Summary
상기 프로토콜은 꾸준한 대용량 에어로졸 전달(예를 들어, 생체내 흡입 연구)에 적합한 다종 액체 용액으로부터 제어된 에어로졸의 연속 생산을 위한 모세관 에어로졸 발생기의 설정 및 사용을 기술한다.
Abstract
모세관 에어로졸 발생기 (CAG)는 초기 단계에서 전자 액체의 가열을 통한 열 액체 증발의 원리로 작동되고, 이어서 핵 형성 및 응축 조절에 의해 기류의 혼합물을 통해 조절되어 전자 담배 (EC)에서와 같은 에어로졸을 생성한다. CAG는 EC의 사용이 가능하지 않은 생체 내 흡입 독성학 연구와 같은 예를 들어 연속 방식으로 대량의 에어로졸을 생성하는 데 특히 유용합니다. CAG에서 에어로졸을 생성하는 열 효과는 EC에 적용되는 온도 측면에서 유사하므로 조사관이 전자 액체의 증기를 규모와 재현성으로 평가할 수 있습니다. CAG의 작동으로 사용자는 전자 액체의 유량, 가열 온도 및 희석 공기 흐름과 같은 중요한 매개 변수를 제어 할 수 있으므로 조사관은 잘 제어 된 장치에서 다양한 전자 액체 제형을 테스트 할 수 있습니다. 에어로졸 입자 크기와 같은 특성은 e-액체 유동 및 e-액체 조성물에 대하여 공기 유량으로 조절되는 것으로 입증된다. 그러나 CAG는 요소의 과열과 같은 일반적인 EC 관련 문제를 평가하는 데 제한적입니다. 우리는 CAG가 선택한 전자 액체 제형으로 화학적 및 물리적 에어로졸 특성을 평가함으로써 재현 가능하고 지속적인 에어로졸을 생성 할 수 있음을 입증하고자합니다. 이 프로토콜은 생체 내 독성학 연구에 필요한 에어로졸 농도 및 입자 크기를 최적화하는 데 필요한 액체 유량, 희석 공기 유량 및 작동 절차의 작동 매개 변수를 설명합니다. 프로토콜의 대표적인 결과를 제시하고 CAG 작업의 과제와 응용 프로그램에 대해 논의함으로써 CAG를 재현 가능한 방식으로 사용할 수 있음을 보여줍니다. 이전 작업에서 개발 된 기술과 프로토콜은 실험실 제어 에어로졸 생성 조사를위한 미래 혁신의 토대가됩니다.
Introduction
일반적인 전자 액체는 프로필렌 글리콜, 글리세롤, 물, 니코틴 및 선택된 향료의 혼합물을 함유한다. EC 장치에서 생성 된 에어로졸의 조성은 액체 제형뿐만 아니라 장치의 재료, 설계 및 특성에 달려 있습니다. 결과적으로, 많은 EC 장치는 원치 않는 구성 요소의 상승된 수준의 장치 별 생산, 퍼프 부피 변화, 차단 된 환기 구멍으로 인한 공기 흐름의 변화 및 "건식 퍼핑"(액체 용기가 거의 비어있을 때 전달 된 에너지의 일부가 액체 증발에 사용되지 않기 때문에 장치의 과열을 일으키는 경우)2을 포함하여 에어로졸 출력1에 큰 변동성을 도입 할 수 있습니다. . 또한 장기 흡입 연구 중에 EC 장치를 충전, 리필 및 청소하는 것은 물류 측면에서 큰 추가 제약 조건이 될 것입니다3. 이러한 이유로 에어로졸 발생기는 에어로졸의 대규모 생산 및 액체 제형의 적절한 평가를 위해 고려되어야하며 에어로졸 조성의 장치 관련 변동을 피하고 작업 부하 4,5를 줄여야합니다. 그럼에도 불구하고 장치 생성 에어로졸은 EC 장치의 특정 구성 요소의 수준이 장치 6,7,8의 가열 / 냉각 특수성으로 인해 실험실에서 제어되는 표준화 된 에어로졸 발생기의 수준보다 더 높을 수 있기 때문에 위험 평가 전략의 일부로 남아 있어야합니다.
현재 이용 가능한 규제 요구 사항에 대한 제한된 정보로 인해 전자 담배 (EC)에 의해 생성 된 에어로졸의 잠재적 독성에 대한 평가 방법은 여전히 9,10,11 진화하고 있습니다. 그러나, 정확한 시험관내 및 생체내 평가는 시간이 지남에 따라 잘 특성화되고 재현가능한 부피의 에어로졸의 생성을 필요로 한다. 제어 된 퍼핑 요법으로 EC 장치에서 에어로졸을 생산하는 것은 확실히 사용자 소비의 관점에서 가장 대표적인 과정입니다. 규제 독성 연구의 경우, 사용자가 종종 스스로 준비 할 수있는 다양한 가능한 액체 제형을 고려하고 동시에 일부 장치 특성 (예 : 전달 된 에너지)을 수정하면 장기간 반복 노출 독성학 연구를 수행하기위한 EC 장치의 사용은 도전적일뿐만 아니라 잠재적으로 부적절합니다.
필립 모리스 (Philip Morris) 12,13에 의해 개발되고 버지니아 커먼 웰스 대학 (Virginia Commonwealth University) 14에 의해 더욱 정제 된 모세관 에어로졸 발생기 (CAG)는 전기적으로 가열 된 모세관에서 뜨거운 증기 흐름의 제트기를 만드는 원리에 따라 작동하며, 이는 이후 주변 공기로 냉각되어 입자 핵 형성 및 후속 응축을 일으켜 에어로졸 형성을 유도합니다. 동일한 물리적 공정이 EC에서 에어로졸 형성을 유도하기 때문에 (CAG의 펌프에 의해 액체를 모세관으로 전달하는 것 외에도 EC에서는 일반적으로 EC의 저장소에서 액체를 인출하는 위킹 재료에 작용하는 모세관력으로 대체됩니다), CAG에서 생성 된 에어로졸의 특성은 EC 에어로졸14의 특성과 매우 유사합니다 (그림 1 ). CAG는 취급 요구 사항이 거의없는 대량의 에어로졸을 생산할 수 있습니다. 따라서, 생체내 흡입 연구에 특히 적합하다.
