CN108445112A - 一种烟叶烟气中4-(n-甲基-n-亚硝胺)-1-(3-吡啶基)-丁酮的检测方法 - Google Patents

一种烟叶烟气中4-(n-甲基-n-亚硝胺)-1-(3-吡啶基)-丁酮的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种烟叶烟气中4‑(N‑甲基‑N‑亚硝胺)‑1‑(3‑吡啶基)‑丁酮(NNK)化合物的检测方法，包括以下步骤：(A)将烟叶样品和玻璃纤维滤片放置恒温恒湿下平衡48h；(B)称取不少于3.0g的步骤A得到的烟叶样品，置入石英管中后用红外线进行升温程序加热，并在加热时向石英管内通入空气以模拟烟叶燃烧过程，隔一段时间后停止红外线加热并改向石英管内通入氮气以模拟烟叶阴燃过程，并用玻璃纤维滤片捕集烟雾中的化学成分，反复执行模拟燃烧和模拟阴燃的步骤若干次；(C)将玻璃纤维滤片放入锥形瓶，加入内标物，用有机溶剂超声萃取；(D)萃取液用GC‑MS进行分析。该方法使烟丝用量可以超过4支卷烟的烟叶量，保证了烟叶烟气中痕量NNK的准确分析。

Description

一种烟叶烟气中4-(N-甲基-N-亚硝胺)-1-(3-吡啶基)-丁酮 的检测方法
技术领域
本发明属于分析化学技术领域，具体涉及一种简单高效、准确灵敏的烟叶烟气中4-(N-甲基-N-亚硝胺)-1-(3-吡啶基)-丁酮的检测方法，其中气相色谱-质谱联用在分析化学领域通常缩写为GC-MS，4-(N-甲基-N-亚硝胺)-1-(3-吡啶基)-丁酮通常缩写为NNK。
背景技术
烟草特有亚硝胺(TSNAs)是卷烟烟气中诱发癌症的主要活性成分之一，其中4-(N-甲基-N-亚硝胺)-1-(3-吡啶基)-丁酮(NNK)是4种烟草特有N-亚硝胺中致癌活性最强的一种。我国也将NNK列为烟气安全性评价的重要指标之一。因此,准确测定卷烟烟气中NNK的含量具有重要的意义。由于卷烟烟气中的烟草特有亚硝胺含量极微，特别是烤烟型卷烟。一般浓度均在ng/支数量级，卷烟烟气又是非常复杂的混合物，因此卷烟烟气中的烟草特有N-亚硝胺的定量分析有相当大的难度。目前，对于烟叶原料烟气中NNK的分析，需要经过卷制成卷烟，再用吸烟机抽吸，并捕集4支以上卷烟的主流烟气，然后进行分析。卷制成卷烟一般采用手工卷制和卷烟机卷制，手工卷烟稳定性不好，卷烟机卷制需要耗费大量的原料，吸烟机抽吸捕集烟气耗时，整个操作耗费大量的人力和物力。
为了简化实验操作过程，提高分析准确性，研究者用热裂解和热重模拟卷烟燃吸过程，将得到的烟气成分萃取后或直接用GC/MS等仪器进行分析，避免了烟支卷制和大量的前处理过程，节约了分析时间，提高了分析准确度。虽然热裂解中升温速度快，但需要冷阱、吸附管等捕集后再释放检测，并且其承载样品量小，导致微量的化学成分不易检出；另外目前热裂解仪采用加热丝加热，加热不均匀，加热余热不能快速降温，热裂解过程不能更真实的模拟卷烟抽吸(只能模拟卷烟燃烧升温过程，不能模拟降温过程)。热重分析仪虽然承载量大，但是升温速度太慢，通常小于10℃/秒，不能模拟卷烟燃吸过程的快速升温，从而不能准确分析吸烟过程中产生的化学成分。因此要实现烟叶烟气中NNK的快速分析，必须另辟蹊径。
发明内容
本发明提供了一种烟叶烟气中4-(N-甲基-N-亚硝胺)-1-(3-吡啶基)-丁酮(NNK)化合物的检测方法，采用红外镜面反射炉装置，模拟卷烟抽吸燃烧过程和阴燃过程，在模拟燃烧过程中，通入空气，烟丝可以快速升温至卷烟燃吸最高温度900℃，实现卷烟充分燃烧；在模拟阴燃过程中，停止红外线加热，并通入氮气，快速实现降温。所得到的烟气经玻璃纤维滤片捕集后经萃取后采用GC-MS进行分析。该方法使烟丝用量可以超过4支卷烟的烟叶原料，保证了烟气中痕量NNK分析含量，并且操作简便，人工干预少，大大提升了工作效率和分析准确性，能满足较大量烟叶原料的快速分析，为烟叶烟气中痕量NNK的快速分析提供了新方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
1、一种烟叶烟气中4-(N-甲基-N-亚硝胺)-1-(3-吡啶基)-丁酮(NNK)的检测方法，其特征在于包括样品制备和分析，具体包括用红外镜面反射炉模拟卷烟抽吸、玻璃纤维滤片捕集烟气、有机溶剂萃取和GC-MS分析，具体如下：
