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연구 논문

전자담배 독성 연구를 위한 상당히 금속 환원되었으나 알데히드가 풍부한 에어로졸 생성

219 조회수

⸱

DOI:

10.3791/70694

⸱

2026년 5월 15일

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

이 논문에서

요약

여기서는 200 °C에서 공압식 분기로 상업용 전자액상을 에어로졸화하면 실제 전자담배 에어로졸과 유사한 알데히드 수준을 가진 금속 환원 에어로졸이 생성된다는 것을 입증합니다.

초록

전자담배 내 전자담배 액상이 에어로졸화되어 사용자가 흡입할 때, 에어로졸은 금속과 알데히드 등 독성 물질 혼합물에 의해 오염됩니다. 금속 함량은 높지만 알데히드는 높지만 전자담배 에어로졸을 생성하는 방법은 아직 없지만, 전자담배 에어로졸 혼합물에서 알데히드와 금속 노출이 독성학적 상호작용에 미치는 잠재적 독립적 영향과 독성학적 상호작용을 해명하기 위해 필요합니다.

이 연구의 목적은 전자담배 에어로졸에서 흔히 발견되는 큰 금속 오염이 없는 전자액상에서 알데히드 풍부한 에어로졸을 생성하는 방법을 확립하는 것이었습니다. 알데히드 형성을 촉진하는 온도(최대 200 °C)에서 전자액상을 에어로졸화하기 위해 공압식 분무기가 외부에서 가열되었습니다. 순수 프로필렌 글리콜/식물성 글리세린(PG/VG) 혼합물과 상업용 전자액상 모두 에어로졸 처리되었습니다. 에어로졸은 액체 크로마토그래피 연합 질량분석법을 이용해 11종의 알데히드와 유도 결합 플라즈마 질량분석법을 이용한 9종의 금속(Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sr, V, Zn)을 포함한 알려진 전자담배 관련 독성물질을 분석했습니다.

공압식 분화기에서 나온 에어로졸 내 알데히드 농도는 상업용 전자담배 액상이 200°C에서 에어로졸화될 경우에만 실제 전자담배 에어로졸에 도달했습니다. 공압식 분무기에서 나온 에어로졸 내 금속 농도는 50W로 작동하는 "Mod" 장치에서 나온 전자담배 에어로졸보다 최소 8배 낮았다. Cu, Ni, Pb 농도는 모든 에어로졸 샘플에서 특히 낮았으며, 일부 농도는 검출 한계(MDL) 이하였다.

상업용 전자액상을 200°C의 공압 분무기로 에어로졸화하면 금속 함량(특히 Ni, Cu, Pb)은 낮지만, 실제 전자담배 에어로졸에서 발견되는 알데히드 농도와 비슷한 수준을 가진 에어로졸을 생성합니다.

서론

미국에서는 전자담배가 청소년들 사이에서 가장 흔히 사용되는 담배 제품입니다. 2024년 학생의 5.9%가 전자담배를 사용했다고 보고했습니다1. 이는 전자담배 사용자가 흡입하는 에어로졸에는 다양한 독성 화학물질이 포함되어 있어 흡입 시 다양한건강 부정적 영향을 미칠 수 있기 때문에 공중보건상 우려가 됩니다. 에어로졸 내 일부 독성 화학물질은 원래 전자액상 제형에서 유래할 뿐만 아니라 기기 사용 중에 유입될 수도 있습니다. 예를 들어, 전자액상을 에어로졸화하는 데 사용되는 금속 가열 코일에서 금속이 용해되고 증발하는 과정을 통해 에어로졸로 침출됩니다. 반면, 전자담배 에어로졸에 포함된 대부분의 알데히드는 전자액상의 기본 성분인 프로필렌글리콜(PG)과 식물성 글리세린(VG)에서 생성되며, 액상의 온도를 액체의 끓는점까지 올려 에어로졸화를 촉진합니다.

전자담배 에어로졸 내 금속과 알데히드의 존재는 특히 우려되는 문제인데, 이들 중 일부는 특히 뇌와 다른 장기에 독성이 있기 때문입니다. 예를 들어, 납(Pb), 망간(Mn), 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni), 크롬(Cr)은 전자담배 에어로졸에 노출된 쥐의 뇌에 축적되는 신경독성 물질로, 이전에 신경독성 효과를 일으킨다고 설명한 수준으로 발견되었습니다5. 높은 Mn과 Pb 노출, 뇌 내 Fe 과부하, Cu 불균형은 모두 파킨슨병(PD)과 같은 신경퇴행성 질환의 발병 및/또는 진행 위험 증가와 연관되어 있습니다. 이 금속에 의한 신경독성은 보통 활성 산소종(ROS) 과생성에 의한 산화 스트레스, 미토콘드리아 기능 장애, 단백질 응집, 신경염증 6,7,8과 같은 세포 메커니즘과 관련된다.