CAG는 연동 펌프를 통해 온도 조절기 및 액체 저장소에 간단히 연결된 가열 모세관 튜브로 구성된 실험실 장치입니다(그림 2A). 모세관(160mm, 21G, 스테인리스강)은 모두 알루미늄 블록에 내장된 네 개의 발열체로 가열됩니다(그림 2B). 온도는 전형적으로 EC 장치(15)의 코일-가열 조건을 모방하기 위해 250-275°C로 설정된다. 모세관을 통해 펌핑된 액체는 가열되어 모세관의 끝에서 나오는 뜨거운 증기로 변합니다. CAG 어셈블리(그림 2C)에는 생성된 증기를 차가운 공기와 혼합하고 에어로졸을 형성하기 위한 추가 요소가 필요합니다. 뜨거운 과포화 증기와 차가운 공기 흐름의 갑작스런 혼합은 핵화 및 후속 응축을 초래하여 에어로졸 형성을 초래합니다 (그림 2C). CAG 설계(그림 3)에서 추가적인 가열된 공기 흐름은 먼저 외부 본체를 냉각시키고 그 후에 가열 블록을 따라 순환하여 공기 흐름을 가열하여 모세관 끝에서 액체 역류의 응축을 방지하고 증기 제트 파열을 안정화합니다. 또한, 그것은 뜨거운 증기의 원치 않는 차폐를 생성하여 핵 형성 과정에 영향을 미칩니다. 이러한 이유로, 이 공기 흐름에 적용되는 유량은 최소한이어야 하며 적용 목적에 맞아야 합니다. 이 공기 흐름은이 원고 전체에서 "가열 된 공기 흐름"이라고하지만,이 흐름은 사용자가 의도적으로 가열하지 않고 가열 블록에 의해 수동적으로 가열된다는 것을 이해해야합니다.
냉각 기류 속도는 생성 된 에어로졸 입자의 크기에 강한 영향을 미칩니다. 생체내 흡입 연구를 위한 에어로졸 생산에서, 희석 공기 흐름은 노출 용량을 결정할 것이고, 노출 챔버에 도달하기 전에 추가로 희석되어야 할 수도 있다. 에어로졸의 화학적 조성 외에도, 생성 된 에어로졸이 ECs에 의해 생성 된 것과 유사하고 OECD 가이드 라인에 의해 권장되는 흡입 입자 크기 범위 내에 있는지 확인하기 위해 에어로졸 입자 크기 분포 (PSD)를 특성화하는 것이 필수적입니다 (종종 질량 중앙값 공기 역학 직경 [MMAD] 및 기하학적 표준 편차 [GSD]를 가진 PSD의 로그 정상성의 가정에 의해 매개 변수화됨).
생성된 에어로졸의 MMAD는 장치 설계, 제형의 물리화학적 액체 특성(예를 들어, 밀도, 점도 및 표면 장력), 공기 유량, 및 열역학적 조건(14,16,17)을 지시하는 온도에 따라 광범위하게 변할 수 있다. 생체내 노출 실험의 경우, 기류는 일반적으로 22± 2°C에서 조건화되고 여과된 공기와 5% 상대 습도± 60%로 구성됩니다. 생성 된 에어로졸은 연구 요구 사항에 따라 추가로 희석되어 시험 분위기에서 목표 농도를 달성 할 수 있습니다. 그런 다음 여과 손실을 줄이기 위해 유리 배관을 통해 노출 챔버로 전달됩니다. 여기에 제시된 결과에서, 온도 및 기류 설정은 CAG가 생체내 흡입 연구를 위해 일관되고 흡입 가능한 PSD 및 정의된 농도를 갖는 제어된 에어로졸의 연속 생산에 사용될 수 있음을 입증하기 위해 확립된다.
프로토콜에서는 1) CAG를 조립하고, 2) CAG에서 에어로졸을 생성하는 데 필요한 매개 변수를 결정하고, 3) 에어로졸 생성을 수행하고, 4) 에어로졸에서 관심있는 물리적 및 화학적 구성 요소를 분석하는 방법을 설명합니다. 이러한 예비 실행을 위해, 우리는 에어로졸 형성 성분의 혼합물에 기초한 액체 용액을 고려합니다 : 프로필렌 글리콜 (PG), 글리세롤 (VG), 물 및 니코틴은 규정 된 질량 분율에서. 마지막으로, 우리는 실험에서 생성 된 복잡한 다종 혼합물의 평가를위한 예제 데이터를 공유 할 것입니다 (위에서 언급 한 성분과 추가 향미 성분이 혼합 된 구성 요소를 포함). 우리는 이러한 혼합물의 평가에 대한이 실험 접근법의 적용 가능성과 함께 전반적인 결과와 도전에 대해 논의 할 것입니다.
Protocol
1. CAG 체계 집합
- CAG의 조립
- 알루미늄 가열 블록의 모세관 홈에 모세관을 놓고 출력 끝이 약 5mm 돌출됩니다.
- 알루미늄 가열 블록의 두 반쪽의 나사를 가볍게 조이십시오.
- 알루미늄 가열 블록(c)에 발열체(a)와 열전대(b)를 조립하고, 전선이 알루미늄 리어 캡(d)을 통해 돌출되어 있습니다(그림 4A).
- 가열 요소의 전선이 어댑터에 연결되어 있는지 확인하고 직선인지 확인하십시오.
- 내부 PEEK 튜브(g)를 외부 SS 튜브(e)와 조립합니다. 2mm x 4mm 푸시인 피팅(f)이 외부 SS 튜브(e)에 단단히 고정되어 있는지 확인합니다(그림 4B).
- 내부 PEEK 튜브(g)의 두 홈에 O링(3 x 30mm)을 놓고 내부 PEEK 튜브(g)를 프런트 엔드에서 외부 SS 튜브(e)에 삽입합니다.
- 조립된 알루미늄 가열 요소를 SS 후면 백킹(i)에 놓고 알루미늄 리어 캡이 SS 후면 백킹을 향하도록 하고 내부 PEEK/외부 SS 튜브 어셈블리를 알루미늄 발열체 위로 밀어 SS 후면 백킹(i)에 단단히 맞춥니다(그림 4C).
