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Forschungsartikel

Erzeugung von stark metallreduziertem, aber aldehydreichem Aerosol für E-Zigaretten-Toxizitätsstudien

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DOI:

10.3791/70694

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15. Mai 2026

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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Hier stellen wir fest, dass die Aerosolisierung einer kommerziellen E-Liquid durch einen pneumatischen Zerstäuber bei 200 °C ein metallreduziertes Aerosol liefert, dessen Aldehydwerte vergleichbar mit denen realer E-Zigaretten-Aerosole sind.

Zusammenfassung

Wenn E-Liquid in einer E-Zigarette zum Einatmen des Nutzers aerosolisiert wird, wird das Aerosol mit einer Mischung von Schadstoffen wie Metallen und Aldehyden kontaminiert. Eine Methode zur Erzeugung von E-Zigaretten-Aerosolen mit hohem Aldehyd, aber geringem Metallgehalt fehlt, ist jedoch notwendig, um die potenziellen unabhängigen Effekte gegenüber toxikologischen Wechselwirkungen von Aldehyd- und Metallexposition durch E-Zigaretten-Aerosolmischungen zu entwirren.

Ziel dieser Studie war es, eine Methode zur Erzeugung aldehydreicher Aerosole aus E-Liquids zu etablieren, die jedoch die große Metallkontamination, die typischerweise in E-Zigaretten-Aerosolen zu finden ist, fehlen. Um E-Liquid bei Temperaturen zu aerosolisieren, die die Aldehydbildung fördern (bis zu 200 °C), wurde ein pneumatischer Zerstäuber extern erhitzt. Sowohl eine reine Propylenglykol/Pflanzenglycerin-(PG/VG)-Mischung als auch eine kommerzielle E-Liquid wurden mit Aerosolen vernetzt. Aerosole wurden auf bekannte mit E-Zigaretten assoziierte Toxstoffe analysiert, darunter 11 Aldehyde mittels Flüssigchromatographie-Tandem-Massenspektrometrie und 9 Metalle (Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sr, V, Zn) mit induktiv gekoppelter Plasmamassespektrometrie.

Die Aldehydwerte in den Aerosolen des pneumatischen Zerstäubers erreichten nur dann die einer realen E-Zigaretten-Aerosole, wenn das kommerzielle E-Liquid bei 200 °C aerosolisiert wurde. Die Metallwerte in den Aerosolen des pneumatischen Zerstäubers waren damals mindestens achtmal niedriger als im E-Zigaretten-Aerosol eines "Mod"-Geräts, das mit 50 W betrieben wurde. Cu-, Ni- und Pb-Werte waren in allen Aerosolproben besonders niedrig, einige unterhalb des Methodendetektionslimits (MDL).

Die Aerosolisierung einer kommerziellen E-Liquid durch einen pneumatischen Zerstäuber bei 200 °C erzeugt Aerosole mit niedrigem Metallgehalt (insbesondere Ni, Cu, Pb), aber Aldehydwerte, die mit denen eines realen E-Zigaretten-Aerosols vergleichbar sind.

Einleitung

In den USA sind E-Zigaretten das am häufigsten verwendete Tabakprodukt unter Jugendlichen; Im Jahr 2024 gaben 5,9 % der Schüler an, E-Zigaretten zu verwenden1. Dies ist ein öffentliches Gesundheitsproblem, da E-Zigaretten-Aerosole, die von E-Zigaretten-Nutzern inhaliert werden, eine breite Palette giftiger Chemikalien enthalten, die beim Einatmen verschiedene gesundheitlicheNebenwirkungen haben können. Einige giftige Chemikalien in Aerosolen können nicht nur aus der ursprünglichen E-Liquid-Formulierung stammen, sondern auch während der Gerätenutzung eintreten. Zum Beispiel werden Metalle aus der metallischen Heizspirale ausgelaugt, die zur Aerosolisierung des E-Liquids verwendet wird, durch den Prozess der Auflösung und Verdunstung in das Aerosol3. Im Gegensatz dazu werden die meisten Aldehyde im E-Zigaretten-Aerosol aus den Basisbestandteilen von E-Liquids, Propylenglykol (PG) und pflanzlichem Glycerin (VG), gebildet, wenn die Temperatur der E-Liquid auf den Siedepunkt der E-Liquid für die Aerosolisierungerhöht wird.

