主流烟气中氨的测定

1、 卷烟 主流烟气中氨的测定 离子色谱法实 验 报 告一 立项背景随着吸烟与健康研究的不断深入，烟气中的化学成分日益引起人们的重视。英属哥伦比亚和加拿大政府要求公布烟气中44种霍夫曼有害化学成分的含量，巴西和美国的部分地区也做出了相似的规定，预计不久的将来，许多国家将制订相关的法律法规。随着中国加入WTO的进程加快，卷烟市场的逐步开放，WHO国际控烟框架的形成，国内消费者对吸烟与健康、卷烟安全性问题日益关注。作为卷烟生产和消费的大国，有必要在烟气有害成分检测方面建立统一的国内行业标准。卷烟主流烟气中的氨是44种有害成分中的一种，来源于烟草中的含氮化合物，游离氨能碱化烟气，增加烟气中非质子化尼古丁

2、的浓度，使尼古丁更易被吸收，从而增加了烟草致瘾性和全球使用量。主流烟气中，尼古丁分布于气、粒两相，气相中的尼古丁完全以游离烟碱的形式存在，粒相中以质子化和游离态两种形式存在，其比例根据粒相物的pH值不同，Hoffmann等人的研究表明：pH值在5.8时，尼古丁主要以单质子化和双质子化形式存在，而随着pH值进一步升高，游离尼古丁的相对含量逐渐增加，在pH=7.8时，烟气中大约总尼古丁的30%为游离态。Sloan和Morie的实验证明烟气中游离氨的总量与pH值（5.27.4）呈明显正相关。氨对尼古丁生物利用度的增加作用主要通过：（1）增大气、粒两相中游离烟碱的比例；（2）增大气相中烟碱的分布比例，

3、从而造成一种由浓度驱动的，尼古丁在口腔、上呼吸道上皮细胞中更快速、更大量的吸收。根据BAT的一份研究报告，在卷烟里使用氨的添加剂可使尼古丁的最高输送率达到45%。此外，氨会污染室内环境空气，环境中低含量的氨气（10 g/m3）就会引起上呼吸道敏感的人咽喉刺激感、呼吸急促，高含量的氨气（750 mg/m3）甚至可能引发慢性阻塞性肺病1,2,3。目前，行业里对主流烟气中氨的检测已有多种方法。国内主要有中国科学技术大学烟草与健康研究中心王希琴、蔡继宝等4以及郑州烟草研究院赵晓东等5建立的离子色谱法测定卷烟主流烟气中的氨的方法。国外烟草公司和机构也进行了大量的研究工作，包括菲莫、雷诺、BAT、UK、A

4、rista、Health Canada等，建立了较成熟的分析方法6,7,8,9,10,11，各种方法均测定了气、粒两相中氨的总量。主要差异在于前处理条件不同：捕集液种类、体积；捕集阱的设计；抽吸支数；萃取时间；捕集液的转移过程等。氨的分析均采用阳离子交换色谱，外标法定量，但标准曲线的拟合方程存在差异。本项目对卷烟主流烟气中氨的收集、前处理和仪器分析方法进行了研究，优化了捕集、萃取和离子色谱分析条件，验证并建立了离子色谱法测定卷烟主流烟气中的氨的标准分析方法。二 项目合同内容项目合同设定的研究路线和实验内容如下：将卷烟按照国标进行前期处理，在捕集器和抽气口之间放置自制的烟气捕集阱，用于捕集烟气气

5、相中的氨，另用捕集液萃取抽吸后滤片，用于捕集烟气粒相中的氨，合并定容，使用离子色谱进行氨的定量测定。其中，测定回收率和空白，进行重复性和重现性实验，测试不同种卷烟进行方法验证。三 实验部分3.1 试剂与材料浓盐酸：36 % 38 %（质量分数），分析纯纯水：电阻率为18.2 M cm的超纯水甲磺酸（Acros），色谱纯NH4+ 标准溶液，国家标准物质研究中心样品：上海烟草（集团）公司筹备的商品卷烟和参比卷烟（2R4F、1R5F）3.2 仪器与设备 Dionex-600离子色谱仪（Dionex 公司），配电导检测器 回旋式震荡器吸烟机：RM20H（Borgwaldt）、SM400（Filtron

