Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Исследовательская статья

Создание аэрозолей с существенным содержанием металлов, но богатого альдегидом для исследований токсичности электронных сигарет

218 просмотров

⸱

DOI:

10.3791/70694

⸱

15 мая 2026 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Здесь мы установили, что аэрозолизация коммерческой жидкости для электронных сигарет пневматическим атомайзером при 200 °C обеспечивает металловосстановленный аэрозоль с уровнем альдегида, сопоставимым с теми, что встречаются в реальных аэрозолях электронных сигарет.

Аннотация

Когда жидкость для электронных сигарет аэрозоль помещается в электронную сигарету для вдыхания пользователем, аэрозоль загрязняется смесью токсичных веществ, включая металлы и альдегиды. Однако необходим метод получения аэрозоля для электронных сигарет с высоким содержанием альдегида, но с низким содержанием металлов, однако необходим для разлучения возможных независимых эффектов от токсикологических взаимодействий воздействия альдегида и металла от аэрозольных смесей электронных сигарет.

Целью этого исследования было установить метод получения аэрозолей, богатых альдегидом, из жидкостей для электронных сигарет, которых, однако, не содержат крупного металлического загрязнения, обычно встречающегося в аэрозолях электронных сигарет. Для аэрозолизации жидкости для электронных сигарет при температурах, способствующих образованию альдегида (до 200 °C), пневматический атомайзер был нагрет внешне. Как чистая смесь пропиленгликоля и растительного глицерина (PG/VG), так и коммерческая жидкость для электронных сигарет были аэрозолизированы. Аэрозоли были проанализированы на наличие известных токсичных веществ, связанных с электронными сигаретами, включая 11 альдегидов с использованием жидкой хроматографии и тандемной масс-спектрометрии, а также 9 металлов (Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sr, V, Zn) с помощью индуктивно-связанной масс-спектрометрии плазмы.

Уровень альдегида в аэрозолях из пневматического атомайзера достигал уровня в реальном аэрозоле электронных сигарет только при аэрозоле коммерческой жидкости при 200 °C. Уровень металла в аэрозолях из пневматического атомайзера тогда был как минимум в 8 раз ниже, чем в аэрозоле электронных сигарет от устройства «Mod», работающего на 50 Вт. Уровни Cu, Ni и Pb были особенно низкими во всех образцах аэрозолей, некоторые уровни находились ниже предела метода обнаружения (MDL).

Аэрозоль коммерческой жидкости для электронных сигарет пневматическим атомайзером при 200 °C приводит к образованию аэрозоля с низким содержанием металлов (особенно Ni, Cu, Pb), но с альдегидами, сопоставимыми с теми, что встречаются в реальных аэрозолях электронных сигарет.

Введение

В США электронные сигареты являются наиболее часто используемым табачным продуктом среди молодежи; В 2024 году 5,9% студентов сообщили об использовании электронныхсигарет 1. Это проблема общественного здравоохранения, поскольку аэрозоли электронных сигарет, которые вдыхаются пользователями, содержат широкий спектр токсичных веществ, которые при вдыхании могут иметь различные негативные последствия для здоровья2. Некоторые токсичные вещества в аэрозолях могут возникать не только из оригинальной формулы жидкости для электронных сигарет, но и попадать во время использования устройства. Например, металлы выщелачиваются из металлической нагревательной спирали, используемой для аэрозолизации жидкости в процессе растворения и испарения ваэрозоль 3. В отличие от этого, большинство альдегидов, присутствующих в аэрозоле электронных сигарет, образуются из основных компонентов жидкостей — пропиленгликоля (PG) и растительного глицерина (VG), при повышении температуры жидкости до точки кипения жидкости для аэрозолизации4.

Присутствие металлов и альдегидов в аэрозолях электронных сигарет вызывает особую озабоченность, поскольку некоторые из них токсичны, особенно для мозга и других органов. Например, металлы свинец (Pb), марганец (Mn), медь (Cu), железо (Fe), никель (Ni) и хром (Cr) — известны нейротоксиканты, которые накапливаются в мозге мышей, подвергшихся воздействию аэрозоля электронных сигарет, при ранее описанных уровнях вызывающих нейротоксическиеэффекты 5. Высокое воздействие Mn и Pb, перегрузка Fe в мозге и дисбаланс Cu связаны с повышенным риском развития и/или прогрессирования нейродегенеративных заболеваний, например, болезни Паркинсона (БП). Эта металло-индуцированная нейротоксичность обычно связана с клеточными механизмами, такими как окислительный стресс из-за избыточного производства реактивных видов кислорода (ROS), дисфункция митохондрий, агрегация белков инейровоспаление 6,7,8.