알데히드인 아크롤레인과 포름알데히드는 신경퇴행 9,10,11과도 연관되어 있으며, 이는 PD와 같은 늦기 발병 신경 질환으로 이어질 가능성이 있습니다. PD 마우스 모델에서 보듯, 알데히드 축적은 단백질 응집을 촉진하여 독성이 될 수있으며, 아세트알데히드를 아세트산으로 전환하는 효소(ALDH2)에 돌연변이가 있는 사람은 알츠하이머병 위험이 더 높을 수 있습니다. 금속과 알데히드가 개별적으로 신경독성이 있을 수 있다는 것은 알려져 있지만, 혼합물로서의 영향에 대해서는 알려진 바가 적으며, 전자담배 에어로졸 노출 맥락에서 이 두 화학적 그룹의 독립적이고 상호작용하는 영향을 해명하는 것은 상당히 어려워 보입니다. 화학물질 등급 관련 독성학적 영향을 제대로 연구하려면, 선택한 기준 전자담배의 에어로졸과 비교해 금속이 환원된 알데히드 농도를 맞추면서 시뮬레이션된 에어로졸을 생성할 수 있는 능력이 필요합니다.

이 논문의 목적은 전자담배처럼 전자액상을 고온에서 에어로졸화시켜 알데히드가 풍부한 에어로졸을 생성하는 방법을 확립하는 것이지만, 이는 금속 오염이 거의 없는 이 독성 화학물질들이 전자담배 에어로졸 혼합물 내 각각의 독성 효과를 해명할 수 있는 새로운 도구를 제공하는 것입니다. 이 목표를 달성하기 위해 금속 가열 코일을 사용해 전자 액상의 에어로졸화를 피했는데, 이는 금속 오염원이 될 수 있었습니다. 대신 우리는 공기 분화기14를 사용하여 외부 가열하여 전자 액상에서 알데히드 생성을 촉진했습니다. 우리의 접근법을 평가하기 위해, 우리는 아토마이저에서 나오는 에어로졸의 알데히드와 금속 농도를 설치류에게 전자담배 에어로졸에 노출시키는 데 사용한 'Mod' 전자담배의 농도를 비교했습니다.

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프로토콜

공압 분무기 설치
연구에 사용된 모든 재료 는 재료표 파일에 나열되어 있습니다. 금속을 방출하는 가열 코일을 사용하지 않고 시뮬레이션된 전자담배 에어로졸을 생성하기 위해 상업용 공압식 분무기를 사용했습니다. 알데히드 생성을 촉진하는 데 필요한 높은 온도를 달성하기 위해, 우리는 공압식 분화기 전체를 가열하여 가열 테이프를 감았습니다. 이를 위해 실제 에어로졸 유닛을 스탠드에 고정하는 두 개의 나사를 풀어, 가열 테이프가 스탠드에 감기지 않고 틈을 통해 유도할 수 있게 했습니다. 공압식 분무기의 온도는 외부 표면에 백금 저항 온도 감지기를 부착하여 측정했으며, 즉 전자액상의 온도는 직접 측정하지 않았습니다. 감지기에 소량의 써멀 페이스트를 발라하여 열 연결을 개선했습니다. 측정된 온도는 마이크로컨트롤러 보드에서 읽어졌으며, 실제 온도가 목표 온도보다 낮을 경우(50 °C에서 200 °C 사이) 가열 테이프에 110V 라인 전력을 공급하는 릴레이를 제어했습니다. 그림 1 은 실험 설정을 보여줍니다.

공압 분무기 작동에 필요한 튜빙 재료는 원래 제조사에서 공급하던 것이었으나, 더 내온성이 높은 재료로 교체해야 했습니다: 1) 액체 공급 튜빙(14게이지 PTFE)은 고온 실리콘 튜빙(1/8" 외경)으로 교체되었고, 2) 과잉 액체 배수 라인의 고분자량 폴리에틸렌 튜빙 구간(1/4" 외경)과 여과된 공기 공급은 극한 온도의 경질 플라스틱 튜빙(1/4" 외경)으로 교체되었습니다.