6、a）、SM450（Cerulean）、RM200（Borgwaldt）。3.3 实验步骤3.3.1 实验容器准备及预处理为减少钠离子含量，容量瓶、移液器具等均尽量使用塑料容器；捕集阱、萃取瓶可用10 mM盐酸溶液润洗一遍并用纯水冲净，干燥后备用。3.3.2 样品制备直线型吸烟机上每孔道抽吸4支卷烟，在捕集阱内加入20 mL 10 mM盐酸，转盘式吸烟机上每轮抽吸20支卷烟，捕集阱内加入50 mL 10 mM盐酸，按照GB/T19609规定要求进行抽吸。直线型吸烟机抽吸完后，将44 mm滤片放入100 mL萃取瓶中，使用四分之一滤片（44 mm）擦拭捕集器，一起置于萃取瓶中，加入20 mL 10

7、mM盐酸。转盘式吸烟机抽吸完后，将92 mm滤片放入250 mL萃取瓶中，用四分之一滤片（44 mm）擦拭捕集器，一起置于萃取瓶中，加入50 mL 10mM盐酸。振荡萃取40 min，振荡器频率设为160 r/min。萃取完成后，从捕集阱和萃取瓶中各移取5 mL溶液置于容量瓶中，直线型吸烟机的样品定容至25 mL，转盘式吸烟机的样品定容至50 mL，取定容液过0.45 m的滤膜，装入色谱瓶待离子色谱分析。 空白样品的制备：完全按照前述方法操作，抽吸时卷烟不点燃。3.3.3 离子色谱检测条件流动相：A：50 mM甲烷磺酸 B：水流速：1.2 mL/min梯度条件： 时间（min）A （%） B（

8、%）0 32 686 32 686.1 50 5014.5 50 5014.6 32 6828 32 68色谱柱：CS12A（4250mm）进样量：25 uL柱温：30 自身再生抑制器电流：90 mA；3.3.4 结果的计算与表述3.3.4.1 标准工作曲线 以标准溶液的峰面积为纵坐标，铵离子浓度为横坐标建立标准工作曲线。应增加标准曲线的配制方法？3.3.4.2 卷烟中氨含量的计算 卷烟主流烟气中的氨含量按照下式计算得出： M = （C V a 17）/（n18） 式中：M卷烟中的氨含量，单位为微克每支（g/cig）； C样品中离子色谱的测定浓度，单位为微克每毫升（g/mL）； V样品定容体积

9、，单位为毫升（mL）；a换算系数，用转盘式吸烟机时为10，直线型吸烟机为4；n抽吸卷烟烟支数量，单位为支；17氨的式量；18铵离子的式量。3.4 方法验证3.4.1 定量范围、精密度、检出限系列标准溶液的浓度为：0.1 g/mL，0.3 g/mL，0.5 g/mL，0.7 g/mL，1.0 g/mL，工作曲线见图1。 图1 0.1-1 g/mL标准溶液工作曲线，r=0.9988 本方法采用峰面积对浓度进行线性拟合：y=kx+b，权重因子为1/x，得到的曲线r2 0.99，标样点拟和的准确度在3%以内 %准确度=100（计算值-标准值）/ 标准值。表1列出了随时间推移的五次实验中标准曲线各浓度点

10、的准确度、标准曲线参数（r2，k，b）以及它们的平均值、变异系数数据。表1 五次标准曲线的数据实验次数12345平均值变异系数%准确度0.1 g/mL-1.5-2.7-2.8-2-2.10.5 g/mL2.441.62.982.36-0.561 g/mL-1.73-2.06-2.2-2.64-0.59r0.99880.99900.99910.99860.99940.99900.03k0.25820.25560.25250.25490.25100.254441.11b0.00850.00730.00750.00840.00880.00818.14由数据可见，斜率的变异系数很小，截距的变异系数较大

11、。经研究发现，截距的变化对于采用该标准曲线系列定量的低浓度样品的测定值影响较大。由于铵标准溶液的浓度会随着放置时间延长而增大，而低浓度标准溶液浓度的变化对工作曲线截距的影响尤为明显。为控制样品测定值的稳定性，每次实验须重新配制标准系列，制定标准曲线。方法的检出限（LOD）和定量限（LOQ）：以0.1 g/mL浓度的标准溶液，重复进样10次，计算测定值的标准偏差，以3倍标准偏差作为方法的氨含量检出限、以10倍标准偏差作为方法的氨含量定量下限，数据见表2。表2 0.1 g/mL标样进样10次的分析数据进样次数浓度（g/mL）1#0.10282#0.09903#0.09634#0.09865#0.1

