CN113702484A

CN113702484A - 一种基于dart-ms的卷烟烟气气相成分分析方法

Info

Publication number: CN113702484A
Application number: CN202110814051.8A
Authority: CN
Inventors: 李红丽; 耿欣; 陈大勇
Original assignee: Zhijian Biomolecular Research Institute Nanjing Co ltd
Current assignee: Zhijian Biomolecular Research Institute Nanjing Co ltd
Priority date: 2021-07-19
Filing date: 2021-07-19
Publication date: 2021-11-26
Anticipated expiration: 2041-07-19

Abstract

本发明涉及一种基于DART‑MS的卷烟烟气气相成分分析方法，属于气相分析技术领域。本发明提供了一种基于DART‑MS的卷烟烟气气相成分分析装置及方法，所述装置包括卷烟夹持装置、烟气抽吸装置、连接装置、第一三通阀、质谱仪以及离子源，第一三通阀的三个口分别与卷烟夹持装置、烟气抽吸装置以及连接装置相连通，连接装置用于连通第一三通阀、质谱仪以及离子源；所述方法使用所述装置对卷烟烟气进行气相成分分析；所述装置和方法均基于DART‑MS，因此，使用所述装置和方法可实现对卷烟烟气气相成分的实时和在线直接分析，反映卷烟烟气气相成分的真实组成和动态变化，探索卷烟烟气进入人体的真正有害成分。

Description

一种基于DART-MS的卷烟烟气气相成分分析方法

技术领域

本发明涉及一种基于DART-MS的卷烟烟气气相成分分析方法，属于气相分析技术领域。

背景技术

卷烟烟雾含有多环芳烃、亚硝胺、挥发性羰基化合物和挥发性酚等强致癌物质，对人体健康产生极大危害。因此，发展高效分析方法，探究香烟烟雾中含有的物质成分，对研究和理解吸烟对人体健康的影响极为重要。

卷烟主流烟气(MSS)，即在抽吸过程中通过滤嘴后产出的烟雾，直接进入吸烟者体内。MSS由粒相物和气相物两部分组成。剑桥滤片将大于0.1μm的粒相物截留，气相部分则为通过滤片的部分。单口烟气为人体抽吸一口香烟的过程，可模拟人体真实吸烟状态，有利于更准确研究进入人体的烟气成分。

烟气的成分内部的物质组成处于不断变化中，会随时间改变或衰减，且单口烟气差异大。只有对卷烟烟气进行实时和在线直接分析，才能反映其真实组成和动态变化，探索进入人体的真正有害成分。

传统的烟气分析多为离线式分析，如气相色谱、液相色谱和色谱-质谱联用法等。然而，这些方法要涉及到取样、捕集、分离以及衍生化等复杂的过程，分析步骤耗时、繁琐，且会导致烟气老化和组成改变。因此，开发一种快速、简单，且不易导致烟气老化和组成改变的卷烟烟气气相成分分析方法十分重要。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于DART-MS的卷烟烟气气相成分分析装置，所述卷烟烟气气相成分分析装置包括卷烟夹持装置、烟气抽吸装置、连接装置、第一三通阀、质谱仪以及离子源；所述第一三通阀的三个口分别与卷烟夹持装置、烟气抽吸装置以及连接装置相连通；所述卷烟夹持装置用于夹持卷烟；所述烟气抽吸装置用于收集卷烟烟气，使得卷烟夹持装置处产生的卷烟烟气经由第一三通阀到达烟气抽吸装置内部；所述连接装置用于连通第一三通阀、质谱仪以及离子源，使得烟气抽吸装置内部的卷烟烟气经由第一三通阀和连接装置依次到达离子源和质谱仪内部；所述离子源用于电离卷烟烟气气相成分；所述质谱仪用于检测电离后的卷烟烟气的信号。

