基于HS-SPME与GC×GC-MS的电子烟液及其加热气溶胶中挥发性成分分析与有害物形成研究

《Journal of Chromatography Open》：Comprehensive two-dimensional gas chromatography analysis of volatiles on e-liquids and aerosol compounds produced during the heating process

本研究针对电子烟液(e-liquids)及其加热过程中产生的气溶胶化学成分复杂、缺乏监管的公共卫生问题，开发了基于顶空固相微萃取(HS-SPME)和全二维气相色谱-质谱联用(GC×GC-MS)的分析方法。研究人员通过中心复合设计(CCD)优化提取条件，在34种商业烟液中鉴定出126种化合物，并发现特定加热条件(190-270°C)下会形成糠醛、 glycidol和丁二酮等有害及潜在有害成分(HPHCs)。主成分分析(PCA)揭示了加热时间对挥发物组成的影响，为电子烟安全性评估提供了重要方法论支持和技术依据。

　　

在全球范围内，电子烟作为一种传统烟草的替代品迅速流行，尤其受到那些认为其更健康的消费者的青睐。然而，这种新型消费品的流行背后隐藏着严峻的公共卫生挑战：电子烟液及其加热产生的气溶胶化学成分复杂，且缺乏严格监管。特别是在巴西等国家，电子烟及其组件的商业销售被禁止，导致市场上流通的产品未经测试或质量控制，消费者面临未知的健康风险。

电子烟液通常含有丙二醇(PG)和甘油(Gl)等气溶胶形成物质，约占烟液含量的80-97%。为增加商业吸引力，生产商添加了各种风味物质，从“棉花糖”到“草莓芝士蛋糕”等五花八门的口味。然而，这些风味物质中可能含有二乙酰基类化合物(与“爆米花肺”疾病相关)和醛类化合物(如苯甲醛和(E)-肉桂醛)，这些物质被美国FDA列为有害及潜在有害成分(HPHCs)。世界卫生组织(WHO)也认识到电子烟液中某些物质的潜在致癌性。

更令人担忧的是，大多数市售电子烟液不公开其成分清单，仅标注添加的风味和尼古丁含量。研究表明，即使标注为“无尼古丁”的烟液也可能含有该物质。此外，电子烟加热元件可能导致烟液化学成分变化，产生多种有害化合物。例如，甘油可氧化为甲醛和乙醛，丙二醇可形成丙醛或前两种分子。第三代电子烟允许用户调整施加于雾化器的电压和功率，产生不同温度，导致烟液化合物不同程度的降解。

为应对这些挑战，由Glaucimar Alex Passos Resende、Sofia Madruga Marcondes Ferraz、Lucas Paines Bressan等研究人员组成的团队开展了一项深入研究，旨在全面分析商业电子烟液及其加热产生的气溶胶的化学成分。该研究发表于《Journal of Chromatography Open》期刊。

研究人员主要采用了顶空固相微萃取(HS-SPME)进行样品前处理，并通过全二维气相色谱-质谱联用(GC×GC-MS)进行分析。他们使用中心复合设计(CCD)优化HS-SPME方法的提取条件，并采用化学计量学方法(包括主成分分析(PCA)和层次聚类分析(HCA))对数据进行处理。研究分析了34种商业电子烟液样本，这些样本来自电子商务网站，代表了不同风味和品牌。此外，他们还模拟了电子烟加热过程，在不同温度(190-270°C)和时间(3-30分钟)条件下研究气溶胶成分变化。

3.1. 样品前处理的优化

研究首先比较了三种SPME涂层纤维：100 μm聚二甲基硅氧烷(PDMS)、85 μm聚丙烯酸酯(PA)和50/30 μm二乙烯基苯/碳分子筛/聚二甲基硅氧烷(DVB/CAR/PDMS)。结果显示，DVB/CAR/PDMS涂层在分析物识别数量(35种)和总峰面积方面表现最佳，比PDMS的提取效率高约2.7倍。随后，研究人员通过实验确定了最佳盐浓度(15% NaCl)和样品体积(100 μL)。最后，通过中心复合设计优化了提取时间和温度，确定最佳条件为55°C下提取46分钟。

优化的HS-SPME方法显著提高了痕量化合物(如风味剂)的检测能力。与直接液体进样相比，SPME方法实现了更好的色谱表征，使风味剂等痕量化合物的检测成为可能。

3.2. 电子烟液表征

研究在34种电子烟液样品中鉴定出126种化合物。通过热图和层次聚类分析，研究人员发现了基于化学相似性的五个聚类。薄荷醇(#57)和异戊酸(#37)是在多个样品中报告的最强峰面积化合物。薄荷醇作为冷却剂和风味化合物，用于掩盖尼古丁的刺激性。异戊酸则被描述为令人不快的酸味和奶酪味。