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그림 1: 실험 환경 다이어그램. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

공압 아토마이저 작동
공압식 아토마이저를 기본 재순환 모드로 작동시키면 재순환 전자액상에 금속 축적이 발생할 수 있는데, 이는 초과 액체 배출구를 통해 다시 액체 병으로 흐르는 초과 에어로졸 상태의 전자액상입니다. 생성된 에어로졸에 금속 축적을 방지하기 위해, 공압식 분무기는 비재순환 모드로 작동했으며, 이 모드에서는 초과 전자액상이 추가된 폐기병으로 흘러들어갑니다. 가정용 압축 공기는 여과된 공기 공급을 통해 아토마이저에 공급되기 전에 여과된 공기 공급을 통해 공급되었으며, 이 공급원은 결합 프리필터, 결합 필터, 탄소 필터, 멤브레인 건조기로 구성되어 고체 입자, 기름 및 물 방울, 기름과 수증기를 제거합니다. 제조사에 따르면, 최종 탄소 여과는 100 nm 크기> 입자의 99.99995%를 제거합니다.

에어로졸 수집
공압식 분무기는 70% vol PG/30% vol VG 용액 또는이전 연구에서 사용한 6% 니코틴 함량의 상업용 전자액상에서 에어로졸을 생성하는 데 사용되었습니다. 공압 분무기에서 생성된 에어로졸의 알데히드 및 금속 농도가 Mod 전자담배(Mod e-cigarette)를 사용해 생성된 에어로졸과 비교되었습니다. Mod 전자담배는 전자 액상으로 재충전할 수 있고 작동 출력도 조절할 수 있는 변형 가능한 장치입니다. 최근에는 이 모드가 설치류에게 30W5에서 생성된 전자담배 에어로졸에 만성적으로 노출되는 데 사용되었습니다. 이 연구에서 장치는 30W 또는 50W의 출력 출력으로 작동했습니다.

공압 분무기와 Mod 전자담배를 포함한 모든 실험에서, Olmedo 등이 개발한 금속 및 알데히드 분석을 위해 에어 로졸 샘플을 3배로 수집했습니다. 에어로졸 샘플은 유도 결합 플라즈마 질량분석법(ICP-MS)을 사용해 9가지 금속(Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sr, V, Zn)과 11종의 알데히드(아세트알데히드, 아세토톤, 아크롤레인, 벤자알데히드, 2-부타논, 부티랄데히드, 크로톤알데히드, 포름알데히드, 헥살데히드, 프로피오날데히드, 펜타날)를 액체 크로마토그래피 탠덤 질량분석법(LC-MS/MS)으로 분석했습니다( 보조 파일 1 및 보충 표 1 및 보충 표 2 참조)자세한 내용). 수집된 에어로졸과 수집 튜빙 시스템 간의 금속 이동 가능성은 걱정되지 않았으며, 단지 아연(Zn)이 예외였습니다.

실시간 알데히드 조사를 위한 전기화학 센서
저비용 전기화학 센서를 사용해 다양한 전자액체에서 다양한 온도에서 생성된 에어로졸 알데히드 농도를 실시간으로 비교하여, LC-MS/MS에 의한 오프라인 분석보다 알데히드 생성에 유리한 조건을 더 빠르게 조정할 수 있었습니다. 제조사에 따르면 이 센서는 포름알데히드 농도를 측정하며 최대 5,000 ppb를 측정합니다. 센서는 USB 케이블로 컴퓨터에 직접 연결할 수 있었으며, 센서 제조사에서 제공한 소프트웨어를 통해 포름알데히드 농도를 실시간으로 확인할 수 있었습니다. 이러한 실시간 측정을 통해 우리는 공압 분무기로 알데히드를 생성하는 최적의 조건을 파악할 수 있었습니다. 에어로졸로부터 센서를 보호하기 위해 센서는 작은 상자 안에 넣어, 상자의 구멍을 덮는 작은 기공 크기의 막을 통해 주변 공기가 교환될 수 있도록 했습니다(에어로졸 방울을 차단하면서).

통계 분석
박스플러트를 사용해 에어로졸과 전자액상 내 측정된 금속 및 알데히드 농도 분포를 시각화하였습니다(그림 2). 에어로졸 샘플의 전체 알데히드와 금속 농도를 파악하기 위해 데이터를 집계했습니다. 우리는 측정된 9가지 금속의 농도를 합산하여 "총" 금속 농도를 산출했습니다. 마찬가지로, 우리는 측정된 11가지 알데히드의 농도를 합산하여 "총" 알데히드 농도를 산출했습니다. 모든 통계 분석은 R 소프트웨어 버전 4.3.3을 사용하여 수행되었습니다. 서로 다른 에어로졸과 전자액상 간 금속 농도 차이는 t-검정으로 분석되었습니다. p값이 0.05 미만일 때는 차이가 유의하게 다를 것으로 간주되었습니다.