在本发明的一种实施方式中，所述连接装置包括第二三通阀；所述第二三通阀的三个口分别与第一三通阀、质谱仪以及离子源相连通。

在本发明的一种实施方式中，所述第一三通阀和第二三通阀之间通过进样管相连通。

在本发明的一种实施方式中，所述进样管上设有加热组件。

在本发明的一种实施方式中，所述加热组件包括加热装置、控制装置和温度检测装置；所述温度检测装置与控制装置和加热装置电连接；所述温度检测装置用于检测加热装置的加热温度；所述控制装置根据温度检测装置检测到的温度调节加热装置的加热温度。

在本发明的一种实施方式中，所述第一三通阀和卷烟夹持装置之间设有第一二通阀。

在本发明的一种实施方式中，所述第一二通阀的材质为不锈钢。

在本发明的一种实施方式中，所述第一三通阀和烟气抽吸装置之间设有套管。

在本发明的一种实施方式中，所述第一三通阀和进样管之间设有第二二通阀。

在本发明的一种实施方式中，所述第二二通阀的材质为不锈钢。

在本发明的一种实施方式中，所述卷烟夹持装置包括卷烟夹持器；所述卷烟夹持器内部设有烟气检测用滤片。

在本发明的一种实施方式中，所述烟气检测用滤片包括剑桥滤片。

在本发明的一种实施方式中，所述第一三通阀为T型三通阀；第一三通阀的垂直端与进样管相连通，两个水平端分别与卷烟夹持装置和烟气抽吸装置相连通。

在本发明的一种实施方式中，所述烟气抽吸装置为注射器。

在本发明的一种实施方式中，所述注射器为无针注射器，且所述注射器的材质为玻璃。

在本发明的一种实施方式中，所述第二三通阀为T型三通阀；第二三通阀的垂直端与进样管相连通，两个水平端分别与质谱仪和离子源相连通。

在本发明的一种实施方式中，所述套管为Teflon(特氟龙)套管。

本发明还提供了一种基于DART-MS的卷烟烟气气相成分分析方法，所述方法为使用上述卷烟烟气气相成分分析装置对卷烟烟气进行分析。

在本发明的一种实施方式中，所述方法包括如下步骤：

步骤一：使用卷烟夹持装置夹持卷烟；

步骤二：打开第一二通阀，关闭第二二通阀，点燃卷烟，使用烟气抽吸装置将卷烟烟气吸进烟气抽吸装置内部；

步骤三：关闭第一二通阀，打开第二二通阀，使用烟气抽吸装置将烟气抽吸装置内部的卷烟烟气推入连接装置内部，此时，质谱仪和离子源对连接装置内部的卷烟烟气进行DART离子化和质谱检测。

在本发明的一种实施方式中，所述步骤一中，卷烟带过滤嘴的部分置于卷烟夹持器内部，不带过滤嘴部分的置于卷烟夹持器外部。

在本发明的一种实施方式中，所述步骤二中，烟气抽吸装置每次抽吸2s，抽吸间隔58s，抽吸体积为35mL。

本发明还提供了上述卷烟烟气气相成分分析装置或上述方法在卷烟烟气气相成分分析中的应用。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供了一种基于DART-MS的卷烟烟气气相成分分析装置及方法，所述装置包括卷烟夹持装置、烟气抽吸装置、连接装置、第一三通阀、质谱仪以及离子源，第一三通阀的三个口分别与卷烟夹持装置、烟气抽吸装置以及连接装置相连通，卷烟夹持装置用于夹持卷烟，烟气抽吸装置用于收集卷烟烟气，使得卷烟夹持装置处产生的卷烟烟气经由第一三通阀到达烟气抽吸装置内部，连接装置用于连通第一三通阀、质谱仪以及离子源，使得烟气抽吸装置内部的卷烟烟气经由第一三通阀和连接装置到达质谱仪内部，以及，离子源经由连接装置到达质谱仪内部，离子源用于电离卷烟烟气气相成分，质谱仪用于检测电离后的卷烟烟气的信号；所述方法使用所述装置对卷烟烟气进行气相成分分析；所述装置和方法均基于DART-MS，DART-MS的工作原理为：通过电晕放电产生的包含亚稳态氦原子的热氦气流与置于MS进样口和DART离子源之间的样品进行相互作用，对样品进行热解吸附和离子化，电离后的样品接着进入质谱进行检测，因此，使用所述装置和方法可实现对卷烟烟气气相成分的实时和在线直接分析，反映卷烟烟气气相成分的真实组成和动态变化，探索卷烟烟气进入人体的真正有害成分。

