一种离子分子质谱法在线逐口检测卷烟烟气的气相成分

摘要

本发明涉及一种离子分子质谱法在线逐口检测卷烟烟气的气相成分。本发明的离子分子质谱法在线逐口检测卷烟烟气的气相成分，包括采用20通道转盘式吸烟机与离子分子质谱相连接的检测系统进行在线逐口定量检测卷烟烟气的气相成分。本发明采用20通道转盘吸烟机与离子分子质谱相连接的检测系统对卷烟烟气气相成分在线逐口定量检测的方法，建立起一个快速可靠的全成分检测方法，一次检测可同时检测5支卷烟，对提高测试数据结果的稳定性更加有利；消除了质谱仪与吸烟机连接处以及捕集器内的死体积；且抽吸的烟气保证最“新鲜”，从烟气产生到检测完毕不超过9秒；重复性和稳定性好。

说明书

技术领域

本发明属于卷烟烟气气相成分检测分析技术领域，涉及采用20通道转盘式吸烟机与离 子分子质谱相连接的检测系统来实现卷烟烟气气相成分在线逐口定量检测的功能。

背景技术

卷烟烟气在室温下能通过剑桥滤片的部分称为气相物质，占主流烟气的92％。一般烟气 气相的常规检测有以下几种方法：气袋直接分析、溶剂捕集、冷阱捕集、固体吸附剂捕集和 在线逐口检测。由于卷烟烟气非常不稳定，所以只有在线检测方法是最能真正反映“新鲜” 烟气的化学组成，并实现逐口检测。

应用离子分子质谱系统检测卷烟烟气中成分时，无需对样品进行前处理，每化合物的检 测时间只需1毫秒，假设检测1000个化合物，只需1秒时间，完全可实现卷烟烟气的在线 逐口分析。然而在已报道的卷烟烟气离子分子质谱在线检测方法中，是将质谱仪与单通道吸 烟机相连接，对卷烟烟气进行在线检测。主要存在以下两个缺点：第一，由于一次实验只能 检测一支卷烟，为考察数据结果稳定性，只能采取多轮次实验，因此效率较低；第二，吸烟 机与质谱间的死体积无法完全消除，定量检测误差较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种20通道吸烟机与离子分子质谱相连接的检测系统以实现卷烟 烟气气相成分在线逐口定量检测的方法。其优势主要在以下三方面：第一，一次实验可以同 时检测5支卷烟，对提高测试数据结果的稳定性更加有利。第二，在不改装现有吸烟机设备 的状况下，消除了质谱仪与吸烟机连接处以及捕集器内的死体积。第三，烟气保证最“新鲜”， 从烟气产生到检测完毕不超过9秒。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案：

一种离子分子质谱法在线逐口检测卷烟烟气的气相成分，包括采用20通道转盘式吸烟 机与离子分子质谱相连接的检测系统进行在线逐口定量检测卷烟烟气的气相成分。

较佳的，所述卷烟烟气的气相成分主要包括一氧化氮和1、3-丁二烯、异戊二烯、苯、 甲苯等挥发性有机物(VOCs)。

较佳的，所述20通道转盘式吸烟机采用Borgwaldt 20H吸烟机；所述离子分子质谱采 用奥地利V&F公司生产的离子-分子反应质谱仪器。

本发明的20通道转盘式吸烟机与离子分子质谱相连接的检测系统为Borgwaldt 20H吸 烟机与奥地利V&F公司生产的离子-分子反应质谱相连接的检测系统，其示意图如图1所示， Borgwaldt 20H吸烟机为卷烟烟气产生装置，离子分子质谱为卷烟烟气气相检测分析装置。

