气气相成分进行快速在线分析，实时获得了多种化学组分在人体口腔中的残留效率，提供了一种良好的分析手段。然而，不同吸烟者具有不同的抽吸方式和抽吸习惯，到目前为止，尚没有针对不同吸烟者在整个自然抽吸过程残留在口腔中烟气成分的实时在线研究报道。
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、快速方便、测定结果准确可靠、可以实现对不同吸烟者正常抽吸卷烟时吸入和呼出口腔的烟气气相成分直接进行取样分析的在线烟气分析实验装置，从而为烟草科技人员测量卷烟主流烟气气相化学成分在吸烟者口腔中的残留效率提供一种良好的技术手段。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
一种在线监测吸烟者吸入和呼出卷烟主流烟气气相化学成分口腔残留效率的实验装置，其结构特点是：设置四端口烟气入嘴器、卷烟夹持器、气动三通阀、电动三通阀、在线分析质谱仪、烟气传输石英毛细管、压力传感器、真空隔膜泵、电脑和抽吸控制器；
所述四端口烟气入嘴器的第一端口与压力传感器相连，第二端口为口含端口，第三端口通过烟气传输石英毛细管与在线分析质谱仪相连，第四端口与气动三通阀的第三端口相连；
气动三通阀的第一端口与卷烟夹持器相连，气动三通阀的第二端口与电动三通阀的第三端口相连；电动三通阀的第一端口与真空隔膜泵相连，电动三通阀的第二端口通过一抽气口连通大气。
本发明一种在线监测吸烟者吸入和呼出卷烟主流烟气气相化学成分口腔残留效率的实验装置，其结构特点也在于：
所述电脑利用设定程序，将压力传感器和在线分析质谱仪通过信号传输线相连接，且质谱仪采谱时的启动、结束信号控制与压力传感器的压力变化相关联。
所述抽吸控制器利用设定程序，将气动三通阀、电动三通阀通过信号传输导线与压力传感器相连接，且三通阀门的开启、关闭与压力传感器的压力变化相关联。
所述抽吸控制器用于精确记录抽吸者的抽吸时间至0.1s，可根据抽吸情况设定抽吸间隔时间，并能向真空隔膜泵反馈当气流经过压力传感器时压力变化对应的流速大小。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明通过四端口烟气入嘴器将气动三通阀、压力传感器和质谱仪相连接，运用电脑设定程序，通过压力传感器的压力变化反馈信号控制光电离飞行时间质谱仪采谱的启动、停止信号，有效地实现了吸烟者在吸烟过程中与光电离飞行时间质谱仪之间的联动。
2、本发明在测定吸烟者呼出的卷烟烟气时，压力传感器通过吸烟者抽吸卷烟时压力的变化将信号反馈给抽吸控制器，由抽吸控制器调节真空隔膜泵的抽速来控制吸烟者呼出的烟气，实现了吸烟者在抽吸和呼出烟气时烟气流速的一致性。
3、本发明结构简单、操作方便，能够实现对吸烟者抽吸卷烟时进入口腔以及随后从口腔中呼出的烟气气相成分直接进行快速取样和在线分析，测量时无需任何溶剂和前处理过程，适合于不同抽吸方式的吸烟者，且一次检测能够获得卷烟烟气气相物中多种组分口腔残留效率的测定结果。
附图说明
图1为本发明结构示意图，图中标号：1卷烟烟支、2卷烟夹持器、3气动三通阀、4气动三通阀的第一端口、5气动三通阀的第三端口、6气动三通阀的第二端口、7电动三通阀、8电动三通阀的第一端口、9电动三通阀的第三端口、10电动三通阀的第二端口、11抽气口、12真空隔膜泵、13压力传感器、14四端口烟气入嘴器、15口含端口、16弧形密封片、17烟气传输石英毛细管、18加热套、19在线分析质谱仪、20电脑、21抽吸控制器。
图2为实施例1中某吸烟者吸入(a)和呼出(b)卷烟烟气的在线分析质谱图。
图3为实施例1中某吸烟者抽吸某品牌卷烟10次的时间记录及几种化学成分残留结果。
图4为实施例1中7名吸烟者各自抽吸同一品牌卷烟10次测试的平均残留结果对比。
具体实施方式
以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，装置的各构成部分包括：卷烟夹持器2、气动三通阀3、电动三通阀7、真空隔膜泵12、压力传感器13、四端口烟气入嘴器14、烟气传输石英毛细管17、在线分析质谱仪19、电脑20和抽吸控制器21；
四端口烟气入嘴器14的第一端口与压力传感器13相连，第二端口为口含端口15，第三端口通过烟气传输石英毛细管17与在线分析质谱仪19相连，第四端口与气动三通阀的第三端口5相连；
气动三通阀的第一端口4与卷烟夹持器2相连，气动三通阀的第二端口6与电动三通阀的第三端口9相连；
