室內環保吸煙室中抽吸卷煙對周圍空氣質量的影響

余晶晶，趙俊偉，王 昇，華辰鳳，丁美宙，王 冰，趙曉東，孫學輝，王宜鵬，聶 聰，謝復煒*

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2 號 450001 2.河南中煙工業有限責任公司技術中心，鄭州經濟技術開發區第三大街8 號 450016

環境煙草煙氣（Environmental tobacco smoke，ETS）由吸煙者呼出的主流煙氣和側流煙氣組成，是一類重要的室內空氣污染物，已被列為人類致癌物［1］。有報道稱非吸煙者暴露于ETS 環境中會增加患多種疾病的風險，如肺癌、心血管疾病和呼吸道疾病等［2-6］。ETS 中包含多種空氣污染物，如PM2.5［7-8］、CO［9］、氮氧化物［10］、揮發性有機物（Volatile organic compounds，VOCs）［11-12］和甲醛［13］等，這些污染物的濃度是評價室內空氣質量的重要指標。然而，由于室內空氣中存在多種污染源，在采用這些指標評估吸煙對室內空氣質量的影響時存在背景干擾。煙堿［14-15］、3-乙烯基吡啶［16］和茄尼醇［17］等化合物基本上僅在ETS 中存在，且與ETS 中其他化合物具有較為恒定的比例關系，常作為ETS 標志物用于評價ETS 對室內空氣質量的影響［18-19］。

為倡導文明吸煙，保障控煙政策的有效實施，在政策允許的前提下，可設立吸煙點、吸煙區和吸煙室等不同類型的吸煙場所。由于吸煙室通常設置在室內，因此在社會各界引起了不小的爭議。然而，國外很多研究均證明具有煙霧凈化系統且通風良好的環保吸煙室能有效凈化ETS，從而減少“二手煙”的危害，如Wagner等［20］研究表明當吸煙室與非吸煙區之間保持負壓且采用滑動門時，可顯著降低吸煙室開關門時ETS 的外溢問題；Wan 等［21］研究表明吸煙室采用直接排風及雙門廳設計、保持至少5 Pa 的負壓或新風量高于普通辦公室3～5 倍時，均能有效減少ETS 的外溢問題；Jung 等［22］研究表明采用空氣凈化器后ETS 顆粒物濃度呈指數衰減，且30 min 內降低率達90.00%；Kim 等［23］研究表明負載MnOx/TiO2催化劑的吸煙室濾網可降解ETS 中的VOCs和醛類物質，其中，總揮發性有機物（Total volatile organic compound，TVOC）和乙醛的降解率分別為80%和70%。然而，目前國內暫無相關研究報道。為客觀評價在室內環保吸煙室中抽吸卷煙對周圍空氣質量的影響，本研究中建立了卷煙ETS 污染物分析方法體系，包括13種空氣質量指標［PM2.5、PM10、CO、NO、NO2、總氮氧化物（NOx）、苯、甲苯、鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯、TVOC、甲醛］和3 種ETS 標志物指標（煙堿、3-乙烯基吡啶、茄尼醇），系統全面地研究了室內環保吸煙室在不同空氣交換率（低、中、高）下，抽吸卷煙對吸煙室中、出風口處、門口處、門外1 m處、門外3 m 處及非吸煙區空氣質量的影響，旨在為推進“創建文明吸煙環境”工作提供科學的數據支撐。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

國內卷煙1種（烤煙型，盒標焦油量11 mg）。

甲醇、乙腈（HPLC級，美國Merck公司）；二氯甲烷（LC 級）、甲醛2，4-二硝基苯腙（＞97%）（美國Supelco 公司）；異丙醇（99.9%，韓國Duksan Pure Chemicals公司）；實驗用水為GB/T 6682規定的一級水（電導率≤0.01 mS/m，25 ℃）；冰乙酸（≥99.5%）、硫酸（95%～98%）（上海滬試化工有限公司）；鹽酸羥胺（99.9%）、N-（1-萘基）乙二胺鹽酸鹽（＞98.0%，鹽酸萘乙二胺）、高錳酸鉀（≥99.5%）、亞硝酸鈉（99.999%）、對氨基苯磺酸（99.5%）［阿拉丁試劑（上海）有限公司］；VOCs標樣為符合文獻［24］中規定的22 種VOCs 混標甲醇溶液，其質量濃度均為1 000 mg/L（壇墨質檢標準物質中心）；煙堿（＞99%）、3-乙烯基吡啶（96.0%）（上海安譜實驗科技股份有限公司）；2-甲基喹啉（＞98.0%）、茄尼醇（＞90%）（美國Sigma公司）。

