（分析化学专业论文）烟草与卷烟主流烟气生物碱的分析研究.pdf

摘要 本文综述了烟草与卷烟烟气中主要生物碱的检测方法和实验技术。通过大 量的文献调研和实验，建立了简单、快速的溶剂直接萃取一毛细管气相色谱同 时检测烟草中主要生物碱的方法，并进一步研究建立了卷烟主流烟气主要生物 碱同时检测的方法。这些方法的建立，对研究卷烟的香味和吃味以及对卷烟的 降焦降害工作具有实用意义。 论文主要工作归纳如下： 1 实验了不同溶剂对烟草中主要生物碱的萃取效果，探讨了这些溶剂对烟草生 物碱的萃取机理，优化了色谱条件，发现进样口的温度对生物碱的检测有很大 的影响，确定了最佳进样口温度为2 3 0 2 4 0 。c 之间，对样品的进样模式进行 了比较，发现选择脉冲进样的方式可有效降低生物碱测定时的吸附和热解问 题。确立了溶剂超声萃取生物碱、直接进样、毛细管气相色谱分离检测烟草中 主要生物碱的分析方法。实现了快速、简单的烟草生物碱的同时检测。结果表 明，该方法中尼古丁、去甲基尼古丁、新烟碱、去氢新烟碱的r s d 分别为1 5 、3 4 、2 7 、2 1 ，回收率在9 3 6 1 0 2 4 之间。适合于烟草生 物碱的分析测定。 2 通过实验研究，建立了用盐酸溶液超声提取生物碱、有机溶剂萃取去除中性 和酸性成分、二氯甲烷萃取生物碱、毛细管气相色谱火焰离子化检测器分离检 测，同时测定了卷烟主流烟气中尼古丁、去甲基尼古丁、新烟碱、去氢新烟碱、 2 ，3 一二吡啶、可的宁六种生物碱。该方法的可操作性强，重复性较好，适 用于卷烟主流烟气生物碱和侧流烟气生物碱的测定。 a b s t r a c t t h em e t h o da n de x p e r i m e n t a lt e c h n i q u eo fd e t e r m i n a t i o no fm a i na l k a l o i d si n t o b a c c oa n dc i g a r e t t es m o k ew e r er e v i e w e d o nt h eb a s eo f i n v e s t i g a t i o na n ds t u d yo f al o t l i t e r a t u r e ，t h es i m u l t a n e o u sd e t e r m i n a t i o no fm a i na l k a l o i d s i nt o b a c c o b y c a p i l l a r yg a sc h r o m a t o g r a p h y a f t e re x t r a c t e dw i t hs o l v e n tw a s i n v e s t i g a t e d t h e m e t h o di ss i m p l ea n dt i m e s a v i n g t h es i m u l t a n e o u sd e t e r m i n a t i o no fm a i na l k a l o i d s i nc i g a r e t t em a i n s t r e a n ls m o k ew a sf u r t h e ri n v e s t i g a t e d t h et w om e t h o d sa r eu s e f u l f o ra p p r e c i a t i n gt h ef l a v o ro f c i g a r e t t e sa n dr e s e a r c h i n gt h er e l a t i o n s h i po fs m o k i n g a n dh e a l t h t w om a i n a s p e c t s w e r ei n c l u d e di nt h ed i s s e r t a t i o n 1 t h ee x t r a c t i o n e f f i c i e n c y o fd i f f e r e n to r g a n i cs o l v e n t sf o ra l k a l o i d sw e r e c o m p a r e d t h em e c h a n i s mo fs o l v e n te x t r a c t i o nf o rt o b a c c oa l k a l o i d sw e r es t u d i e d t h ec o n d i t i o no f g a sc h r o m a t o g r a p h yw a so p t i m i z e d s u i t a b l ei n j e c t i o nt e m p e r a t u r ei s b e t w e e n2 3 0 2 4 0 c d i f f e r e n ti n j e c t i o nm o d e sw e r ea l s oc o m p a r