Das Vorhandensein von Metallen und Aldehyden im E-Zigaretten-Aerosol ist besonders besorgniserregend, da mehrere davon giftig sind, insbesondere für das Gehirn und andere Organe. Zum Beispiel sind die Metalle Blei (Pb), Mangan (Mn), Kupfer (Cu), Eisen (Fe), Nickel (Ni) und Chrom (Cr) bekannte neurotoxische Stoffe, die sich in den Gehirnen von Mäusen ansammeln, die E-Zigaretten-Aerosolen ausgesetzt sind, in zuvor beschriebenen Konzentrationen, die neurotoxische Effekteverursachen 5. Eine hohe Mn- und Pb-Exposition, Fe-Überlastung im Gehirn und ein Cu-Ungleichgewicht wurden alle mit einem höheren Risiko für die Entwicklung und/oder das Fortschreiten neurodegenerativer Erkrankungen in Verbindung gebracht, z. B. Parkinson-Krankheit (PD). Diese metallinduzierte Neurotoxizität betrifft meist zelluläre Mechanismen wie oxidativen Stress durch eine Überproduktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), mitochondriale Dysfunktion, Proteinaggregation und Neuroinflammation 6,7,8.

Die Aldehyde Akrolein und Formaldehyd wurden ebenfalls mit Neurodegeneration 9,10,11 in Verbindung gebracht, was möglicherweise zu spät einsetzenden neurologischen Erkrankungen wie PD führt. Wie in einem PD-Mausmodell gezeigt, kann Aldehydansammlung toxisch sein, indem sie die Proteinaggregation12 fördert, und Personen mit einer Mutation im Enzym, das für die Umwandlung von Acetaldehyd in Essigsäure (ALDH2) verantwortlich ist, haben möglicherweise ein höheres Risiko für Alzheimer13. Obwohl bekannt ist, dass Metalle und Aldehyde einzeln neurotoxisch sein können, ist über ihre Wirkungen als Mischungen weniger bekannt, und es erscheint ziemlich schwierig, die unabhängigen und wechselwirkenden Effekte dieser beiden chemischen Gruppen im Zusammenhang mit der E-Zigaretten-Aerosolexposition zu entwirren. Um chemische klassenbezogene toxikologische Effekte richtig zu untersuchen, ist die Fähigkeit erforderlich, simulierte Aerosole zu erzeugen, die im Vergleich zu Aerosolen einer gewählten Referenz-E-Zigarette metallreduziert sind, während deren Aldehydwerte angepasst werden.

Ziel dieses Artikels ist es, eine Methode zu etablieren, die, wie bei einer E-Zigarette, E-Liquid bei hoher Temperatur aerosolisiert, um ein aldehydreiches Aerosol zu erzeugen, das jedoch keine erhebliche Metallkontamination aufweist, um dem Toxikologiefeld ein neues Werkzeug zu bieten, um die jeweiligen toxischen Effekte dieser Chemikalien in E-Zigaretten-Aerosolmischungen zu entwirren. Um dieses Ziel zu erreichen, vermieden wir das Aerosolisieren der E-Liquid, indem wir eine metallische Heizspirale verwendeten, die als Quelle für Metallkontamination dienen würde. Stattdessen verwendeten wir einen pneumatischenVerdampfer 14, der extern erhitzt wurde, um die Bildung von Aldehyden aus E-Liquids zu fördern. Um unseren Ansatz zu bewerten, verglichen wir die Aldehyd- und Metallwerte in Aerosolen des Zerstäubers mit denen einer "Mod"-E-Zigarette, mit der wir Nagetiere dem E-Zigaretten-Aerosol ausgesetzt waren.