- 알루미늄 전면 캡(h)을 알루미늄 발열체 위에 놓고 내부 PEEK 튜브 내부에 놓습니다. 모세관이 알루미늄 전면 캡에서 약간 튀어 나와 있는지 확인하십시오. SS 후면 백킹 주위에 세 개의 SS 리드 나사(j)를 설치하고 단단히 조이십시오.
- PEEK 어댑터(k)를 내부 PEEK 튜브 전면 위에 놓습니다. PEEK 어댑터가 내부 PEEK 튜브의 전면 홈에 맞는지 확인하십시오. 25mm 스케줄러(l)를 PEEK 어댑터 위와 SS 리드 나사 세 개를 통해 놓습니다. PEEK 어댑터가 단단히 조이도록 스케줄러 위에 너트를 손으로 조이십시오(그림 4D).
- 가열 요소를 온도 조절기에 연결하고 모세관을 연동 펌프 및 테스트 액체 용액에 연결하십시오.
- 가열된 공기 흐름을 위한 압축 공기를 2 x 4mm 푸시인 피팅을 통해 CAG에 연결합니다(그림 4B, [f]).
- CAG를 유리 조각에 조립하고 CAG 냉각 및 첫 번째 희석 공기 흐름 (가공 공기; 그림 3). 필요한 경우 두 번째 희석 흐름 항목과 에어로졸 샘플링 포트 및 조절 T-접합을 추가합니다(그림 5).
- CAG 청소 절차
- CAG 유리 조립품 셋업에서 CAG를 제거하고 유리가 눈에 띄게 건조될 때까지 마른 물티슈로 유리를 청소하십시오.
- CAG의 모세관 출력을 관찰하여 장애물을 관찰하십시오. 모세관 출구에서 입자 침착을 관찰 할 수 있다면 모세관을 변경하십시오. 마찬가지로, 에어로졸 전달이 감소한 것을 발견하면 모세관을 새 것으로 교체하십시오.
- 1.1.9 ~ 1.1.1단계에 따라 CAG를 분해합니다.
- 모세관이 변경되면 1.1.1 내지 1.1.9 단계에 따라 CAG를 재조립한다.
2. CAG 에어로졸 농도 및 희석 계산
- TDF의 이론적 계산
- 액체 제형 (여기서 원액 / 농도라고 함)의 농도와 LFR을 기준으로 TDF를 계산하십시오.
TDF : 총 희석 공기 흐름 (L / 분)
C 주식 :주식 농도 2 %, 승 / w)
LFR : 액체 유량 (g / 분)
C목표: 표적 농도 (μg/L) - 15 μg/L의 표적 니코틴 에어로졸 농도와 0.35 g/min의 LFR을 갖는 2% (w/w) 니코틴을 가진 용액을 사용하여, 100% 수율이 다음과 같을 것이라고 가정하십시오:
- 액체 제형 (여기서 원액 / 농도라고 함)의 농도와 LFR을 기준으로 TDF를 계산하십시오.
- LFR의 이론적 계산
- 액체 원액과 TDF의 농도를 기준으로 LFR을 계산하십시오.
LFR : 액체 유량 (g / 분)
C목표: 표적 농도 (μg/L)
TDF : 총 희석 공기 흐름 (L / 분)
C 주식: 주식 집중 (%, w/w) - 15 μg/L의 표적 니코틴 에어로졸 농도와 300 L/min의 TDF를 갖는 2% (w/w) 니코틴이 있는 용액을 사용하여, 100% 수율이 다음과 같을 것이라고 가정하십시오:
- 액체 원액과 TDF의 농도를 기준으로 LFR을 계산하십시오.
- 실험 데이터를 기반으로 실제 수율(%) 계산
- 위의 이론적 계산을 바탕으로 초기 엔지니어링 실행을 수행하여 실제 에어로졸 구성 농도 (C 실제)를 정량화하고 CAG 에어로졸의 실제 수율 (AY)을 얻습니다. TDF 또는 LFR의 조정을 위해 동일한 계산을 사용하여 에어로졸 농도의 추가 미세 조정을 수행하십시오.
AY: 실제 수율(%)
C실제: 실제 에어로졸 구성 농도(μg/L)
TDF : 총 희석 공기 흐름 (L / 분)
C 주식: 주식 집중 (%, w/w)
LFR : 액체 유량 (g / 분) - 측정된 니코틴 에어로졸 농도가 15μg/L, TDF가 320L/min, LFR이 0.35g/min인 2%(w/w) 니코틴이 포함된 용액을 사용하면 다음과 같은 니코틴 AY가 생성됩니다.
- 위의 이론적 계산을 바탕으로 초기 엔지니어링 실행을 수행하여 실제 에어로졸 구성 농도 (C 실제)를 정량화하고 CAG 에어로졸의 실제 수율 (AY)을 얻습니다. TDF 또는 LFR의 조정을 위해 동일한 계산을 사용하여 에어로졸 농도의 추가 미세 조정을 수행하십시오.
3. CAG 에어로졸 생성
- 에어로졸 생성 시작
- 시험액, 자기 교반기 및 병의 값을 가장 가까운 0.01 g으로 계량하고 기록한다. 액체 스톡 제형은 표 1에 기재된 성분으로 제조된다.
- 각 공기 흐름 설정(±5%)을 공급합니다(그림 5).
가열된 흐름을 위한 압축 공기: 2 L/min
냉각 교류: 10 L/min
첫 번째 희석 흐름: 150 L/분
두 번째 희석 흐름: 160 L/min
폐기물 흐름: 172 L/분 - 디지털 온도 컨트롤러의 온도 제어 설정점을 250°C로 설정하고 CAG의 가열을 시작합니다.
- 마그네틱 교반 막대가있는 액체 원액을 마그네틱 교반기 위에 놓습니다. 연동 펌프의 입구 튜브를 시험 용액에 넣으십시오.
- 연동 펌프를 켜고 유량을 LFR ±5% (g/min)로 설정합니다.
- CAG 온도가 250 ± 1°C에 도달하면, 연동 펌프를 시작하여 시험 액체를 CAG에 전달함으로써 에어로졸 생성을 시작한다.