Альдегиды акролеин и формальдегид также связаны с нейродегенерацией 9,10,11, что возможно приводит к поздним неврологическим заболеваниям, таким как БП. Как показано на модели мышей с БД, накопление альдегида, способствующее агрегациибелков 12, и у людей с мутацией фермента, ответственного за превращение ацетальдегида в уксусную кислоту (ALDH2), риск развития болезни Альцгеймераможет быть выше 13. Хотя известно, что металлы и альдегиды могут быть нейротоксичными по отдельности, меньше известно об их эффекте как в смесях, и довольно сложно разобраться в независимых и взаимодействующих эффектах этих двух химических групп в контексте воздействия аэрозолей в электронных сигаретах. Для правильного изучения токсикологических эффектов, связанных с химическим классом, необходима возможность генерировать имитированные аэрозоли, которые восстановлены металлом по сравнению с аэрозолями из выбранной эталонной электронной сигареты, при этом соответствуя её уровню альдегида.

Цель данной статьи — установить метод, который, как и в электронной сигарете, аэрозолизирует жидкость при высокой температуре для получения аэрозоля, богатого альдегидом, который, однако, не содержит значительного загрязнения металлами, чтобы предоставить токсикологической области новый инструмент для распутывания соответствующих токсичных эффектов этих химикатов в аэрозольных смесях электронных сигарет. Для достижения этой цели мы избегали аэрозоля жидкости с помощью металлической нагревательной спирали, которая могла бы служить источником загрязнения металлом. Вместо этого мы использовали пневматическийатомайзер 14, который нагревался снаружи для стимулирования образования альдегидов из жидкостей для электронных сигарет. Чтобы оценить наш подход, мы сравнили уровни альдегида и металлов в аэрозолях из атомайзера с уровнями электронной сигареты «Mod», которую мы использовали для воздействия аэрозолей электронных сигарет.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Настройка пневматического атомайзера
Все материалы, использованные в исследовании, перечислены в файле Таблицы материалов . Для создания имитации аэрозоля для электронных сигарет без использования металлической нагревательной спирали, которая выпускает металлы, мы использовали коммерческий пневматический атомайзер. Чтобы достичь высоких температур, необходимых для образования альдегида, мы нагрели пневматический атомайзер целиком, обмотав его нагревательной лентой. Для этого мы ослабили два винта, которые крепят аэрозольный блок на подставке, чтобы нагревательная лента могла проходить через образовавшийся зазор, а не оборачивать ею подставку. Температура пневматического атомайзера измерялась путём прикрепления к его внешней поверхности температурного детектора с сопротивлением платины, то есть температура жидкости не измерялась напрямую. Тепловое соединение было улучшено за счёт нанесения небольшого количества термопасты на детектор. Измеренная температура считывалась с помощью микроконтроллера, которая управляла реле, подающим нагревательную ленту питанием 110 В, если фактическая температура была ниже целевой (от 50 °C до 200 °C). На рисунке 1 показана экспериментальная установка.

Материалы для труб, необходимые для работы пневматического атомайзера и изначально поставленные производителем, пришлось заменить на более устойчивые к температурам материалы: 1) жидкостная трубка (14-гейджный PTFE) была заменена высокотемпературной силиконовой трубкой (1/8" OD), 2) высокомолекулярные полиэтиленовые трубки (1/4" OD) избыточной сливопроводной линии жидкости и фильтрованный воздух были заменены на экстремально температурные твёрдые пластиковые трубки (1/4" OD).

figure-protocol-1
Рисунок 1: Схема экспериментальной установки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Работа пневматического атомайзера
Работа пневматического атомайзера в стандартном режиме рециркуляции может привести к накоплению металла в рециркулирующей жидкости — избыточной неаэрозольной жидкости, которая проходит через избыточную жидкость обратно в бутылку с жидкостью. Чтобы предотвратить накопление металла в образующемся аэрозоле, пневматический атомайзер работал в режиме без рециркуляции, при котором избыточная жидкость жидкости поступает в дополнительную бутылку для отходов. Сжатый воздух в доме фильтровался и сушился перед подачей в атомайзер через фильтрующий воздух, который включает коалесценционный предфильтр, коалесценционный фильтр, угольный фильтр и мембранную сушилку для удаления твердых частиц, капель масла и воды, а также масла и водяного пара. По словам производителя, окончательная углеродная фильтрация удаляет 99,99995% частиц > размером 100 нм.

