《Results in Engineering》：Experimental investigation of glycerol byproducts in electronic cigarettes: A molar conversion rate approach
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研究人员量化了电子烟设备中甘油热脱水形成的有害醛类的转化行为。分析聚焦于在纯甘油和商业电子烟液受控雾化实验中生成的丙烯醛（acrolein）、乙醛（acetaldehyde）和甲醛（formaldehyde）。气溶胶通过定制化雾化机产生，该机在不同功率输出（1
研究人员量化了电子烟设备中甘油热脱水形成的有害醛类的转化行为。分析聚焦于在纯甘油和商业电子烟液受控雾化实验中生成的丙烯醛（acrolein）、乙醛（acetaldehyde）和甲醛（formaldehyde）。气溶胶通过定制化雾化机产生，该机在不同功率输出（10–80 W）、气流速率（1.1–13 L/min）和线圈配置（包括棉芯和陶瓷材料）下运行。摩尔转化率（molar conversion rate），定义为每摩尔雾化甘油产生的醛摩尔数，被引入作为连接操作条件与化学降解的特征过程变量。在对应于核态沸腾（nucleate boiling）的优化条件下，转化率保持低而稳定——丙烯醛约为15 μmol/mol，乙醛约为14 μmol/mol，甲醛约为76 μmol/mol。相反，在膜态沸腾（film boiling）状态下运行时，转化率呈指数增长，可达10至100倍。配备陶瓷线圈的设备未表现出这种增加，表明热调节改善。该摩尔转化率框架通过将化学产率归一化至雾化质量，推进了当前排放评估方法，从而允许在不同设备、操作功率和电子烟液成分之间进行有意义的比较。它还提供了基于过程的依据，用于解释与前体雾化和设备操作相关的排放。最后，区分沸腾状态对设备可靠性和安全性至关重要，因为从核态沸腾到膜态沸腾的转变标志着过热和有毒物形成的急剧增加。
**论文解读文章**
**研究背景与问题**
吸烟长期以来被视为重大公共卫生问题。电子烟（e-cigarette）作为减害选择出现，提供了一种潜在更安全的尼古丁递送途径。然而，研究表明，使用过程中产生的有毒物质部分源于丙二醇（PG）和甘油（VG）的热降解，特别是甘油脱水生成的主要醛类副产物——丙烯醛（acrolein）、乙醛（acetaldehyde）和甲醛（formaldehyde）。传统排放报告通常采用基于质量（如微克/口或微克/立方米）的毒理学单位，虽便于与空气质量指南比较，但无法区分两个不同现象：甘油有效雾化的量与这部分前体转化为醛类的比例。因此，醛类质量的变化可能反映气溶胶产量的增加、化学转化率的增加，或两者同时发生。此外，测量值对制造变异性、溶剂配方、线圈老化、液位及用户参数（尤其是施加功率）高度敏感。为克服这些局限性，研究人员引入摩尔转化率（molar conversion rate）作为前体归一化变量，以联系甘油雾化与醛类形成。此项研究基于沸腾状态理论，特别是核态沸腾（nucleate boiling）和膜态沸腾（film boiling）的区分，认为沸腾状态转变是决定醛类生成效率的关键因素。研究目的为定量表征不同操作条件下甘油的醛类转化行为，验证摩尔转化率框架的有效性，并为标准化排放评估和安全性评价提供工程基础。论文发表在《Results in Engineering》。
**主要技术方法**
为开展研究，研究人员使用了以下关键技术方法：定制化雾化机（U-SAV，Ingésciences）配合三种商业雾化器（Joyetech Cubis、Smoktech TFV8 Baby Q2、Veco tank），覆盖棉芯和陶瓷线圈配置。实验在受控功率（10–80 W）、气流速率（1.1 和 13 L/min）下进行，纯甘油和商业电子烟液（来自烟草产品指令（TPD）合规性测试的1092种样品，作为交叉截面数据集）均被测试。醛类捕集采用2,4-二硝基苯肼（DNPH）填充的冲击瓶，醛类定量通过超高效液相色谱（UHPLC）耦合光电二极管阵列（PDA）检测器和质谱（QDA）完成。摩尔转化率定义为每摩尔雾化甘油产生的醛摩尔数，计算中考虑捕集效率、电子烟液密度估计的甘油质量分数。实验设计包括标准化和重复测量以评估重复性。
