כאן, אנו קובעים שאירוסוליזציה של נוזל אלקטרוני מסחרי על ידי אטומייזר פנאומטי בטמפרטורה של 200 מעלות צלזיוס מספקת אירוסול מופחת מתכת עם רמות אלדהיד הדומות לאלו שנמצאות באירוסול סיגריות אלקטרוניות אמיתי.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר מחקר
כאן, אנו קובעים שאירוסוליזציה של נוזל אלקטרוני מסחרי על ידי אטומייזר פנאומטי בטמפרטורה של 200 מעלות צלזיוס מספקת אירוסול מופחת מתכת עם רמות אלדהיד הדומות לאלו שנמצאות באירוסול סיגריות אלקטרוניות אמיתי.
כאשר נוזל אידוי מתריס בסיגריה אלקטרונית לשאיפה על ידי המשתמש, האירוסול מזוהם בתערובת של רעלים, כולל מתכות ואלדהידים. חסרה שיטה ליצירת אירוסול סיגריות אלקטרוניות עם אלדהיד גבוה אך תכולת מתכת נמוכה, אך נדרשת כדי לפענח את ההשפעות העצמאיות הפוטנציאליות מול אינטראקציות טוקסיקולוגיות של חשיפה לאלדהיד ומתכות מתערובות אירוסול של סיגריות אלקטרוניות.
מטרת המחקר הייתה לקבוע שיטה ליצירת אירוסולים עשירים באלדהיד מנוזלים אלקטרוניים שחסרים את הזיהום המתכתי הגדול שנמצא בדרך כלל באירוסול של סיגריות אלקטרוניות. כדי לערבב נוזל אלקטרוני בטמפרטורות המעודדות יצירת אלדהיד (עד 200 מעלות צלזיוס), חומם אטומייזר פנאומטי מבחוץ. גם תערובת פרופילן טהור גליקול/גליצרין צמחי (PG/VG) וגם נוזל אלקטרוני מסחרי עברו אירוסול. אירוסולים נותחו לזיהוי רעלים ידועים הקשורים לסיגריות אלקטרוניות, כולל 11 אלדהידים באמצעות ספקטרומטריית מסה בכרומטוגרפיה נוזלית-טנדם ו-9 מתכות (Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sr, V, Zn) באמצעות ספקטרומטריית מסה פלזמטית מקושרת אינדוקטיבית.
רמות האלדהיד באירוסולים מהאטומייזר הפנאומטי הגיעו רק לאלו שבאירוסול סיגריות אלקטרוניות אמיתי אם נוזל האידוי המסחרי עבר אירוסול בטמפרטורה של 200 מעלות צלזיוס. רמות המתכת באירוסולים מהאטומייזר הפנאומטי היו אז לפחות פי 8 נמוכות מאשר באירוסול סיגריות אלקטרוניות ממכשיר "Mod" שפעל ב-50 וואט. רמות ה-Cu, Ni וה-Pb היו נמוכות במיוחד בכל דגימות האירוסול, עם רמות מסוימות מתחת למגבלת זיהוי השיטה (MDL).
אירוסוליזציה של נוזל אלקטרוני מסחרי על ידי אטומייזר פנאומטי בטמפרטורה של 200 מעלות צלזיוס מייצרת אירוסול ברמות מתכת נמוכות (במיוחד Ni, Cu, Pb), אך רמות האלדהיד שלו דומות לאלו שנמצאות באירוסול סיגריות אלקטרוניות אמיתי.
