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研究文章

用于电子烟毒性研究的低金属但高醛类气溶胶的制备

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DOI：

10.3791/70694

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2026年5月15日

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Environmental Health Sciences, Columbia University, 2Lamont-Doherty Earth Observatory, Columbia University, 3Institute of Analytical Chemistry, Faculty of Chemistry, University of Vienna

本文内容

摘要

本研究证实，使用气动雾化器在 200 °C 条件下雾化市售电子烟液，可产生金属含量较低的气溶胶，其醛类物质水平与真实世界电子烟气溶胶中的水平相当。

摘要

当电子烟液在电子烟中被雾化供使用者吸入时，气溶胶会受到包括金属和醛类在内的多种有毒物质的污染。目前尚缺乏一种能够产生高醛类但低金属含量电子烟气溶胶的方法，而这种方法对于解析醛类与金属暴露在电子烟气溶胶混合物中可能存在的独立效应与 毒理学相互作用至关重要。

本研究的目的是建立一种方法，用于从电子烟液中产生富含醛类的气溶胶，同时避免电子烟气溶胶中常见的大量金属污染。为了在促进醛类生成的温度条件下（最高达 200 °C）将烟液雾化，采用外部加热的气动雾化器。实验中雾化了纯丙二醇/植物甘油（PG/VG）混合物以及一种市售电子烟液。采用液相色谱-串联质谱法对气溶胶中已知的与电子烟相关的有毒物质进行了分析，包括 11 种醛类；同时采用电感耦合等离子体质谱法检测了 9 种金属（Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、Sr、V、Zn）。

使用气动雾化器产生的气溶胶中，只有当市售电子烟液在200 °C下雾化时，其醛类物质水平才达到真实电子烟气溶胶中的水平。而气动雾化器所产生的气溶胶中金属含量则至少比电子烟气溶胶低8倍 "Mod" 设备在50 W下运行。所有气溶胶样品中的Cu、Ni和Pb含量均特别低，部分样品含量低于方法检出限（MDL）。

在200 °C条件下，使用气动雾化器雾化市售电子烟液可产生金属含量较低（尤其是镍、铜、铅）但醛类水平与真实电子烟气溶胶中相当的气溶胶。

引言

在美国，电子烟是青少年中最常使用的烟草制品；2024年，有5.9%的学生报告使用电子烟1。这是一个公共卫生问题，因为电子烟使用者吸入的气溶胶含有多种有毒化学物质，吸入后可能对健康造成多种不良影响2。气溶胶中的某些有毒化学物质不仅可能来源于原始电子烟液配方，还可能在设备使用过程中产生。例如，金属会通过溶解和蒸发过程从用于雾化电子烟液的金属加热丝中渗出，并进入气溶胶3。相比之下，电子烟气溶胶中大多数醛类物质是在电子烟液加热至沸点以实现雾化时，由电子烟液的基础成分——丙二醇（PG）和植物甘油（VG）——生成的4。

电子烟气溶胶中存在金属和醛类物质，尤其令人担忧，因为其中多种物质具有毒性，特别是对大脑及其他器官。例如，铅（Pb）、锰（Mn）、铜（Cu）、铁（Fe）、镍（Ni）和铬（Cr）等金属是已知的神经毒物，在暴露于电子烟气溶胶的小鼠脑组织中已被发现有蓄积现象，其浓度水平已达到先前报道可引发神经毒性效应的程度5。高浓度的锰和铅暴露、脑内铁过载以及铜代谢失衡均与神经退行性疾病（如帕金森病，PD）的发生和/或进展风险升高相关。这类金属诱导的神经毒性通常涉及多种细胞机制，包括活性氧（ROS）过量产生导致的氧化应激、线粒体功能障碍、蛋白质聚集以及神经炎症6,7,8。

丙烯醛和甲醛也已被证实与神经退行性病变相关9,10,11，可能引发帕金森病（PD）等迟发性神经系统疾病。在帕金森病小鼠模型中已发现，醛类物质的累积可通过促进蛋白质聚集而产生毒性作用12；携带将乙醛转化为乙酸的关键酶（ALDH2）突变的个体，患阿尔茨海默病的风险可能更高13。尽管已知金属和醛类各自均具有神经毒性，但二者以混合物形式共同作用时的效应尚不明确。在电子烟气溶胶暴露的背景下，解析这两类化学物质各自的独立效应及其相互作用显得尤为复杂且具有挑战性。为了准确研究与化学类别相关的毒理学效应，有必要具备生成模拟气溶胶的能力，使其金属含量较选定参考电子烟产生的气溶胶更低，同时保持醛类水平与之相当。