(A)样品处理：烟叶样品和玻璃纤维滤片放置恒温恒湿下平衡48h；
(B)烟叶模拟抽吸：称取不少于3.0g的步骤A得到的烟叶样品，置入石英管中，石英管放置红外镜面反射炉中，然后在红外镜面反射炉的另一端连接盛有玻璃纤维滤片的捕集器，用红外线对石英管进行升温程序加热，并在加热时向石英管内通入空气以模拟烟叶燃烧过程，隔一段时间后停止红外线加热并改向石英管内通入氮气以模拟烟叶阴燃过程，反复执行加热通空气和停止加热通氮气的步骤若干次，待模拟抽吸完成后，取出玻璃纤维滤片；
(C)有机溶剂萃取：将步骤B得到的滤片放入50mL锥形瓶中，加入10mL-20mL含内标D4-NNK的有机溶剂，超声萃取10-20min，萃取液减压浓缩至1mL；
(D)GC-MS分析：将步骤C得到的含有NNK萃取液进入到气相色谱系统，质谱检测定量。
优选地，步骤A所述的烟叶样品和玻璃纤维滤片是经过在温度22℃±2℃和相对湿度60±5％条件下平衡48h处理的。
优选地，步骤B中的烟叶样品的质量为3.0g～10.0g。
优选地，步骤B中的红外镜面反射炉的程序升温条件为：模拟燃烧过程中温度经2s升温至40℃，经4s升温至900℃，模拟阴燃过程中温度经4s降温至40℃，经2s降温至室温。
优选地，步骤B中通入的空气的流速为40-50sccm，通入的氮气的流速为40-50sccm。
优选地，步骤C中的有机溶剂为甲醇、乙醇、二氯甲烷或丙酮中的一种。
优选地，步骤D中的GC-MS条件如下：
气相色谱柱：HP-5MS(60m×0.25mm×0.25μm)；载气：氦气，纯度≥99.999％；流量：1mL/min；进样口温度250℃；
色谱柱升温程序：初始温度150℃，保持1min，以10℃/min速率升至180℃，再以3℃/min速率升至250℃，保持10min；
质谱条件：电离方式：EI源；电离能量：30eV；离子源温度：250℃；四级杆温度：120℃；扫描模式：选择离子检测(SIM)模式，NNK与D4-NNK的定量离子分别为m/z 177和181。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
1、采用红外镜面反射炉装置，通过红外线加热方式，烟丝可以快速升温至卷烟燃吸最高温度900℃，由此逼真地模拟卷烟点燃并被人抽吸后的快速升温过程。停止红外线加热后，由于红外线加热没有热延迟效应，并且改向样品中通入氮气，可以快速实现降温过程，由此逼真地模拟阴燃过程。其中所述阴燃过程是指卷烟在没有人抽吸(即没有氧气供应)的条件下的缺氧燃烧过程。
2、烟丝用量可以达到甚至超过4支卷烟(约2.8g烟丝)的烟叶原料，且任何模拟加热或阴燃的时刻都是对所有烟丝进行操作，保证了烟气化学成分含量足够高，这对于分析烟雾中的痕量化学成分尤其适用，样品量大确保了4-(N-甲基-N-亚硝胺)-1-(3-吡啶基)-丁酮这种痕量化学组分的绝对含量高，可一次性分析完成。相比之下，传统抽吸模拟机一次只能抽吸一支卷烟，烟丝总量本来就小，且任何时刻还只是端部燃烧或阴燃的一小段烟丝在参与实验，造成痕量化学成分绝对含量过低，导致分析结果不准确；要想分析准确，传统抽吸模拟机不得不一支接一支地抽吸很多根卷烟进行痕量化学成分的积累，这又造成耗时过长。
3、操作简便，不需要进行前处理，人工干预少，大大提升了工作效率和分析准确性，能满足较大量烟叶原料的快速分析。
附图说明
图1为本发明中的红外镜面反射炉装置示意图。其中附图标记含义如下：1-样品；2-石英管；3-控制系统；4-玻璃纤维滤片；5-红外镜面反射炉加热内壁。
图2为本发明一种烟叶烟气中4-(N-甲基-N-亚硝胺)-1-(3-吡啶基)-丁酮的检测方法中NNK标样(a)和烟叶烟气样品(b)气相色谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明要求所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
实施例1
一种烟叶烟气中4-(N-甲基-N-亚硝胺)-1-(3-吡啶基)-丁酮的检测方法，包括以下步骤：
(A)样品处理：烟叶样品和玻璃纤维滤片放置恒温恒湿(温度22℃±2℃和相对湿度60±5％)下平衡48h；