בארה"ב, סיגריות אלקטרוניות הן מוצר הטבק הנפוץ ביותר בקרב צעירים; בשנת 2024, 5.9% מהתלמידים דיווחו על שימוש בסיגריות אלקטרוניות1. זו דאגה בריאותית ציבורית כי אירוסולים של סיגריות אלקטרוניות, שנשאפים על ידי משתמשי סיגריות אלקטרוניות, מכילים מגוון רחב של כימיקלים רעילים, אשר בשאיפה עלולים לגרום להשפעות בריאותיות שונות2. חלק מהכימיקלים הרעילים באירוסולים עשויים לא רק להיפלט מהנוסחה המקורית של נוזל האידוי אלא גם להיכנס במהלך השימוש במכשיר. לדוגמה, מתכות דולפות מסליל החימום המתכתי המשמש לאירוסול נוזל האידוי בתהליך המסה ואידוי לאירוסול3. לעומת זאת, רוב האלדהידים הנמצאים באירוסול הסיגריות האלקטרוניות נוצרים מרכיבי בסיס של נוזלי אידוי, פרופילן גליקול (PG) וגליצרין צמחי (VG), כאשר טמפרטורת הנוזל האלקטרוני מוגברת לנקודת הרתיחה של הנוזל לצורך אירוסוליזציה4.
נוכחות מתכות ואלדהידים באירוסול של סיגריות אלקטרוניות היא נושא דאגה מיוחדת, משום שחלק מהם רעילים, במיוחד למוח ולאיברים אחרים. לדוגמה, המתכות עופרת (Pb), מנגן (Mn), נחושת (Cu), ברזל (Fe), ניקל (Ni) וכרום (Cr) הן נוירוטוקסנטים ידועים שנמצאו מצטברים במוחם של עכברים שנחשפו לאירוסול של סיגריות אלקטרוניות, ברמות שתוארו בעבר כגורמות להשפעות נוירוטוקסיות5. חשיפה גבוהה ל-Mn ו-Pb, עומס יתר של Fe במוח, וחוסר איזון Cu כולם נקשרו לסיכון גבוה יותר להתפתחות ו/או התקדמות של מחלות ניווניות עצביות, לדוגמה, מחלת פרקינסון (PD). נוירוטוקסיות זו הנגרמת על ידי מתכת כוללת בדרך כלל מנגנונים תאיים כגון לחץ חמצוני עקב ייצור יתר של מיני חמצן תגובתי (ROS), תפקוד לקוי של מיטוכונדריה, הצטברות חלבונים ודלקת עצבית 6,7,8.
האלדהידים אקרולאין ופורמלדהיד נקשרו גם לניוון נוירולוגי 9,10,11, מה שעשוי להוביל למחלות נוירולוגיות מאוחרות כמו PD. כפי שהודגם במודל עכבר PD, הצטברות אלדהיד יכולה להיות רעילה על ידי קידום הצטברות חלבונים12, ואנשים עם מוטציה באנזים האחראי להמרת אצטאלדהיד לחומצה אצטית (ALDH2) עלולים להיות בסיכון גבוה יותר למחלת אלצהיימר13. למרות שידוע שמתכות ואלדהידים יכולים להיות נוירוטוקסיים בנפרד, פחות ידוע על השפעותיהם כתערובות, ונראה כי קשה מאוד לפענח את ההשפעות העצמאיות והאינטראקטיביות של שתי הקבוצות הכימיות הללו בהקשר של חשיפה לאירוסולים של סיגריות אלקטרוניות. כדי לחקור כראוי את ההשפעות הטוקסיקולוגיות הקשורות לקטגוריית כימיקלים, נדרשת היכולת לייצר אירוסולים מדומים המופחתת מתכות בהשוואה לאירוסולים מסיגריה אלקטרונית ייחוס נבחרת, תוך התאמה לרמות האלדהיד שלה.