Markers C3-AAXX-5266 熱脫附采樣管（填料為Tenax TA、Carbogrph 1TD、Carboxen 1003）、Agilent C-UN010C 冷阱（美國Agilent 公司）；DNPH采樣管（1 000 mg/支）、KI140臭氧去除柱（天津博納艾杰爾科技有限公司）；XAD-4采樣管（80/40 mg，美國Supelco 公司）；劍橋濾片（直徑44 mm，德國Borgwaldt公司）；有機相濾膜（孔徑0.45 μm，上海安譜實驗科技股份有限公司）；8533 DustTrakTM DRX粉塵測定儀（美國TSI 公司）；48i CO 紅外線氣體分析器（美國Thermo Fisher 公司）；Gary100 分光光度儀、Markers Ultra series 2 TD 熱脫附儀-7890A GC-5975C MS 儀（TD-GC-MS）、7890 GC-5975MS儀、1200 HPLC-DAD 儀（美國Agilent 公司）；KQ-700DE 數控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；ADV 230V 數顯型多管旋渦混合器（美國Talboys 公司）；CP2245 電子天平（感量0.000 1 g，德國Sartorius公司）。

格瑞寧E400室內環保吸煙室（上海富良環?？萍加邢薰荆?，外形尺寸：長×寬×高=4.21 m×1.59 m×2.15 m，含有2 個凈化主機箱，2 個自熄式煙灰桶，配有自動門。濾網配置：包含5層強效過濾網，分別為GRL/S-P1預過濾網、GRL/S-C2定向活性炭過濾網、GRL/S-C3 定向活性炭過濾網、GRL/S-H4 醫用HEPA過濾網和GRL/S-C5定向活性炭過濾網。

1.2 方法

1.2.1 實驗方案

志愿者招募：招募志愿者4 人，要求年齡在18～60周歲之間，已持續抽吸卷煙6月以上，每天抽吸卷煙15支以上；無嚴重心血管、呼吸系統及其他嚴重疾??；能按照實驗要求抽吸卷煙。志愿者均需簽署研究知情同意書。

抽吸卷煙環境：室內環保吸煙室，在不同空氣交換率（低、中、高）下進行抽吸卷煙實驗。室內環保吸煙室風機不開時認為是低空氣交換率，濾網進風口處風速為1.5 m/s時為中空氣交換率，濾網進風口處風速為3.0 m/s時為高空氣交換率。

抽吸方案：參考PMI 公司評價消費煙草及煙草制品對環境空氣影響的抽煙方案［25］抽吸卷煙。0 min 時，志愿者1 和2 進入吸煙室中各抽吸第1 支卷煙；15 min 時，志愿者1 和2 離開吸煙室，志愿者3和4 進入吸煙室中各抽吸第1 支卷煙；30 min 時，志愿者3 和4 離開吸煙室，志愿者1 和2 進入吸煙室中各抽吸第2支卷煙；45 min時，志愿者1和2離開吸煙室，志愿者3和4進入吸煙室中各抽吸第2支卷煙，依次循環，抽吸卷煙實驗持續5 h。每小時共抽吸8 支卷煙。

采樣方案［24］：抽吸卷煙實驗持續1 h 后開始采樣，采樣點（除出風口處外）距離地面高度1.0～1.5 m。室內環保吸煙室共設置6個采樣點，分別為吸煙室中（1#）、出風口處（2#）、門口處（3#）、門外1 m處（4#）、門外3 m處（5#）和非吸煙區（6#）。

1.2.2 分析方法

PM2.5和PM10：依據文獻［26］中的方法，采用符合標準規定的粉塵測定儀對空氣中的PM2.5和PM10在線連續監測4 h，計算平均濃度。

CO：依據文獻［27］中的方法，采用便攜式紅外線CO分析儀對空氣中的CO在線連續監測4 h，計算平均濃度。

氮氧化物：依據文獻［28］中的方法，采用鹽酸萘乙二胺分光光度法測定空氣中NO、NO2、NOx的濃度?？諝獠蓸颖昧髁繛?.4 L/min，采樣時間為60 min。采樣結束后，采用分光光度儀分析吸收液。

苯、甲苯、二甲苯和TVOC：參照文獻［24］中的方法，并對其進行優化。采用熱脫附采樣管采集空氣樣品，空氣采樣泵流量為0.1 L/min，采樣時間為60 min。采樣結束后，將熱脫附采樣管置于TDGC-MS儀上進行分析。分析條件：