- 에어로졸이 모세관 팁 근처에서 생성되는지 확인하고 질량 유량을 계산하는 데 필요한 시간을 기록하십시오. 에어로졸이 생성되지 않으면 모든 장비와 설정을 다시 확인하십시오. 여전히 에어로졸이 생성되지 않으면 모세관이 막혀 교체해야 할 가능성이 큽니다.
- 에어로졸 생성 중
- 60 분마다 유리 설정에서 응축되는 액체를 배출하여 일정하고 안정적인 에어로졸 생성을 보장합니다.
- 에어로졸 생성 중지
- 시험 용액 병에서 튜빙을 제거하고 시험 액체를 탈이온수로 전환하고 질량 유량을 계산하는 시간을 기록하십시오.
- 모세관에서 수증기가 나올 때까지 기다렸다가 온도 조절기를 끄고 연동 펌프를 10 분 이상 켜 두어 모세관을 플러시하고 청소하십시오.
- 가장 가까운 0.01 g까지 시험액과 병의 값을 계량하고 기록하고 다음 방정식을 사용하여 질량 유량을 계산하십시오.
- 가열된 흐름으로 사용되는 압축 공기를 끕니다.
- 필요한 경우 조립 설정에서 CAG를 제거하고 마른 물티슈로 유리 튜브를 청소하고 CAG를 다시 조립하십시오.
4. 구성 요소의 분석적 결정
참고: 에어로졸 샘플링은 a) 희석되지 않은 에어로졸 (희석되지 않은 샘플링 중에 첫 번째 희석 공기와 두 번째 희석 흐름 모두 꺼짐)과 b) 모든 희석액이 제공된 희석 에어로졸 (그림 5)의 두 위치에서 수행됩니다. 각 샘플링 위치인 a 및 b에서 최대 세 개의 샘플링 포트를 사용할 수 있으므로 ACM을 동시에 수집할 수 있으며 에어로졸 특성 분석을 위한 기타 장비/프로브를 사용할 수 있습니다. 샘플링 라인은 에어로졸 흐름 방향에 수직으로 설치되고 특정 부피의 에어로졸을 그릴 수있는 진공 펌프에 연결됩니다 (펌프 유량 및 샘플 지속 시간에 따라 다름).
- 에어로졸 수집 질량 (ACM)의 결정
참고: 에어로졸의 미립자 상은 유리 섬유 필터 패드(직경: 44mm, 입자 크기 유지: 1.6μm)에 고정됩니다. 샘플링 전후의 ACM 가중치는 휘발성 성분의 증발로 인한 칭량 손실을 최소화하기 위해 필터 홀더로 측정됩니다.- 필터를 필터 홀더에 놓고 필터 캡을 놓습니다.
- 샘플 수집 전에 필터로 필터 홀더를 가장 가까운 0.0001g으로 계량하고 무게를 문서화합니다.
- 필터가 포함된 필터 홀더를 에어로졸 흐름에 연결하고 샘플 수집을 시작합니다.
- 샘플 수집 후 필터 홀더 및 캡으로 필터를 계량하고 최종 중량을 문서화합니다.
- 다음 공식을 사용하여 ACM을 계산합니다.
ACM : ACM 농도 (μg / L)
Wb: 샘플링 전의 필터 및 필터 홀더의 무게(g)에서 가장 가까운 0.0001g까지
Wa: 샘플링 후 필터 및 필터 홀더의 무게(g)에서 가장 가까운 0.0001g까지
V 에어로졸 : 필터를 통과하는 에어로졸 (L)의 부피는 다음을 사용하여 계산됩니다.
샘플링 시간(분) x 샘플링 흐름(L/분) - 필터 홀더에서 필터 패드를 분리하고 5mL의 에탄올이 들어있는 25mL 유리 바이알에 침전시킵니다. 필터 패드를 400 rpm에서 30분 동안 실험실 진탕기 상에서 진탕하여 ACM을 추출한다.
- 25 mL 유리 바이알을 290 x g 에서 5분 동안 원심분리하고, PG/VG의 정량화 및 니코틴의 미립자 상을 위해 상청액을 수집한다.
- 니코틴 (또는 향미) 농도의 결정
참고: 에어로졸은 1 ~ 13의 pH 범위에서 사용하기 위해 화학적으로 불활성 매트릭스인 특수 처리된 넓은 공극 규조토를 포함하는 샘플 컬럼에 갇혀 있습니다(그림 6).- 에어로졸 샘플 수집을 시작하기 전에 15분 이내에 샘플 컬럼을 준비한다.
- 니코틴 농도를 결정하려면 0.5 M 황산 2 mL를 첨가하십시오. 맛을 결정하려면 이소프로판올 2mL를 첨가하십시오.
- 샘플링 흐름을 확인합니다.
- 진공 펌프를 켜고 1ccm/min의 정확도를 제공하는 보정된 유량 장비를 사용하여 샘플링 라인에 연결된 샘플 컬럼으로 유량을 확인합니다. 바늘 밸브로 유량을 700 ccm / min ± 5 % 범위로 조정하십시오.
- 진공 펌프를 끕니다.
- 샘플 수집
- 두 어댑터를 입구 및 출구 측면에 따라 샘플 컬럼에 추가합니다(그림 6). 출구 어댑터를 통해 튜브를 진공 샘플링 라인에 연결하십시오.
- 입구 어댑터를 통해 샘플 컬럼 어셈블리를 샘플링 포트에 연결합니다.
- 진공 펌프를 켜서 샘플 수집을 시작하십시오.
- 샘플링 시작 시간을 기록합니다.
- 미리 설정된 샘플링 시간 후, 희석되지 않은 샘플링 포인트 A에서 10분, 희석된 샘플링 포인트 B에서 30분 후, 진공 펌프를 끄고 시간을 기록합니다.
- 샘플링 포트에서 샘플 열을 제거합니다.
- 샘플 컬럼에서 어댑터를 제거하고 증발 또는 오염으로 인한 손실을 방지하기 위해 필름 멤브레인으로 샘플 컬럼을 밀봉하십시오. 해당 샘플 이름에 따라 샘플 열에 레이블을 지정합니다.
- 밀봉된 샘플 컬럼을 분석될 때까지 냉장고(2-8°C)에 보관한다.