מטרת מאמר זה היא לקבוע שיטה שבה, כמו בסיגריה אלקטרונית, מפרקת נוזל אלקטרוני בטמפרטורה גבוהה כדי ליצור אירוסול עשיר באלדהיד, שלמרות זאת חסר זיהום מתכתי משמעותי, כדי לספק לתחום הטוקסיקולוגיה כלי חדש לפירוק ההשפעות הרעילות של כימיקלים אלו בתערובות התרסיס של סיגריות אלקטרוניות. כדי להשיג מטרה זו, נמנענו מהפיכת נוזל האידוי לאירוסול באמצעות סליל חימום מתכתי, שישמש כמקור לזיהום מתכת. במקום זאת, השתמשנו באטומייזר פנאומטי14, שחומם מבחוץ כדי לקדם יצירת אלדהידים מנוזלי אידו. כדי להעריך את הגישה שלנו, השווינו את רמות האלדהיד והמתכת באירוסולים מהאטומייזר לאלו מסיגריה אלקטרונית "מוד" שבה השתמשנו כדי לחשוף מכרסמים לאירוסול של סיגריות אלקטרוניות.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הקמת האטומייזר הפנאומטי
כל החומרים בהם השתמשו במחקר מופיעים בקובץ טבלת החומרים . כדי לייצר תרסיס סיגריות אלקטרוניות מדומה ללא שימוש בסליל חימום מתכתי שמשחרר מתכות, השתמשנו באטומייזר פנאומטי מסחרי. כדי להשיג את הטמפרטורות הגבוהות הנדרשות לקידום יצירת האלדהיד, חיממנו את האטומייזר הפנאומטי כולו על ידי עטיפת סרט חימום סביבו. לשם כך, שחררנו את שני הברגים, שמקשרים את יחידת האירוסול עצמה למעמד שלה, כך שסרט החימום יוכל להיות מונחה דרך הפער שנוצר במקום לעטוף אותו סביב המתקן. טמפרטורת האטומייזר הפנאומטי נמדדה על ידי חיבור גלאי טמפרטורת התנגדות פלטינה למשטח החיצוני שלו, כלומר, טמפרטורת הנוזל האלקטרוני לא נמדדה ישירות. החיבור התרמי שופר על ידי מריחת כמות קטנה של משחה תרמית על הגלאי. הטמפרטורה הנמדדת נקראה על ידי לוח מיקרו-בקר, ששלט בממסר שסיפק לסרט החימום חשמל של 110 וולט אם הטמפרטורה בפועל הייתה נמוכה מהטמפרטורה היעד (בין 50°C ל-200°C). איור 1 מציג את ההתקנה הניסויית.
חומרי הצינור הנדרשים להפעלת האטומייזר הפנאומטי ושסופקו במקור על ידי היצרן הוחלפו בחומרים עמידים יותר לטמפרטורה: 1) צינור ההזנה הנוזלי (PTFE בקוטר 14) הוחלף בצינורות סיליקון בטמפרטורה גבוהה (1/8" OD), 2) חלקי צינורות פוליאתילן במשקל מולקולרי גבוה (1/4" OD) של צינור הניקוז הנוזלי העודף ואספקת האוויר המסוננת הוחלפו בצינורות פלסטיק קשה בטמפרטורות קיצונות (1/4" OD).

איור 1: דיאגרמת ההכנה הניסויית. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.
הפעלת האטומייזר הפנאומטי
הפעלת האטומייזר הפנאומטי במצב סירקולציה ברירת מחדל עלולה לגרום להצטברות מתכות בנוזל האידוי המחזור מחדש, שהוא הנוזל העודף הלא-אירוסולי שזורם דרך הנוזל העודף חזרה לבקבוק הנוזל האלקטרוני. כדי למנוע הצטברות מתכות נלוות באירוסול שנוצר, האטומייזר הפנאומטי הופעל במצב שאינו מחזור חוזר, שבו נוזל האידוי העודף זורם לבקבוק פסולת נוסף. האוויר הדחוס של הבית סינן ויובש לפני אספקתו לאטומייזר באמצעות אספקת אוויר מסוננת, הכוללת מסנן מקדים מתאחד, מסנן התלכדות, מסנן פחמן ומייבש ממברנה להסרת חלקיקים מוצקים, טיפות שמן ומים, ואדי שמן ומים. לפי היצרן, סינון הפחמן הסופי מסיר 99.99995% מהחלקיקים > גודל של 100 ננומטר.
איסוף אירוסולים
האטומייזר הפנאומטי שימש ליצירת אירוסולים מתמיסת PG בנפח 70%/30% vol VG או מנוזל אלקטרוני מסחרי אמיתי עם תכולת ניקוטין של 6% שהשתמשנו בובמחקרים קודמים. רמות האלדהיד והמתכת של האירוסולים שנוצרו על ידי האטומייזר הפנאומטי הושוו לאלו שבאירוסולים הנוצרים מהנוזל האלקטרוני המסחרי באמצעות סיגריה אלקטרונית מסוג Mod, כלומר מכשיר שניתן לשינוי שניתן למלא מחדש בנוזל אלקטרוני וניתן לכוונן את כוח הפעולה שלו. לאחרונה, מוד זה שימש לחשיפה כרונית של מכרסמים לאירוסול סיגריות אלקטרוניות שמיוצר בעוצמה של 30 וואט5. במחקר זה, המכשיר הופעל בהספק של 30 וואט או 50 וואט.