本发明的离子分子质谱法在线逐口检测卷烟烟气的气相成分，具体包括如下步骤：

1)将20通道转盘式吸烟机预热，调整吸烟机的风速和抽吸容量。

较佳的，所述吸烟机预热的时间为20分钟以上。

较佳的，所述吸烟机的风速为10-50厘米/秒，优选为20-40厘米/秒；所述吸烟机的抽 吸容量为10-90毫升，优选为30-50毫升。

2)打开离子分子质谱并预热，预热后采用标准气体对所述分子离子质谱进行定量校正。

较佳的，所述分子离子质谱预热的时间为48小时以上。

较佳的，所述采用标准气体对所述分子离子质谱进行定量校正可采用现有技术中的常规 单点线性校正法进行定量校正即可，所述标准气体分别为一氧化氮、1、3-丁二烯、异戊二 烯、苯和甲苯；校正时分别采用一氧化氮、1、3-丁二烯、异戊二烯、苯和甲苯进行校正。

3)将预热后的20通道转盘式吸烟机进行抽吸参数设定，包括：

A、装烟模式：采用手动法将5支卷烟分别装入吸烟机的5个通道内并采用烟支夹持器 夹好，其中相邻两支卷烟之间间隔3个通道；

B、卷烟的吸烟轮次为1次；每轮次抽吸5支卷烟；

C、1轮次卷烟的吸烟抽吸次数为20次；

D、卷烟烟气粒相捕集方式为逐口捕集方式。

4)采用在线逐口捕集方法进行卷烟烟气气相成分的定量检测：

A、先采用吸烟机的抽吸单元开始抽吸第一支卷烟的烟气，经抽吸的卷烟烟气经捕集器 内的剑桥滤片截留烟气粒相部分，烟气气相部分经捕集器与三通电磁阀之间的连接管道进入 三通电磁阀，依次经与三通电磁阀连接的不锈钢毛细采样管和与不锈钢毛细采样管连接的分 子离子质谱的烟气进样口进入分子离子质谱进行定量检测；

B、按照步骤4)中A的方法依次抽吸第一支卷烟后的三个通道，并分别抽吸所述检测 系统的死体积中的残留烟气并送入离子分子质谱进行定量检测；

本发明的检测系统的死体积是指卷烟烟支末端至三通电磁阀之间的体积。

C、重复步骤4)中的A和B步骤分别对第2支、第3支、第4支、第5支卷烟进行定 量检测。

较佳的，所述捕集器采用直径为44毫米的捕集器；所述捕集器与三通电磁阀之间的连 接管道的内径为3毫米，长度为2厘米。本发明为了尽量减少并消除检测系统的死体积(即 卷烟烟支末端至三通电磁阀之间的体积)，所以烟气粒相捕集器采用直径为44毫米的捕集 器，连接管路采用内径为3毫米、长度为2厘米的连接通道，可减少检测系统的死体积所带 来的定量检测误差。

较佳的，所述不锈钢毛细采样管外设有采样管保温套。本发明为了防止烟气的冷凝，分 子离子质谱的烟气进样口具有加热功能，可以采用加热部件对采样管进行加热，采样管外加 保温套进行保温。

本发明为了减少卷烟烟气粒相部分(焦油)对气相中部分物质的吸附效应，烟气粒相捕 集可采用逐口捕集的方法。

较佳的，所述吸烟机的不锈钢毛细采样管的温度为110℃；采样进样的压力为25mbar。

较佳的，所述离子分子质谱的条件如下：

离子源：Hg；质谱分辨率：85-95；分子离子质谱对每口烟气的测定时间：1-100毫秒； 优选为10-50毫秒；等待时间为1-10毫秒；优选为1-5毫秒；电流强度为10-100毫安；优 选为50-80毫安。

本发明根据被测目标物确定其定量离子和离子源。

本发明每轮次抽吸5支卷烟，利用每两支卷烟间的三次吸烟间隔进行空抽，将检测系统 的死体积中的少量残留烟气一并送入分子离子质谱进行检测。每支卷烟每口烟气实际上用了 4次抽吸，将4次抽吸的所有烟气送入分子离子质谱进行检测，极大的减少了检测系统的死 体积所带来的定量检测误差。

5)将获得的检测数据进行处理获得每支卷烟的烟气气相成分的含量。

本发明进行检测数据处理的方法为：对每一口卷烟烟气的在线检测数据进行积分计算获 得每支卷烟的烟气气相成分的含量，每支卷烟的烟气总体释放量由每口烟气的释放量加和得 到。