- 카보닐 농도의 결정
참고: 카르보닐은 아세토니트릴에 용해된 2,4-디니트로페닐히드라진(DNPH)으로 채워진 마이크로 임핑거에 직렬로 연결된 유리 필터 패드에 갇혀 있습니다.
- 에어로졸 샘플 수집을 시작하기 전에 15분 이내에 샘플 컬럼을 준비한다.
- 트래핑 준비
- 마이크로 임핑저를 아세토니트릴 중의 15 mM DNPH 10 mL로 채운다.
- 필터 패드를 준비합니다(단락 4.1 참조).
- 샘플링 흐름 확인
- 진공 펌프를 켜고 1ccm/min의 정확도를 제공하는 보정된 유량 장비를 사용하여 샘플링 라인의 유량을 확인합니다. 바늘 밸브로 유량을 700 ccm / min ± 5 % 범위로 조정하십시오.
- 진공 펌프를 끕니다.
- 샘플링 컬렉션
- 마이크로 임핑기에 연결된 필터 홀더를 샘플링 포트에 연결합니다.
- 진공 샘플링 라인을 마이크로 임핑기의 콘센트에 연결하십시오.
- 진공 펌프를 켜서 샘플 수집을 시작하십시오.
- 샘플링 시작 시간을 기록합니다.
- 미리 설정된 샘플링 시간 후, 희석되지 않은 샘플링 포인트 a에서 10분, 희석된 샘플링 포인트 b에서 30분 후, 진공 펌프를 끄고 시간을 기록합니다.
- 샘플링 포트에서 샘플링 트랩을 분리합니다.
- 임핑거를 유리 병에 비우십시오. DNPH 용액을 아세토니트릴로 10 mL에 충전하십시오.
- 필터 패드의 무게를 확인하고 흔들어서 DNPH-아세토니트릴 용액에서 추출하십시오. 추출 후 필터 패드를 버리십시오.
- 카르보닐-DNPH 용액의 1 mL 분취량을 취하고, 50 μL의 피리딘을 첨가하여 용액을 안정화시킨다.
- 분취량을 분석될 때까지 ≤-12°C의 냉동고에 보관한다.
- 마이크로 임핑저를 아세토니트릴 중의 15 mM DNPH 10 mL로 채운다.
Representative Results
CAG 에어로졸의 재현성
CAG 생성 에어로졸의 재현성을 입증하기 위해, PG, VG, 니코틴, 물 및 에탄올을 함유하는 염기 액체 용액(각각 71.72%, 17.93%, 2%, 5.85%, 및 2.5%)을 10개 이상의 분리된 에어로졸 생성 런을 사용하였다. 에어로졸화 및 샘플링 파라미터는 표 2에 요약되어 있다. CAG 생성 에어로졸의 화학적 특성화는 시스템을 사용하여 얻은 결과의 높은 재현성을 확인하였다. 동일한 샘플링 조건뿐만 아니라 동일한 가열, 냉각 및 희석 공기 흐름 하에서, ACM, 니코틴, VG 및 PG의 농도는 에어로졸 생성 실행에 걸쳐 안정하였으며, 상대 표준 편차는 각각 ACM, 니코틴, VG 및 PG의 2.48%, 3.28%, 3.43% 및 3.34%였다(그림 7).
여덟 개의 카르보닐의 농도-즉, 아세트알데히드, 아세톤, 아크롤레인, 부티르알데히드, 크로톤알데히드, 포름알데히드, 메틸에틸케톤, 및 프로피온알데히드-는 세 번의 연속 CAG-에어로졸 생성 실행 동안 측정되었다. 일정한 제어 조건에서 에어로졸이 생성되는 경우 예상한 바와 같이, 모든 카르보닐 분석물의 수율은 낮게 유지되었으며(표 3), 대부분의 화합물에 대한 분석 방법의 정량화(LOQ) 한계에 도달하지 못했습니다. 아세트알데히드와 포름알데히드만이 LOQ보다 높은 수율을 보였다. 희석된 에어로졸 샘플의 포름알데히드 농도는 LOQ에 가까운 수율뿐만 아니라 이 분석물의 휘발성 때문에 높은 변동성(±32%)을 보였다. 데이터는 CAG에서 생성 된 에어로졸에서 액체 열 분해 생성물의 부재를 확인했다. 향미제의 혼합물의 첨가는 에어로졸의 카르보닐 조성에 영향을 미쳤다. 본 경우, 아세트알데히드 및 부티르알데히드 수율은 노출 챔버에 들어가는 희석된 에어로졸에서 LOQ에 가까운 값에서 각각 2.06 및 1.56 μg/L로 급격히 증가하였다. 이러한 데이터는 에어로졸 조성물에 대한 향미 혼합물의 조성물의 효과를 강조하고, 생체 내 장기 노출 연구에서 최종 평가 전에 초기 단계에서 전자 액체 제형에서 특정 향료 물질의 잠재적 독성을 조사해야 할 필요성을 강조합니다.
CAG 생성 에어로졸의 PSD
CAG 생성 에어로졸의 PSD를 PG, VG, 물 및 니코틴만을 함유하는 기본 액체 용액으로부터 생성된 에어로졸의 물리적 특성에 대한 이들 조건의 영향을 평가하기 위해 상이한 냉각 및 첫 번째 희석 흐름 하에서 측정하였다. 이 절차는 호흡 가능한 범위의 입자 크기를 가진 에어로졸을 생산하기위한 적절한 조건을 확인하는 데 필수적입니다.
본 연구에서, 냉각 및 첫 번째 희석 흐름은 에어로졸 흐름의 동일한 총 부피를 유지하기 위해 10 L/min의 단계에서 수정되었다(표 4). 액체 흐름 (0.5 mL/분), 가열 흐름 (2 L/분) 및 제 2 희석 흐름 (150 L/분)은 일정하게 유지되었다. 에어로졸 샘플을 희석된 샘플링 포인트 b로부터 취하였다(도 5). PSD는 5 L/min의 샘플 유량으로 0.5 내지 20 μm의 입자 크기를 측정하고 장비와 함께 사용하기 위해 적절하게 희석하는 공기역학적 입자 크기 측정기를 사용하여 결정하였다. MMAD 및 GSD는 각각의 에어로졸 생성 실행에 대해 공기역학적 입자 사이저에 의해 보고되었다.