e d i tw a sf o u n dt h a t p u l s e di n j e c t i o nm o d e c a nr e d u c et h ea b s o r p t i o na n dt h e r m a ld e g r a d a t i o no fa l k a l o i d s i nt h el i n e r t h ea l k a l o i d sw e r ed e t e r m i n e db yg a sc h r o m a t o g r a p h ya f t e r b e i n g d i r e c t l ye x t r a c t e dw i t hs e l e c t e ds o l v e n t t h em e t h o dh a st h ea d v a n t a g eo fs i m p l i c i t y a n dr a p i d i t y ，t h er e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o no fn i c o t i n e ，n o m i c o t i n e ，a n a b a s i n ea n d a n a t a b i n ew a s1 5 ，3 4 ，2 7 a n d2 1 r e s p e c t i v e l y t h er e c o v e r i e so fa l k a l o i d s w e r eb e t w e e n9 3 6 10 2 4 t h em e t h o di s a c c e ：p t a b l e f o r q u a l i t y c o n t r o lo f a l k a l o i d si nt o b a c c o p r o d u c t s 2 t h em e t h o df o rd e t e r m i n i n gt h ea l k a l o i d si nc i g a r e t t em a i n s t r e a ms m o k e w a si n v e s t i g a t e d t h ec a m b r i d g ef i l t e rw h i c hh a v ec o l l e c t e dc i g a r e t t es m o k ew a s s o n i c a t e di nh c is o l u t i o n t h e nt h ea c i d i ca n dn e u t r a lc o m p o u n d sw e r er e m o v e db y b e i n ge x t r a c t e dw i t hs o l v e n t t h er e m a i n i n ga c q u e o u ss o l u t i o nw e r ea t k a l i s e db y s o d i u m h y d r o x i d e t or e l e a s ea l k a l o i d s f i n a l l y , t h ea l k a l o i d sw e r ee x t r a c t e db y o r g a n i c s o l v e n t t h e yw e r e d e t e r m i n e db yg a sc h r o m a t o g r a p h yw i t hf i d i tc a nb ea p p l i e dt o m o n i t o rt h ea m o u n to fa l k a l o i d si nc i g a r e t t em a i n s t r e a ms m o k e i ta l s os u i t a b l ef o r c i g a r e t t es i d e s t r e a ms m o k e i 【 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章烟草及卷烟烟气中生物碱分析技术研究进展 1 1 烟草及卷烟烟气生物碱 1 1 1 烟草生物碱 生物碱是一类存在于生物体中的有机碱性物质，它主要存在于植物中，所以 常叫植物碱。并不是所有的植物都含有植物碱，含有植物碱的植物并不多。但是 一种植物可能含有多种植物碱( 最多可达几十种) ，同科植物所含有的植物碱往 往是相似的。植物碱通常是与无机酸( 硫酸，磷酸，硫氰酸) 或有机酸( 苹果酸， 柠檬酸，草酸，琥珀酸，醋酸，丙酸等) 结合成盐而存在于植物中，只有少数植 物碱以游离碱的形式存在，也有少数植物碱分别以糖苷、有机酸酯或酰胺的形式 存在。大多数生物碱都是结构复杂的多环化合物，分子中大都含有含氮的杂环， 有旋光性和明显的生理效应，且多为左旋。 