0 引　言

烟草制品主要包括卷烟、雾化电子烟、加热不燃烧卷烟及其他。烟草行业在调整烟油物质含量、抽吸模式等方面做了系统的研究与开发，特别是在2005年世界卫生组织的烟草控制框架公约生效后，减害增味已成为烟草制品的长期发展趋势^[1]。电子烟和加热不燃烧卷烟作为新型烟草制品，近年来发展尤为迅速^[2-3]。电子烟将烟油通过低温雾化技术雾化成雾状的液滴供人吸食^[4]，而加热不燃烧卷烟将烟草材料通过低温加热后形成的悬浮液滴供人吸食^[5]，二者因缺少传统卷烟的高温燃烧过程，使得吸食过程中产生的烟气的热物理和热化学性质与传统卷烟存在较大差异。抽吸过程中，给吸食者带来满足感的直接物质形式是烟气，烟气则本质上是由化学成分组成不同、颗粒直径尺寸不同的气溶胶组成^[6]。

烟气气溶胶虽然占烟气总量的比例小，但成分和粒径分布十分广泛，这些参数将直接影响烟草制品的内在质量和安全性。烟气气溶胶中粒相物的化学成分会随着粒子的尺寸发生变化，粒相物的尺寸也会直接影响其在人体呼吸系统的沉降部位。烟草制品烟气特有的热释放输运模式的显著特点是通过气溶胶粒相物进入口腔-咽喉，再经下呼吸道最后沉积于肺泡^[7-9]。

影响烟气气溶胶理化性质的因素主要包括烟草原料^[10]、烟草添加剂^[11]、加热温度^[12]、水分含量^[13]、抽吸方式^[14]、加热模式、烟气产生方式等。从传统卷烟发展到电子烟，再到加热卷烟，烟草行业在烟草制品的烟芯材料、烟气产生方式和产生条件上做了长期的研究与开发，不同工艺下的烟气热化学性质不同，进而导致烟气气溶胶粒状物粒径和成分的分布规律不同。为探究其中的科学规律，本文选取三种在烟气产生方式存在显著区别的典型传统卷烟、电子烟和加热不燃烧卷烟，通过自行设计的在线捕集稀释装置采集烟气气溶胶粒相物，采用单颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS）对比分析三种烟草制品烟气中气溶胶粒径和粒径-成分分布。分析比较传统卷烟、电子烟和加热不燃烧卷烟所产生的烟气气溶胶粒度分布以及化学成分随粒径大小的分布规律对于烟草行业对于新型烟草的研发、烟气品质的提高和减害降焦有重要意义。

1 材料与方法 1.1 仪器与样品

HP-SPAMS高性能单颗粒气溶胶质谱仪（广州禾信分析仪器有限公司），传统卷烟（云烟品牌）、电子烟（铂德品牌，经典系列）和加热不燃烧卷烟（IQOS品牌，HT系列）。

1.2 实验方法

1.2.1 烟气气溶胶的产生

为模拟三种类型烟草制品的实际使用场景，传统卷烟通过点燃的方式产生气溶胶，加热不燃烧卷烟、电子烟为通过相应烟具产生气溶胶。

1.2.2 气溶胶捕集稀释方法

烟草制品产生的气溶胶需要通过特定方式捕集，同时由于其浓度较大，超出分析仪器的检测限度，需要进行稀释。本文设计了一种烟气气溶胶在线稀释装置，如图1所示。卷烟与Y形接管连接，另一入口接入流量为1 L/min的洁净空气。根据伯努利原理，空气流速大时压强较小，卷烟产生的气溶胶通过流速较大洁净空气形成的压差带入Y形接管，并在其出口处混合稀释，后进入SPAMS设备进行分析。通过本套进样装置，可以使烟气气溶胶在线稀释，全程尽可能的避免了人工操作带来的影响。