DART-MS分析时间短(几秒)，装置简单，易于操作，无需或只需简单样品处理，可实时原位表征极性范围较大的气态，液态和固态样品，因此，使用所述装置和方法法对卷烟烟气气相成分进行实时和在线直接分析，不再需要对烟气进行捕集、溶剂提取、浓缩等样品前处理步骤，大大简化了烟气的分析步骤，分析过程简单、快速。

所述装置和方法集卷烟烟气的产生、进样和分析于一体，形成了一个密闭式的系统，防止了气相样品的扩散和挥发，使烟气样品得到了有效传输和准确的分析，因此，使用所述装置和方法对卷烟烟气气相成分进行实时和在线直接分析，可有效避免传统DART-MS在敞开的大气压环境下对样品进行电离所造成的样品挥发，进而导致的样品不能得到有效电离和准确质谱分析的情况。

所述装置和方法均在大气压条件下进行，不需要形成真空环境，操作便捷，可避免对质谱真空腔体的污染。

进一步地，所述卷烟夹持装置包括卷烟夹持器，卷烟夹持器内部设有烟气检测用滤片；烟气检测用滤片可有效过滤主流烟气中的粒相物，有效防止粒相物对卷烟烟气气相成分的分析造成影响。

进一步地，所述烟气抽吸装置为注射器，注射器为无针注射器，且注射器的材质为玻璃；玻璃材料的可尽可能的避免卷烟烟气样品残留在注射器上，对下一次的卷烟烟气气相成分分析造成影响。

进一步地，所述进样管上设有加热组件，加热组件包括加热装置、控制装置和温度检测装置，温度检测装置与控制装置和加热装置电连接，温度检测装置用于检测加热装置的加热温度，控制装置根据温度检测装置检测到的温度调节加热装置的加热温度；加热组件的设置可保证卷烟烟气样品不冷凝，快速传输，并且，可避免卷烟烟气样品残留在进样管上，对下一次的卷烟烟气气相成分分析造成影响。

进一步地，所述套管为Teflon(特氟龙)套管；Teflon套管有弹性，可实现紧密连接。

进一步地，所述装置搭建安装简单、各部件可轻松安装、从拆卸和替换，可以避免样品间的交叉污染。

进一步地，所述装置中的主要部件及连接件都是不锈钢材质，耐高温，易于清洁，可重复使用。

附图说明

图1：一种基于DART-MS的卷烟烟气气相成分分析装置的整体结构示意图。

图2：标准卷烟3R4F单口烟气气相物逐口分析(7口)的总离子流量图。

图3：标准卷烟3R4F单口烟气气相物逐口分析(7口)的质谱图。

图4：四种卷烟中气相成分(质量数为94.07)随单口烟气的抽吸口数的含量变化图。

图5：四种卷烟中气相成分(质量数为108.08)随单口烟气的抽吸口数的含量变化图。

图1中，1为卷烟夹持装置、11为卷烟、12为烟气检测用滤片、13为卷烟夹持器、2为第一三通阀、3为烟气抽吸装置、4为二通阀、41为第一二通阀、42为第二二通阀、43为套管、5为连接装置、51为进样管、52为第二三通阀、6为离子源、7为质谱仪。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

