Hier stellen we vast dat aerosolisatie van een commerciële e-liquid door een pneumatische atomizer bij 200 °C een metaalgereduceerde aerosol oplevert met aldehydeniveaus vergelijkbaar met die in echte e-sigaretten aerosolen.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Onderzoeksartikel
Generatie van aanzienlijk metaalgereduceerde maar aldehyderijke aerosol voor toxiciteitsstudies van e-sigaretten
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Wanneer e-liquid in een e-sigaret wordt geaerosoliseerd voor inhalatie door de gebruiker, raakt het aerosol besmet met een mengsel van giftige stoffen, waaronder metalen en aldehyden. Er ontbreekt een methode om e-sigaretaerosolen te genereren met een hoog aldehydegehalte, maar een laag metaalgehalte, maar is nodig om de potentiële onafhankelijke effecten versus toxicologische interacties van aldehyde- en metaalblootstelling uit e-sigaretaerosolmengsels te ontrafelen.
Het doel van deze studie was om een methode te ontwikkelen om aldehyderijke aerosolen te genereren uit e-liquids die echter niet de grote metaalverontreiniging hebben die typisch is in e-sigaretten aerosolen. Om e-liquid te aerosoliseren bij temperaturen die de aldehydevorming bevorderen (tot 200 °C), werd een pneumatische atomizer extern verwarmd. Zowel een pure propyleenglycol/plantaardige glycerine (PG/VG) mix als een commerciële e-liquid werden geaerosoliseerd. Aerosolen werden geanalyseerd op bekende e-sigaret-geassocieerde toxines, waaronder 11 aldehyden met vloeistofchromatografie-tandem massaspectrometrie en 9 metalen (Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sr, V, Zn) met inductief gekoppelde plasma-massaspectrometrie.
Aldehydeniveaus in aerosolen van de pneumatische atomizer bereikten alleen die in een echte e-sigaret aerosol als de commerciële e-liquid werd geaerosoliseerd bij 200 °C. De metaalniveaus in de aerosolen van de pneumatische atomizer waren toen minstens 8 keer lager dan in e-sigaretten aerosol van een "Mod"-apparaat dat op 50 W werkte. Cu-, Ni- en Pb-niveaus waren bijzonder laag bij alle aerosolmonsters, met enkele niveaus onder de methodedetectielimiet (MDL).
Aerosolisatie van een commerciële e-liquid door een pneumatische atomizer bij 200 °C produceert aerosolen met weinig metaalgehalte (vooral Ni, Cu, Pb), maar met aldehydeniveaus vergelijkbaar met dat in een echte e-sigaret aerosol.
Inleiding
In de VS zijn e-sigaretten het meest gebruikte tabaksproduct onder jongeren; In 2024 gaf 5,9% van de leerlingen aan e-sigaretten te gebruiken1. Dit is een volksgezondheidszorg omdat e-sigarettenaerosolen, die door e-sigarettengebruikers worden ingeademd, een breed scala aan giftige chemicaliën bevatten die bij inademing verschillende nadeligegezondheidseffecten kunnen hebben. Sommige giftige chemicaliën in aerosolen kunnen niet alleen afkomstig zijn van de oorspronkelijke e-liquid formulering, maar ook tijdens het gebruik van het apparaat worden ingebracht. Zo worden metalen uitgelogd uit de metalen verwarmingsspoel die wordt gebruikt om de e-vloeistof te aerosoliseren via het proces van oplossen en verdampen in de aerosol3. Daarentegen worden de meeste aldehyden in e-sigaret aerosol gevormd uit de basisingrediënten van e-liquids, propyleenglycol (PG) en plantaardige glycerine (VG), wanneer de temperatuur van de e-liquid wordt verhoogd tot het kookpunt van de e-liquid voor aerosolisatie4.