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결과

알데히드 형성을 촉진하는 조건 탐구
에어로졸은 네 단계로 생성되었습니다. 처음에는 공압식 분기기를 사용해 PG/VG 용액에서 50 °C와 100 °C에서 에어로졸을 생성했고, "Mod" 전자담배를 사용해 상업용 전자담배에서 30W 및 50W 작동 출력으로 에어로졸을 생성했습니다. LC-MS/MS에 따르면 PG/VG 에어로졸의 총 알데히드 농도는 실제 전자담배 에어로졸보다 훨씬 낮았습니다(그림 2A).

실험실에서 결과를 받는 데 몇 주가 걸렸기 때문에, 우리는 전기화학 센서를 사용해 더 높은 에어로졸 포름알데히드 농도를 낼 수 있는 조건을 탐색했습니다. 공압 분무기 출구 튜브 위 약 2cm 지점에서 측정된 포름알데히드 농도는 50 °C와 80 °C에서 각각 약 50 ppb와 160 ppb임을 확인했습니다. 따라서 우리는 온도를 100...

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토론

상업용 전자액상에서 공압 분무기로 생성한 에어로졸의 총 알데하이드 농도(11알데히드)는 30 또는 50W에서 작동하는 Mod 장치에서 측정한 에어로졸과 비슷한 수준이었습니다. 특히, 아롤레인은 실제 전자담배 에어로졸에서 관찰되는 높은 농도에서 발견되었습니다. 그러나 포름알데히드 수치는 전자담배 에어로졸에서 관찰된 것과 일치하지 않았습니다. 전반적으로 우리 연구에서 보고된 알데히드 수치는 낮은 ng/g에서 낮은 μg/g 에어로졸(보충 그림 1 요약)까지 다양하며, 이는 다른 연구에서 보고된 것과 일치하지만 대부분은 낮은 범위에 속합니다 4,21. 하지만 여기서 보고된 알데히드 수치는 일부 연구에서 포름알데히드가 수백 μg/g에서 최대 48 mg/g까지 발생하는 건조 퍼프 상태에서 보고된 수치보다 몇 단계 낮습니다

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공개 사항

모든 저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.

감사의 글

이 연구는 NIH의 R01ES032954 및 P30ES009089 연구비의 지원을 받았습니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
애질런트 8900 ICPMS와 nbsp;애질런트 https://www.agilent.com/en/product/atomic-spectroscopy/inductively-coupled-plasma-mass-spectrometry-icp-ms/icp-ms-instruments/8900-triple-quadrupole-icp-ms?
알데히드/케톤-DNPH 기준 및 nbsp;수펠코에라-028
애널리스트 소프트웨어  사이엑스버전 1.6.2
C18 열과 nbsp;키네텍스 https://www.phenomenex.com/part?partNo=00D-4475-AN1.7 & 마이크로; m
충돌형 아토마이저  TSI 모델 3076
상업용 전자액상비욘드베이프, 볼드윈 파크, 캘리포니아, 미국창백한 고래 여우' 키스니코틴 함량 6%로 구매
전기화학 센서  센시리온SFA30
극한 온도의 PTFE 튜빙 & nbsp;맥마스터-카5239K12극한 온도의 경질 플라스틱 튜브, 화학약품, 반투명 테플론 등; 줄무늬 PTFE 플라스틱, 3/16" 내경, 1/4" 외경, 그리고 nbsp;
여과된 공기 공급TSI 모델 3074B
가열 테이프  브리스크 히트TBIH051-020LD 듀얼 엘리먼트, 천 단열 히트 테이프, 2인치 x 1/2인치, 156와트
고온 실리콘 튜브 퀵앤bsp;순수 실리콘 튜빙, 1/16" 내각, 1/8" 외경
화성 6호CEMhttps://cem.com/mars-6
마이크로컨트롤러 보드아두이노아두이노 우노 레브3
모드 전자담배  일레아프 일렉트로닉스 유한회사, 중국 선전시아이스틱 피코 플러스, 멜로 4S 탱크, EC-A 0.3 및 오메가; 코일 
멀티퀀트사이엑스버전 3.0.3
넥시온 350S ICPMS 퍼킨 엘머  넥시온 350
질산과 nbsp;피셔 케미컬옵티마초미량 원소 분석 등급
백금 저항 온도 검출기 아다프루트PT1000
Qtrao 6500 LC-MS/MS 시스템사이엑스https://sciex.com/products/mass-spectrometers/qtrap-systems/qtrap-6500-system탠덤 질량분석기
시마즈 LC 시마즈https://www.shimadzu.com/an/products/liquid-chromatography/index.html

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