CN114624303A - 一种用于快速定量测定电子烟中尼古丁的电化学方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于快速定量测定电子烟中尼古丁的电化学方法，包括如下步骤：(1)工作电极的预处理；(2)配置尼古丁标准溶液并绘制标准曲线；(3)电子烟样品的测定：量取不同体积的电子烟烟油加入有机酸和无机酸，得到不同稀释倍数的电子烟样品；通过方波伏安法记录电子烟样品的SWV曲线；计算得到电子烟样品溶液中的尼古丁含量值，乘上对应的稀释倍数，即为样品中尼古丁含量。本发明研究了电子烟样品的预处理方法，通过对电极进行简单的化学处理，无需繁琐的样品预处理分离，实现了对于电子烟样品中尼古丁的直接检测，具有响应时间短、操作简单、设备便携等优点。

Description

一种用于快速定量测定电子烟中尼古丁的电化学方法
技术领域
本发明涉及电化学分析检测技术领域，具体涉及一种用于快速定量测定电子烟中尼古丁含量的电化学方法。
背景技术
尼古丁是一种存在于茄科植物中的生物碱，俗称烟碱，常见于烟草中，是烟草成瘾的主要原因，占全部烟草生物碱的95％以上。其本身是一种剧毒物，对神经中枢具有兴奋作用，构成许多潜在健康风险。少量的尼古丁就能增高血压，过量的尼古丁会使心脏麻痹以致死亡。长期摄入尼古丁，无论主动还是被动，都会引起慢性中毒，特别是神经毒性。相关研究表明尼古丁的长期暴露是帕金森氏，阿尔茨海默氏等神经疾病的成因。
电子烟是一种新兴的烟草替代品，又称为电雾化卷烟，主要由烟杆和烟弹组成。烟弹中含尼古丁的丙二醇、甘油或聚乙二醇等，不同电子烟会添加不同香精，配制出各种味道，从而满足吸烟者的需求。目前，市场中不同品牌电子烟的尼古丁含量差别较大，部分产品的实际尼古丁含量和产品标注不符，缺乏统一的标准。同时，电子烟气的释放能够引起窗户、墙壁、地板、木材和金属等物品表面尼古丁沉积量的增加，表明抽吸电子烟可能会使人间接暴露在尼古丁中。
目前测定尼古丁含量的主要方法有质量分析法、原子吸收光谱法、分光光度法、滴定法和色谱法等，其中气相色谱法是测定传统烟草样品中电子烟含量的主要方法。但传统检测方法无法做到检测快速、便携与精准的效果，对于大量电子烟的高精度检测需求，繁琐的传统方法大大降低了检测的工作效率。
尼古丁是一种氧化还原活性分子，利用尼古丁的电化学活性可以实现基于电化学分析法的快速、便携、现场测量。Jing等人(Jing Y,Yuan X,Qiu Y,et al.Determinationof nicotine in tobacco products based on mussel-inspired reduced grapheneoxide-supported gold nanoparticles[J].Scientific Reports,2016,6:29230.)使用聚多巴胺-还原石墨烯-金纳米颗粒修饰的玻碳电极对尼古丁进行检测，响应时间为30s-1min。Lee等人(Lee W C,Noh H B,Hussain K K,et al.Nicotine and tyrosinedetection in blood and urine samples using taurine/reactive blue-immobilizedconducting polymer composite[J].Sensors&Actuators,2018,B275(DEC.):284-291.)牛磺酸-反应型蓝色固定导电聚合物复合材料制备电化学传感器来对尼古丁进行检测，检测限达到0.93nM，同时检测尿液和全血样本来评价传感器的可靠性，响应时间为30s-1min。