而每支卷烟每口烟气的释放量(ug)＝峰面积*V/12*分子量/24.2/1000

12：每支卷烟每口烟气的实际检测时间，单位为秒；

峰面积：12秒时间内目标化合物的体积浓度，单位为(毫升/米³)*时间

V：为每支卷烟每口烟气的实际4次总抽吸容量，单位(毫升)；

24.2：为22摄氏度时的气体摩尔体积(升)。

本发明采用20通道吸烟机与离子分子质谱相连接的检测系统对卷烟烟气气相成分在线 逐口定量检测的方法。一次检测可同时检测5支卷烟，对提高测试数据结果的稳定性更加有 利；在不改装现有吸烟机设备的状况下，消除了质谱仪与吸烟机连接处以及捕集器内的死体 积；本发明抽吸的烟气保证最“新鲜”，从烟气产生到检测完毕不超过9秒。

本发明对卷烟烟气气相成分中主要有害物质进行在线逐口分析与定量检测，建立起一个 快速可靠的全成分检测方法。采用本发明的检测方法可实现卷烟主流烟气中一氧化氮和1、 3-丁二烯、异戊二烯、苯、甲苯等挥发性有机物(VOCs)的实时、逐口测定，其日内和日 间的检测重复性好，无论逐口烟气的释放量检测还是整支烟的烟气的释放量检测的相对标准 偏差均小于15％，重复性较好，且本发明对每支烟卷烟的烟气释放量的检测结果与常规检测 方法的检测结果基本一致。

附图说明

图1离子分子质谱法卷烟烟气气相成分在线逐口检测系统示意图

图中，1、离子分子反应质谱(V&F公司生产)，2、烟气进样口，3a、惰性气体进样口， 3b、标气进样口，4、不锈钢毛细采样管(长1.5米，直径0.53毫米)5、采样管保温套，6、 三通电磁阀，7、Borgwaldt 20H吸烟机主机，8、烟支夹持器，9、卷烟，10、捕集器(内有 剑桥滤片)，11、捕集器与三通电磁阀之间的连接管道，12、至抽吸单元的连接管道。 图2离子分子质谱卷烟烟气中一氧化氮和主要挥发性有机成分在线逐口监测图

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不 用于限制本发明的保护范围。

实施例1

卷烟烟气气相成分中的一氧化氮和主要挥发性有机成分(包括1、3-丁二烯、异戊二烯、 苯、甲苯)的同时测定：

本实施例的离子分子质谱法在线逐口检测卷烟烟气的气相成分，包括采用20通道转盘 式吸烟机与离子分子质谱相连接的检测系统进行在线逐口定量检测卷烟烟气的气相成分。该 20通道转盘式吸烟机采用Borgwaldt 20H吸烟机；离子分子质谱采用奥地利V&F公司生产 的离子-分子反应质谱仪器。上述20通道转盘式吸烟机与离子分子质谱相连接的检测系统为 Borgwaldt 20H吸烟机与奥地利V&F公司生产的离子-分子反应质谱相连接的检测系统，其 示意图如图1所示，Borgwaldt 20H吸烟机为卷烟烟气产生装置，离子分子质谱为卷烟烟气 气相检测分析装置。具体检测方法包括如下步骤：