烟草生物碱是由烟草植株从土壤里吸收各种无机含氮化合物( 主要是铵盐和 硝酸盐) ，在烟草根系或绿叶中，这些物质被还原成- - n h 。，再经过同化作用而形 成各种有机含氮化合物。烟草植株在生长过程中碳水化合物和含氮化合物之间相 互关联，以维持代谢平衡。单糖类氧化分解成为丙酮，经三羧酸循环转化成为各 种有机酸，与根部吸收或转化来的氨作用形成氨基酸，进而合成蛋白质，植物碱 或其它杂环化合物。 烟草生物碱是一个类群，包括近5 0 种物质，存在于约6 0 多个不同种的烟草 中，它们的个别成分也存在于烟草以外的某些植物。烟草植物碱按照其分子结构 划分主要有两类：一类是吡啶与氢化吡咯环相结合的化合物，如尼古丁( 烟碱) 、 去甲基尼古丁( 降烟碱) 、去氢去甲基烟碱( 麦斯明) 、二烯烟碱( 尼古替啉) 、 去甲基二烯烟碱( 降尼古替啭) 等；另一类是吡啶坏与毗啶或氢化吡啶坏相结合 的化合物，如新烟碱( 假木贼碱) 、n - 甲基假木贼碱( n 一甲基安那培新) 、甲 基新烟碱、去氢新烟碱( 新烟草碱) 、n - 甲基去氢假木贼碱( n 一甲基安那他品) 、 2 ，37 一二吡啶等，其结构式依次为： 中国科学技术火学硕十学位论文 n i c o t i l i en o r m c o t i n ea n a b a s i n e 烟碱降烟碱假木贼碱 9 9 新烟草碱 2 ，3 - - b i p y r i d l c o t i n i n 2 ，3 - - - t l 啶可的宁 9 早 n - - m e t h y l a n a t a b i n en - - m e t h y l - - a n a b a s i l l e 去氢去甲基烟碱n 一甲基新烟草碱n 一甲基假木贼碱 二烯烟碱 n o r n l c o t y r i r e 去甲基二烯烟碱 图1 1烟草生物碱的结构图 此外，还有异烟碱( c 。0 h n ) 、尼可托因( c 。hn ：) 、n - - 氧化烟碱( 氧化烟 碱) 、n7 甲酯基降烟碱、n 一甲酰基降烟碱、n 一乙酰基降烟碱、n 7 一己酰基降烟碱、n - - 辛酰基降烟碱、2 ，27 一双吡啶、5 一甲基一2 ，37 一双 2 中国科学技术大学硕十学位论文 吡啶、n7 一甲酯基新烟碱、n 一甲基烟草酮以及烟草灵和新烟草灵等。 在这些生物碱中，主要有4 种生物碱存在于烟草( n i c o t i a n at o b a c u m ) 栽 培品种中，即：烟碱( 尼古丁) ，降烟碱( 去甲基尼古丁) ，假木贼碱( 新烟碱) 和新 烟草碱( 去氢新烟碱) 。其中，以烟碱含量最高，它一般约占烟草生物碱总量的 9 0 以上，存在于6 0 种不同品种的烟草中。其它3 种烟碱所占的比例在正常情 况f 很少超过6 “。烟草种子中并不含生物碱，但种子一旦生根发芽，根内 就出现生物碱，然后由根部经茎输送到叶片和其它器官中去。随着植株的不断 生长，生物碱的含量不断增加。生物碱的含量与烟株根系生长状况有关，随自然 条件和农业技术措施变化而不同。例如，阳光充足，烟碱含量增加；土壤温度低， 烟碱含量下降；生长期问气候干燥，烟碱含量提高；大量施用氮肥，可提高烟碱 含量。烟株各部分的生物碱积累量大不相同。一般，叶片内的生物碱含量最大， 并依次随根、中脉、烟茎、花和种子而降低。烟碱在植株中的分布是上部叶比下 部叶多，调制后以叶缘部分最丰富，逐渐向主脉方向减少。 1 1 2 卷烟烟气生物碱 1 1 2 1 卷烟烟气的形成 卷烟烟支主要是由烟草、添加剂、卷烟纸、滤嘴、等构成的，其中最重要的 是烟草。当烟支在高温条件下燃烧( 或燃吸) 时，内部化学成分发生一系列复杂 变化，从而形成卷烟烟气。烟草作为一种天然材料，在燃烧过程中由于温度和氧 气供应量的不同，其燃烧机制不同，产生烟气的化学成分也不同。 烟支被点燃后，首端立即生成炭，从而形成了卷烟的燃烧系统。燃烧部分的 固体物质形成一个锥体燃烧锥，燃烧锥于未燃烧卷烟纸之间有一条黑色的炭 线。抽吸时锥体底部外围的烟草被燃烧掉，炭线后移，锥体变长。暂停抽吸时， 锥体阴燃而变短，直至与空气达到热平衡为止。于是抽吸卷烟时有两种燃烧方式 吸燃和阴燃，出此相应地产生了主流烟气( m a i n s t r e a ms m o k e ，简写为m s ) 和侧流烟气( s i d e s t r e a ms m o k e 简写为s s ) ，见图l _ 2 。 烟支被抽吸时，大部分气流是从燃烧锥底部周围进入，烟支燃烧形成气溶胶， 从烟支尾端冒出的烟气流，称为主流烟气。主流烟气进入吸烟者的口腔，用吸烟 机吸烟时主流烟气进入吸烟机。主流烟气通过喉部吸入肺部，达到刺激神经、产 中国科学技术大学硕士学位论文 生生理强度的作用。在进行卷烟内在质量评吸时，主要通过对主流烟气的鉴别， 判断其香味、杂气、刺激性、余味等的优劣。两次抽吸的问隔时间内，空气自燃 烧锥周围上升，烟支进行阴燃，产生的烟气称为侧流烟气( 也称支流烟气) 。侧 流烟气不进入吸烟者的口腔或吸烟机。动态抽吸时形成的主流烟气与静态燃烧形 成的侧流烟气在化学成分及含量上有差异。 侧流烟气 侧流烟气 气 r 、 ( 、- a ：! 