电动三通阀的第一端口8与真空隔膜泵12相连，电动三通阀的第二端口10通过一抽气口11连通大气。
在烟气传输石英毛细管17外设置有加热套18。在口含端口15处设置有弧形密封片16。
电脑20利用设定程序，通过信号传输线将压力传感器13和在线分析质谱仪19相连接，且质谱仪采谱时的启动、结束信号控制与压力传感器13的压力变化相关联。
抽吸控制器21利用设定程序，将气动三通阀3和电动三通阀7通过信号传输导线与压力传感器13相连接，且三通阀门的开启、关闭与压力传感器13的压力变化相关联。
抽吸控制器21可精确记录抽吸者的抽吸时间至0.1s，可根据抽吸情况设定抽吸间隔时间，并能向真空隔膜泵12反馈当气流经过压力传感器13时压力变化对应的流速大小。
具体实施中，电脑20装有专用的压力传感器13信号接收和在线分析质谱仪19联锁控制的程序软件；抽吸控制器21将气动三通阀3和电动三通阀7通过信号传输导线与压力传感器13相连接，并由程序通过压力和时间变化联锁控制三通阀的开关；位于四端口烟气入嘴器14的第三端口和在线分析质谱仪19之间经烟气传输石英毛细管17相连，且石英毛细管外部由一个带专用温度控制器的加热套18加热；且整个烟气传输管道内径为2mm，总长不超过8cm，管道残留的烟气量相对抽吸时的烟气量可忽略。
实验前，打开抽吸控制器21、在线分析质谱仪19以及真空隔膜泵12的工作电源；设置抽吸控制器21抽吸条件，包括：抽吸时间间隔、三通阀门切换频率以及管道内压力变化的反馈；待在线分析质谱仪19的真空度满足要求时，即可进行实验。
实验时，首先，在卷烟夹持器2中放置剑桥滤片，将气动三通阀的第一端口4和气动三通阀的第三端口5连通，通过四端口烟气入嘴器14将气动三通阀3和在线分析质谱仪19相连；调整电动三通阀的第一端口8和电动三通阀的第二端口10连通，将真空隔膜泵12直接通过抽吸口11连接大气，开启真空隔膜泵12运行至泵抽速稳定；然后，将事先做好标记的卷烟点燃(标记距烟支头部10mm)，待烟支阴燃至标记处，再将卷烟烟支1插入卷烟夹持器2中；接着，吸烟者将四端口烟气入嘴器14的口含端口15含入口腔中，开始抽吸卷烟；吸烟者抽吸时，卷烟烟气粒相成分被剑桥滤片拦截，气相成分经四端口烟气入嘴器14进入到吸烟者口腔内，此时微量的待测烟气通过烟气传输石英毛细管17被引入至在线分析质谱仪19中；与此同时，四端口烟气入嘴器14管道内压力会突然变化并触发压力传感器13，感应信号经带专用控制程序的电脑20传递给在线分析质谱仪19，光电离质谱接收到信号后即被启动并进行烟气分析；当吸烟者停止抽吸时，四端口烟气入嘴器14管道内压力会再次发生突然变化，并经压力传感器13感应传输给在线分析质谱仪19，停止烟气分析，同时抽吸控制器21会记录下整个抽吸时间，此过程可获得吸烟者吸入一口烟气气相化学成分的光电离质谱图。
当一口抽吸并分析完毕后，吸烟者用手紧压弧形密封片16以确保实验过程中不会发生口腔泄露现象；待烟气在口腔中按设置间隔(2s)停留一定时间后，根据抽吸控制器21设定条件，气动三通阀3迅速切换至气动三通阀的第三端口5和气动三通阀的第二端口6连通，同时电动三通阀7切换至电动三通阀的第一端口8和电动三通阀的第三端口9连通，真空隔膜泵12则根据抽吸控制器21反馈吸烟者抽吸时烟气的流速开始将烟气从口腔中抽出；与此同时，四端口烟气入嘴器14管道内压力亦会突然变化并触发压力传感器13，感应信号经带专用控制程序的电脑20传递给在线分析质谱仪19，光电离质谱接收到信号后即被启动并进行烟气分析；根据抽吸控制器21记录并反馈抽吸者的抽吸时间，真空隔膜泵12在抽出吸烟者口腔中烟气后，迅速将电动三通阀7切换至电动三通阀的第一端口8和电动三通阀的第二端口10连通，同时气动三通阀3切换至气动三通阀的第一端口4和气动三通阀的第三端口5连通，此时，四端口烟气入嘴器14管道内压力会再次发生突然变化，并经压力传感器13感应传输给在线分析质谱仪19，停止烟气分析，此过程可获得吸烟者吸入一口烟气后未被口腔吸收的气相化学成分光电离质谱图。最后，根据前后两次获得的质谱图，便可实时得到吸烟者在抽吸任意一口烟气过程口腔中卷烟烟气气相组分的残留效率。
实施例1