載氣：氮氣；熱脫附采樣管溫度：325 ℃（3 min）；分流比：40 ∶1；冷阱預吹時間：2 min；氣體流速：40 mL/min；低溫：25 ℃；高溫：280 ℃，脫附時高溫保持3 min。色譜柱：Agilent DB-5MS 毛細管柱（60 m×250 μm×1 μm）；載氣：氦氣，流速1.2 mL/min；程序升溫條件：50 ℃（10 min）150 ℃（0 min）250 ℃（5 min）；總運行時間：45 min；溶劑延遲：5 min；監測模式：全掃描（35～270 amu）和選擇離子掃描（SIM）同時進行；離子化能量：70 eV；傳輸線溫度：280 ℃。目標物的質譜參數如表1所示。

表1 目標化合物的質譜分析參數Tab.1 MS parameters of target compounds

甲醛：依據文獻［24］中的方法，采用DNPH采樣管采集空氣樣品?？諝獠蓸颖昧髁繛?.8 L/min，采樣時間為125 min。采樣結束后，用5 mL 乙腈淋洗DNPH小柱，收集洗脫液并定容至5 mL，進行HPLCDAD分析。

煙堿、3-乙烯基吡啶：在文獻［29］中方法的基礎上，建立了ETS 中煙堿、3-乙烯基吡啶的GC-MS 分析方法。將XAD-4采樣管連接到空氣采樣泵上，采集空氣樣品?？諝獠蓸颖昧髁繛?.0 L/min，采樣時間為90 min。采樣結束后，將采樣管中填料轉移至2 mL 的色譜瓶中，棄去所有玻璃纖維，加入50 μL 2-甲基喹啉內標溶液和1 mL異丙醇-二氯甲烷混合溶劑（V異丙醇∶V二氯甲烷=1∶1），超聲萃取30 min。萃取液過有機相濾膜后進行GC-MS分析。分析條件：

色譜柱：DB-ALC1 毛細管柱（30 m×320 μm×1.8 μm）；載氣：氦氣，流速1.2 mL/min，不分流進樣；程序升溫條件：50 ℃（3 min）220 ℃（5 min）；總運行時間：25 min；溶劑延遲：6.5 min；監測模式：全掃描（50～350 amu）和選擇離子掃描（SIM）同時進行；離子化能量：70 eV；傳輸線溫度220 ℃。各目標物的質譜參數見表1。

茄尼醇：在文獻［30］中方法的基礎上，建立利用HPLC-DAD 儀分析ETS 中茄尼醇的方法。用劍橋濾片采集空氣樣品。采樣泵流量為3.0 L/min，采樣時間為120 min。采樣結束后，用5 mL 甲醇渦旋萃取劍橋濾片10 min，將萃取液過有機相濾膜，進行HPLC-DAD分析。分析條件：

色譜柱：Waters XBridge C18柱（4.6 m×75 mm，3.5 μm）；流動相：甲醇；流速：1.0 mL/min，等度洗脫；柱溫箱溫度：25 ℃；進樣量：10 μL；檢測波長：210 nm；運行時間：12 min。

2 結果與討論

2.1 空氣污染物分析方法性能

為全面客觀地評價室內環保吸煙室中抽吸卷煙對周圍空氣質量的影響，建立了卷煙ETS 污染物分析方法體系。本研究中的測試共涉及7類分析方法，分別為2類測定PM2.5/PM10和CO的在線監測方法以及5類測定氮氧化物、VOCs/TVOC、甲醛、煙堿/3-乙烯基吡啶、茄尼醇的離線分析方法。

為考察所采用的分析方法對卷煙ETS 的適用性，對5 類離線分析方法的性能，如標準曲線、回收率、精密度（以RSD表示）及檢出限進行評價，結果如表2所示。由于間二甲苯和對二甲苯的色譜峰未實現基線分離，故將二者合并計算。由表2可知，所有離線測試指標標準曲線線性關系良好（r2≥0.999 0），回收率在78.00%～108.00%之間，日內RSD 及日間RSD 均小于10%，檢出限均小于等于0.98 μg/m3，能滿足卷煙ETS污染物定量分析的要求。

表2 采用離線分析方法所測化合物的標準曲線、回收率、精密度及檢出限Tab.2 Calibration curves，recoveries，precisions and LODs of target compounds obtained by offline analytical methods

2.2 室內環保吸煙室的平均空氣交換率

由于室內空氣污染物濃度水平與室內空氣交換率存在直接聯系，因此，依據文獻［31］中的方法，測定了室內環保吸煙室在低、中、高3種不同條件下的空氣交換率。當志愿者在室內環保吸煙室中抽吸卷煙時，采用在線CO分析儀監測室內CO濃度。待抽吸卷煙結束后，由于室內外空氣交換，使室內CO 濃度呈指數衰減，根據濃度隨時間的變化關系，依據公式（1）計算平均空氣交換率［31］。