냉각 흐름의 증가 및 첫 번째 희석 흐름의 동시 감소는 에어로졸 입자 크기에 영향을 미쳤다 (표 4). 입자 크기에 가장 큰 영향은 냉각 흐름을 10 L / min에서 20 L / min으로 변경하고 첫 번째 희석 흐름을 160에서 150 L / min으로 변경할 때 관찰되었습니다. MMAD는 이러한 조건 하에서 1.47 μm에서 4.03 μm로 두 배 이상 증가하였다. 평균 에어로졸 입자 크기는 10 ~ 20 L / min 사이에서 관찰 된 것보다 낮은 비율이지만 냉각 유량이 증가함에 따라 계속 증가했습니다. 에어로졸 입자의 공기역학적 직경 분포는 10L/min 냉각 흐름에서 생성된 에어로졸과 20-50L/min에서 생성된 에어로졸을 비교할 때 더 큰 직경으로 명확하게 이동되었습니다(그림 8).
전자 액체 맛의 포획 효율성
앞서 논의한 바와 같이, 그들의 변동성 때문에, 다양한 액체 성분들은 국부적 열역학적 조건에 따라 기액 질량 이동에 지속적으로 경향이 있다. 또한, 분석 방법은 그러한 구성 요소를 함정에 빠뜨릴 수있는 특정 능력을 가지고 있습니다. 실제 수율 측정은 우리가 선택된 구성성분의 정확한 검출 및 정량화를위한 화학적 방법의 능력을 측정 할 수있게합니다 (예를 들어, 응축 전위 또는 반응으로 인해 일부 구성 요소는 목적지, 즉 흡입 연구의 경우 노출 챔버에 도달하지 못할 수 있음). 따라서, 다양한 향미가 있는 e-액체 제형을 평가할 때, 에어로졸의 화학적 평가를 위한 가장 효율적인 포획 방법을 결정할 수 있어야 한다. 그 후, 이것은 우리가 각 구성 요소에 대한 이송 속도를 측정 할 수있게 해주 며, 이는 생성 장소에서 노출 챔버로의 에어로졸 운송으로 인해 종종 존재하는 손실에 의해 결정됩니다. 본 경우에, 향료 물질의 혼합을 함유하는 액체로 추가적인 연구가 수행되었다. 에어로졸은 표 2 에 열거된 CAG 파라미터로 생성되었고, 30분 동안 0.7 L/min으로 설정된 샘플링 유량으로 희석 후(위치 b, 도 5) 포획되었다. 트래핑은 2 mL의 이소프로판올로 사전 컨디셔닝된 샘플링 컬럼에서 수행되었다. 카트리지를 포획 기간의 완료 직후에, 용액의 20 mL가 회수될 때까지 이소프로판올로 용출시켰다. 우리는 포획 효율이 일반적으로 각 풍미 성분에 대해 조사되고 결정되어야한다는 것을 발견했습니다.
조사된 풍미 성분의 70%에 대해, 우리는 >60%의 회수율을 가졌고, 이는 향미료의 끓는점(휘발성)과 잘 상관관계가 있었다. 이 사실은 복잡한 혼합물을 포함하는 흡입 독성학 연구가 에어로졸을 노출 부위로 옮기고 전달하는 데 특별한주의를 기울여 수행되어야한다는 것을 의미합니다.
그림 1 : 모세관 에어로졸 발생기 (CAG)의 작동 원리. 액체는 전기적으로 가열된 모세관으로 펌핑되어 뜨거운 과포화 증기의 파열을 전달하며, 이는 공기 흐름에 의해 냉각되어 갑작스런 핵생성과 응축을 일으켜 에어로졸 형성을 유발합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 일반적인 CAG 실험 셋업 및 핵심 요소 . (A) 액체 원액을 CAG에 연결하는 연동 펌프, 희석 공기 덕트 및 에어로졸 형성 공정을 보여주는 CAG 어셈블리의 일반 도면. (B) 모세관 및 발열체가있는 CAG의 상세보기. (C) CAG 어셈블리 에어로졸 생성 설정의 단면도. 냉각 및 희석 공기 흐름에 대한 세부 정보. 유리 튜브에는 두 개의 별도의 구획이 있습니다. 냉각 흐름은 CAG쪽으로 밀려 액체 생성 증기와 접촉하여 에어로졸을 생성합니다. 희석 흐름은 후자를 희석하기 위해 형성된 에어로졸 쪽으로 밀려난다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: CAG 장치 세부 정보: 단면도. 가열 흐름은 외부 CAG 본체를 냉각하고, 모세관 팁에서 액체 역류의 응축을 방지하고, 증기 제트 파열을 안정화시키기 위해 가열 요소 주위에 도입됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: CAG 어셈블리 모세관 및 발열체(A)는 내부 PEEK 튜브에 삽입되고, 이 조립체는 외부 스테인리스 스틸 튜브(B)로 미끄러진다. 조립품은 스테인레스 스틸 리드 나사 (C, D)를 사용하여 뚜껑을 덮고 단단히 고정됩니다. 후단으로부터 돌출된 모세관은 튜브를 통해 연동 펌프 및 액체 제형에 연결된다. 약어 : SS, 스테인레스 스틸. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 생체내 노출 실험을 위한 CAG 에어로졸 생성 설정. 분석을 위한 에어로졸 샘플링은 두 위치에서 일어난다: (a) 희석되지 않은 에어로졸-샘플링 동안 꺼지는 첫 번째 희석 단계; (b) 노출 챔버에 들어가기 직전에 희석 된 에어로졸. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 어댑터가 연결된 샘플 컬럼. 샘플링하기 전에, 샘플 컬럼은 니코틴 분석을 위해 0.5 M 황산 또는 향미 분석을 위한 이소프로판올로 예비컨디셔닝된다. 