Коллекция аэрозолей
Пневматический атомайзер использовался для получения аэрозолей либо из раствора PG/30% vol VG, либо из коммерческой реальной жидкости с содержанием никотина 6%, которую мы использовалив предыдущих исследованиях 15. Уровни альдегида и металлов в аэрозолях, образуемых пневматическим атомайзером, сравнивались с уровнями в аэрозолях, образующихся из коммерческой жидкости с помощью электронной сигареты Mod, то есть модифицируемого устройства, которое можно заполнять жидкостью и регулировать его рабочую мощность. Недавно этот мод применялся для хронического воздействия грызунов воздействию аэрозоля электронных сигарет при 30Вт 5. В этом исследовании устройство работало с мощностью 30 Вт или 50 Вт.

Во всех экспериментах, включая с пневматическим атомайзером и с электронной сигаретой Mod, образцы аэрозолей собирались в тройном экземпляре с использованием метода, разработанного Олмедо и др. 16 для последующих анализа металлов и альдегида. Аэрозольные образцы были проанализированы на 9 металлов (Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sr, V, Zn) с использованием индуктивно-связанной масс-спектрометрии плазмы (ICP-MS) и 11 альдегидов (ацетальдегид, ацетон, акролеин, бензальдегид, 2-бутанон, бутиральдегид, кротональдегид, формальдегид, гексальдегид, пропиональдегид, пентаналь) с помощью тандемной масс-спектрометрии жидкой хроматографии (LC-MS/MS) (см. Дополнительный файл 1 , дополнительную таблицу 1 и дополнительную таблицу 2 для подробностей). Возможный перенос металла между собранным аэрозолем и системой трубок не вызывал беспокойства, за исключением Zn.

Электрохимический датчик для альдегидного обследования в реальном времени
Недорогой электрохимический датчик использовался для сравнения в реальном времени концентраций аэрозольных альдегидов из различных жидкостей при разных температурах, что позволило быстрее корректировать условия, благоприятные для образования альдегидов, по сравнению с офлайн-анализом с помощью LC-MS/MS. По словам производителя, этот датчик измеряет концентрацию формальдегида с максимальным показателем 5 000 ppb. Датчик можно было напрямую подключить к компьютеру через USB-кабель, а концентрации формальдегидов можно было отслеживать в реальном времени с помощью программного обеспечения, предоставленного производителем датчика. Эти измерения в реальном времени позволили нам определить оптимальные условия для образования альдегидов с помощью нашего пневматического атомайзера. Чтобы защитить датчик от аэрозоля, датчик помещался в небольшую коробку, обеспечивавшую обмен воздухом через мембрану размером с небольшие поры, закрывающую отверстие в коробке (блокируя капли аэрозоля).

Статистический анализ
Для визуализации распределения измеренных концентраций металла и альдегида в аэрозолях и жидкости для электронных сигарет использовались бокс-диаграммы (рисунок 2). Чтобы получить представление о общей концентрации альдегида и металлов в образце аэрозоля, мы агрегировали данные. Мы суммировали концентрации девяти измеренных металлов, чтобы определить «общую» концентрацию металлов. Аналогично, мы суммировали концентрации одиннадцати измеренных альдегидов, чтобы определить «полную» концентрацию альдегида. Все статистические анализы проводились с использованием версии программного обеспечения R 4.3.3. Различия в концентрациях металлов между различными аэрозолями и жидкостями для электронных сигарет анализировались с помощью t-теста. При p-значениях меньше 0,05, различия считались существенно различающимися.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Изучение условий, способствующих образованию альдегида
Аэрозоли генерировались в четыре фазы. Сначала мы использовали пневматический атомайзер для получения аэрозолей из раствора PG/VG при 50 °C и 100 °C, а электронную сигарету «Mod» — для получения аэрозоля из коммерческой жидкости при мощности 30 Вт и 50 Вт. По данным LC-MS/MS, общий уровень альдегида в аэрозолях PG/VG был значительно ниже, чем в реальных аэрозолях электронных сигарет (см. рисун...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Общая концентрация альдегида (11 альдегидов) аэрозолей, полученная с помощью пневматического атомайзера из коммерческой жидкости для электронных сигарет при температуре 200 °C, была примерно такой же, как измеряемая в аэрозолях устройства Mod, работающего на 30 или 50 Вт. В частности, акролеин встречался на высоких уровнях, наблюдаемых в реальных аэрозолях электронных сигарет. Однако уровни формальдегида не соответствовали тем, что наблюдались в аэрозолях электронных сигарет. В целом, ур...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Все авторы заявляют, что не имеют конфликта интересов.