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Protokoll

Aufbau des pneumatischen Verdampfers
Alle in der Studie verwendeten Materialien sind in der Materialtabelle aufgeführt. Um simuliertes E-Zigaretten-Aerosol zu erzeugen, ohne eine metallische Heizspule zu verwenden, die Metalle freisetzt, haben wir einen kommerziellen pneumatischen Verdampfer verwendet. Um die hohen Temperaturen zu erreichen, die zur Förderung der Aldehydbildung erforderlich sind, erhitzten wir den pneumatischen Zerstäver als Ganzes, indem wir Heizband darum wickelten. Zu diesem Zweck haben wir die beiden Schrauben gelockert, die die eigentliche Aerosoleinheit am Ständer befestigen, sodass das Heizband durch die entstandene Lücke geführt werden kann, anstatt es um den Stand zu wickeln. Die Temperatur des pneumatischen Verdampfers wurde gemessen, indem ein Platin-Widerstandstemperaturdetektor an seiner Außenoberfläche befestigt wurde, d. h. die Temperatur der E-Flüssigkeit wurde nicht direkt gemessen. Die thermische Verbindung wurde verbessert, indem eine kleine Menge Wärmeleitpaste auf den Detektor aufgetragen wurde. Die gemessene Temperatur wurde von einer Mikrocontroller-Platine eingelesen, die ein Relais steuerte, um das Heizband mit 110 V Netzleistung zu versorgen, wenn die tatsächliche Temperatur kleiner als die Zieltemperatur war (zwischen 50 °C und 200 °C). Abbildung 1 zeigt das experimentelle Setup.

Rohrmaterialien, die für den Betrieb des pneumatischen Zerstäubers benötigt wurden und ursprünglich vom Hersteller geliefert wurden, mussten durch temperaturbeständigere Materialien ersetzt werden: 1) Das Flüssigzufuhrrohr (14-Gauge PTFE) wurde durch Hochtemperatur-Silikonrohre (1/8" Außendurchmesser ersetzt), 2) die hochmolekularen Polyethylenrohrabschnitte (1/4" Außendurchmesser) der Überschussflüssigkeitsleitung und die gefilterte Luftzufuhr wurden durch Extremtemperatur-Hartplastikrohre (1/4" Außendurchmesser ersetzt).

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Abbildung 1: Diagramm des Versuchsaufbaus. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Betrieb des pneumatischen Zerstäubers
Der Betrieb des pneumatischen Zerstäubers im Standard-Umlaufmodus könnte Metallansammlungen in der umgepumpten E-Liquid, also der überschüssigen, nicht aerosolisierten E-Liquid, die durch die überschüssige Flüssigkeit zurück in die E-Liquid-Flasche fließt, verursachen. Um die damit verbundene Metallansammlung im erzeugten Aerosol zu verhindern, wurde der pneumatische Zerstäuber im Nicht-Rezirkulationsmodus betrieben, bei dem überschüssige E-Liquid in eine hinzugefügte Abfallflasche fließt. Die Druckluft des Hauses wurde gefiltert und getrocknet, bevor sie über eine gefilterte Luftzufuhr an den Verdampfer weitergeleitet wurde, die aus einem Koaleszierungsvorfilter, einem Koaleszfilter, einem Kohlefilter und einem Membrantrockner besteht, um feste Partikel, Öl- und Wassertropfen sowie Öl- und Wasserdampf zu entfernen. Laut Hersteller entfernt die Endkohlenstofffiltration 99,999995 % der Partikel > 100 nm Größe.