本文的目的是建立一种方法，该方法能够像电子烟一样在高温下将电子烟液雾化，产生富含醛类的气溶胶，同时避免显著的金属污染，从而为毒理学领域提供一种新工具，以解析电子烟气溶胶混合物中这些化学物质各自的毒性效应。为实现这一目标，我们避免使用金属加热丝来雾化电子烟液，以防其成为金属污染的来源；相反，我们采用了一种气动雾化器。14，该装置通过外部加热促进电子烟液中醛类物质的生成。为评估本方法的有效性，我们比较了雾化器产生的气溶胶中的醛类物质和金属含量与传统香烟的差异 "Mod" 我们使用的电子烟用于使啮齿类动物暴露于电子烟气溶胶中。

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方案

设置气动雾化器
本研究中使用的所有材料均列于材料表文件中。为了在不使用会释放金属的金属加热丝的情况下生成模拟电子烟气溶胶，我们采用了一款商用气动雾化器。为达到促进醛类生成所需的高温，我们通过在雾化器外部缠绕加热带，整体加热该气动雾化器。为此，我们先松开两个将实际雾化单元固定在支架上的螺丝，使加热带能够穿过由此产生的间隙，而不是缠绕在支架上。气动雾化器的温度通过在其外表面安装铂电阻温度检测器进行测量，即未直接测量电子烟液的温度。通过在检测器上涂抹少量导热硅脂，改善了热传导连接。测得的温度由微控制器板读取，并由该控制器控制继电器：当实际温度低于设定目标温度（50 °C 至 200 °C 之间）时，向加热带供应 110 V 市电。图 1展示了实验装置示意图。

为操作气动雾化器，需将制造商最初提供的管路材料更换为耐温性更高的材料：1）液体进样管（14号PTFE管）更换为耐高温硅胶管（1/8" 外径），2）过量液体排液管和过滤空气供应管中使用的高分子量聚乙烯管（1/4" 外径）更换为耐极端温度的硬质塑料管（1/4" 外径）。

气溶胶发生装置示意图；气动雾化器；空气过滤器；压力平衡过程。
图1： 实验装置示意图。 请点击此处查看此图的放大版本。

操作气动雾化器
以默认的循环模式操作气动雾化器可能导致金属在循环电子烟液中积聚，该循环电子烟液是指过量的、未被雾化的电子烟液，通过过量液体排液管回流至电子烟液瓶中。为防止生成的气溶胶中伴随出现金属积聚，气动雾化器应在非循环模式下运行，此时过量电子烟液流入额外添加的废液瓶中。实验室压缩空气在通过过滤空气供应系统供给雾化器之前，需经过过滤和干燥处理，该系统包括聚结预过滤器、聚结过滤器、碳过滤器和膜式干燥器，用于去除固体颗粒物、油和水滴以及油蒸气和水蒸气。根据制造商说明，最终的碳过滤可去除99.99995%尺寸大于>100 nm的颗粒。

气溶胶采集
使用气动雾化器从70%vol PG/30%vol VG溶液或一种市售的真实电子烟液（含6%尼古丁）中产生气溶胶，后者是我们先前研究中使用的电子烟液15。将气动雾化器产生的气溶胶中的醛类和金属含量，与使用改装型电子烟（Mod电子烟）从该市售电子烟液中生成的气溶胶进行比较。改装型电子烟是一种可重复添加烟液且可调节工作功率的可调式设备。最近，该改装型电子烟已被用于对啮齿类动物进行慢性暴露实验，以产生30 W功率下的电子烟气溶胶5。在本研究中，该设备的工作功率设定为30 W或50 W。

在所有实验中，包括使用气动雾化器和Mod型电子烟的实验，均采用Olmedo等人16建立的方法进行气溶胶样品的三重采集，用于后续的金属和醛类分析。采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）对9种金属（Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、Sr、V、Zn）进行分析，采用液相色谱串联质谱法（LC-MS/MS）对11种醛类（乙醛、丙酮、丙烯醛、苯甲醛、2-丁酮、丁醛、巴豆醛、甲醛、己醛、丙醛、戊醛）进行分析（详见补充文件1以及补充表1和补充表2）。除Zn外，采集的气溶胶与采样管路系统之间的金属转移可能性无需担忧。

用于实时检测醛类的电化学传感器
采用一种低成本的电化学传感器，实时比较不同温度下由不同电子烟液产生的气溶胶中醛类化合物的浓度，从而能够比使用液相色谱-串联质谱法（LC-MS/MS）进行离线分析更快地调整有利于醛类生成的实验条件。根据制造商说明，该传感器可检测甲醛浓度，最大读数为 5,000 ppb。传感器可通过 USB 线缆直接连接至计算机，并利用传感器制造商提供的软件实时查看甲醛浓度。这些实时测量使我们能够确定使用气动雾化器生成醛类的最佳条件。为保护传感器免受气溶胶影响，将传感器置于一个小盒中，盒上开孔并覆盖微孔膜，允许环境空气通过（同时阻隔气溶胶液滴），实现气体交换。