但是，目前这类修饰电极的方法成本较高，且纳米材料的合成具有不可控性和不稳定性，这类电极难以在普通实验室中广泛应用。另一方面，由于电子烟中复杂有机物较多，使用电化学方法对电子烟中尼古丁含量测定的方法较少。因此当前，如何避免复杂的电极材料制备过程，制造简单且低成本的电化学传感器来实现快速的电子烟中尼古丁检测仍然是巨大的挑战。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种用于快速定量测定电子烟中尼古丁的电化学方法。本发明研究了电子烟样品的预处理方法，通过对电极进行简单的化学处理，无需繁琐的样品预处理分离，实现了对于电子烟样品中尼古丁的直接检测，具有响应时间短、操作简单、设备便携等优点。
本发明的技术方案如下：
一种用于快速定量测定电子烟中尼古丁的电化学方法，包括如下步骤：
(1)工作电极的预处理：在测定电压为-0.3-+1.5V的情况下将100-200μL浓度为0.05-0.10M的H2SO4溶液滴加到丝网印刷金电极上进行电化学处理，通过循环伏安法，获得稳定的循环伏安图；
(2)配置尼古丁标准溶液并绘制标准曲线：将不同体积尼古丁标准品溶于有机酸溶液，优选为体积浓度30％乙酸溶液或30％甲酸溶液，得到浓度为0.015-0.250mg/mL的尼古丁标准溶液；
然后将100-200μL上述不同浓度的尼古丁标准溶液分别滴加于步骤(1)处理后的丝网印刷金电极上，进行方波伏安法分析，记录尼古丁标准溶液的SWV曲线，得到尼古丁的特征响应电流值；
在相同的测试条件下，依次记录每一种浓度的尼古丁标准溶液对应的特征响应电流值，并绘制成标准曲线，通过拟合标准曲线得到相应的线性回归方程；
(3)电子烟样品的测定：量取不同体积的电子烟烟油加入1mL离心管中，再加入有机酸溶液，优选为体积浓度30％乙酸溶液或30％甲酸溶液，定容至1mL，振荡摇匀；
然后加入2-10μL无机酸，优选为浓硫酸或浓盐酸，进行超声2-4min，使其充分混匀，得到不同稀释倍数的电子烟样品溶液；通过方波伏安法测试样品溶液，记录电子烟样品的SWV曲线；
从每个样品溶液的SWV曲线中读出峰电流的数值，并根据步骤(2)中拟合得到的线性回归方程，计算得到电子烟样品溶液中的尼古丁含量值，乘上对应的稀释倍数，即为样品中尼古丁含量。
进一步地，步骤(2)中所述方波伏安法测试条件为：电位范围为0.5-1.1V，振幅为5-15Hz、跨步电压4mV。
进一步地，步骤(3)中所述方波伏安法测试条件为：电位范围为0.5-1.1V，振幅为5-15Hz、跨步电压4mV。
进一步地，步骤(3)中所述浓硫酸的浓度为2-10μL/mL，也可表述为3.68×10-2-1.84×10-1mol/L；所述浓盐酸浓度36-38％(质量分数)，物质的量浓度为12mol/L。
进一步地，步骤(2)中根据每一种浓度的尼古丁标准溶液对应的特征响应电流值拟合标准曲线，得到相应的线性回归方程为：y＝Ax+B，其中y为电流，单位为μA，x为尼古丁浓度，单位为mg/mL，A、B为系数。
进一步地，步骤(3)中计算得到电子烟样品溶液中的尼古丁含量值的计算式为：
Figure BDA0003495755460000041
式中，其中y为电流，单位为μA，x为样品溶液的尼古丁浓度，单位为mg/mL，A、B为步骤(2)得到的系数。
本发明有益的技术效果在于：
本发明通过工作电极的预处理、配置尼古丁标准溶液并标准曲线的绘制、电子烟样品的测定三个步骤测定电子烟样品中的尼古丁，所用方法处理过程简单，检测时间短，电极性能稳定，并具有良好的重现性。
本方法使用乙酸配置尼古丁标准溶液，乙酸作为电子烟中尼古丁的提取液，在一定程度上提高溶液电导率；电子烟样品测定时加入浓硫酸，通过浓硫酸与电子烟中的甘油进行反应，在电化学检测过程中排除甘油所产生的电化学氧化峰对尼古丁产生的电化学氧化峰的干扰。
本发明所用方法具有检测成本低，选择性好，通过浓硫酸与电子烟中的甘油进行反应，可以排除甘油等有机物的干扰，因而准确度高等优点。
附图说明
图1为本发明快速定量测定电子烟中尼古丁的检测流程。
图2(a)为使用处理后的SPE金电极检测不同浓度的尼古丁标准样品得到的SWV曲线；(b)为响应电流与对应浓度的拟合曲线，R2＝0.9705。