1.2.3 HP-SPAMS测定条件

目前，常用的气溶胶浓度测量方法主要有微量振荡天平法、压电晶体法、β射线吸收法、光散射法^[15]。本研究HP-SPAMS采用空气动力学透镜作为颗粒物接口，通过双光束测径原理进行单颗粒气溶胶粒径测量及计数，利用飞行时间质谱原理进行化学成分的分子量鉴定。通过自适应共振神经网络算法（ART-2a）进行颗粒物分类。数据采集使用Agilent公司的U1069A双通道8位外触发采集卡，带宽500 MHz，采样频率为1 GHz；颗粒粒径检测速度最高为20个/s；颗粒化学成分全成分检测速度为5谱/s；质谱分辨率优于500 FWHM；打击率优于20%；采用266 nm激光电离；化学成分可测质量范围为1~500 amu；气体进样流量为75 mL/min。

1.2.4 实验数据处理

实验中利用单颗粒气溶胶质谱技术，获得样品的粒径大小、粒径分布、颗粒总数、质荷比等数据，通过HP-SPAMS自带SPAMS-ANALYZE和海量数据处理软件-SPAMS DataAnalysis V3.1进行分析，使用Origin软件处理相关数据并绘制图像。

2 结果与讨论 2.1 三种烟草制品烟气气溶胶粒状物粒径分析

单颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS）可同步检测单颗粒粒径、化学成分及其随时间和空间分布变化，因而规避了传统离线分析方法中样品前处理中存在的难题^[16-17]。传统卷烟、电子烟和加热不燃烧卷烟制品在烟芯材料、烟气产生方式和产生条件存在显著差异，产生的烟气气溶胶粒状物的粒径、浓度及化学组成会呈现不同的分布规律，进而影响影响烟气的感官品质和烟气安全性。因此，烟气气溶胶的粒径分布是烟草制品的重要质量指标之一。三种烟草的气溶胶粒径分布如图2所示，通过在线稀释法获得的气溶胶粒径在0 ~1 μm范围内基本呈现正态分布规律。三种烟草烟气气溶胶的粒径均主要分布在0.15 ~0.6 μm之间，且集中分布在0.3 ~0.45 μm尺寸范围内。传统卷烟和加热不燃烧卷烟的气溶胶粒径分布测得的平均粒径均约为0.415 μm，而电子烟—经典烟草烟弹的气溶胶粒径处在0.397 μm左右。表1是对尺寸作聚类分析的结果，可直观比较出各体系中不同尺寸的粒状物所占总体粒状物比例的差异，总体趋势如下：电子烟烟气气溶胶在小尺寸（0 ~0.45 μm）上的分布比例最多，传统卷烟次之，加热不燃烧卷烟最少；而在大尺寸（>0.9 μm）的分布上，传统卷烟最多，电子烟次之而加热不燃烧卷烟依旧是比例最低。以上结果说明加热不燃烧卷烟的烟气气溶胶分布相对另外两种类型的烟草制品更加均匀，聚集形成的大颗粒气溶胶较少。以上结果可以推断得到，三种烟草制品的气溶胶数浓度和粒径大小具有一定差异性。

粒相物的尺寸也会直接影响其在人体呼吸系统的沉降部位，从而影响烟气的人体生物效应。研究表明，烟气气溶胶的粒径越小，其在人体呼吸道的沉降作用越明显^[18-19]。从图2和表1的结果可推测，三种烟草制品在呼吸道的气溶胶沉降量规律可能为电子烟>传统卷烟>加热不燃烧卷烟。吸食者的生理满足感主要由透过膜屏障吸收后进入血液的烟碱产生^[20]，而电子烟更容易产生粒径低于100 nm尺寸颗粒，这有助于烟碱成分透过血－气屏障进入循环系统^[21]，增强吸食者的生理满足感。