De aanwezigheid van metalen en aldehyden in e-sigaretaerosolen is bijzonder zorgwekkend omdat verschillende daarvan giftig zijn, vooral voor de hersenen en andere organen. Zo zijn de metalen lood (Pb), mangaan (Mn), koper (Cu), ijzer (Fe), nikkel (Ni) en chroom (Cr) bekende neurotoxicanten die zich ophopen in de hersenen van muizen die worden blootgesteld aan e-sigaret aerosol, op niveaus die eerder beschreven neurotoxische effectenveroorzaken 5. Hoge blootstelling aan Mn en Pb, Fe-overbelasting in de hersenen en een Cu-disbalans zijn allemaal in verband gebracht met een hoger risico op de ontwikkeling en/of progressie van neurodegeneratieve ziekten, zoals de ziekte van Parkinson (PD). Deze door metaal veroorzaakte neurotoxiciteit betreft meestal cellulaire mechanismen zoals oxidatieve stress door overproductie van reactieve zuurstofsoorten (ROS), mitochondriale disfunctie, eiwitaggregatie en neuro-inflammatie 6,7,8.
De aldehyden, acroleïne en formaldehyde zijn ook in verband gebracht met neurodegeneratie 9,10,11, wat mogelijk leidt tot late neurologische aandoeningen zoals PD. Zoals aangetoond in een PD-muismodel kan aldehydeopbouw toxisch zijn door eiwitaggregatie12 te bevorderen, en individuen met een mutatie in het enzym dat verantwoordelijk is voor de omzetting van acetaldehyde in azijnzuur (ALDH2) kunnen een groter risico op de ziekte van Alzheimer13 hebben. Hoewel bekend is dat metalen en aldehyden individueel neurotoxisch kunnen zijn, is er minder bekend over hun effecten als mengsels, en het lijkt behoorlijk lastig om de onafhankelijke en interactie-effecten van deze twee chemische groepen te ontwarren in de context van blootstelling aan e-sigaretten aerosol. Om de toxicologische effecten van chemische klassen goed te bestuderen, is de mogelijkheid nodig om gesimuleerde aerosolen te genereren die metaalgereduceerd zijn in vergelijking met aerosolen van een gekozen referentie-e-sigaret, terwijl de aldehydeniveaus worden overeengehouden.
Het doel van dit artikel is om een methode te ontwikkelen die, net als bij een e-sigaret, e-vloeistof bij hoge temperatuur aerosoliseert om een aldehyderijke aerosol te genereren, die echter geen aanzienlijke metaalverontreiniging bevat, om het toxicologieveld een nieuw hulpmiddel te bieden om de respectievelijke toxische effecten van deze chemicaliën binnen e-sigaretten aerosolmengsels te ontwarren. Om dit doel te bereiken, hebben we het aerosoliseren van de e-liquid vermeden door een metalen verwarmingsspoel te gebruiken, die als bron van metaalverontreiniging zou fungeren. In plaats daarvan gebruikten we een pneumatische atomizer14, die extern werd verhit om de vorming van aldehyden uit e-liquids te bevorderen. Om onze aanpak te evalueren, vergeleken we de niveaus van aldehyde en metaal in aerosolen van de atomizer met die van een "Mod" e-sigaret die we gebruikten om knaagdieren bloot te stellen aan e-sigaret aerosol.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
Het opzetten van de pneumatische atomizer
Alle materialen die in de studie zijn gebruikt, zijn opgenomen in het Materiaaltabel dossier. Om gesimuleerde e-sigaret aerosol te genereren zonder een metalen verwarmingsspoel te gebruiken die metalen vrijgeeft, gebruikten we een commerciële pneumatische atomizer. Om de hoge temperaturen te bereiken die nodig waren om aldehydevorming te bevorderen, verwarmden we de pneumatische atomizer als geheel door er verwarmingstape omheen te wikkelen. Daarom hebben we de twee schroeven losgemaakt, die de eigenlijke aerosolunit aan de standaard bevestigen, zodat de verwarmingstape door de ontstane opening geleid kon worden in plaats van om de standaard te wikkelen. De temperatuur van de pneumatische atomizer werd gemeten door een platinaweerstandstemperatuurdetector aan het buitenoppervlak te bevestigen, dat wil zeggen de temperatuur van de e-vloeistof werd niet direct gemeten. De thermische verbinding werd verbeterd door een kleine hoeveelheid thermische pasta op de detector aan te brengen. De gemeten temperatuur werd ingelezen door een microcontrollerprintplaat, die een relais aanstuurde om de verwarmingstape van 110 V netvoeding te voorzien als de werkelijke temperatuur lager was dan de streeftemperatuur (tussen 50 °C en 200 °C). Figuur 1 toont de experimentele opstelling.