1)将20通道转盘式吸烟机预热20分钟以上，调整吸烟机的风速和抽吸容量；吸烟机 的风速调整为20厘米/秒，吸烟机的抽吸容量调整为35毫升。

2)打开离子分子质谱并预热48小时以上，预热后采用标准气体对所述分子离子质谱进 行定量校正。

3)将预热后的20通道转盘式吸烟机进行抽吸参数设定，包括：

A、装烟模式：采用手动法将5支卷烟分别装入吸烟机的5个通道内并采用烟支夹持器 夹好，其中相邻两支卷烟之间间隔3个通道；

B、卷烟的吸烟轮次为1次；每轮次抽吸5支卷烟；

C、1轮次卷烟的吸烟抽吸次数为20次；

D、卷烟烟气粒相捕集方式为逐口捕集方式。

4)采用在线逐口捕集方法进行卷烟烟气气相成分的定量检测：

A、先采用吸烟机的抽吸单元开始抽吸第一支卷烟的烟气，经抽吸的卷烟烟气经捕集器 内的剑桥滤片截留烟气粒相部分，烟气气相部分经捕集器与三通电磁阀之间的连接管道进入 三通电磁阀，依次经与三通电磁阀连接的不锈钢毛细采样管和与不锈钢毛细采样管连接的分 子离子质谱的烟气进样口进入分子离子质谱进行定量检测；

上述捕集器采用直径为44毫米的捕集器；所述捕集器与三通电磁阀之间的连接管道的 内径为3毫米，长度为2厘米。本发明为了尽量减少并消除检测系统的死体积(即卷烟烟支 末端至三通电磁阀之间的体积)，所以烟气粒相捕集器采用直径为44毫米的捕集器，连接管 路采用内径为3毫米、长度为2厘米的连接通道，可减少检测系统的死体积所带来的定量检 测误差。

B、按照步骤4)中A的方法依次抽吸第一支卷烟后的三个通道，并分别抽吸所述检测 系统的死体积中的残留烟气并送入离子分子质谱进行定量检测；上述检测系统的死体积是指 卷烟烟支末端至三通电磁阀之间的体积。

C、重复步骤4)中的A和B步骤分别对第2支、第3支、第4支、第5支卷烟进行定 量检测。

上述不锈钢毛细采样管外设有采样管保温套。本发明为了防止烟气的冷凝，分子离子质 谱的烟气进样口具有加热功能，可以采用加热部件对采样管进行加热，采样管外加保温套进 行保温。为了减少卷烟烟气粒相部分(焦油)对气相中部分物质的吸附效应，烟气粒相捕集 可采用逐口捕集的方法。

上述吸烟机的采样管温度为110℃；采样进样的压力为25mbar。

上述离子分子质谱的条件如下：

离子源：Hg；质谱分辨率：95；平滑：n＝15；分子离子质谱每口烟气的测定时间：10 毫秒；等待时间为1毫秒；电流强度为50毫安。本实施例根据被测目标物确定其定量离子： 一氧化氮：30、1、3-丁二烯：54、异戊二烯：68、苯：78、甲苯：92。

上述每轮次抽吸5支卷烟，利用每两支卷烟间的三次吸烟间隔进行空抽，将检测系统的 死体积中的少量残留烟气一并送入分子离子质谱进行检测。每支卷烟每口烟气实际上用了4 次抽吸，将4次抽吸的所有烟气送入分子离子质谱进行检测，极大的减少了检测系统的死体 积所带来的定量检测误差。