בכל הניסויים, כולל אלו עם האטומייזר הפנאומטי ואלו עם סיגריה אלקטרונית Mod, נאספו דגימות אירוסול בשלושה עותקים באמצעות השיטה שפותחה על ידי אולמדו ואחרים, לצורך ניתוחי מתכות ואלדהיד מאוחרים יותר. דגימות אירוסול נותחו עבור 9 מתכות (Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sr, V, Zn) באמצעות ספקטרומטריית מסה פלזמה מקושרת אינדוקטיבית (ICP-MS) ו-11 אלדהידים (אצטאלדהיד, אצטון, אקרולאין, בנזאלדהיד, 2-בוטנון, בוטיראלדהיד, קרוטונלדהיד, פורמלדהיד, הקסלדהיד, פרופיונלדהיד, פנטנל) באמצעות ספקטרומטריית מסה טנדם כרומטוגרפיה נוזלית (LC-MS/MS) (ראו קובץ משלים 1 וטבלה משלימה 1 וטבלה משלימה 2 לפרטים נוספים). העברת מתכות פוטנציאלית בין האירוסול שנאסף למערכת צינורות האיסוף לא הייתה דאגה, למעט אבץ.
חיישן אלקטרוכימי לסקר אלדהיד בזמן אמת
חיישן אלקטרוכימי בעלות נמוכה שימש להשוואה בזמן אמת את ריכוזי האלדהיד של האירוסולים הנוצרים מנוזלי אידוי שונים בטמפרטורות שונות, וכך ניתן היה לכוון מהר יותר את התנאים המאפשרים יצירת אלדהידים לעומת ניתוח לא מקוון על ידי LC-MS/MS. לפי היצרן, חיישן זה מודד ריכוזי פורמלדהיד עם קריאה מקסימלית של 5,000 ppb. החיישן יכול היה להיות מחובר ישירות למחשב דרך כבל USB, וריכוזי הפורמלדהיד יכלו להיות נצפים בזמן אמת באמצעות תוכנה שסופקה על ידי יצרן החיישן. מדידות בזמן אמת אלו אפשרו לנו לזהות את התנאים האופטימליים ליצירת אלדהידים באמצעות האטומייזר הפנאומטי שלנו. כדי להגן על החיישן מהאירוסול, החיישן הונח בקופסה קטנה שאפשרה החלפת אוויר סביבתי דרך ממברנה בגודל נקבוביות קטנה שכיסתה חור בקופסה (תוך חסימת טיפות אירוסול).
ניתוח סטטיסטי
תרשימי קופסה שימשו להמחשת התפלגויות ריכוזי המתכת והאלדהיד שנמדדו באירוסול ובנוזל אלקטרוני (איור 2). כדי לקבל מושג של ריכוז האלדהיד והמתכת הכולל בדגימת אירוסול, איגדנו את הנתונים. סיכמנו את ריכוזי תשע המתכות שנמדדו כדי לקבוע ריכוז מתכות "כולל". באופן דומה, סיכמנו את הריכוזים של אחד עשר האלדהידים שנמדדו כדי לקבוע ריכוז אלדהיד "כולל". כל הניתוחים הסטטיסטיים בוצעו באמצעות תוכנת R גרסה 4.3.3. הבדלים בריכוזי מתכות בין אירוסולים ונוזלי אידוי שונים נותחו באמצעות t-test. כאשר ערכי p היו קטנים מ-0.05, ההבדלים נחשבו שונים באופן מובהק.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
חקר התנאים המעודדים היווצרות אלדהיד
אירוסולים נוצרו בארבעה שלבים. בהתחלה השתמשנו באטומייזר הפנאומטי כדי לייצר אירוסולים מתמיסת PG/VG ב-50 °C ו-100 °C, והשתמשנו בסיגריה אלקטרונית "Mod" כדי לייצר אירוסול מהנוזל המסחרי בהספק של 30 וואט ו-50 וואט. כפי שנקבע על ידי LC-MS/MS, רמות האלדהיד הכוללות היו נמוכות בהרבה באירוסולים PG/VG מאשר באירוסול סיגריות אלקטרוניות אמיתיות (איור 2A).