统计分析
采用箱线图来可视化气溶胶和电子烟液中测得的金属和醛类浓度的分布情况（图2）。为了评估气溶胶样品中醛类和金属的总体浓度水平，我们对数据进行了汇总。将测得的九种金属的浓度相加，得到“总”金属浓度；同样，将测得的十一种醛类的浓度相加，得到“总”醛类浓度。所有统计分析均使用 R 软件 4.3.3 版本进行。不同气溶胶和电子烟液之间金属浓度的差异通过 t 检验进行分析。当 p 值小于 0.05 时，认为差异具有统计学显著性。

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结果

探究促进醛类物质形成的条件
气溶胶分四个阶段生成。首先，我们使用气动雾化器在50 °C和100 °C条件下从PG/VG溶液中生成气溶胶，并使用“Mod”电子烟在30 W和50 W工作功率下从市售电子烟液中产生气溶胶。经LC-MS/MS测定，PG/VG气溶胶中的总醛含量明显低于真实世界电子烟气溶胶中的含量（图2A）。

由于从实验室获得这些结果需要几周时间，我们使用电化学传感器探索了可能产生更高气溶胶甲醛水平的条件。我们发现，在气动雾化器出口管上方约 2 cm 处测得的甲醛浓度在 50 °C 和 80 °C 时分别约为 50 ppb 和 160 ppb。因此，我们将温度提高至 100 °C 和 140 °C，因为 Jaegers 等人17 表明，在 133 °C 时，丙二醇（PG）和甘油可生成甲醛（尽管这些实验并非使用电子烟装置进行）。在上述两个温度下，甲醛传感器均达到检测上限，读数为 5,000 ppb。然而，在 140 °C 时传感器...

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讨论

我们使用气动雾化器在200 °C温度下将市售电子烟液雾化后，所产生的气溶胶中总醛类浓度（共11种醛类）与在30 W或50 W功率下运行的电子烟设备所产生的气溶胶中测得的浓度水平相当。特别是丙烯醛的浓度达到了真实世界电子烟气溶胶中观察到的较高水平。然而，甲醛的浓度并未达到电子烟气溶胶中通常观察到的水平。总体而言，本研究中报告的醛类浓度范围为气溶胶中低ng/g至低µg/g（详见补充图1），与其他研究报道的结果基本一致，但多数处于较低范围4,21。然而，本文报告的醛类浓度比某些研究中报道的干烧条件下的浓度低数个数量级，后者甲醛浓度可高达数百µg/g，甚至在个别研究中达到48 mg/g21。

即使在非电子烟环境中，丙二醇（PG）和甘油在133 °C下可能生成甲醛，但气动雾化器在140 °C时并未产生显著水平的醛类物质，这可能是因为他们观察到PG和甘油的热降解生成醛类物质需要持续加热48小时后才...

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披露

所有作者均声明无利益冲突。

致谢

本工作得到了美国国立卫生研究院（NIH）基金项目R01ES032954和P30ES009089的资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
安捷伦 8900 电感耦合等离子体质谱仪 Agilent https://www.agilent.com/en/product/atomic-spectroscopy/inductively-coupled-plasma-mass-spectrometry-icp-ms/icp-ms-instruments/8900-triple-quadrupole-icp-ms?
醛/酮-DNPH 标准品 SupelcoERA-028
Analyst 软件 Sciex版本 1.6.2
C18 色谱柱 Kinetex https://www.phenomenex.com/part?partNo=00D-4475-AN1.7 µm
碰撞型雾化器 TSI 型号 3076
市售电子烟液Beyondvape，美国加利福尼亚州鲍德温公园Pale Whale Vixen’s Kiss购买时含 6% 尼古丁
电化学传感器 SensirionSFA30
耐高温 PTFE 管路 McMaster-Carr5239K12耐高温硬质塑料管，用于化学品，半透明特氟龙® PTFE 塑料无条纹，内径 3/16"，外径 1/4"， 
过滤空气供应装置TSI 型号 3074B
加热带 BriskHeatTBIH051-020LD 双元件，织物绝缘加热带，2 英寸 × 1/2 英寸，156 瓦
耐高温硅胶管路 Quickun 纯硅胶管路，内径 1/16"，外径 1/8"
Mars 6CEMhttps://cem.com/mars-6
微控制器板ArduinoArduino Uno Rev3
可调节式电子烟 中国深圳市亿莱科技有限公司iStick Pico Plus，Melo 4S 烟弹，EC-A 0.3 Ω 线圈 
MultiquantSciex版本 3.0.3
NexION 350S ICPMS Perkin Elmer NexION 350S
硝酸 Fisher ChemicalOptima超痕量元素分析级
铂电阻温度检测器 AdafruitPT1000
Qtrap 6500 LC-MS/MS 系统Sciexhttps://sciex.com/products/mass-spectrometers/qtrap-systems/qtrap-6500-system串联质谱仪
岛津液相色谱仪 Shimadzuhttps://www.shimadzu.com/an/products/liquid-chromatography/index.html

参考文献

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