(B)烟叶模拟抽吸：称取3.5g步骤A得到的烟叶样品，置入专用石英管中，石英管放置红外镜面反射炉中，然后在红外镜面反射炉的另一端连接盛有玻璃纤维滤片的捕集器，利用红外线加热进行模拟抽吸。红外镜面反射炉的程序升温条件为：燃烧过程中2s升温至40℃，4s升温至900℃，阴燃过程中4s降温至40℃,2s降温至室温。燃烧过程和阴燃过程交替重复进行3次。红外镜面反射炉的程序升温过程中通入空气程序设置为：升温过程中持续通入空气，流速为50sccm，降温过程中持续通入氮气，流速为50sccm。模拟抽吸完成后，取出玻璃纤维滤片；
(C)有机溶剂萃取：将步骤B得到的滤片放入50mL锥形瓶中，加入1mL 20μg/L氘代NNK(D4-NNK)溶液，准确加入19mL二氯甲烷，超声萃取10min，萃取液减压浓缩至1mL；
(D)GC-MS分析：将步骤C得到的含有NNK的萃取液进入到气相色谱系统，质谱检测定量。气相色谱柱：HP-5MS(60m×0.25mm×0.25μm)；载气：氦气，纯度≥99.999％；流量：1mL/min；进样口温度250℃；色谱柱升温程序：初始温度150℃，保持1min，以10℃/min速率升至180℃，再以3℃/min速率升至250℃，保持10min。质谱条件：电离方式：EI源；电离能量：30eV；离子源温度：250℃；四级杆温度：120℃；扫描模式：选择离子检测(SIM)模式，NNK与D4-NNK的定量离子分别为m/z 177和181。
对于3种烤烟样品，NNK的测定结果分别为5.4、8.7和10.2ng/g，回收率分别为95.9％、96.4％和96.6％。
相比之下，同样的烟叶，卷制成卷烟，用传统的吸烟机抽吸5支卷烟(3.5g烟丝)，收集卷烟烟气和滤嘴，经萃取后用GC-MS进行分析，NNK的测定结果分别为5.1、8.6和10.0ng/g，回收率分别为94.6％、94.8％和95.5％。本方法所获得含量接近于用模拟吸烟机获得的含量，与该方法结果相符，但本发明方法所用的时间明显比吸烟机法要短。
相比之下，同样的烟叶，采用热裂解法进行分析，NNK的测定结果分别为6.5、9.5和11.3ng/g，回收率分别为92.5％、93.4％和93.9％。由于NNK主要在燃烧过程产生，热裂解法不能模拟出阴燃过程(阴燃过程产生的NNK较少)，所获得含量明显高于用模拟吸烟机获得的含量，可见本发明的方法对卷烟抽吸情况的模拟更加逼真。
实施例2
一种烟叶烟气中4-(N-甲基-N-亚硝胺)-1-(3-吡啶基)-丁酮的检测方法，包括以下步骤：
(A)样品处理：烟叶样品和玻璃纤维滤片放置恒温恒湿(温度22℃±2℃和相对湿度60±5％)下平衡48h；
(B)烟叶模拟抽吸：称取7.0g步骤A得到的烟叶样品，置入专用石英管中，石英管放置红外镜面反射炉中，然后在红外镜面反射炉的另一端连接盛有玻璃纤维滤片的捕集器，利用红外线加热进行模拟抽吸。红外镜面反射炉的程序升温条件为：燃烧过程中2s升温至40℃，4s升温至900℃，阴燃过程中4s降温至40℃,2s降温至室温。燃烧过程和阴燃过程交替重复进行3次。红外镜面反射炉的程序升温过程中通入空气程序设置为：升温过程中持续通入空气，流速为50sccm，降温过程中持续通入氮气，流速为50sccm。模拟抽吸完成后，取出玻璃纤维滤片；
(C)有机溶剂萃取：将步骤B得到的滤片放入50mL锥形瓶中，加入1mL 20μg/L氘代NNK(D4-NNK)溶液，准确加入19mL二氯甲烷，超声萃取10min，萃取液减压浓缩至1mL；
(D)GC-MS分析：将步骤C得到的含有NNK的萃取液进入到气相色谱系统，质谱检测定量。气相色谱柱：HP-5MS(60m×0.25mm×0.25μm)；载气：氦气，纯度≥99.999％；流量：1mL/min；进样口温度250℃；色谱柱升温程序：初始温度150℃，保持1min，以10℃/min速率升至180℃，再以3℃/min速率升至250℃，保持10min。质谱条件：电离方式：EI源；电离能量：30eV；离子源温度：250℃；四级杆温度：120℃；扫描模式：选择离子检测(SIM)模式，NNK与D4-NNK的定量离子分别为m/z 177和181。
对于另外3种烤烟样品，NNK的测定结果分别为4.9、6.7和9.6ng/支，回收率分别为94.7％、95.3％和95.8％。