下述实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

实施例1：一种基于DART-MS的卷烟烟气气相成分分析装置

如图1所示，本实施例提供了一种基于DART-MS的卷烟烟气气相成分分析装置，所述卷烟烟气气相成分分析装置包括卷烟夹持装置1、烟气抽吸装置3、连接装置5、第一三通阀2、质谱仪7以及离子源6；所述第一三通阀2的三个口分别与卷烟夹持装置1、烟气抽吸装置3以及连接装置5相连通；所述卷烟夹持装置1用于夹持卷烟11；所述烟气抽吸装置3用于收集卷烟烟气，使得卷烟夹持装置1处产生的卷烟烟气经由第一三通阀2到达烟气抽吸装置3内部；所述连接装置5用于连通第一三通阀2、质谱仪7以及离子源6，使得烟气抽吸装置3内部的卷烟烟气经由第一三通阀2和连接装置5依次到达离子源6和质谱仪7内部；所述离子源6用于电离卷烟烟气气相成分；所述质谱仪7用于检测电离后的卷烟烟气的信号；所述连接装置5包括第二三通阀52；所述第二三通阀52的三个口分别与第一三通阀2、质谱仪7以及离子源6相连通；所述第一三通阀2和第二三通阀52之间通过进样管51相连通；所述进样管51上设有加热组件；所述加热组件包括加热装置、控制装置和温度检测装置；所述温度检测装置与控制装置和加热装置电连接；所述温度检测装置用于检测加热装置的加热温度；所述控制装置根据温度检测装置检测到的温度调节加热装置的加热温度；所述第一三通阀2和卷烟夹持装置1之间设有第一二通阀41；所述第一二通阀41的材质为不锈钢；所述第一三通阀2和烟气抽吸装置3之间设有套管43；所述第一三通阀2和进样管51之间设有第二二通阀42；所述第二二通阀42的材质为不锈钢；所述卷烟夹持装置1包括卷烟夹持器13；所述卷烟夹持器13内部设有烟气检测用滤片12；所述烟气检测用滤片12包括剑桥滤片；所述第一三通阀2为T型三通阀；第一三通阀2的垂直端与进样管51相连通，两个水平端分别与卷烟夹持装置1和烟气抽吸装置3相连通；所述烟气抽吸装置3为注射器；所述注射器为无针注射器，且所述注射器的材质为玻璃；所述第二三通阀52为T型三通阀；第二三通阀52的垂直端与进样管51相连通，两个水平端分别与质谱仪7和离子源6相连通；所述套管43为Teflon(特氟龙)套管。

实施例2：一种基于DART-MS的卷烟烟气气相成分分析方法

本实施例提供了一种基于DART-MS的卷烟烟气气相成分分析方法，所述方法使用实施例1的卷烟烟气气相成分分析装置，包括如下步骤：

步骤一：打开第一二通阀41，关闭第二二通阀42，使用烟气抽吸装置3将空气吸进烟气抽吸装置3内部；

步骤二：关闭第一二通阀41，打开第二二通阀42，使用烟气抽吸装置3将烟气抽吸装置3内部的空气推入连接装置5内部，此时，此时，空气中的物质被离子化并进入质谱检测，记录质谱信号，得到空气背景图谱；

步骤三：装上烟气抽吸装置3，使用卷烟夹持装置1夹持卷烟11；

步骤四：打开第一二通阀41，关闭第二二通阀42，点燃卷烟11，使用烟气抽吸装置3将卷烟烟气吸进烟气抽吸装置3内部；

步骤五：关闭第一二通阀41，打开第二二通阀42，使用烟气抽吸装置3将烟气抽吸装置3内部的卷烟烟气推入连接装置5内部，此时，连接装置5内部的卷烟烟气被离子化并进入质谱检测，记录质谱信号，得到卷烟主流烟气气相物的图谱；

重复步骤四、五，可收集多次卷烟主流烟气气相物的图谱。

所述步骤一中，烟气抽吸装置3的抽吸体积为35mL；

所述步骤三中，卷烟11带过滤嘴的部分置于卷烟夹持器13内部，不带过滤嘴部分的置于卷烟夹持器13外部；

所述步骤四中，烟气抽吸装置3每次抽吸2s，抽吸间隔58s，抽吸体积为35mL；

所述步骤二和五中，离子源参数：工作气体为高纯度氦气(99.999％)，工作气体温度为300℃，栅极电压为350V；质谱参数：离子传输管300℃，正极，质量收集范围为50～250，质量分析器为高分辨的轨道肼质谱。