2.2 三种烟草制品烟气气溶胶粒状物成分分析

三种烟草制品烟气气溶胶颗粒质谱图的平均谱图如图3所示。选取相对峰面积大于0.005的质谱峰作为限定标准，烟气质谱图平均谱图信息统计结果列于表2中。烟碱分子在激光电离的过程中形成分子离子峰，获得或者丢失1个H，形成[M-H]⁺和[M+H]⁺。当正离子中m/z=84时将之定义为含烟碱粒状物的特征离子。从图和表中可以看出三种烟草制品烟气气溶胶颗粒中所包含的主要物质分子无明显差异，表明不同种类卷烟烟气气溶胶颗粒包含物质种类之间可能存在共性。对于烟碱的特征离子峰（m/z=84），三种烟草制品烟气气溶胶正离子谱图中的烟碱碎片峰相对峰面积逐渐增大，总体趋势为：传统卷烟（0.0055）<电子烟（0.0063）<加热不燃烧卷烟（0.0074）。

此外，烟草在制品在使用过程中会产生有害物质，这些物质日积月累，会对吸烟者健康产生巨大的伤害。1997年提出的霍夫曼名单将卷烟烟气中的有害成分大致分为13类化合物共计44种烟气有害成分^[22]。分析表2中的数据，可能致癌或促癌的化合物物“芳香烃”在传统卷烟、电子烟和加热不燃烧卷烟烟气气溶胶中的相对含量呈现逐渐增加的趋势。同时，加热不燃烧卷烟烟气中还新出现了重金属镍（Ni）、铬（Cr）和铜（Cu），其中重金属Ni已经被国际癌症研究署（IARC）列入强致癌元素^[23]。由此推测，电子烟和加热不燃烧虽然可以增加烟气气溶胶中烟碱的含量，给吸食者带来更大的心理满足感，但同时烟气中的有毒成分也显著增加，危害吸食者的健康。

2.3 三种烟草制品烟气气溶胶各成分粒状物数浓度随粒径的变化分析

将各成分分为多环芳烃、芳香烃、有机碳、烟碱、有机胺和有机酸等六类物质，三种烟草制品烟气气溶胶附着各类化合物的粒状物数浓度随粒径的变化堆叠图如图4所示。从图中可以看出，三种烟草制品烟气气溶胶成分均主要由有芳香烃、有机碳和烟碱组成，具体比例随着尺寸变化呈现一定规律，即芳香烃和有机碳的比例随着尺寸增加而减小，而烟碱比例随着尺寸增加而增加。进一步统计烟气气溶胶含有芳香烃、有机碳和烟碱成分的粒状物占有比例得到（表3），其中，含有有机碳成分的粒状物含量最高，规律为传统卷烟（46.54%）>电子烟（45.38%）>加热不燃烧卷烟（43.09%）。含有芳香烃成分的粒状物数浓度变化规律则与有机碳相反，规律为传统卷烟（39.42%）<电子烟（38.70%）<加热不燃烧卷烟（37.80%）。影响烟草制品品质最重要的含有烟碱成分的气溶胶粒状物与芳香烃规律一致，趋势为传统卷烟（14.04%）<电子烟（14.54%）<加热不燃烧卷烟（17.11%）。值得注意的是，在传统卷烟的烟气气溶胶中没有检测到含有机胺的颗粒物。从以上分析结果可以看出，烟草制品在烟气的产生方式条件上的差异会导致烟气气溶胶粒状物所负载的化学成分分布不同。

3 结束语

本文采用单颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS）分析比较了传统卷烟、电子烟和加热不燃烧卷烟烟气中气溶胶粒径和成分的分布规律。实验发现三种烟草制品的气溶胶数浓度和粒径大小具有一定差异性。在烟气的产生方式上的差异会导致烟气气溶胶粒状物的粒径和所负载的化学成分，尤其是烟碱分布不同。本文研究成果可加深对不同烟气产生方式的烟草制品烟气中气溶胶的认识，为新型烟草制品的设计等提供支持。