相比之下，同样的烟叶，卷制成卷烟，用传统的吸烟机抽吸10支卷烟(7.0g烟丝)，收集卷烟烟气和滤嘴，经萃取后用GC-MS进行分析，NNK的测定结果分别为4.8、6.6和9.7ng/g，回收率分别为93.9％、94.2％和94.5％。本方法所获得含量接近于用模拟吸烟机获得的含量，与该方法结果相符，但本发明方法所用的时间明显比吸烟机法要短。。
相比之下，同样的烟叶，采用热裂解法进行分析，NNK的测定结果分别为5.5、7.5和10.8ng/g，回收率分别为93.1％、93.5％和93.8％。由于NNK主要在燃烧过程产生，热裂解法不能模拟出阴燃过程(阴燃过程产生的NNK较少)，所获得含量明显高于用模拟吸烟机获得的含量，可见本发明的方法对卷烟抽吸情况的模拟更加逼真。
试验例1
与实施例1相同，选择其中1种烤烟样品，在相同条件下平行测定5次(同批次处理)，经计算5次平行测定结果的相对标准偏差，得到NNK的RSD为4.4％；另外用相同程序按传统的GB/T 23228-2008法分析样本，测得NNK的RSD为4.5％，结果表明改进方法的测试结果精密度能满足检测。

Claims (7)

1.一种烟叶烟气中4-(N-甲基-N-亚硝胺)-1-(3-吡啶基)-丁酮(NNK)的检测方法，其特征在于包括样品制备和分析，具体包括用红外镜面反射炉模拟卷烟抽吸、玻璃纤维滤片捕集烟气、有机溶剂萃取和GC-MS分析，具体如下：
(A)样品处理：烟叶样品和玻璃纤维滤片放置恒温恒湿下平衡48h；
(B)烟叶模拟抽吸：称取不少于3.0g的步骤A得到的烟叶样品，置入石英管中，石英管放置红外镜面反射炉中，然后在红外镜面反射炉的另一端连接盛有玻璃纤维滤片的捕集器，用红外线对石英管进行升温程序加热，并在加热时向石英管内通入空气以模拟烟叶燃烧过程，隔一段时间后停止红外线加热并改向石英管内通入氮气以模拟烟叶阴燃过程，反复执行加热通空气和停止加热通氮气的步骤若干次，待模拟抽吸完成后，取出玻璃纤维滤片；
(C)有机溶剂萃取：将步骤B得到的滤片放入50mL锥形瓶中，加入10mL-20mL含内标D4-NNK的有机溶剂，超声萃取10-20min，萃取液减压浓缩至1mL；
(D)GC-MS分析：将步骤C得到的含有NNK萃取液进入到气相色谱系统，质谱检测定量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤A所述的烟叶样品和玻璃纤维滤片是经过在温度22℃±2℃和相对湿度60±5％条件下平衡48h处理的。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤B中的烟叶样品的质量为3.0g～10.0g。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤B中的红外镜面反射炉的程序升温条件为：模拟燃烧过程中温度经2s升温至40℃，经4s升温至900℃，模拟阴燃过程中温度经4s降温至40℃，经2s降温至室温。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤B中通入的空气的流速为40-50sccm，通入的氮气的流速为40-50sccm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤C中的有机溶剂为甲醇、乙醇、二氯甲烷或丙酮中的一种。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤D中的GC-MS条件如下：
气相色谱柱：HP-5MS(60m×0.25mm×0.25μm)；载气：氦气，纯度≥99.999％；流量：1mL/min；进样口温度250℃；
色谱柱升温程序：初始温度150℃，保持1min，以10℃/min速率升至180℃，再以3℃/min速率升至250℃，保持10min；
质谱条件：电离方式：EI源；电离能量：30eV；离子源温度：250℃；四级杆温度：120℃；扫描模式：选择离子检测(SIM)模式，NNK与D4-NNK的定量离子分别为m/z 177和181。
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