图1 _ 2 燃烧烟支的模型 a ：燃烧区：b ：热解和蒸馏区 主流烟气 i i 2 2 烟气生物碱的来源 烟支的燃烧温度对烟气的化学组成有很大的影响。根据卷烟抽吸时的温度分 布不同以及不同温度区域内所发生的反应，一般把一支燃烧的卷烟分为3 个主要 的反应区：9 0 0 6 0 0 。c 的高温燃烧区，有机物质的燃烧形成缺氧气流，它是一氧 化碳、二氧化碳、氢和挥发性碳氢化合物的主要形成区；6 0 0 一1 0 0 c 的中温热解 蒸馏区，所进行的主要是吸热反应，它的能量来自高温区，大分子物质热解为小 中国科学技术犬学硕士学位论文 分子物质，低沸点的物质蒸发进入烟气流中；1 0 0 。c 以下的低温冷凝过滤区，烟 气中物质冷凝，较轻的气体透过卷烟纸扩散到大气中，空气透过卷烟纸稀释烟气 是此区域的特征。在高温区有一个炭的氧化放热过程，热被传递给气流，该贫氧 热气流为热解蒸馏区提供了能源，从而导致各种各样的复杂反应。很少发生氧化 和还原反应，主要是热解、聚合、缩合等反应。烟丝分解出挥发性气体和液体， 以及焦油的成分。未参加反应而通过干馏或蒸馏直接进入烟气的物质如烟碱等， 约占烟气组分的1 3 。 烟气的化学成分，一部分是由烟叶的化学成分在燃吸时被挥发和蒸馏，直接 进入烟气的，其余大部分是由烟叶化学成分在不同温度下热解和合成的新生化合 物。人们对烟碱在燃烧的卷烟中的变化过程研究最多，其转化过程见图1 3 所示。 o r g a n m s1 7 s s2 4 图l 3烟叶烟碱向烟气组分的转化 ( 图中的数值为质量百分比；m s ：主流烟气；s s ：侧流烟气) 在燃烧的卷烟中，大约4 1 的烟碱直接转移到卷烟烟气，3 1 1 转入其它 的挥发性碱( 存在于粒相) ，1 2 5 转变为二氧化碳。只有很少一部分转变成中 性或酸性组分1 。可见，烟气中的生物碱主要来源于烟叶中生物碱的直接转移和 热解转化。 中国科学技术人学硕+ 学位论文 1 2 生物碱对烟草品质及安全性的影响 生物碱的组成和含量是烟叶的重要质量要素，直接影响烟草制品的生理强 度、烟气特征和安全性。烟草中生物碱以两种形式存在，即游离式和组合式。烟 草燃烧后的烟气中，烟碱的这两种形式都存在，由于游离烟碱的碱性比结合态烟 碱强，因此刺激性强。如果烟叶或烟气中碱性增强，结合态烟碱会逐渐转化成游 离烟碱。烟草中的烟碱可直接刺激人体中枢神经，适量的烟碱能满足吸烟者的生 理需要。烟碱含量低，烟气平淡，劲头小，香气不足，不能满足吸嗜需要：烟碱 含量过高，生理强度大吃味变劣烟气劲头大，刺激性增强。因此不同类型， 不同风格特点的烟叶和制品要求有适宜的烟碱含量。降烟碱的含量及相对组成近 年来日益受到重视。在正常情况下，烟叶中降烟碱含量在3 以下，但在烟株群 体中，降烟碱含量异常增高，烟碱含量相应降低的植株不乏存在，这些植株被认 为是由于发生了烟碱向降烟碱转化突变而形成的”“。群体中转化型烟叶的存在 会使烟叶总体降烟碱水平增高，影响烟叶香味品质和可用性“。 此外，烟草生物碱是烟草特有亚硝胺前体。仲胺和叔胺能和硝酸盐或氮氧化 合物反应形成n 一亚硝胺。烟草中含1 5 2 4 的合氮化合物，其中包括胺类，并 且含有高达5 的硝酸盐。因而，烟草制品中的n 一亚硝胺浓度较高。烟草制品中 的n 一亚硝胺区分为三种：a 挥发性n 一亚硝胺( v n a ，v o l a t i l en i t r o s a m i n e ) ： b 非挥发性n 一亚硝胺( n v n a ，n o n v o l a t i l en i t r o s a m i n e ) ；c 烟草特有的n 一亚硝胺( t s n a ，t o b a c c os p e c i f i cn i t r o s a m i n e ) ，它是从烟草生物碱衍生而 来的，其中t s n a 是烟草和烟气中最大量的致癌物。t s n a 包括n n n ( n 一 n i t r o s o n o r n i c o t i n e ) ，n n k ( 4 一( m e t h y l n i t r o s a m i n e ) 一l 一( 3 - - p y r i d y l ) 一1 一b u t a n o n e ) ，n a t ( n7 一n i t r o s o a n a t a b i n e ) 。n a b ( n 一 n i t r o a n a b a s i n e ) ，n n a l ( 4 一( m e t h y l n i t r o s a m i n o ) 一1 一( 3 - p y r i d y l ) - 1 - b u t a n 0 1 ) 和i s o n n a l i s o 一( 4 一( m e t h y l n i t r o s a m i n o ) 一卜( 3 - p y r i d y l ) 一卜b u t a n 0 1 ) 。 一般认为，烟草特有亚硝胺在新鲜采收的绿叶中不存在呻”。它们是在烟草 调制期间通过烟草生物碱亚硝化作用而形成的( 如图1 4 所示) 。