图3为实施例1中Magic castle-coffee电子烟中尼古丁含量检测结果，其中图3a为SWV曲线图，图3b为不同稀释倍数下样品溶液的电流峰值。
图4(a)为Magic castle-coffee加标实验的SWV图和线性关系；(b)为响应电流与对应浓度的拟合曲线，R2＝0.9714。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中，使用的试剂及仪器如下：
1、试剂
H2SO4、CH3COOH、NaOH购自国药控股化学试剂有限公司(中国上海)。其中，浓硫酸质量分数为98％，物质的量浓度为18.4mol/L。尼古丁标准品由上海烟草集团有限责任公司提供。Magic castle-coffee电子烟由上海新兴烟草制品研究院有限公司提供。
所有试剂均为分析纯，并使用超纯水(电阻率为18MΩcm)制备溶液。
2、仪器的型号和厂家如表1所示。
表1
Figure BDA0003495755460000051
实施例1：Magic castle-coffee电子烟中尼古丁含量的检测
(1)工作电极的预处理
如图1所示，通过循环伏安法(CV)方法在测定电压为-0.3至+1.5V的情况下将120μL 0.1M H2SO4溶液滴加到丝网印刷金电极(SPE金电极)上进行电化学处理，循环50圈后获得稳定的循环伏安图。然后，将SPE金电极用超纯水仔细洗涤，并用空气吹干。
(2)标准曲线的绘制
精密量取不同体积尼古丁标准品于体积浓度为30％的乙酸中，得到0.015-0.250mg/mL的尼古丁标准溶液。
分别滴加120μL尼古丁标准溶液于步骤(1)中处理后的SPE电极上，在0.5-1.1V电位范围内，以振幅15Hz、跨步电压4mV，进行方波伏安法(SWV)分析，记录SWV曲线，得到尼古丁的特征响应电流值。
在相同的测试条件下，依次记录每一个标准溶液浓度对应的特征响应电流值，并绘制成标准曲线，通过拟合曲线得到相应的线性回归方程为y＝1910.5x+26.004，R2＝0.9705，其中y为电流，单位为μA，x为尼古丁浓度，单位为mg/mL。
具体如图2所示。
(3)电子烟样品的测定
分别量取10μL，20μL，30μL，40μL，50μL电子烟加入1mL离心管中，再加入30％乙酸定容至1mL，振荡摇匀，依次加入2μL浓硫酸(浓度为2μL/mL即3.68×10-2mol/L)，进行超声，使其充分混匀，得到稀释100倍、50倍、33倍、25倍和20倍的电子烟样品。
通过方波伏安法测试电子烟样品溶液，记录对应曲线。电位范围为0.5-1.1V，振幅15Hz，跨步电压4mV。
从每个尼古丁样品溶液的方波伏安曲线中读出峰电流的数值，并根据步骤(2)中拟合的线性方程，计算得到溶液中的尼古丁含量值，乘上对应稀释倍数，即为样品中尼古丁含量。
计算式为：
Figure BDA0003495755460000061
使用Magic castle-coffee电子烟进行测定，SWV图如图3所示，计算结果如表2所示。在不同稀释倍数下尼古丁含量的相对偏差均小于10％，说明使用电化学方法检测尼古丁具备一定可行性。
表2 Magic castle-coffee电子烟检测结果
Figure BDA0003495755460000071
实施例2：Magic castle-coffee电子烟加标实验
向Magic castle-coffee电子烟样品中加入不同浓度的尼古丁标准溶液进行加标测定，即可得到加标后样品溶液的SWV图，如图4(a)所示。结果标明，随着尼古丁含量增大，响应电流也逐渐增大，且峰电位不变，说明该方法可用于检测不同尼古丁含量的电子烟样品。如图4b，响应电流与尼古丁浓度之间拟合后可得到线性方程y＝23.791x+0.4386(R2＝0.9714)，其中y为电流，单位为μA，x为尼古丁浓度，单位为mg/mL。未加尼古丁标准样品时的电流值为0.4386μA。如表3所示，检测线性范围为0-0.0232mg/mL，方法的回收率为86.03％-109.18％。