将抽吸控制器21按抽吸要求设置，即烟气在吸烟者口腔中停留时间为2s、记录抽吸时间精确至0.1s；在线分析质谱仪19信号采集的启动、停止设置根据压力传感器13的反馈信号进行；烟气传输石英毛细管的内径和长度分别设定为100μm和12cm；气动三通阀3和电动三通阀7的程序设置为：首先，气动三通阀的第一端口4和气动三通阀的第三端口5，电动三通阀的第一端口8和电动三通阀的第二端口10连通，1名吸烟者进行抽吸卷烟的过程，在线分析质谱仪19会根据压力传感器13的感应信号启动、停止完成抽吸过程的烟气分析，即可获得吸烟者吸入一口烟气气相化学成分的光电离质谱图，记录抽吸时间为ts，吸入口腔的烟气分析结果参见图2(a)。
接着，当一口抽吸过程分析完毕，烟气在吸烟者口腔中停留2s后，气动三通阀3迅速切换至气动三通阀的第三端口5和气动三通阀的第二端口6连通，同时电动三通阀7切换至电动三通阀的第一端口8和电动三通阀的第三端口9连通，真空隔膜泵12则根据抽吸控制器21反馈吸烟者抽吸时烟气的流速开始将烟气从口腔中抽出，同时在线分析质谱仪19会根据压力传感器13的感应信号启动，进行烟气分析；经过ts后，迅速将电动三通阀7切换至电动三通阀的第一端口8和电动三通阀的第二端口10连通，同时气动三通阀3切换至气动三通阀的第一端口4和气动三通阀的第三端口5端口连通，在线分析质谱仪19会根据压力传感器13的感应信号停止完成呼出过程(未被口腔吸收的烟气量)的烟气分析，即可获得吸烟者吸入一口烟气后未被口腔吸收的气相化学成分光电离质谱图，呼出口腔的烟气分析结果参见图2(b)。
采用上述整个过程，通过图2(a)和(b)中不同烟气化学成分的峰面积，即可实时得到它们在吸烟者一次抽吸和呼出烟气过程中的口腔残留效率。
实施例2
基本同实施例1，让有着不同烟龄的编号分别为①～⑦共7名实验人员分别参与卷烟烟气的抽吸口腔残留测试，其中，①和②为轻度烟龄，③、④和⑤为中度烟龄，⑥和⑦为重度烟龄。虽然每位抽吸者因抽吸习惯、方式不一样，使得抽吸时间以及口腔残留效率有所差别，但不影响实验的重复性和准确性。实验中，每名实验人员重复10次抽吸实验，且每次抽吸均更换一支新的卷烟。图3的表中列举了其中1名实验人员(④)抽吸某品牌卷烟10次的时间记录和残留结果。图4则列出了某品牌卷烟质量数分别42、44、58、72、78和94的几种烟气化学组分在7名实验人员10次抽吸和呼出烟气过程中的平均口腔残留效率对比。
因此，本发明所提供的一种在线监测吸烟者吸入和呼出卷烟主流烟气气相化学成分口腔残留效率的实验装置，可以针对不同吸烟者实现对抽吸单口卷烟而产生的烟气气相成分和吸烟者呼出烟气气相成分直接进行取样和在线分析，且能同时检测单口抽吸时卷烟主流烟气气相中多种化学组分在吸烟者吸入和呼出口腔过程的残留效率，为烟草科技人员在线测量卷烟主流烟气气相化学成分在吸烟者抽吸卷烟时口腔中的残留效率提供一种良好的方法和手段。以上仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种在线监测吸烟者吸入和呼出卷烟主流烟气气相化学成分口腔残留效率的实验装置，其特征在于：设置四端口烟气入嘴器(14)、卷烟夹持器(2)、气动三通阀(3)、电动三通阀(7)、在线分析质谱仪(19)、烟气传输石英毛细管(17)、压力传感器(13)、真空隔膜泵(12)、电脑(20)和抽吸控制器(21)；
所述四端口烟气入嘴器(14)的第一端口与压力传感器(13)相连，第二端口为口含端口(15)，第三端口通过烟气传输石英毛细管(17)与在线分析质谱仪(19)相连，第四端口与气动三通阀的第三端口(5)相连；
气动三通阀的第一端口(4)与卷烟夹持器(2)相连，气动三通阀的第二端口(6)与电动三通阀的第三端口(9)相连；
电动三通阀的第一端口(8)与真空隔膜泵(12)相连，电动三通阀的第二端口(10)通过一抽气口(11)连通大气；
所述电脑(20)通过信号传输线将压力传感器(13)和在线分析质谱仪(19)相连接，使所述在线分析质谱仪(19)采谱时的启动、结束信号控制与所述压力传感器(13)的压力变化相关联；
所述抽吸控制器(21)通过信号传输线将所述气动三通阀(3)、电动三通阀(7)与压力传感器(13)相连接，使三通阀门的开启、关闭与所述压力传感器(13)的压力变化相关联。
2.根据权利要求1所述的一种在线监测吸烟者吸入和呼出卷烟主流烟气气相化学成分口腔残留效率的实验装置，其特征在于：所述抽吸控制器(21)用于精确记录抽吸者的抽吸时间至0.1s，根据抽吸情况设定抽吸间隔时间，并能向真空隔膜泵(12)反馈当气流经过压力传感器(13)时压力变化对应的流速大小。
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