Buismaterialen die nodig zijn om de pneumatische atomizer te laten werken en die oorspronkelijk door de fabrikant waren geleverd, moesten worden vervangen door temperatuurbestendigere materialen: 1) de vloeibare voedingsbuis (14-gauge PTFE) werd vervangen door hoogtemperatuursiliconen buis (1/8" OD), 2) de hoogmoleculaire polyethyleenbuissecties (1/4" OD) van de overtollige vloeistofafvoerleiding en de gefilterde luchttoevoer werden vervangen door extreem temperatuur harde kunststof buis (1/4" OD).
Figuur 1: Diagram van de experimentele opstelling. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Het bedienen van de pneumatische atomizer
Het bedienen van de pneumatische atomizer in de standaard recirculatiemodus kan metaalophoping veroorzaken in de circulerende e-liquid, dat is de overtollige, niet-aerosoliseerde e-liquid die door de overtollige vloeistof afloopt en terug in de e-liquid fles stroomt. Om de ophoping van metalen in het geproduceerde aerosol te voorkomen, werd de pneumatische atomizer in niet-recirculatiemodus bediend, waarbij overtollige e-liquid in een toegevoegde afvalfles stroomt. De samengeperste lucht van het huis werd gefilterd en gedroogd voordat deze via een gefilterde luchttoevoer aan de atomizer werd geleverd, die bestaat uit een coalescerende voorfilter, een coalescerende filter, een koolstoffilter en een membraandroger om vaste deeltjes, olie- en waterdruppels, en olie- en waterdamp te verwijderen. Volgens de fabrikant verwijdert de uiteindelijke koolstoffiltratie 99,99995% van de deeltjes > 100 nm groot.
Verzameling van aerosolen
De pneumatische atomizer werd gebruikt om aerosolen te genereren uit een 70%vol PG/30%vol VG-oplossing of een commerciële, realistische e-liquid met 6% nicotinegehalte die we ineerder onderzoek gebruikten. Aldehyde- en metaalniveaus van de aerosolen geproduceerd door de pneumatische atomizer werden vergeleken met die in aerosolen die werden geproduceerd door de commerciële e-liquid met een Mod e-sigaret, dat wil zeggen een aanpasbaar apparaat dat kan worden bijgevuld met e-liquid en waarvan het werkvermogen kan worden aangepast. Onlangs werd deze Mod gebruikt voor chronische blootstelling van knaagdieren aan e-sigaret aerosol geproduceerd bij 30 W5. In deze studie werd het apparaat bediend met een vermogen van ofwel 30 W of 50 W.
In alle experimenten, inclusief die met de pneumatische atomizer en die met de Mod e-sigaret, werden aerosolmonsters in drievoud verzameld met behulp van de methode ontwikkeld door Olmedo et al.16 voor latere metaal- en aldehydeanalyses. Aerosolmonsters werden geanalyseerd op 9 metalen (Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sr, V, Zn) met inductief gekoppelde plasma-massaspectrometrie (ICP-MS) en 11 aldehyden (acetaldehyde, aceton, acroleïne, benzaldehyde, 2-butanon, butyraldehyde, crotonaldehyde, formaldehyde, hexaldehyde, propionaldehyde, pentanal) met vloeistofchromatografie tandem massaspectrometrie (LC-MS/MS) (zie Supplementair Bestand 1 en Aanvullende Tabel 1 en Aanvullende Tabel 2 voor details). Mogelijke metaaloverdracht tussen het verzamelde aerosol en het verzamelbuissysteem was geen zorg, behalve voor zink.