烟草制品中含 量最丰富的胺是叔胺类的烟碱( 尼古丁) ，在烟草加工( 烘烤，发酵) ，它被亚硝 化生成皿硝基去甲烟碱( n n n ) 和4 一( 甲基亚硝胺) 一1 一( 3 一吡啶基) 一l 一 丁酮( n n k ) 等，同时次要的烟草生物碱如：降烟碱，假木贼碱，新烟草碱也是 中国科学技术大学硕十学位论文 生成n n n ，n7 一亚硝基假木贼碱( n a b ) 和n 一亚硝基新烟碱( n a t ) 的前体。 在吸烟期间当烟草燃烧时。烟草特有亚硝胺会转移至烟气，并会热分解，通过热 合成也会形成更多的亚硝胺。 c o t i n en o r n i c o t i l i e 烟碱去甲基烟碱 咿甲 a n a t a b ii l e 假木贼碱新烟草碱 n n kn n nn a b 4 - - ( 甲基亚硝基氨基) 一ln 一亚硝基 n 一亚硝基 一( 3 一毗啶基) 一1 一丁酮去甲基烟碱假木贼碱 n n a l 4 一( 甲基亚硝基氨基) 一1 一( 3 一吡啶基) 一l 一丁醇 n a t n 一亚硝基 新烟草碱 丫 中国科学技术人学硕士学位论文 n l c o t l n e 烟碱 硝解还原 i s o n n a l 4 - - ( 甲基亚硝基氨基) 4 一吡啶基一l 一丁醇 图1 4 烟草特有亚硝胺的形成 亚硝酸盐是烟草生物碱的亚硝化剂，其含量对烟草特有亚硝胺水平有重要影 响。烟草特有噩硝胺的最终含量与下列因素有关：烟草品种和影响最初生物碱与 硝酸盐浓度的农学条件；调制期间产生生物碱亚硝化作用的条件；会进一步发生 亚硝化作用的贮藏和加工条件。 而且，流行病学研究表明，吸烟对健康无益阴1 。烟气中有很多有害成分，其 中尼古丁及其主要生物碱就具有一定的毒性，人们对烟碱( 尼古丁) 的研究比较 具有代表性。尼古丁具有成瘾作用，能引起人们对烟草的强烈依赖性，它对中枢 神经系统及心血管系统有作用，而且还是潜在的致癌物。其毒理主要有以下三点： a 尼古丁的神经系统的毒理：尼古丁主要对中枢神经系统和植物神经系统的神经 细胞和运动神经术梢产生作用。尼古丁与神经细胞膜上烟碱型乙酰胆碱受体结合 时，由于尼古丁结构中极性部位离解成为阳离子含氮部位，它以静电引力与受体 的阴离子部位及疏水键结合，使处于一定距离的吡啶碱基作用于受体膜而产生毒 理作用。尼古丁通过促进动脉粥样硬化，血栓形成或通过损伤脑的自我调节功能 而引起麻痹。尼古丁通过收缩或促进营养小动脉的血栓形成而影响蛛网膜下出血， 己知长期吸烟是发展蛛网膜下出血的危险因子。尼古丁通过影响大脑循环而有可 能影响大脑的机能，慢性吸烟加快冠状末梢的动脉粥样硬化。b 尼古丁的心血管 系统毒理：人们一般认为，吸烟是冠心病及外周血管病治病的主要危险因素。吸 烟引起肾上腺体释放上腺素和去甲肾上腺素，注射尼古丁也有类似作用。吸烟对 心脏及血管的主要作用很有可能就是因为这种激素的释放所致。此外，尼古丁可 经由交感神经系统控制血压，心率，心输出量，使它们短时上升。尼古丁可使心 中国科学技术人学硕十学位论文 输出量和收缩性减小，同时血管缩小，而且可引起心率不齐。尼古丁还使血浆中 纤维蛋白原上升，因此，增加了患局部缺血性心脏病( i h d ) 的危险性。c 尼古 丁的毒理：癌症，目前尚无证据证明尼古丁本身是致癌的，但它可能具有协同致 癌的活性。在尼古丁的代谢物中，理论上可能与诱变或致癌危险有关的仅有n 7 一氧化尼古丁和可的宁。 1 3 生物碱分析的研究进展 1 3 1 样品制各 由于生物碱在烟草品质和公众健康方面的作用，正确的评价烟草和卷烟烟 气中生物碱的含量非常重要。萃取是评价过程中不可缺少的步骤，无论最终生 物碱以何种方法测定，样品都必需经过把生物碱从复杂的烟草基质中萃取出来， 以减少干扰物对分析生物碱的干扰。 1 - 3 1 1 水蒸气蒸馏 蒸馏是一种广泛使用的分离方法阳“，根据液体混合物中液体和蒸汽之问 混合组分的分配差别进行分离。蒸馏的主要目的是从混合液体样品中分离出挥发 性和半挥发性组分。如果液体混合物中两种组分的蒸气压具有较大差别，就可以 在气相中富集更多的挥发性和半挥发性组分，而不挥发组分被富集在液相。此方 法是检测烟草中总植物碱含量的前处理方法，根据国际标准i s o 方法“，烟草 中的生物碱被强碱游离出，进行水蒸汽蒸馏时进入馏出液，用紫外分光光度法在 2 5 9i m 处测吸光值，实测值为以烟碱含量代表的总植物碱的含量。但其操作费 时，样品在高温下长时间煮沸，有可能伴有生物碱热降解。 i 3 1 2 溶剂萃取 溶剂萃取是一种经典的样品制备方法，对于植物化学成分的提取，它是根据 植物中各种成分在溶剂中的溶解性质，选用对活性成分溶解度大、对不需要溶 出成分溶解度小的溶剂，而将有效成分从植物组织内溶解出来的方法。当溶剂 加到适当粉碎的原料中时溶剂由于扩散、渗透作用逐渐通过细胞壁透入到细 胞内，溶解了可溶性物质，造成细胞内外的浓度差，于是细胞内的浓溶液不断向 外扩散，溶剂又不断进入植物组织细胞中，直至细胞内外溶液浓度达到动态平 衡，可把所需的成分较完全溶出或大部分溶出。其中振荡萃取，超声波萃取，索 9 中国科学技术大学硕十学位论文 氏萃取和微波辅助萃取都已用于烟草生物碱的萃耿。 a 振荡萃取：它是溶剂渗透，溶解出目标分析物的过程。不同的溶剂己用 于烟草生物碱的萃取。