5)将获得的检测数据进行处理获得每支卷烟的烟气气相成分的含量。

本发明进行检测数据处理的方法为：对每一口卷烟烟气的在线检测数据进行积分计算， 每支卷烟的烟气总体释放量由每口烟气的释放量加和得到。

12：每支卷烟每口烟气的实际检测时间，单位为秒；

峰面积：12秒时间内目标化合物的体积浓度，单位为(毫升/米³)*时间

V：为每支卷烟每口烟气的实际4次总抽吸容量，单位(毫升)；

24.2：为22摄氏度时的气体摩尔体积(升)。

本实施例对卷烟烟气气相成分中主要存在的危害性物质进行在线逐口分析与定量检 测。主要是卷烟主流烟气中一氧化氮和1、3-丁二烯、异戊二烯、苯、甲苯等挥发性有机物 (VOCs)的实时、逐口测定。本实施例的离子分子质谱法检测卷烟烟气中一氧化氮和主要 挥发性有机成分的在线逐口监测图如图2所示。表1、表2分别为卷烟的日内和日间重复性 监测数据，其结果可知，无论逐口烟气的释放量检测还是整支烟的烟气的释放量检测的相 对标准偏差小于15％，由于在抽吸过程中卷烟燃烧速率存在差异，而当卷烟燃烧至接装纸 前某一固定距离时，转盘吸烟机的红外探头统一判定抽吸结束，因此导致最后一口(即第7 口)卷烟燃烧不完整，所以存在着一定的偏差；重复性较好。表3为与CORESTA共同实 验(常规方法)的检测结果比较，表4为标准卷烟2R4F逐口测试结果与Arista实验室测试 结果比较，从表3和表4中可以看出，本发明对每支烟卷烟的烟气释放量的测试方法的检 测结果与常规方法的检测结果基本一致。

表1日内相对标准偏差RSD(％)

  口数   一氧化氮   1，3-丁二烯   异戊二烯   苯   甲苯   第一口   6.54   4.83   4.23   5.48   4.97   第二口   12.03   1.81   1.37   1.35   0.08   第三口   5.04   4.23   5.77   2.99   1.92   第四口   12.42   5.32   6.55   4.24   1.82   第五口   5.40   0.93   2.28   0.34   0.22   第六口   6.04   2.04   2.5   2.07   4.6   第七口   25.66   11.01   14.24   11.98   38.48   总量   6.25   10.58   13.11   10.58   13.75

表2日间相对标准偏差RSD(％)

  口数   一氧化氮   1，3-丁二烯   异戊二烯   苯   甲苯   第一口   10.5   3.24   3.44   4.35   4.19   第二口   15.05   9.28   11.77   5.08   2.17   第三口   13.29   10.54   12.51   7.16   6.44   第四口   9.14   6.42   9.58   4.18   3.33   第五口   8.8   12.64   12.58   5.71   4.22   第六口   15.02   9.89   10.41   6.3   6.86   第七口   69.07   69.12   69.45   68.37   68.32   总量   4.67   5.13   5.3   3.31   2.22

表3与CORESTA共同实验(常规方法)检测结果比较

(下表3中的数据的相应单位为ug/支)

表4标准卷烟2R4F逐口测试结果与Arista实验室测试结果比较

实施例2

卷烟烟气气相成分中的一氧化氮和主要挥发性有机成分(包括1、3-丁二烯、异戊二烯、 苯、甲苯)的同时测定：

本实施例的离子分子质谱法在线逐口检测卷烟烟气的气相成分，包括采用20通道转盘 式吸烟机与离子分子质谱相连接的检测系统进行在线逐口定量检测卷烟烟气的气相成分。该 20通道转盘式吸烟机采用Borgwaldt 20H吸烟机；离子分子质谱采用奥地利V&F公司生产 的离子-分子反应质谱仪器。上述20通道转盘式吸烟机与离子分子质谱相连接的检测系统为 Borgwaldt 20H吸烟机与奥地利V&F公司生产的离子-分子反应质谱相连接的检测系统，其 示意图如图1所示，Borgwaldt 20H吸烟机为卷烟烟气产生装置，离子分子质谱为卷烟烟气 气相检测分析装置。具体检测方法包括如下步骤：

2)将20通道转盘式吸烟机预热20分钟以上，调整吸烟机的风速和抽吸容量；吸烟机 的风速调整为40厘米/秒，吸烟机的抽吸容量调整为50毫升。

2)打开离子分子质谱并预热48小时以上，预热后采用标准气体对所述分子离子质谱进 行定量校正。

4)将预热后的20通道转盘式吸烟机进行抽吸参数设定，包括：

A、装烟模式：采用手动法将5支卷烟分别装入吸烟机的5个通道内并采用烟支夹持器 夹好，其中相邻两支卷烟之间间隔3个通道；

B、卷烟的吸烟轮次为1次；每轮次抽吸5支卷烟；

C、1轮次卷烟的吸烟抽吸次数为20次；

D、卷烟烟气粒相捕集方式为逐口捕集方式。

4)采用在线逐口捕集方法进行卷烟烟气气相成分的定量检测：

A、先采用吸烟机的抽吸单元开始抽吸第一支卷烟的烟气，经抽吸的卷烟烟气经捕集器 内的剑桥滤片截留烟气粒相部分，烟气气相部分经捕集器与三通电磁阀之间的连接管道进入 三通电磁阀，依次经与三通电磁阀连接的不锈钢毛细采样管和与不锈钢毛细采样管连接的分 子离子质谱的烟气进样口进入分子离子质谱进行定量检测；