表3 Magic castle-coffee电子烟加标实验结果
Figure BDA0003495755460000072
对比例：
下面将本发明方法和现有技术测试方法在对比准确度、检测时间、操作简便度等方面进行比较，结果如表4所示。
表4不同尼古丁测试方法比较
Figure BDA0003495755460000081
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[4]Etter J,
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尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (8)

1.一种用于快速定量测定电子烟中尼古丁的电化学方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)工作电极的预处理：在测定电压为-0.3-+1.5V的情况下将100-200μL浓度为0.05-0.10M的H2SO4溶液滴加到丝网印刷金电极上进行电化学处理，通过循环伏安法，获得稳定的循环伏安图；
(2)配置尼古丁标准溶液并绘制标准曲线：将不同体积尼古丁标准品溶于有机酸溶液中，得到浓度为0.015-0.250mg/mL的尼古丁标准溶液；
然后将100-200μL上述不同浓度的尼古丁标准溶液分别滴加于步骤(1)处理后的丝网印刷金电极上，进行方波伏安法分析，记录尼古丁标准溶液的SWV曲线，得到尼古丁的特征响应电流值；
在相同的测试条件下，依次记录每一种浓度的尼古丁标准溶液对应的特征响应电流值，并绘制成标准曲线，通过拟合标准曲线得到相应的线性回归方程；
(3)电子烟样品的测定：量取不同体积的电子烟烟油加入1mL离心管中，再加入有机酸溶液定容至1mL，振荡摇匀；
然后加入2-10μL无机酸，进行超声2-4min，使其充分混匀，得到不同稀释倍数的电子烟样品溶液；通过方波伏安法测试样品溶液，记录电子烟样品的SWV曲线；
从每个样品溶液的SWV曲线中读出峰电流的数值，并根据步骤(2)中拟合得到的线性回归方程，计算得到电子烟样品溶液中的尼古丁含量值，乘上对应的稀释倍数，即为样品中尼古丁含量。
2.根据权利要求1所述的电化学方法，其特征在于，步骤(2)中所述有机酸溶液为体积浓度为30％的乙酸溶液或30％的甲酸溶液。
3.根据权利要求1所述的电化学方法，其特征在于，步骤(2)中所述方波伏安法测试条件为：电位范围为0.5-1.1V，振幅为5-15Hz、跨步电压4mV。
4.根据权利要求1所述的电化学方法，其特征在于，步骤(2)中根据每一种浓度的尼古丁标准溶液对应的特征响应电流值拟合标准曲线，得到相应的线性回归方程为：
y＝Ax+B
式中，y为电流，单位为μA，x为尼古丁浓度，单位为mg/mL，A、B为系数。
5.根据权利要求1所述的电化学方法，其特征在于，步骤(3)中所述有机酸溶液为体积浓度为30％的乙酸溶液或30％的甲酸溶液。
6.根据权利要求1所述的电化学方法，其特征在于，步骤(3)中所述无机酸为浓硫酸或浓盐酸，所述浓硫酸的浓度为2-10μL/mL，即3.68×10-2-1.84×10-1mol/L；所述浓盐酸的质量浓度为36-38％，物质的量浓度为12mol/L。
7.根据权利要求1所述的电化学方法，其特征在于，步骤(3)中所述方波伏安法测试条件为：电位范围为0.5-1.1V，振幅为5-15Hz、跨步电压4mV。
8.根据权利要求1或4所述的电化学方法，其特征在于，步骤(3)中计算得到电子烟样品溶液中的尼古丁含量值的计算式为：
Figure FDA0003495755450000021
式中，y为电流，单位为μA，x为样品溶液的尼古丁浓度，单位为mg/mL，A、B为步骤(2)得到的系数。
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