12、1016#0.09917#0.09688#0.09829#0.107310#0.0993平均值0.10075标准偏差0.004582检出限和定量限的计算：LOD=30.004582=0.013746 g/mL= 14 ng/mL =0.33 g/cigLOQ=100.006116=0.045819 g/mL= 46 ng/mL=1.09 g/cig本检测方法铵离子的检出限为0.33 g/cig，定量限为1.09 g/cig，完全能满足卷烟主流烟气中氨释放量的检测要求。3.4.2 实验方法的精密度、回收率实验方法的日内重复性和日间重复性用同一种卷烟按操作流程，每日测试5轮、分3日测得的数据求日内

13、、日间标准偏差、平均值、变异系数等来表征，实验数据见表3。表3 实验方法的精密度样品编号第一天第二天第三天g/cig111.9211.3611.03211.2110.8511.66311.2611.0811.83411.3811.6511.39511.6511.5811.93平均值11.4811.3011.57标准偏差0.2970.3370.364%相对标准偏差2.592.983.14总平均值11.45 g/ cig日间标准偏差 0.330%日间相对标准偏差2.88本实验方法的日内重复性的%rsd3.5%，日间重复性的%rsd3%，具有良好的精密度。方法的回收率实验采用基质加标法，将标样加在萃

14、取液中：分别以10 mM HCl（未加标）作为空白萃取液、以0.1g/mL NH4+-10mM HCl、0.5g/mL NH4+-10mM HCl和1g/mL NH4+-10mM HCl溶液作为加标萃取液，按实验方法操作，测得空白、低、中、高四个水平下的铵含量值。每个水平下平行测定三个样品，取平均值进行加标回收率的计算。测试结果见表4。回收率的计算公式如下：%回收率=100(加标测定平均值-未加标测定平均值)/加标量表4 加标回收率实验次数未加标0.1 g/mL0.5 g/mL1 g/mL g/cig 1#7.85 10.21 13.95 32.82 2#7.67 10.39 14.83 32

15、.43 3#7.569.82 15.16 32.95 平均值7.6910.14 14.654.2798.2632.73 %相对标准偏差 1.902.87 0.83 %回收率103.67106.04数据显示，本实验方法的回收率良好。3.4.3 方法空白测定 按3.3.2所述制得空白样品，平行测定三次，铵离子测定结果低于检出限。3.5 方法优化3.5.1 烟气捕集效率主流烟气中氨的捕集效率验证方法为串联3个捕集瓶，每瓶中加入20 mL的10 mM盐酸，抽吸结束后，分别取三个捕集瓶中溶液用离子色谱测定铵含量，由于分布在气相中的氨比例很低，用低浓度的MSA作流动相检测铵离子，提高分离度，色谱分离图见图

16、3。平行测定了三个样品，均只在第一瓶中测出铵，数据如表5所示。表5 捕集瓶中氨含量样品编号#1#2#3 g/cig瓶 10.3770.3760.314瓶 2n.d.n.d.n.d.瓶 3n.d.n.d.n.d.图2 1号样品的三个捕集瓶中铵离子色谱图样品1：1/1表示第一瓶捕集液，1/2表示第二瓶捕集液，1/3为第三瓶。该实验结果表明：在系统中串接1个捕集瓶已能够完全捕集烟气气相中的氨。3.5.2 不同盐酸浓度对氨萃取效率的影响分别用1 mM，5 mM，10 mM，15 mM，20 mM浓度的盐酸溶液进行实验，考察其对氨萃取效率的影响，其它条件不变，实验结果如图4所示。图3 不同浓度盐酸对氨萃

17、取效率的影响由图可见，10 mM、15 mM、20 mM盐酸浓度对氨的萃取无明显影响（标准偏差=0.276，%变异系数=3.73%），但高于1 mM和5 mM盐酸的萃取结果，故本方法采用10 mM盐酸作为萃取液。3.5.3 不同种类的酸对萃取效率的影响本实验用2R4F卷烟，选择10mN H+浓度和100mN H+浓度的盐酸和硫酸做吸收液和萃取液，进行交叉验证，既检验不同浓度酸也检验不同种类的酸对测定值的影响，结果见图4。 图4 不同浓度的盐酸、硫酸对萃取效率的影响由图示数据可以看出，不同种类、不同浓度的酸，其萃取结果并没有显著性差异（RSD=6%），其中，10mM的HCl萃取的测定值最接近于国

18、际共同实验所给出的2R4F参考值（11.02 g/cig），故本方法确定采用10mM的HCl作为萃取溶液。3.5.4不同萃取时间对氨萃取效率的影响参考文献7,8中指出，氨的含量会随着萃取时间增大而升高。项目组分别考察了10 min，20 min，40 min，1 h，2 h振荡萃取时间下，氨浓度的变化情况，结果见图5。图5 不同萃取时间对氨含量的影响由图可见，氨含量会随着震荡时间延长而增大，在20分钟以后变化趋于平缓。参考加拿大、雷诺、UK等方法文件5,6,10,11，本方法选择40 min为萃取时间。四 再现性实验再现性比对实验共进行了两轮，分别进行讨论。4.1 第一轮比对试验选用4种市售卷