上述捕集器采用直径为44毫米的捕集器；所述捕集器与三通电磁阀之间的连接管道的 内径为3毫米，长度为2厘米。本发明为了尽量减少并消除检测系统的死体积(即卷烟烟支 末端至三通电磁阀之间的体积)，所以烟气粒相捕集器采用直径为44毫米的捕集器，连接管 路采用内径为3毫米、长度为2厘米的连接通道，可减少检测系统的死体积所带来的定量检 测误差。

B、按照步骤4)中A的方法依次抽吸第一支卷烟后的三个通道，并分别抽吸所述检测 系统的死体积中的残留烟气并送入离子分子质谱进行定量检测；上述检测系统的死体积是指 卷烟烟支末端至三通电磁阀之间的体积。

C、重复步骤4)中的A和B步骤分别对第2支、第3支、第4支、第5支卷烟进行定 量检测。

上述不锈钢毛细采样管外设有采样管保温套。本发明为了防止烟气的冷凝，分子离子质 谱的烟气进样口具有加热功能，可以采用加热部件对采样管进行加热，采样管外加保温套进 行保温。为了减少卷烟烟气粒相部分(焦油)对气相中部分物质的吸附效应，烟气粒相捕集 可采用逐口捕集的方法。

上述吸烟机的采样管温度为110℃；采样进样的压力为25mbar。

上述离子分子质谱的条件如下：

离子源：Hg；质谱分辨率：85；平滑：n＝15；分子离子质谱每口烟气的测定时间：50 毫秒；等待时间为5毫秒；电流强度为80毫安。本实施例根据被测目标物确定其定量离子： 一氧化氮：30、1、3-丁二烯：54、异戊二烯：68、苯：78、甲苯：92。

上述每轮次抽吸5支卷烟，利用每两支卷烟间的三次吸烟间隔进行空抽，将检测系统的 死体积中的少量残留烟气一并送入分子离子质谱进行检测。每支卷烟每口烟气实际上用了4 次抽吸，将4次抽吸的所有烟气送入分子离子质谱进行检测，极大的减少了检测系统的死体 积所带来的定量检测误差。

5)将获得的检测数据进行处理获得每支卷烟的烟气气相成分的含量。

本发明进行检测数据处理的方法为：对每一口卷烟烟气的在线检测数据进行积分计算， 每支卷烟的烟气总体释放量由每口烟气的释放量加和得到。

12：每支卷烟每口烟气的实际检测时间，单位为秒；

峰面积：12秒时间内目标化合物的体积浓度，单位为(毫升/米³)*时间

V：为每支卷烟每口烟气的实际4次总抽吸容量，单位(毫升)；

24.2：为22摄氏度时的气体摩尔体积(升)。

本实施例对卷烟烟气气相成分中主要存在的危害性物质进行在线逐口分析与定量检 测。主要是卷烟主流烟气中一氧化氮和1、3-丁二烯、异戊二烯、苯、甲苯等挥发性有机物 (VOCs)的实时、逐口测定。从本实施例的离子分子质谱法检测卷烟烟气中一氧化氮和主 要挥发性有机成分的在线逐口监测图和卷烟的日内和日间重复性监测数据的结果可知，无 论逐口烟气的释放量检测还是整支烟的烟气的释放量检测的相对标准偏差小于15％；重复 性较好。本实施例与CORESTA共同实验(常规方法)的检测结果比较以及本实施例的标 准卷烟2R4F逐口测试结果与Arista实验室测试结果比较，可以看出，本发明对每支烟卷烟 的烟气释放量的测试方法的检测结果与常规方法的检测结果基本一致。