Aerosolsammlung
Der pneumatische Zerstäuber wurde verwendet, um Aerosole entweder aus einer 70%-Volumen-PG/30%-VG-Lösung oder einer kommerziellen, realen E-Liquid-Lösung mit 6% Nikotingehalt zu erzeugen, die wir in früheren Forschungenverwendet haben. Die Aldehyd- und Metallwerte der vom pneumatischen Verdampfer erzeugten Aerosole wurden mit denen verglichen mit denen in Aerosolen, die aus der kommerziellen E-Liquid mit einer Mod-E-Zigarette erzeugt wurden, also einem modifizierbaren Gerät, das mit E-Liquid nachgefüllt werden kann und dessen Betriebsleistung angepasst werden kann. Kürzlich wurde dieses Mod für chronische Exposition von Nagetieren gegenüber E-Zigaretten-Aerosolen bei 30 W5 eingesetzt. In dieser Studie wurde das Gerät mit einer Leistung von entweder 30 W oder 50 W betrieben.

In allen Experimenten, einschließlich der mit dem pneumatischen Zerstäuber und denen mit der Mod-E-Zigarette, wurden Aerosolproben im dreifachen Exemplar mit der von Olmedo et al.16 für spätere Metall- und Aldehydanalysen entwickelten Methode entnommen. Die Aerosolproben wurden auf 9 Metalle (Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sr, V, Zn) mittels induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS) und 11 Aldehyden (Acetaldehyd, Aceton, Akrolei, Benzaldehyd, 2-Butanon, Butyraldehyd, Crotonaldehyd, Formaldehyd, Hexaldehyd, Propraddehyd, Pentanol) mittels Flüssigkeitschromatographie-Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS) analysiert (siehe Ergänzende Datei 1 sowie Ergänzende Tabelle 1 und Ergänzende Tabelle 2 für Details). Ein möglicher Metalltransfer zwischen dem gesammelten Aerosol und dem Sammelrohrsystem war kein Problem, außer bei Zn.

Elektrochemischer Sensor für die Echtzeit-Aldehyduntersuchung
Ein kostengünstiger elektrochemischer Sensor wurde verwendet, um in Echtzeit die Aerosolaldehydkonzentrationen aus verschiedenen E-Liquids bei unterschiedlichen Temperaturen zu vergleichen und so die Bedingungen schneller anzupassen, die die Aldehydenerzeugung begünstigen, im Vergleich zur Offline-Analyse mit LC-MS/MS. Dieser Sensor misst laut Hersteller Formaldehydkonzentrationen mit einem maximalen Wert von 5.000 ppb. Der Sensor konnte direkt über ein USB-Kabel an einen Computer angeschlossen werden, und die Formaldehydkonzentrationen konnten in Echtzeit mit Software des Sensorherstellers erfasst werden. Diese Echtzeitmessungen ermöglichten es uns, die optimalen Bedingungen für die Erzeugung von Aldehyden mit unserem pneumatischen Verdampfer zu identifizieren. Um den Sensor vor dem Aerosol zu schützen, wurde der Sensor in eine kleine Box gelegt, die den Austausch der Umgebungsluft durch eine kleine porengroße Membran ermöglichte, die ein Loch in der Box abdeckte (während sie Aerosoltropfen blockierte).

Statistische Analyse
Box-Plots wurden verwendet, um die Verteilung der gemessenen Metall- und Aldehydkonzentrationen in Aerosolen und E-Liquids zu visualisieren (Abbildung 2). Um ein Gefühl für die Gesamtkonzentration von Aldehyd und Metall in einer Aerosolprobe zu erhalten, aggregierten wir die Daten. Wir haben die Konzentrationen der neun gemessenen Metalle zusammengefasst, um eine "gesamte" Metallkonzentration zu bestimmen. Ebenso haben wir die Konzentrationen der elf gemessenen Aldehyde zusammengefasst, um eine "gesamte" Aldehydkonzentration zu bestimmen. Alle statistischen Analysen wurden mit der R-Softwareversion 4.3.3 durchgeführt. Unterschiede in den Metallkonzentrationen zwischen verschiedenen Aerosolen und E-Liquids wurden mittels T-Test analysiert. Wenn p-Werte unter 0,05 lagen, galten die Unterschiede als signifikant unterschiedlich.