实验例1：卷烟烟气气相成分分析实验

本实验例提供了卷烟烟气气相成分分析实验，实验过程如下：

使用实施例2的方法分别对标准卷烟3R4F(购自肯塔基大学，肯塔基州，美国)、烤烟型或弗吉尼亚型卷烟(Virginia)、混合型卷烟(blended)和小雪茄型(cigarillo)卷烟进行卷烟烟气气相成分分析实验。除标准卷烟3R4F以外，其他类型的卷烟均可从超市购买获得。实验结果如下：

图2是标准卷烟3R4F连续7口的单口烟气的DART-MS总离子流量图。由图2可知，每个单口烟气的信号都产生了峰型高且尖锐的流量图，在连续的单口烟气信号峰之间，背景基线很低，没有信号残留和交叉污染。这说明实施例1的装置和实施例2的方法可以快速、在线分析主流烟气气相物，并有良好的自清洁作用。

图3是标准卷烟3R4F的单口烟气对应的质谱信号图。由图3可知，不同单口烟气的质谱信号的存在差异，可显示烟气的动态变化。

将不同类型卷烟进行单口烟气分析，图4～5是四种卷烟中，质荷比为94.07与108.08的两种物质随着抽吸口数的增加，相对含量的对比图。由图4～5可知，这两个物质在不同卷烟中的含量存在差异，且含量随着抽吸口数的增加而增加，不同卷烟的增加程度不同。

综上，使用实施例1的装置和实施例2的方法可实现对卷烟烟气气相成分的实时和在线直接分析，反映卷烟烟气气相成分的真实组成和动态变化，探索卷烟烟气进入人体的真正有害成分。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种基于DART-MS的卷烟烟气气相成分分析装置，其特征在于，所述卷烟烟气气相成分分析装置包括卷烟夹持装置、烟气抽吸装置、连接装置、第一三通阀、质谱仪以及离子源；所述第一三通阀的三个口分别与卷烟夹持装置、烟气抽吸装置以及连接装置相连通；所述卷烟夹持装置用于夹持卷烟；所述烟气抽吸装置用于收集卷烟烟气，使得卷烟夹持装置处产生的卷烟烟气经由第一三通阀到达烟气抽吸装置内部；所述连接装置用于连通第一三通阀、质谱仪以及离子源，使得烟气抽吸装置内部的卷烟烟气经由第一三通阀和连接装置依次到达离子源和质谱仪内部；所述离子源用于电离卷烟烟气气相成分；所述质谱仪用于检测电离后的卷烟烟气的信号。

2.如权利要求1所述的卷烟烟气气相成分分析装置，其特征在于，所述连接装置包括第二三通阀；所述第二三通阀的三个口分别与第一三通阀、质谱仪以及离子源相连通。

3.如权利要求2所述的卷烟烟气气相成分分析装置，其特征在于，所述第一三通阀和第二三通阀之间通过进样管相连通。

4.如权利要求3所述的卷烟烟气气相成分分析装置，其特征在于，所述进样管上设有加热组件。

5.如权利要求4所述的卷烟烟气气相成分分析装置，其特征在于，所述加热组件包括加热装置、控制装置和温度检测装置；所述温度检测装置与控制装置和加热装置电连接；所述温度检测装置用于检测加热装置的加热温度；所述控制装置根据温度检测装置检测到的温度调节加热装置的加热温度。

6.如权利要求1～5任一项所述的卷烟烟气气相成分分析装置，其特征在于，所述第一三通阀和卷烟夹持装置之间设有第一二通阀。

7.如权利要求3～6任一项所述的卷烟烟气气相成分分析装置，其特征在于，所述第一三通阀和进样管之间设有第二二通阀。

8.如权利要求1～7任一项所述的卷烟烟气气相成分分析装置，其特征在于，所述卷烟夹持装置包括卷烟夹持器；所述卷烟夹持器内部设有烟气检测用滤片。

9.一种基于DART-MS的卷烟烟气气相成分分析方法，其特征在于，所述方法为使用权利要求1～8任一项所述的卷烟烟气气相成分分析装置对卷烟烟气进行分析。

10.权利要求1～8任一项所述的卷烟烟气气相成分分析装置或权利要求9所述的方法在卷烟烟气气相成分分析中的应用。