**研究结果**
**4.1 醛类释放与功能状态（Functioning regimes）**
通过Cubis雾化器在纯甘油、1.1 L/min气流下的实验，研究人员确定了该设备的最佳功率范围为8–24 W。在此范围内，摩尔转化率保持恒定：丙烯醛约（17±2）μmol/mol，乙醛约（10±4）μmol/mol，甲醛约（79±38）μmol/mol。当功率升至24–39 W时，转化率逐渐增加，在39 W时分别达到最佳值的大约13倍、81倍和45倍，表明膜态沸腾（film boiling）导致过热和化学降解显著增强。
**4.2 通过监管实验的醛类数据后处理**
对1092种商业电子烟液的分析显示，在15 W标准条件下（Cubis，1Ω线圈，AFNOR协议），各醛类的中位摩尔转化率分别为：丙烯醛12.5 μmol/mol，乙醛39.4 μmol/mol，甲醛105.7 μmol/mol，与纯甘油最佳条件下的数值一致。密度分类分析表明，对于密度高于1100 kg/m3（高VG）的电子烟液，转化率恒定；而对于低密度（高PG）样品，转化率增加，提示15 W可能超出纯PG的最佳操作范围。
**4.3 高气流速率下的比较（TFV8案例）**
使用TFV8-Q2雾化器（0.6Ω，棉芯），在1.1 L/min气流下，最佳功率范围约为12–30 W，转化率恒定：丙烯醛（16.4±6.3）μmol/mol，乙醛（9.7±11.2）μmol/mol，甲醛（63.8±59.7）μmol/mol。在13 L/min气流下，仅甲醛被充分定量，平均（25.8±26.8）μmol/mol，而丙烯醛和乙醛的可用数据也显示恒定转化率约5和12 μmol/mol，表明较高气流降低了转化率。
**4.4 陶瓷线圈的比较（Veco雾化器案例）**
使用Veco雾化器（0.5Ω，陶瓷线圈）在1.1 L/min下测试，最佳功率范围为18–36 W。所有测试功率下，转化率保持恒定：丙烯醛（13.9±3.2）μmol/mol，乙醛（9.9±4.1）μmol/mol，甲醛（70.8±18.0）μmol/mol，且未出现向膜态沸腾的转变，表明陶瓷材料改善了热调节。
**4.5 最佳条件下转化率总结**
表1汇总显示，在最佳操作条件下，尽管设备架构和测试参数不同，各配置的转化率保持在类似的数量级内，验证了摩尔转化率框架的鲁棒性。
**讨论总结与结论翻译**
**讨论部分总结：**
研究人员指出，与传统排放报告相比，该框架具有三个方法学优势：分离醛类产量与形成效率；减少低水平或未量化醛值的歧义；提供状态敏感的描述符，核态沸腾下转化率恒定，过热下显著增加。通过推导暴露指标（如危害商数HQ），研究人员展示了摩尔转化率如何与毒理学评估结合，并分析了转化速率、抽吸气量、每日抽吸次数等参数对暴露的影响。该框架为设备设计和用户行为对排放影响的整合提供了工程约束。此外，对极端过热条件下转化率的经验外推（仅作为边界案例说明）揭示了持续过热时醛类形成的急剧升级。讨论还承认了方法学局限性，包括热代表性、采样反馈、局部平衡假设、概念范围及行为耦合等。
**结论翻译：**
本研究通过定义摩尔转化率，提供了一个定量框架，用于表征电子烟设备中甘油形成醛类的行为。主要发现和贡献总结如下：
?稳定状态行为：在所测试的棉芯配置中，核态沸腾与低且稳定的摩尔转化率相关，表明最佳操作下化学降解有限。
?过热动态：在过热（膜态沸腾）状态下，转化率呈指数增长，并预期持续上升直至导线失效，表明不受控制的热降解。
?液体成分影响：商业混合物未显示与纯甘油行为的显著偏差，表明醛类产量与雾化甘油质量成比例——由MEV和初始成分驱动。
?气流依赖性：TFV8测试表明，较高气流倾向于降低最佳状态下的转化率，突出了行为或设计缓解的潜在途径。
?设备特异性观察：Veco设备在测试条件下转化率保持在同一数量级，但未检测到向膜态沸腾的转变，指向可能的材料或结构效应。
?暴露相关性：在暴露导向框架内，当测量到的醛类质量与雾化甘油质量和相应转化率关联时，可进行更机械化的解释。
总体而言，该工作确立了摩尔转化率作为雾化系统的一种通用工程描述符，连接了物理操作与化学输出。该框架适用于本研究调查的甘油基配置，但需在更多配方和设备架构上进行更广泛的验证。