입구 어댑터는 CAG 생성 에어로졸 흐름 및 진공 펌프에 대한 출구 어댑터에 연결됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7: CAG 생성 에어로졸 특성화 및 재현성. ACM, 니코틴, PG 및 VG 농도의 농도는 10개의 분리된 실험적 에어로졸 생성을 통해 동일한 액체 염기 용액으로 실행된다. ACM, 1105.45 ± 27.4 μg/L; 니코틴, 20.16 ± 0.7 μg/L; VG, 227.15 ± 7.8 μg/L; PG, 656.59 ± 22.0μg/L. 오차 막대는 표준 편차를 나타냅니다. 약어: ACM, 에어로졸 수집 질량; PG, 프로필렌 글리콜; VG, 글리세롤. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 8: 다양한 냉각 유량에서 발생하는 에어로졸의 입자 크기 분포의 변화. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 베이스 (PG / VG / N) | 맛 (PG / VG / N / F) | |
| 구성 요소 | PG / VG / N (g / 1000g) | PG / VG / N / F (G / 1000g) |
| 벤조산 | 3.33 | 3.33 |
| 증권 시세 표시기 | 240.00 | 238.91 |
| 물 | 150.00 | 150.00 |
| 유산 | 3.33 | 3.33 |
| 아세트산 | 3.33 | 3.33 |
| 블렌딩된 맛 믹스 | 0.00 | 1.20 |
| 글리세린 | 560.01 | 559.90 |
| 니코틴 | 40.00 | 40.00 |
| 합계 | 1000.00 | 1000.00 |
표 1: E-액체 스톡 제형 성분18
| 에어로졸화 프로토콜 | 샘플링 프로토콜 | ||||
| 매개 변수 | 희석되지 않은 | 희석 | 매개 변수 | 희석되지 않은 위치 A | 희석 된 위치 B |
| CAG 온도 (°C) | 250 | ||||
| 펌프 흐름 (mL/분) | 0.5 | 0.5 | 샘플링 시간(최소) | 10 | 30 |
| 가열 공기 흐름 (L / 분) | 2 | 2 | 샘플링 흐름(ACM)(L/분) | 0.7 | 1.5 |
| 냉각 공기 흐름 (L / 분) | 10 | 10 | 샘플링 흐름 Extrelut (L / 분) | 0.7 | 0.7 |
| 1차 공기 희석(L/분) | 북미 | 150 | 샘플링 흐름 카보닐 (L / 분) | 0.7 | 0.7 |
| 2차 공기 희석(L/분) | 북미 | 160 | |||
| 폐기물 (L / 분) | 북미 | 172 | |||
표 2: 에어로졸 생성, 희석 및 샘플링의 파라미터
| 카보닐 | 기본 액체 (PG / VG / 니코틴) | 니코틴을 사용한 고농도의 맛 원액 (PG / VG / 니코틴 / 맛) |
||
| 희석되지 않은 에어로졸 샘플 μg / L | 희석된 에어로졸 샘플 μg/L | 희석되지 않은 에어로졸 샘플 μg / L | 희석된 에어로졸 샘플 μg/L | |
| 아세트알데히드 | 0.834 ± 0.096 | 0.119* | 45.346 ± 1.134 | 2.058 ± 0.202 |
| 아세톤 | < 로크 | < 로크 | < 로크 | < 로크 |
| 아크롤레인 | < 로크 | < 로크 | < 로크 | < 로크 |
| 부티르알데히드 | < 로크 | < 로크 | 36.475 ± 0.996 | 1.557 ± 0.179 |
| 크로톤알데히드 | < 로크 | < 로크 | 0.052 ± 0.001 | < 로크 |
| 포름알데히드 | 0.731 ± 0.072 | 0.072 ± 0.023 | 0.158 ± 0.007 | 0.026 ± 0.004 |
| 메틸 에틸 케톤 | < 로크 | < 로크 | 0.570 ± 0.015 | < 로크 |
| 프로피온알데히드 | < 로크 | < 로크 | 0.085 ± 0.001 | < 로크 |
표 3: CAG 생성 에어로졸에서 카르보닐의 정량. 세 개의 에어로졸 생성으로부터의 평균 값은 동일한 액체 염기 용액 단독과 향미 혼합물로 실행된다. 세 번의 실행에 걸쳐 하나의 샘플만 메서드의 정량화 하한(LOQ)보다 큰 값을 가졌습니다.
| 설정(L/분) | 에어로졸 액적 직경 | ||
| 냉각 흐름 | 1차 희석 흐름 | MMAD (μm) | 증권 시세 표시기 |
| 10 | 160 | 1.47 ± 0.04 | 2.07 ± 0.01 |
| 20 | 150 | 4.03 ± 0.18 | 2.13 ± 0.04 |
| 30 | 140 | 4.74 ± 0.04 | 1.89 ± 0.02 |
| 40 | 130 | 5.35 ± 0.04 | 1.80 ± 0.01 |
| 50 | 120 | 5.23 ± 0.03 | 1.76 ± 0.01 |
표 4: 상이한 기류 조건하에서 에어로졸 입자 크기(액적 직경)의 결정. 약어: MMAD, 질량 중앙값 공기역학적 직경; GSD, 기하학적 표준 편차.
Discussion
CAG로 에어로졸을 생성하면 EC 장치 특정 에어로졸화 공정의 변동성을 줄여 에어로졸화된 전자 액체 제형 자체에 대한 객관적이고 제어 가능한 평가를 가능하게 합니다. CAG 생성 에어로졸은 ECs7에 의해 생성된 에어로졸을 대표하는 것으로 나타났습니다. 이들은 동일한 조성 및 특성으로 재현가능하게 생성될 수 있고, 따라서, 장기간에 걸쳐 다량의 에어로졸을 필요로 하는 생체내 장기 노출 연구에 특히 적합하다8.
CAG 설정은 조립이 비교적 간단하고 유지 보수가 쉽습니다. 그러나 액체 유량 및 각 공기 유량과 같은 작동 매개 변수는 CAG 생성 에어로졸의 적용 목적에 따라 방법 최적화가 필요한 제어 에어로졸의 생산에 여전히 중요합니다.