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Ergebnisse

Erforschung der Bedingungen, die die Aldehydbildung fördern
Die Aerosole wurden in vier Phasen erzeugt. Zunächst verwendeten wir den pneumatischen Zerstäuber, um Aerosole aus der PG/VG-Lösung bei 50 °C und 100 °C zu erzeugen, und mit der "Mod"-E-Zigarette erzeugten wir Aerosole aus der kommerziellen E-Liquid mit 30 W und 50 W Betriebsleistung. Wie von LC-MS/MS bestimmt, waren die Gesamtaldehydwerte in den PG/VG-Aerosolen deutlich niedriger als in realen E-Zigaretten-A...

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Diskussion

Die Gesamtaldehydkonzentration (11 Aldehyde) der Aerosole, die wir mit dem pneumatischen Zerstäuber aus kommerzieller E-Liquid bei einer Temperatur von 200 °C erzeugten, lag in der Größenordnung derjenigen, die in Aerosolen eines Mod-Geräts mit 30 oder 50 W gemessen wurden. Insbesondere trat Akrolein bei den hohen Konzentrationen auf, die in realen E-Zigaretten-Aerosolen beobachtet werden. Allerdings entsprachen die Formaldehydwerte nicht denen der E-Zigaretten-Aerosole. Insgesamt entspr...

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Offenlegungen

Alle Autoren geben keine Interessenkonflikte an.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde durch NIH-Stipendien R01ES032954 und P30ES009089 unterstützt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Agilent 8900 ICPMS Agilent https://www.agilent.com/en/product/atomic-spectroscopy/inductively-coupled-plasma-mass-spectrometry-icp-ms/icp-ms-instruments/8900-triple-quadrupole-icp-ms?
Aldehyd/Ketone-DNPH-Standards SupelcoERA-028
Analystensoftware SciexVersion 1.6.2
C18-Spalte Kinetex https://www.phenomenex.com/part?partNo=00D-4475-AN1.7 & Mikro; m
Kollisions-Typ Atomisierer TSI Modell 3076
Gewerbliche E-LiquidsBeyondvape, Baldwin Park, Kalifornien, USABlasse Wal-Vixen' s KissGekauft mit einem Nikotingehalt von 6 %
Elektrochemischer Sensor SensirionSFA30
Extremtemperatur-PTFE-Schläuche McMaster-Carr5239K12Extremtemperatur-Hartplastikrohre für Chemikalien, halbklare Teflon® PTFE-Kunststoff ohne Streifen, 3/16" Innendurchmesser, 1/4" Außendurchmesser  
FilterluftzufuhrTSI Modell 3074B
Heizband BriskHeatTBIH051-020LD Dual-Element-Heizband mit Stoffisolierung, 2 Zoll x 1/2 Zoll, 156 Watt
Hochtemperatur-Silikonschläuche Quickun Reines Silikonrohr, 1/16" Innendurchmesser, 1/8" Außendurchmesser
Mars 6CEMhttps://cem.com/mars-6
Mikrocontroller-PlatineArduinoArduino Uno Rev3
Mod e-cigarette Eleaf Electronics Co., Ltd., Stadt Shenzhen, ChinaiStick Pico Plus, Melo 4S Tank, EC-A 0.3 & Omega; coil 
MultiquantSciexVersion 3.0.3
NexION 350S ICPMS Perkin Elmer NexION 350S
Salpetersäure & nbspoon;Fisher ChemicalOptimaUltra Trace Elemental Analysis Grade
Platin-Widerstandstemperaturdetektor  AdafruitPT1000
Qtrao 6500 LC-MS/MS SystemSciexhttps://sciex.com/products/mass-spectrometers/qtrap-systems/qtrap-6500-systemTandem-Massenspektrometer
Shimadzu LC Shimadzuhttps://www.shimadzu.com/an/products/liquid-chromatography/index.html

Referenzen

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