c j k e l l e r 等人“”与l o w e l lp b u s h “用饱和氢氧化钡 水溶液浸润烟末后，再用苯一氯仿( 9 1 ，v v ) 作萃取液，机械振荡。杨金辉等 人“”采用0 1 m g m l 的氢氧化钠水溶液浸润烟水。比较二氯甲烷、三氯甲烷、苯 一氯仿( 9 1 ，v v ) 三种萃取溶剂，发现二氯甲烷作萃取溶剂的回收率最高。 s s p a k h a l e ”们采用酸化去离子水，把生物碱转化成水溶性的质子念形式后进行 振荡萃取。在振荡萃取中。采用不同的萃取溶剂，实验证明萃取溶剂中水含量增 加能增加溶剂的萃取能力”“。 在烟气分析中，l o u i sd q u i n “”对白肋烟烟气的生物碱进行测定，用1 n h c i 沈涤后，再用苯萃取( 除去酸性，中性成分) ，然后用强碱碱化萃取液使生 物碱游离出，再用苯萃取，浓缩进样，经色谱分离纯化，利用气相色谱联合纸色 谱和紫外光谱对烟气生物碱定性和粗定量。l o w e l lp b u s h 等人“”与 s s p a k h a l e “”等人也采取相似的前处理方法，并用于分析烟气中生物碱。 b 超声波萃取：它是借助超声波提高萃取效率的一种溶剂萃耿方法。超声 波是一种弹性波，其振动能产生强大的能量，给予媒质点以很大的速度和加速 度，加速度随着声波频率的增大而增大，声波在植物组织细胞里比电磁波穿透 更深，停留时间也较长。大能量的超声波作用于液体使其被撕裂成很多小空穴， 小空穴( 又称微气压泡) 闭合时产生高达几千个大气压的瞬时压力，作用于叶肉 组织，称为空化。空化可加速植物中的有效成分进入溶剂，增加有效成分的提取 率“1 。除空化作用外，超声波还具有机械振荡，乳化，扩散，击碎等多级效应 有利于使植物中的有效成分的转移并充分和溶剂混合，促使提取的进行“。利用 高频率的声波使目标分析物充分从样品基质分离。由于此方法较常规的溶剂提取 能大幅度地缩短提取时间、消耗溶剂低、回收率高，因此具有较高的提取效率， 在烟草的生物碱萃取中应用广泛，即把烟末与萃取溶液混合于封闭的管瓶中进行 超声波浴。各种超声波方法大致相同，只是根据不同的分析手段采用不同的萃取 溶剂。例如，氢氧化钾碱化的甲醇溶液“，氯仿“”，1 的三乙醇胺m 1 。经实验 证明萃取溶剂中水含量的控制和温度的控制能提高萃取能力。由于温度的控制 能够增j j h 溶剂的萃取能力，文献o ”采用了优化的超声波方法，萃取在配有静电加 0 中国科学技术大学硕士学位论文 热器的超声波浴中进行，采用了最佳温度8 2 ，用氢氧化钾碱化的甲醇回流进 行超声波浴，回收率高达9 5 以上( 2 ，37 一b i p y r i d y l 稍低，回收率为8 i ) 。 c 索氏萃取：它是传统的分离萃取方法“8 。”+ 州，是高温条件下无溶剂损失 的一种方法，高温有助于提高溶剂的萃取能力。b u r n sa n dc o l li l l a l l 最早把它 应用于烟草中生物碱的分析，在索式提取器中用甲醇提取2 个小时。文献洲索 氏萃取装置稍作改进，以氮气作保护气，可减少生物碱氧化降解，但操作时间 仍很长，有不可避免的生物碱热降解。 d 微波辅助萃取：它是利用微波加热的特性来对物料中目标成分进行选择 性提取的方法。其原理是植物样品在微波场中吸收大量的能量，细胞内极性物 质的存在，对微波能吸收较多，而周围的非极性萃取剂则吸收较少，从而在细 胞内部产生热应力，被萃物料的细胞结构因细胞内部产生的热应力而破裂，使 细胞内部的物质直接与相对冷的萃取剂接触，因而加速了目标产物由细胞内部 转移到萃取剂中，从而强化了萃取过程。微波辅助萃取具有高回收率、高选择 性、快速加热、易于控温及低溶剂消耗等优点。b i c h ie t a l 利用m a e 从干的 s e n e c i o s p p 中萃取吡咯啶生物碱。”1 。文献。”应用m a e ( m i c r o w a v e a s s i s t a n t e d e x t a c t i o n ) 萃取生物碱，此法快速、简单。但对于生物碱含量测定精确度不高， 而且，目前，微波辅助萃取仍处于初级阶段，特殊专用微波辅助提取设备的研 发等都有待于进一步的研究。 1 3 1 3 固相微萃取 自从1 9 9 0 年“”引入固相微萃取( s f m e ，s o l i dp h a s em i c r o e x t r a c t i o n ) 技术，因其集分离和浓缩于一身，操作时间短，样品用量少，无需萃取溶剂， 已成为分析挥发物和半挥发物的常用制备样品方式。它是采用熔融的光导石英 纤维为固相吸附剂，或在其表面涂渍了类似于聚二甲基硅氧烷。”或其它有机固 定液薄层，其有两种进样方式直接浸入式m 3 和顶空式。7 1 “”1 ，样品中有机 物通过扩散被吸附在纤维柱头上，达到吸附平衡时，被测组分被吸附量与它在 原始样品中的浓度呈一定的线性关系，因而可根据吸附量计算出原始样品中被 测物的浓度。它在烟草香味成分分析中得到广泛的应用。“1 。在生物碱分 析中，s s y a n g ”采用s p m e g c n p d ，把固相微萃取的纤维柱头直接浸入萃 取液中，分析效果较好。