19、烟，涵盖了混合型、烤烟型和不同焦油含量，样品信息列于表6。另外，为考察方法准确性，采用两种参考卷烟（2R4F、1R5F）作为与国际共同实验给出的文献参考值比对。 表6 比对实验样品信息卷烟序号1#2#3#4#卷烟类型混合型烤烟型烤烟型混合型焦油量(mg)121083比对实验共使用五种机型吸烟机：RM20H，RM200、SM400、SM450、KC-5。市售卷烟的测定结果分别取自行业内6家实验室所测得的7套实验数据，结果见表7，结果的统计数据见表8。参比卷烟测试结果见表9。表7 比对实验数据（单位：g/cig）卷烟序号 1 2 3 4 5 6 7 1#13.0912.4911.69 13.78

20、13.08 12.21 12.58 2#7.548.247.02 8.427.106.10 7.45 3#6.656.625.15 6.545.855.23 5.984#3.293.963.05 3.07 3.413.22 3.49表8 比对实验数据统计卷烟序号 平均值（g/cig） 标准偏差R1#12.700.682#7.410.783#6.000.644#3.360.31 表9 参比卷烟测试结果（单位：g/cig）测定次数1R5F2R4F1#3.45样品未到货2# 3.6710.803#3.2710.20%相对标准偏差5.784.04检测平均值3.4610.50文献报道值3.1011.02

21、从表中数据可以看出，4种卷烟样品在不同实验室中测试结果相对比较稳定（%rsd11%）。参比卷烟2R4F和1R5F的测定值非常稳定（%rsd6%），且与文献报道值吻合。4.2 全国比对实验第二轮比对实验数据取自由郑州烟草研究院牵头组织的七种烟气化学成分全国共同实验。由24家行业内比对实验室在同一时间段内各自分别完成，实验室编号从1至24号。卷烟样品共四种，涵盖了不同焦油量的烤烟型和混合型卷烟。每家实验室还分别进行了5轮重复性试验。共有20家实验室呈报了实验结果。原始数据先经柯克伦检验和格拉布斯检验，区分和剔除异常数据，再进行统计分析，计算均值、重复性标准偏差（同一实验室内检测值的标准偏差）和再现

22、性标准偏差（不同实验室检测值的标准偏差）。本实验中，方差的柯克伦检验用于检验实验室内的变异，格拉布斯检验则用在检验实验室间的变异，统计时剔除两种检验的异常值，求平均值，重复性标准偏差（r）和再现性标准偏差（R）。样品信息和分析统计结果分别见表10、表11，原始数据见附件1。表10 样品信息样品编号样品类型焦油量（mg）A烤烟型12B混合型8C烤烟型13D烤烟型8表11 全国实验室样品测定结果经柯克伦和格拉布斯检验，样品A测定结果发生偏离的实验室有两家，样品B、C、D则各有三家，且问题数据相对比较集中地出现在个别实验室，其余各家的数据一致性良好。表11所列的统计数据为剔除这些异常值后的结果，表明

23、方法稳定可靠。五 结论项目组研究并论证了主流烟气中氨的捕集方法，捕集效率，捕集及萃取液种类、浓度，振荡萃取时间，考察了样品前处理方法，优化并选择了离子色谱分析条件及标准曲线制定方法。并对方法的重复性和再现性进行了充分的论证。本方法业已经过行业内多家实验室，在不同类型、型号的吸烟机及离子色谱上加以应用。因而，采用离子色谱法测定卷烟主流烟气中的氨，方法快速、准确，可操作性良好，数据稳定可靠。 卷烟 主流烟气中氨的测定 离子色谱法 项目组2010年6月 参考文献：1 E.W.Willems, B.Rambali, 2006. Significance of ammonium compounds on

24、 nicotine exposure to cigarette smokers. Food and Chemical Toxicology 44, 678-688.2 Bradley J.Ingebrethsen, 2001. Particle-gas equilibria of ammonia and nicotine in mainstream cigarette smoke. Aerosol Science and Technology 35, 874-886.3 Charlene H. Callicutt, Richard H. Cox, 2006. The role of ammonia in the transfer of nicotine from tobacco to mainstream smoke. Regulatory Toxicology and Pharmacology 46, 1-17.4 蔡继