崔华鹏，李雅雯，陈 黎，樊美娟，刘绍锋，谢复炜*，罗诚浩，黄 龙，陈义坤*

1. 中国烟草总公司郑州烟草研究院, 郑州高新技术产业开发区枫杨街2 号 450001

2. 湖北中烟工业有限责任公司技术中心，武汉市东西湖区金山大道1355 号 430040

卷烟、加热卷烟和电子烟均是通过人体抽吸过程产生烟气气溶胶，并进入呼吸道，最后经口鼻呼出。烟气气溶胶在抽吸过程中会在人体呼吸道，如口腔、气管支气管、肺部等部位发生沉降，被认为是由吸烟引起健康风险的重要途径［1-2］。卷烟燃烧释放的烟气中，除香味成分外，还含有一定的有害成分，关于吸烟有害健康的问题已有较为系统的研究报道［3-4］。近年来，加热卷烟和电子烟作为新兴的烟草制品，得到了快速发展［5-6］。然而，人体抽吸烟草制品的健康风险，不仅与有害成分有关，更与烟气气溶胶在人体呼吸道的沉降有关［7］。为此，已有一些研究考察了烟草制品烟气气溶胶的呼吸道沉降［8-10］。Zhang等［9］研究了卷烟烟气气溶胶在人体上呼吸道的沉降。Sosnowski 等［10］基于多路径粒子剂量模型（Multiple path particle dosimetry model，MPPD），模拟研究了电子烟气溶胶在人体肺部的沉降规律。研究烟气气溶胶在人体呼吸道的沉降，需要基于气溶胶的粒径分布数据和人体呼吸道沉降模型［7］。李雅雯等［11-12］基于吸烟循环模拟机-快速粒径谱仪（Smoking cycle simulator-differential mobility spectrometer,SCS-DMS），采用特定抽吸模式，对卷烟、加热卷烟和电子烟气溶胶粒径分布和粒数浓度进行测定，并利用MPPD 模拟研究了3 类烟草制品烟气气溶胶在人体呼吸道的沉降行为。然而，上述相关的烟气气溶胶呼吸道沉降研究，均采用特定抽吸模式对样品进行抽吸，并假定烟气气溶胶在人体吸入和呼出过程中的粒径分布保持不变，其模拟过程与实际有较大的偏差。一方面，烟气气溶胶粒径分布受消费者抽吸行为的影响较大，已有研究显示不同抽吸者的抽吸行为存在较大差异［13-14］；另一方面，烟气气溶胶在呼吸道运动过程中，其粒径分布会因吸湿增长作用而发生变化［15-16］。因此，为了更真实地反映烟气气溶胶在人体呼吸道的沉降，本研究中建立了人体实际抽吸卷烟、加热卷烟和电子烟等烟草制品的烟气气溶胶表征方法，得到了人体吸入和呼出烟气气溶胶的粒径分布和粒径增长因子，在对MPPD 模型进行修正的基础上，模拟研究了3 类烟草制品烟气气溶胶在人体呼吸道的沉降特征，旨在为烟草制品烟气气溶胶的风险评估提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

SCS 吸烟循环模拟机-DMS500 快速粒径谱仪（SCS-DMS, 英国Cambustion公司）；MPPD模型（美国Applied Research Associates公司）；CReSS吸烟行为记录仪（德国Borgwaldt KC公司）。

卷烟样品为3R4F 参比卷烟（美国Kentucky 大学）；加热卷烟样品为Marlboro 加热卷烟，配套iQOS 2.4 加热器具（菲莫国际烟草公司）；电子烟为MARK TEN一次性电子烟产品（美国Altria公司）。

1.2 方法

1.2.1 吸入和呼出烟气气溶胶的表征方法

利用SCS-DMS 测试由3 名志愿者分别抽吸卷烟、加热卷烟和电子烟的吸入和呼出烟气气溶胶的粒径分布，测试方法参见文献［12］：①志愿者通过吸烟行为记录仪抽吸实验样品［17］，呼出的烟气气溶胶经采样口被引入至SCS-DMS，完成呼出烟气气溶胶的粒径分布表征；②如图1所示，将吸烟行为记录仪的抽吸行为数据导出，数据重构后，导入并设定为SCS 的抽吸曲线（志愿者抽吸曲线）；③基于SCS 抽吸曲线对实验样品进行抽吸，烟气气溶胶被直接引入DMS，完成吸入烟气气溶胶的粒径分布表征。

图1 志愿者吸入的烟气气溶胶的表征示意图Fig.1 Schematic diagram for characterization of aerosol inhaled by volunteers