Elektrochemische sensor voor realtime aldehydeonderzoek
Een goedkope elektrochemische sensor werd gebruikt om in realtime de aerosol-aldehydeconcentraties geproduceerd door verschillende e-vloeistoffen bij verschillende temperaturen te vergelijken, zodat de omstandigheden die de generatie van aldehyden bevorderen sneller konden worden aangepast dan offline analyse door LC-MS/MS. Volgens de fabrikant meet die sensor formaldehydeconcentraties met een maximale waarde van 5.000 ppb. De sensor kon direct via een USB-kabel op een computer worden aangesloten, en formaldehydeconcentraties konden in realtime worden bekeken met software die door de sensorfabrikant werd geleverd. Deze realtime metingen stelden ons in staat de optimale omstandigheden te identificeren voor het genereren van aldehyden met onze pneumatische atomizer. Om de sensor te beschermen tegen het aerosol, werd de sensor in een klein doosje geplaatst dat de uitwisseling van omgevingslucht mogelijk maakte via een membraan van kleine poriegrootte die een gat in de doos bedekte (terwijl het aerosoldruppels blokkeerde).
Statistische analyse
Boxplots werden gebruikt om de verdelingen van de gemeten metaal- en aldehydeconcentraties in aerosolen en e-liquid te visualiseren (Figuur 2). Om een idee te krijgen van de totale aldehyde- en metaalconcentratie van een aerosolmonster, hebben we de gegevens samengevoegd. We hebben de concentraties van de negen gemeten metalen opgeteld om een "totale" metaalconcentratie te bepalen. Evenzo hebben we de concentraties van de elf gemeten aldehyden opgeteld om een "totale" aldehydeconcentratie te bepalen. Alle statistische analyses werden uitgevoerd met de R-software versie 4.3.3. Verschillen in metaalconcentraties tussen verschillende aerosolen en e-vloeistoffen werden geanalyseerd met een t-test. Wanneer p-waarden kleiner waren dan 0,05, werden verschillen als significant verschillend beschouwd.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Het verkennen van de omstandigheden die de vorming van aldehyde bevorderen
Aerosolen werden in vier fasen gegenereerd. Aanvankelijk gebruikten we de pneumatische atomizer om aerosolen te genereren uit de PG/VG-oplossing bij 50 °C en 100 °C, en we gebruikten de "Mod" e-sigaret om aerosolen te genereren uit de commerciële e-liquid met 30 W en 50 W bedrijfsvermogen. Zoals bepaald door LC-MS/MS, waren de totale aldehydeniveaus in de PG/VG-aerosolen veel lager dan in echte...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
De totale aldehydeconcentratie (11 aldehyden) van aerosolen die we genereerden met de pneumatische atomizer uit commerciële e-liquid bij een temperatuur van 200 °C was ongeveer gelijk aan die gemeten in aerosolen van een Mod-apparaat dat op 30 of 50 W werkt. In het bijzonder kwam acroleïne voor op de hoge niveaus die in de echte e-sigaret aerosolen worden waargenomen. De niveaus van formaldehyde kwamen echter niet overeen met die waargenomen in de e-sigaret aerosolen. Al met al liggen de...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
Alle auteurs geven geen belangenconflicten op.