但是，由于烟草样品用碱处理，强碱性溶液对纤维柱 中国科学技术大学硕士学位论文 头存在老化问题。而且，由于烟草样品是复杂的体系，还存在基质效应问题，而 文献“”采用顶空式s p m e ，消除了纤维柱头老化问题，实验中再次发现烟草基质 效应问题，因而采用标准加入法最大程度地消除烟草基质效应，同时使用气质 联用，质谱为选择离子模式，解决了复杂基质干扰物对定量分析的影响，而且 采用同位素标记的生物碱做为内标，使定量结果更准确可靠，但其定量的重复 性仍不理想。 1 3 1 4 固相萃取 固相萃取( s p e s o l i dp h a s ee x t r a c t i o n ) 实质上是一种液相色谱分离技 术，它利用固体吸附剂将样品液体中目标化合物吸附，与样品的基质或干扰化 合物分离，然后再用沈脱液沈脱目标化合物，达到分离和富集目标化合物的目 的。此方法具有迅速、省溶剂和省时的特点。它己用于卷烟烟气中的多环芳烃 “”“”和农药残留m 1 的测定，还用于卷烟添加剂对卷烟烟气毒性的评价3 。文献 “”先用乙酸酸化的甲醇溶液萃取烟草生物碱，再用氢氧化钠溶液把萃取液中的 生物碱游离出来，利用c 1 8 柱分离生物碱，活化剂为水和乙醇，当用碱化的萃 取液流经柱子后，用水洗脱干扰物质，经干燥，再用甲醇洗脱生物碱。 1 3 2 生物碱的色谱分析 色谱分析方法具有高超的分离能力，而且分析速度快，灵敏度高。而烟草 和卷烟烟气是一种复杂体系，含有大量的化学物质，因此，分析鉴定它们的物 质组成和含量多少，色谱法成为首选方法。随着色谱技术的发展，各种色谱分 析方法已用于生物碱的检测。 i 3 2 1 薄层色谱 文献旧”利用硅胶g 的薄层色谱进行分离，苯一二嗯烷一乙醇一氢氧化铵 ( 1 0 0 ：8 0 ：1 0 ：1 0 ，v v ) 为展开剂，每种生物碱用0 1 n 的盐酸洗脱紫外检测，此 法比较费时，且回收率不高。 i 3 ，2 。2 液相色谱 a 反相高效液相色谱 文献“7 “侧都采用反相e 1 8 柱分离烟草生物碱，但是高效液相色谱应用在生 物碱的分析中，流动相的p h 值只能限制在2 9 之问，在高的p h 值下，色谱柱 中国科学技术大学硕十学位论文 中的硅胶颗粒可能被破坏，然而，在低的p h 值下，尼古丁等生物碱主要以双质 子形式存在，反相高效液相色谱柱对其保留很小，很难同时有效分离这些结构 相似的烟草生物碱。通过对流动相p h 值调节，尼古丁等主要以游离念和单质子 态存在，但色谱峰有拖尾。文献1 利用b c d 键和相色谱柱具体讨论了有机修饰 剂和p h 值对生物碱在反相液相色谱中的保留和选择性的影响。 b 离子对液相色谱和超临界流体色谱一离子流动检测 文献“”优化离子对液相色谱检测尼古丁时采取了优化的条件同时分离出尼 古丁和其它生物碱，用紫外检测，峰分离较好，但未作定量研究。文献。”中利 用s f c i m d ( s u p e r c r i t i c a l f l u i d c h r o m a t o g r a p h y i o nm o b i l i t yd e t e c t o r ) 对烟草中烟碱实现在线分析，可以选择性地从不完全分离的色谱流出物中检测 烟碱。作者预测，通过优化色谱分离，s f c i m d 可用于烟草生物碱的在线检测。 与g c 相比，其操作温度低，可以减少生物碱降解，它的灵敏度和选择性都很高， 但是s f c i m d 的仪器还有待于商品化。 c 毛细管电泳 s s y a n g 等”“利用胶束电动毛细管色谱同时检测烟草生物碱，通过加入离 子表面活性剂十二烷基磺酸钠，各种生物碱获得好的分离，但c e 中采用紫外检 测，由于其在柱上检测，短的、不确定的光学路径使其灵敏度受到限制。 1 3 2 3 气相色谱 气相色谱是检测烟草中生物碱的常规仪器，它配制各种商品化的检测器， 能满足低含量的生物碱检测的要求。n e s t o rr o s a “”曾用裂解气相色谱粗测了尼 古丁和降烟碱，较当时的水蒸气蒸馏法准确度高。火焰离子化检测器( f i d ) 易 于操作，对大多数烟草样品有足够的灵敏度检测尼古丁，但也有用f i d 定量检 测其它生物碱“”“”。氮磷检测器( n p d ) 和质谱( m s d ) 是选择性检测器，对 于含量较低的微生物碱检测有更好的灵敏度和选择性。 1 3 3 定性与定量 定性：薄层色谱利用不同的r f 值定性，液相色谱则利用标准物质对照定性， 气相色谱通常利用保留时间和g c m s 联机定性，其准确度很高。 定量：在常规分析中通常采用内标标准曲线对大量样品定量，但是严格来 中国科学技术大学硕士学位论文 说，由于考虑到烟草中含有数千种化学组分，基质效应影响较大，采用标准加 入法可有效减少基质效应的影响，定量更准确，可靠。 1 4 展望 样品制备与前处理是色谱分析过程中不可缺少也是最薄弱的环节，因此，高 效、快速、低成本、无污染的样品制备与前处理技术无疑是现代色谱分析的一个 重要研究方向。在烟草与烟气分析中，一些先进的技术已得到初步应用，它们独 特的优越性己显示出强大的生命力，但是也存在一些不足，进一步提高与完善这 些方法的应用十分必要。 