聚类分析揭示了不同风味特征：红色聚类以酯类化合物为特征，如果味特征；绿色聚类以“奶油”风味为特征；浅蓝色聚类具有柑橘风味特征；粉色聚类含有萜烯类化合物和脂肪酸。研究还发现，含尼古丁的样品中普遍存在乙基麦芽酚，这是一种感官修饰辅料，用于改善尼古丁的整体适口性。

值得注意的是，研究在34种电子烟液样品中发现了特定芳香醛的高普遍性。苯甲醛(樱桃-杏仁风味)在26个样品中检测到，(E)-肉桂醛(辛辣肉桂风味)在8个样品中发现。这些醛类化合物的检测具有重要的毒理学意义，因为它们被认为是呼吸道刺激物，在雾化和吸入时构成潜在健康风险。

3.3. 电子烟液加热过程中形成的气溶胶研究

对加热过程中产生的化合物谱的研究是关注的重点，因为消费者吸入的是电子烟液气溶胶产物。研究人员通过模拟 vaping 过程，研究了在不同温度水平(190、210、230、250和270°C)和加热时间(3、5、10、15和30分钟)下气溶胶的化学成分变化。

定性分析结果显示，共检测并鉴定出267种化合物，比原始电子烟液中识别的化合物数量增加了近2倍。研究表明，气溶胶的化学成分是加热温度和持续时间的函数。研究人员监测了19种FDA确认为有害及潜在有害成分(HPHCs)的化合物，这些化合物与电子尼古丁传递系统(ENDS)直接相关。

研究结果表明，某些化合物的形成取决于温度和时间的组合。例如，糠醛(样品中糖的热降解副产物)在190°C加热30分钟后首次检测到。当温度升高到230°C时，其检测所需的加热时间减少到仅5分钟。在高热条件下观察到具有高毒理学分类的化合物： glycidol(一种甘油降解产物，被IARC列为2A类可能人类致癌物)在270°C加热30分钟后被鉴定出来；丁二酮(即2,3-丁二酮，与闭塞性细支气管炎相关的化合物)在250°C加热30分钟后检测到，在270°C时检测时间减少到5分钟。

核心电子烟液成分如甘油和丙二醇在大多数实验条件下都存在。PCA模型显示，热转化动力学在大多数评估温度下几乎完成。在190°C条件下，PC1的模式与电子烟液加热过程的时间域相关。较短加热时间(3分钟)的实验与正分数值相关，而较长加热时间(30分钟)则与负分数值相关。

对PC1载荷图的分析表明，对PC1正分数贡献最大的分析物是丙二醇、苯甲醇和乙基麦芽酚。这些分析物的峰在较短持续时间的加热实验中强度较高。相反，与PC1负分数相关的化合物包括乙酸戊酯、甘油1,2-二乙酸酯、顺式-α-没药烯和γ-壬内酯，这些分析物的峰在较长加热周期的实验色谱图中强度较高。

研究结论与意义

本研究建立了基于HS-SPME和GC×GC-MS的分析方法，用于商业电子烟液及其相应气溶胶的化学表征。样品前处理方法的优化增强了对挥发性和半挥发性化合物的检测能力。研究发现电子烟液中存在多种风味剂、溶剂和添加剂，并揭示了特定化合物频繁共现形成的不同风味特征。

加热过程的研究表明，温度和加热持续时间都是影响吸入气溶胶化学成分的因素。在较高温度和/或较长加热时间下，观察到几种FDA认可的HPHCs的形成，包括糠醛、丁二酮和可能的人类致癌物 glycidol。这一结果在使用者可调节的设备设置与潜在有毒物质暴露之间建立了直接联系。

化学计量学分析进一步阐明了气溶胶生成过程中发生的化学转化，为了解随时间推移发生的化学变化提供了重要见解。该分析方法为未来旨在评估电子烟使用安全性和健康风险的研究提供了有效工具。

该研究的发现对公共健康政策、电子烟产品监管和消费者教育具有重要意义。它强调了需要对电子烟液及其气溶胶进行更严格的化学表征和风险评估，特别是关于使用者在调节设备设置时可能无意中增加接触有害化合物的风险。此外，该研究的方法学框架可用于未来对新兴烟草和尼古丁传递产品的安全评估。