Dankbetuigingen
Dit werk werd ondersteund door NIH-subsidies R01ES032954 en P30ES009089.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 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? | |
| Aldehyde/Ketone-DNPH standards | Supelco | ERA-028 | |
| Analyst software | Sciex | versie 1.6.2 | |
| C18 kolom | Kinetex | https://www.phenomenex.com/part?partNo=00D-4475-AN | 1.7 µm |
| Collision-type atomizer | TSI | Model 3076 | |
| Commercieel e-liquid | Beyondvape, Baldwin Park, California, VS | Pale Whale Vixen’s Kiss | aangeschaft met een nicotinegehalte van 6% |
| Elektrochemische sensor | Sensirion | SFA30 | |
| Extreme-temperatuur PTFE slang | McMaster-Carr | 5239K12 | Extreme-temperatuur harde kunststof slang voor chemicaliën, semi-doorzichtige Teflon® PTFE Plastic zonder Streep, 3/16” ID, 1/4” OD, |
| Gefilterde luchtvoorziening | TSI | Model 3074B | |
| Verwarmingstape | BriskHeat | TBIH051-020LD | Dual Element, stoffen geïsoleerde verwarmingstape, 2 inch x 1/2 inch, 156 Watts |
| Hoge temperatuur siliconenslang | Quickun | Pure Silicone Tubing, 1/16” ID, 1/8” OD | |
| Mars 6 | CEM | https://cem.com/mars-6 | |
| Microcontroller board | Arduino | Arduino Uno Rev3 | |
| Mod e-sigaret | Eleaf Electronics Co., Ltd., Shenzhen City, China | iStick Pico Plus, Melo 4S Tank, EC-A 0.3 Ω spoel | |
| Multiquant | Sciex | versie 3.0.3 | |
| NexION 350S ICPMS | Perkin Elmer | NexION 350S | |
| Salpeterzuur | Fisher Chemical | Optima | Ultra Trace Elemental Analysis grade |
| Platinum weerstandstemperatuurdetector | Adafruit | PT1000 | |
| Qtrao 6500 LC-MS/MS Systeem | Sciex | https://sciex.com/products/mass-spectrometers/qtrap-systems/qtrap-6500-system | Tandem massaspectrometer |
| Shimadzu LC | Shimadzu | https://www.shimadzu.com/an/products/liquid-chromatography/index.html |
Referenties
- Jamal, A., et al. Tobacco product use among middle and high school students - national youth tobacco survey, United States, 2024. MMWR Morb Mortal Wkly Rep. 73 (41), 917-924 (2024).
- National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. Public Health Consequences of e-Cigarettes. , The National Academies Press. US. (2018).
- Olmedo, P., et al. Metal concentrations in e-cigarette liquid and aerosol samples: The contribution of metallic coils. Environ Health Perspect. 126 (2), 027010(2018).
- Gillman, I. G., Pennington, A. S. C., Humphries, K. E., Oldham, M. J. Determining the impact of flavored e-liquids on aldehyde production during vaping. Regul Toxicol Pharmacol. 112, 104588(2020).
- Re, D. B., et al. Exposure to e-cigarette aerosol over two months induces accumulation of neurotoxic metals and alteration of essential metals in mouse brain. Environ Res. 202, 111557(2021).
- Gorell, J. M., et al. Occupational exposures to metals as risk factors for parkinson's disease. Neurology. 48 (3), 650-658 (1997).
- Gorell, J. M., et al. Occupational exposure to manganese, copper, lead, iron, mercury and zinc and the risk of parkinson's disease. Neurotoxicology. 20 (2-3), 239-247 (1999).
- Raj, K., Kaur, P., Gupta, G. D., Singh, S. Metals associated neurodegeneration in parkinson's disease: Insight to physiological, pathological mechanisms and management. Neurosci Lett. 753, 135873(2021).
- Matveychuk, D., Dursun, S. M., Wood, P. L., Baker, G. B. Reactive aldehydes and neurodegenerative disorders. Klinik Psikofarmakoloji Bulteni-Bulletin of Clinical Psychopharmacology. 21 (4), 277-288 (2011).
- Tulpule, K., Dringen, R. Formaldehyde in brain: An overlooked player in neurodegeneration. J Neurochem. 127 (1), 7-21 (2013).
- Jeong, M. S., Kang, J. H. Acrolein, the toxic endogenous aldehyde, induces neurofilament-l aggregation. BMB Rep. 41 (9), 635-639 (2008).
- Martinez, P. A., et al. Impaired aldehyde detoxification exacerbates motor deficits in an alpha-synuclein mouse model of parkinson's disease. Brain Behav. 13 (9), e3150(2023).
- Ohta, S., Ohsawa, I., Kamino, K., Ando, F., Shimokata, H. Mitochondrial Pathogenesis: From Genes and Apoptosis to Aging and Disease. , Springer. Berlin, Heidelberg. (2004).
- Liu, B. Y. H., Lee, K. W. An aerosol generator of high stability. American Industrial Hygiene Association Journal. 36 (12), 861-865 (1975).