与色谱分析在线联用是样品制备和处理技术发展的另一个方向，现代色谱已 实现机械手自动进样，如果前处理实现在线智能化操作，不但可以解放生产力， 而且可以防止人工操作无法避免的个体差异所引起的误差，提高分析测定的准确 度和精密度。 1 5 本论文的设计 烟草中生物碱的色谱分析及样品处理是一个备受关注的课题，人们为此做了 大量的工作，但是，一些前处理过于复杂，一些前处理的设备在国内还没有普及， 本论文尝试寻找种简单、迅速、准确、低成本的前处理方法。已报道的文献中 对卷烟烟气生物碱的研究不是很多，而且，对烟气中生物碱的分析，目前仅建立 了烟碱的标准测定方法，对其它生物碱的分析测定尚未引起足够的重视。本论文 优化并建立了烟气样品前处理的方法，采用g c 和g c m s 技术实现了卷烟烟气中 六种生物碱的同时测定。烟草和烟气生物碱的分析方法可用于指导卷烟配方和设 计，对研究吸烟与健康问题也有一定的参考作用。 参考文献 1 l _ p b u s h ，r e c e n t h d v s c i e n c e ，1 9 8 1 ，7 ，7 5 2 l p b u s h ，f f f a n n i n ，r l c h e l v a r a j a na n dh r b u r t o n ，b i o s y n t h e s i s a n dm e t a b o li s mo fn i c o t i n ea n dr e l a t e da l k a l o i d s n i c o t i n ea n dr e l a t e d a l a k l o i d s c h a p m a n h a l l ，l o n d o n ，1 9 9 3 4 中国科学技术人学硕士学位论文 3 i s c h m e l t z ，a w e n g e r ，d h o f f m a na n dt c t s o ，j a g r i c f o o d c h e m ，1 9 7 9 ， 2 7 ，6 0 2 4 l p b u s h ，y z h a n ，h y a n g ，s h ihze ta 1 t i m eo fn o r n i c o t i n ef o r m n a t i o n i nb u r l e yt o b a c c o c o r e s t a ，h a n g z h o u ，c h i n a ，1 9 9 9 5 f f f a n n i n ，l p b u s h ，m e d s c i r e s ，1 9 9 2 ，2 0 ，8 6 7 6 k k b r u n n e m a n n ，d h o f f m a n n ，a n a l y t i c a ls t u d i e so nn n i t r i s a n m i n e si n t o b a c c oa n dt o b a c c os m o k e ，19 9 1 7 a w i e r n i a c h r i s t a k o p o u l o s ，lj o h a n s s o n ，i w a h l b e r g ，r e c a d v t o b s c i ，1 9 9 5 ，2 1 ，3 9 8 金闻博，雍国平，尼古丁化学，中国轻工业出版社，1 9 9 3 9 p p r a u s ，a n a l c h i m a c t a ，1 9 9 5 ，3 0 2 ，3 9 1 0 n s k i m ，d s l e e ，j c h r o m a t o g r ，2 0 0 2 ，9 8 2 ，3 1 11 t 0 l a r s e n ，j c f r i s v a d ，j m i c r o b i 0 1 0 9 i c a lm e t h o d s ，1 9 9 5 ，2 4 ，1 3 5 1 2 o f f i c a lm e t h o d so fa n a l y s i s ( 1 9 9 7 ) 1 6 t h e d a o a ci n t e w r n a t l 0 n a l g a i t h e r s b u r g ，m d m e t h o d9 6 0 0 8 1 3 c j k e l l e r ，l p b u s h ，c g r u n w a l d ，j a g r i c f o o d c h e m ，1 9 6 9 ，1 7 ，3 3 1 1 4 l p b u s h ，j c h r o m a t o g r a ，1 9 7 2 ，7 3 ，2 4 3 1 5 杨= ；：辉等人，云南大学学报( 自然科学版) ，2 0 0 1 ，2 3 ，5 3 1 6 s s p a k h a l e ，g b m a r u f o o da n dc h e m i c a lt o x i c o l o g y ，1 9 9 8 ，3 6 ，1 1 3 1 1 7 j a s a u n