式中，A為平均空氣交換率，h-1；C0為抽吸卷煙結束時CO 的質量濃度，mg/m3；Ct為抽吸卷煙結束后CO 衰減到穩定狀態時的質量濃度，mg/m3；t為從抽吸卷煙結束到CO衰減達到穩定狀態時的時間，h。

實驗結果表明，室內環保吸煙室在低、中、高3種不同條件下的空氣交換率分別為0.87、5.51、11.13 h-1?？梢?，室內環保吸煙室風機不開時空氣交換率較低，而中空氣交換率約為高空氣交換率的1/2。

2.3 室內環保吸煙室中抽吸卷煙對周圍空氣質量的影響

為研究室內環保吸煙室中抽吸卷煙對周圍空氣質量的影響，先后將室內環保吸煙室設置為低、中、高3 種不同的空氣交換率，分別按照1.2.1 節中的抽吸方案組織志愿者抽吸卷煙，并按照采樣方案采集吸煙室中、出風口處、門口處、門外1 m 處、門外3 m處及非吸煙區的空氣樣品，采用所建立的卷煙ETS污染物分析方法體系測定污染物濃度。實驗前對室內環保吸煙室進行維修保養，并更換濾網，同時保證自動門正常使用，減少ETS 外溢。從空氣質量指標和ETS標志物兩個方面研究室內環保吸煙室中抽吸卷煙對周圍空氣質量的影響。

2.3.1 空氣質量指標

室內環保吸煙室為低、中、高空氣交換率情況下，抽吸卷煙時周圍空氣中CO、PM2.5等13個空氣質量指標的濃度如圖1所示。由于室內存在多種污染源，故在非吸煙區（6#采樣點）空氣中也能檢測到CO、PM2.5等13種空氣污染物。

圖1 低、中、高空氣交換率條件下抽吸卷煙時空氣中CO、PM2.5等空氣質量指標的濃度Fig.1 Influences of cigarette smoking on concentrations of air quality indexes（CO，PM2.5，etc.）at low，medium and high air exchange rates

當室內環保吸煙室為低空氣交換率時，由圖1可知，室內CO、PM2.5等13個空氣質量指標的濃度均為最高，出風口處、門口處、門外1 m處、門外3 m處濃度均高于非吸煙區，且大多數指標隨離吸煙室距離的增加呈降低趨勢，說明當室內環保吸煙室風機不開時，抽吸卷煙會引起吸煙室中CO、PM2.5等13種空氣污染物濃度顯著增加。除此之外，PM2.5、PM10和苯在1#～5#采樣點處濃度均超過室內限量值（分別為≤50 μg/m3、≤100 μg/m3、≤30 μg/m3）［25］，其中，吸煙室中這3個指標濃度遠超過室內限量值；甲苯、二甲苯（間/對二甲苯和鄰二甲苯的濃度之和）和甲醛僅在吸煙室中的濃度超過室內限量值（分別為≤200 μg/m3、≤200 μg/m3、≤80 μg/m3）［25］；TVOC在吸煙室中和門口處濃度超過室內限量值（≤0.6×103μg/m3）［25］；CO、NO2在所有采樣點處均低于室內限量值（分別為≤10 mg/m3、≤200 μg/m3）［25］。需要說明的是，文獻［25］中沒有NO和NOx的室內空氣限量值。

當室內環保吸煙室為中、高空氣交換率時，由圖1 可知，所有采樣點處PM2.5、PM10等（除CO 外）12 個空氣質量指標的濃度均顯著降低，CO僅在吸煙室中的濃度顯著降低，其他采樣點處濃度降低不明顯。所有空氣質量指標的濃度在所有采樣點處均低于室內空氣限量值。大多數空氣質量指標在吸煙室中的濃度略高于非吸煙區，出風口處濃度低于或接近非吸煙區，其他采樣點處濃度與非吸煙區接近。但CO在出風口處和室外采樣點處的濃度仍略高于非吸煙區，這可能與環保吸煙室濾網材料對CO的凈化效果有限相關。

采用吸煙室中空氣污染物的降低率評價環保吸煙室濾網材料對CO、PM2.5等13 種空氣污染物的凈化效果，室內空氣污染物的降低率按照公式（2）計算，結果如表3所示。

表3 室內環保吸煙室中、高空氣交換率時室內空氣污染物降低率Tab.3 Reduction rates of indoor air pollutants in environmentally friendly smoking room at medium and high air exchange rates（%）