מכיוון שלקח כמה שבועות לקבל את התוצא...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
ריכוז האלדהיד הכולל (11 אלדהידות) של האירוסולים שיצרנו עם האטומייזר הפנאומטי מנוזל אלקטרוני מסחרי בטמפרטורה של 200 מעלות צלזיוס היה בסדר גודל של אלו שנמדדו באירוסולים ממכשיר Mod שהופעל בעוצמה של 30 או 50 וואט. במיוחד, אקרולאין הופיע ברמות גבוהות שנצפו באירוסולים של סיגריות אלקטרוניות בעולם האמיתי. עם זאת, רמות הפורמלדהיד לא תאמו את אלו שנצפו באירוסולים של הסיגריות האלקטרוניות. בסך הכול, רמות האלדהידים שדווחו במחקר שלנו, שנעות בין ng/g נמוך ל-μg/g נמוך של אירוסול (מסוכם באיור משלי...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
כל המחברים מצהירים שאין ניגוד עניינים.
עבודה זו נתמכה על ידי מענקי NIH R01ES032954 ו-P30ES009089.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| 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? | |
| תקני אלדהיד/קטון-DNPH | סופלקו | ERA-028 | |
| תוכנת אנליסטים | Sciex | גרסה 1.6.2 | |
| עמוד C18 & nbsp; | Kinetex | https://www.phenomenex.com/part?partNo=00D-4475-AN | 1.7 ומיקרו; m |
| אטומייזר מסוג התנגשות | TSI | דגם 3076 | |
| נוזל אלקטרוני מסחרי | Beyondvape, פארק בולדוין, קליפורניה, ארה"ב | שועלת לווייתן חיוורת' S Kiss | נרכש עם תכולת ניקוטין של 6% |
| חיישן אלקטרוכימי | סנסיריון | SFA30 | |
| צינורות PTFE בטמפרטורות קיצוניות | מקמאסטר-קאר | 5239K12 | צינורות פלסטיק קשה בטמפרטורות קיצוניות לכימיקלים, טפלון חצי שקוף; PTFE פלסטיק ללא פסים, 3/16" מזהה, 1/4" OD |
| אספקת אוויר מסוננת | TSI | דגם 3074B | |
| סרט חימום | בריסק היט | TBIH051-020LD | אלמנט כפול, סרט חימום מבודד בד, 2 אינץ' על חצי אינץ', 156 וואט |
| צינורות סיליקון בטמפרטורות גבוה | Quickun | צינור סיליקון טהור, מזהה 1/16" ו-1/8" OD | |
| מרס 6 | CEM | https://cem.com/mars-6 | |
| לוח מיקרו-בקר | ארדואינו | ארדואינו אונו Rev3 | |
| מוד e-cigarette | Eleaf Electronics Co., Ltd., עיר שנזן, סין | iStick Pico Plus, Melo 4S Tank, EC-A 0.3 ו-Omega; coil | |
| רב-כמותי | Sciex | גרסה 3.0.3 | |
| NexION 350S ICPMS | פרקין אלמר | NexION 350S | |
| חומצה חנקתית | פישר כימיקל | אופטימה | דרגת ניתוח יסודות אולטרה טרייס |
| גלאי טמפרטורת התנגדות פלטינה | אדפרוט | PT1000 | |
| מערכת Qtrao 6500 LC-MS/MS | Sciex | https://sciex.com/products/mass-spectrometers/qtrap-systems/qtrap-6500-system | ספקטרומטר מסה טנדם |
| Shimadzu LC | שימאדזו | https://www.shimadzu.com/an/products/liquid-chromatography/index.html |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.