- Zhao, D., et al. Metal concentrations in electronic cigarette aerosol: Effect of open-system and closed-system devices and power settings. Environ Res. 174, 125-134 (2019).
- Olmedo, P., Navas-Acien, A., Hess, C., Jarmul, S., Rule, A. A direct method for e-cigarette aerosol sample collection. Environ Res. 149, 151-156 (2016).
- Jaegers, N. R., Hu, W., Weber, T. J., Hu, J. Z. Low-temperature (< 200 °c) degradation of electronic nicotine delivery system liquids generates toxic aldehydes. Sci Rep. 11 (1), 7800(2021).
- Duell, A. K., Pankow, J. F., Gillette, S. M., Peyton, D. H. Boiling points of the propylene glycol + glycerol system at 1 atmosphere pressure: 188.6-292 °c without and with added water or nicotine. Chem Eng Commun. 205 (12), 1691-1700 (2018).
- Khlystov, A., Samburova, V. Flavoring compounds dominate toxic aldehyde production during e-cigarette vaping. Environ Sci Technol. 50 (23), 13080-13085 (2016).
- Chang, X., et al. The role of acrolein in neurodegenerative diseases and its protective strategy. Foods. 11 (20), 3203(2022).
- Farsalinos, K. E., et al. Aldehyde levels in e-cigarette aerosol: Findings from a replication study and from use of a new-generation device. Food Chem Toxicol. 111, 64-70 (2018).
- Wang, P., et al. A device-independent evaluation of carbonyl emissions from heated electronic cigarette solvents. PLoS One. 12 (1), e0169811(2017).
- Salazar, M. R., et al. Elevated toxic element emissions from popular disposable e‑cigarettes: Sources, life cycle, and health risks. ACS Cent Sci. 11 (8), 1345-1354 (2025).
- Aisi 304 Stainless Steel Properties: Tensile Yield Strength & Hardness. , World Material. At https://www.theworldmaterial.com/type-304-grade-stainless-steel/ (2025).
- Li, Y., et al. Impact of e-liquid composition, coil temperature, and puff topography on the aerosol chemistry of electronic cigarettes. Chem Res Toxicol. 34 (6), 1640-1654 (2021).
- Talih, S., et al. Hot wires and film boiling: Another look at carbonyl formation in electronic cigarettes. Chem Res Toxicol. 33 (8), 2172-2180 (2020).
- Do, E. K., et al. E-cigarette device type, source, and use behaviors of youth and young adults: Findings from the truth longitudinal cohort (2020-2021). Subst Use Misuse. 58 (6), 796-803 (2023).
- Jackson, S. E., Tattan-Birch, H., Shahab, L., Brown, J. Trends in long term vaping among adults in England, 2013-23: Population based study. BMJ. 386, e079016(2024).
- Jiang, N., Xu, S., Li, L., Cleland, C. M., Niaura, R. S. Use of electronic nicotine delivery system (ENDS) devices among U.S. youth and adults: Findings from the population assessment of tobacco and health study waves 1-5. Addict Behav. 139, 107588(2023).
- Technical guide for aerosol collection and considerations when testing e-vapour product technologies. , Report No. CORESTA Guide N° 25. Cooperation Centre for Scientific Research Relative to Tobacco. (2024).
- Soulet, S., Sussman, R. A. Critical review of the recent literature on organic byproducts in e-cigarette aerosol emissions. Toxics. 10 (12), 714(2022).
- Floyd, E., Greenlee, S., Oni, T., Sadhasivam, B., Queimado, L. The effect of flow rate on a third-generation sub-ohm tank electronic nicotine delivery system-comparison of coresta flow rates to more realistic flow rates. Int J Environ Res Public Health. 18 (14), 7535(2021).
- Mcadam, K., et al. Use of social media to establish vapers puffing behaviour: Findings and implications for laboratory evaluation of e-cigarette emissions. Regul Toxicol Pharmacol. 107, 104423(2019).
- Soulet, S., Sussman, R. A. A critical review of recent literature on metal contents in e-cigarette aerosol. Toxics. 10 (9), 510(2022).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.