현재 연구에서 제시된 결과는 냉각 기류 속도가 에어로졸 입자 크기 분포에 명확한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 냉각 공기 흐름은 생성 된 에어로졸이 흐르는 내부 튜브의 냉각으로 인해 생성 된 증기의 핵화뿐만 아니라 응축에도 직접적인 영향을 미칩니다. 또한, 조밀 한 에어로졸은 실질적인 응고 효과가있는 경향이 있습니다. 결합, 이러한 과정은 복잡하며 에어로졸 형성에 대한 상호 작용과 영향은 특정 전자 액체, 온도 및 흐름에 대해 일반화하기가 다소 어렵습니다. 보충 기류 조성물 (상대 습도의 고정 된 비율로 건조 또는 가습)-특히 수분 함량 -은 열 및 질량 교환에 영향을 미쳐 에어로졸 입자의 응축 성장뿐만 아니라 벽 응축을 유도합니다. 따라서, 이 방법의 파라미터에 대한 수정은 PSD(17,19)를 제어하는 측면에서 사용의 목적으로 간주된다.
용해도가 낮거나 끓는점이 높은 화학 물질의 존재는 모세관 내 침전과 시간이 지남에 따라 모세관의 막힘으로 인해 CAG 생성 에어로졸의 효과를 제한 할 수 있습니다. 에어로졸에 존재하는 화학 물질에 따라 CAG를 작동시키는 온도를 조정하여 증기를 생성해야합니다. 또한, 액체 제형의 안정성은 정기적으로 평가되어야 한다. 상이한 비등점을 갖는 향미제를 포함하는 구성성분의 첨가는 최종 에어로졸 조성물(14 ) 및 기액 분할에 영향을 미칠 것이다. 고온 모세관 근처의 역류 및 액체 침착을 방지하기 위해 모세관 온도 및 가열 기류를 조정해야 할 수도 있으며, 이는 고온에서 액체의 체류 기간이 길기 때문에 열 분해의 제어되지 않은 제품 (예 : 카르보닐)이 생성 될 수 있습니다. 또한, 모세관에서 증기를 발생시키기 위해 사용되는 온도를 제어하면 모세관 내에서 증기가 형성되기 시작하는 곳-온도가 높을수록 증기가 더 일찍 형성되는 곳에 영향을 미친다. 모세관 온도가 높을수록, 모세관에서 나오는 증기는 냉각 공기 흐름에 의해 냉각되는 데 더 오래 걸릴 것이고, 따라서, 핵을 형성하기 시작하고 모세관 팁으로부터 더 멀리 떨어진 에어로졸로 응축되기 시작하여, 역류 효과(19)를 피하도록 돕는다.
현재의 전자 액체 생체 내 독성학 연구는 OECD TG 413 연구20에서와 같이 요구되는 에어로졸의 규모를 충족시키기 위해 물류 복잡성으로 인해 전자 담배 에어로졸을 재생하는 데 한계가 있습니다. 이 연구에서 제시된 프로토콜은 필립 모리스 인터내셔널에서 생체 내 장기 노출 연구18에서 에어로졸 생성을 위해 사용되는 CAG 어셈블리 및 설정에 대한 개요를 제공합니다. 이들 데이터는 다른 실험실 환경(예를 들어, 약물 전달 시스템(21))에서 추가적인 미세 조정을 위한 또는 특정 연구의 특정 요건에 적응하기 위한 좋은 출발점으로서 작용할 수 있다.
Disclosures
여기에 보고된 방법과 특정 CAG 어셈블리는 생체 내 노출 연구의 요구 사항을 충족하기 위해 전자 액체에서 생성된 에어로졸의 평가를 위해 개발되었습니다. 모든 저자는 필립 모리스 인터내셔널 (PMI)의 직원이거나 계약 계약에 따라 PMI에서 근무했습니다. 필립 모리스 인터내셔널 (Philip Morris International)은이 연구의 유일한 자금 출처 및 후원자입니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Aluminium front cap | Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Switzerland | Custom Built | Purpose built, 1 x |
| Aluminium heating block, groove diameter 0.4mm | Phil Gunn Machine Co., Inc, VA, USA | B-505432 | 2 x |
| Aluminium rear cap | Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Switzerland | Custom Built | 1 x |
| Cambridge glass filter pads | GE Healthcare UK Limited | 9703-9654 | 44 mm diameter |
| Capillary 21 G SS, 160 mm | Phil Gunn Machine Co., Inc, VA, USA | 304H21RW | 1 x |
| Dry wipes | Contec Inc. , SC, USA | Prosat Wipes saturated with isopropyl alcohol | cleaning material |
| Flowmeter | TSI, Shoreview, MI, USA | 4100 Series, 0-20 L/min | or equivalent |
| Gilibrator-2 calibrator | Sensidyne, St-Petersburg FL, USA | Gilian Gilibrator-2 | Air flow calibrator |
| Glass Couplings | Labo Service, Kontich, Belgium | QVF | |
| Glass piping | Labo Service, Kontich, Belgium | QVF | Pipe 25 and 40 mm |
| Heating elements | Phil Gunn Machine Co., Inc, VA, USA | LDC01864 | 4 x |
| High heat grease | Lubriplate Lubricant Company, NJ, USA | High temperature multipurpose grease | CAG maintenance |
| Inner PEEK tube | Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Switzerland | Custom Built | 1 x |
| Magnetic stirrer | IKA-Werke GmbH & Co. KG, Staufen, Germany | C-MAG HS 4 | or equivalent |
| Micro impingers | Labo Service, Kontich, Belgium | Custom Built | |
| Outer SS tube | Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Switzerland | Custom Built | 1 x |
| PEEK adaptor | Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Switzerland | Custom Built | Purpose built, 1 x |
| Peristaltic pump | Watson-Marlow Fluid Technology Group, Falmouth, UK | Watson-Marlow 530 U | or equivalent |
| Push-in fitting | Festo Pte Ltd | NPQM-DK-M5-Q4-P10 | 1 x |
| Sample Column Extrelut NT3 cartridge | Merk Sigma-Aldrich | 115095 | |
| SS 25 mm assembly cap | Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Switzerland | Custom Built | Purpose built, 1 x |
| SS M8 lead screw | Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Switzerland | Custom Built | 3 x |
| SS M8 nut | Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Switzerland | Custom Built | 3 x |
| SS rear backing | Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Switzerland | Custom Built | Purpose built, 1 x |
| Temperature controller | Cole Parmer GmbH, Wertheim, Germany | Digi-Sense TC 9600 | or equivalent |
| Thermocouple type K | RS Components GmbH, Wädenswil, Switzerland | 814-0147 | 1 x |
References
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