式中，R為室內空氣污染物的降低率，%；C1#，低為低空氣交換率時吸煙室中污染物的質量濃度，μg/m3或mg/m3；C空白為低空氣交換率時非吸煙區污染物的質量濃度，μg/m3或mg/m3；C1#，中或高為中或高空氣交換率時吸煙室中污染物的質量濃度，μg/m3或mg/m3；C'空白為中或高空氣交換率時非吸煙區污染物的質量濃度，μg/m3或mg/m3。

由表3可知，在中、高空氣交換率時，室內環保吸煙室中，除CO降低率約為77.00%外，其他12種空氣質量指標的降低率均大于等于94.51%。中空氣交換率時，NO2、NO 和NOx的降低率甚至達到100.00%?？梢?，室內環保吸煙室在中、高空氣交換率的條件下能有效凈化卷煙ETS中大部分空氣污染物，但對CO的凈化效果有限，需要進一步改進。

2.3.2 ETS標志物

在低、中、高空氣交換率下抽吸卷煙時，周圍空氣中卷煙ETS 標志物的濃度如圖2 所示。由圖2 可知，低空氣交換率時，吸煙室中煙堿、3-乙烯基吡啶和茄尼醇的濃度最高，出風口、門口、門外1 m、門外3 m 處均能檢測到煙堿、茄尼醇，門口、門外1 m、門外3 m能檢測到3-乙烯基吡啶。這說明卷煙ETS外溢到吸煙室外，對周圍空氣造成污染。由于煙堿、3-乙烯基吡啶和茄尼醇主要來源于煙草，故在非吸煙區空氣中未檢出這3種卷煙ETS標志物。

圖2 低、中、高空氣交換率條件下抽吸卷煙時空氣中ETS標志物的濃度Fig.2 Influences of cigarette smoking on concentrations of ETS markers at low，medium and high air exchange rates

當室內環保吸煙室為中、高空氣交換率時，所有采樣點3 種卷煙ETS 標志物濃度均顯著降低，且均未檢出茄尼醇，其原因可能是茄尼醇存在于ETS 粒相物中，當室內環保吸煙室為中、高空氣交換率時，ETS 粒相物迅速被濾網凈化。在中、高空氣交換率時，僅吸煙室中能檢測到煙堿和3-乙烯基吡啶，其他采樣點均未檢出。室內環保吸煙室中3 種卷煙ETS標志物的降低率如表3 所示。由表3 可知，在中、高空氣交換率下，煙堿、3-乙烯基吡啶降低率均大于等于93.00%，茄尼醇降低率為100.00%。

綜上所述，在室內環保吸煙室正常維護保養情況下，無論是中空氣交換率還是高空氣交換率條件下，吸煙室中、出風口、門口、門外1 m、門外3 m處空氣中CO、PM2.5等13種空氣質量指標和3種卷煙ETS標志物濃度均顯著降低，表明室內環保吸煙室的煙霧凈化系統能有效降低“二手煙”的濃度，即在室內環保吸煙室中抽吸卷煙對周圍空氣質量影響較小。但本研究中室內環保吸煙室的濾網材料對CO 的凈化效果有限，需要對濾網系統進一步改進。

3 結論

（1）建立了卷煙ETS污染物分析方法體系，涵蓋13 種空氣質量指標，包括PM2.5、PM10、CO、NO、NO2、NOx、苯、甲苯、鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯、TVOC 和甲醛以及3 種ETS 標志物（煙堿、3-乙烯基吡啶、茄尼醇），對離線分析方法性能進行了考察，結果表明方法分析性能良好。

（2）與風機不開（低空氣交換率）相比，當室內環保吸煙室為中、高空氣交換率時，CO、PM2.5等13 種空氣質量指標的濃度均顯著降低，所有采樣點處空氣質量指標濃度均低于室內空氣限量值；除CO（降低率約為77.00%）外，室內環保吸煙室中其他12 種空氣質量指標的降低率均大于等于94.51%。

（3）在中、高空氣交換率時，所有采樣點3種卷煙ETS標志物濃度均顯著降低，且均未檢出茄尼醇，僅吸煙室中能檢測到煙堿和3-乙烯基吡啶；室內環保吸煙室中，煙堿和3-乙烯基吡啶降低率均大于等于93.00%，茄尼醇降低率為100.00%。

（4）在室內環保吸煙室正常維護保養情況下，抽吸卷煙對周圍空氣質量影響較小。