Благодарности

Эта работа была поддержана грантами NIH R01ES032954 и P30ES009089.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
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?
Стандарты альдегида/кетона-DNPH SupelcoERA-028
Аналитическое программное обеспечение  SciexВерсия 1.6.2
C18 колонка Kinetex https://www.phenomenex.com/part?partNo=00D-4475-AN1.7 и микро; m
Атомайзер типа столкновения TSI Модель 3076
Коммерческая жидкость для электронных сигаретBeyondvape, Болдуин-Парк, Калифорния, СШАБледная Китовая Лисица» ПоцелуйКуплен с содержанием никотина 6%
Электрохимический датчик и bbsp;СензирионSFA30
Трубки PTFE при экстремальных температурах МакМастер-Карр5239K12Твердая пластиковая трубка для химических веществ при экстремальных температурах, полупрозрачный тефлон и рег; PTFE — пластик без полосы, 3/16" ID, 1/4" OD и bbsp;
Фильтрованная подача воздухаTSI Модель 3074B
Нагревательная лента BriskHeatTBIH051-020LD Двухэлементная, тканевая термолента с теплоизоляцией, 2 дюйма x 1/2 дюйма, 156 Вт
Высокотемпературные силиконовые трубки Quickun Чистая силиконовая трубка, 1/16" ID, 1/8" OD
Марс 6CEMhttps://cem.com/mars-6
Плата микроконтроллераArduinoArduino Uno Rev3
Mod e-cigarette Eleaf Electronics Co., Ltd., город Шэньчжэнь, КитайiStick Pico Plus, Melo 4S Tank, EC-A 0.3 и Omega; coil 
МультиквантSciexВерсия 3.0.3
NexION 350S ICPMS Перкин Элмер NexION 350S
Азотная кислота Фишер КемикалОптимаОценка ультра-элементного анализа
Детектор температуры платинового сопротивления и bbsp;АдафрутPT1000
Система Qtrao 6500 LC-MS/MSSciexhttps://sciex.com/products/mass-spectrometers/qtrap-systems/qtrap-6500-systemТандемный масс-спектрометр
Shimadzu LC Симадзуhttps://www.shimadzu.com/an/products/liquid-chromatography/index.html

Ссылки

  1. 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).
  2. National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. Public Health Consequences of e-Cigarettes. , The National Academies Press. US. (2018).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Gorell, J. M., et al. Occupational exposures to metals as risk factors for parkinson's disease. Neurology. 48 (3), 650-658 (1997).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Tulpule, K., Dringen, R. Formaldehyde in brain: An overlooked player in neurodegeneration. J Neurochem. 127 (1), 7-21 (2013).
  11. Jeong, M. S., Kang, J. H. Acrolein, the toxic endogenous aldehyde, induces neurofilament-l aggregation. BMB Rep. 41 (9), 635-639 (2008).
  12. 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).
  13. Ohta, S., Ohsawa, I., Kamino, K., Ando, F., Shimokata, H. Mitochondrial Pathogenesis: From Genes and Apoptosis to Aging and Disease. , Springer. Berlin, Heidelberg. (2004).
  14. Liu, B. Y. H., Lee, K. W. An aerosol generator of high stability. American Industrial Hygiene Association Journal. 36 (12), 861-865 (1975).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Khlystov, A., Samburova, V. Flavoring compounds dominate toxic aldehyde production during e-cigarette vaping. Environ Sci Technol. 50 (23), 13080-13085 (2016).
  20. Chang, X., et al. The role of acrolein in neurodegenerative diseases and its protective strategy. Foods. 11 (20), 3203(2022).
  21. 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).
  22. Wang, P., et al. A device-independent evaluation of carbonyl emissions from heated electronic cigarette solvents. PLoS One. 12 (1), e0169811(2017).
  23. 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).
  24. Aisi 304 Stainless Steel Properties: Tensile Yield Strength & Hardness. , World Material. At https://www.theworldmaterial.com/type-304-grade-stainless-steel/ (2025).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Soulet, S., Sussman, R. A. Critical review of the recent literature on organic byproducts in e-cigarette aerosol emissions. Toxics. 10 (12), 714(2022).
  32. 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).
  33. 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).
  34. Soulet, S., Sussman, R. A. A critical review of recent literature on metal contents in e-cigarette aerosol. Toxics. 10 (9), 510(2022).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Аэрозоль электронных сигаретаэрозоль с пониженным содержанием металловпневматический атомайзертоксичность аэрозоляжидкостная хроматографиямасс-спектрометрияпропиленгликольрастительный глицерингенерация аэрозоля
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.