1.2.2 基于MPPD的气溶胶沉降模拟方法

根据文献［18］的报道，设定气溶胶的粒径增长在呼吸道运动过程中与时间正相关。根据吸烟行为记录仪数据，得到每个志愿者抽吸时的吸入时间，设定停留时间为1 s，呼出时间与吸入时间一致。因此，根据吸入和呼出烟气气溶胶的粒径分布，可得到烟气气溶胶在依次经过口腔、气管支气管、肺部的粒径分布，对MPPD模型进行修正，以模拟气溶胶在呼吸道不同部位的沉降。选取MPPD 的随机肺模型，肺部尺寸选取第60个百分位点，其他参数详见文献［12］。模拟计算时，需要将DMS测定的电迁移气溶胶粒径分布转换为MPPD需要的空气动力学粒径［12］。

2 结果与讨论

2.1 人体吸入和呼出烟气气溶胶的粒径分布表征

志愿者抽吸卷烟、加热卷烟和电子烟的吸入和呼出烟气气溶胶的粒径分布如图2所示。整体上，3类样品的烟气气溶胶的粒径分布均呈现出近似对数正态分布的趋势，气溶胶粒径为卷烟＞加热卷烟＞电子烟。志愿者抽吸3类样品时，呼出烟气气溶胶粒径分布相较于吸入时均向粒径增大方向偏移，即呼出烟气气溶胶的粒径大于吸入烟气气溶胶。原因是烟气气溶胶在人体呼吸道内运动时，由于存在大量水分，气溶胶会吸收水分使其粒径增大，即发生吸湿增长［15-16］。

图2 志愿者吸入和呼出烟气气溶胶的粒径分布Fig.2 Aerosol particle size distribution of inhaled and exhaled aerosol by volunteers

志愿者吸入和呼出烟气气溶胶的粒数中值粒径如表1所示，其他条件一定时，呼出烟气气溶胶的粒数中值粒径均大于吸入烟气气溶胶，卷烟、加热卷烟和电子烟的烟气气溶胶吸入呼出粒径增长因子分别为1.25～1.40、1.52～2.03 和1.44～2.43，与已有卷烟的研究结果一致［19］。加热卷烟和电子烟的吸入呼出气溶胶增长因子明显高于卷烟，可能是因为加热卷烟和电子烟的气溶胶中含有大量甘油，甘油的强吸水性使气溶胶在呼吸道的吸湿增长作用更加明显，从而增大了呼出气溶胶的粒径。

表1 志愿者吸入和呼出烟气气溶胶的粒数中值粒径及增长因子Tab.1 Size CMDs and growth factors of aerosol in inhaled and exhaled aerosol by volunteers

2.2 烟气气溶胶在人体呼吸道的沉降

人体的呼吸道可以分为口腔、气管支气管和肺部。采用MPPD模型，对卷烟、加热卷烟和电子烟的烟气气溶胶在人体呼吸道不同部位的沉降进行计算模拟。如图3所示，3类样品的烟气气溶胶在各部位的沉降系数总体上均呈现出口腔＜气管支气管＜肺部的规律，口腔的气溶胶沉降量占呼吸道总沉降量的5%左右，气管支气管的气溶胶沉降量占30%，肺部的气溶胶沉降量约占60%。3类样品之间，呼吸道各部位的沉降系数均为卷烟＜加热卷烟＜电子烟，卷烟烟气气溶胶在口腔、气管支气管和肺部的沉降系数分别为0.011、0.062和0.141，加热卷烟烟气气溶胶在口腔、气管支气管和肺部的沉降系数分别为0.013、0.083 和0.214，电子烟气溶胶在口腔、气管支气管和肺部的沉降系数分别为0.015、0.149 和0.335。结果表明，在所考察的粒径范围内，烟气气溶胶的粒径越小，其在人体呼吸道的沉降作用越明显。该结论与文献［10，12］报道相一致。

图3 烟气气溶胶在人体呼吸道不同部位的沉降系数Fig.3 Deposition coefficient of aerosol in different parts of human respiratory tract

2.3 烟气气溶胶在人体肺部肺叶的沉降

采用MPPD模型，对卷烟、加热卷烟和电子烟的烟气气溶胶在人体肺部肺叶的沉降进行计算模拟。如图4 所示，3 类样品之间，各肺部肺叶的沉降系数均呈现出卷烟＜加热卷烟＜电子烟的规律。电子烟气溶胶在左上、左下、右上、右中和右下肺叶的沉降系数分别为0.055、0.100、0.112、0.054 和0.128，是加热卷烟烟气气溶胶各肺叶沉降系数的1.67～1.70 倍，是卷烟烟气气溶胶各肺叶沉降系数的2.32～2.40 倍。3 类样品的烟气气溶胶在不同肺叶的沉降系数总体均为左上、右中＜左下＜右上＜右下，右下肺叶的沉降系数最高，左下肺叶、右上肺叶、右下肺叶的沉降系数占肺叶总沉降系数的75%左右。该趋势主要与气溶胶在肺叶中的运动路径有关，其中，气溶胶在右下肺叶的运动路径较长，停留时间较久，故沉降系数较高［12］。

图4 烟气气溶胶在肺部不同肺叶的沉降系数Fig.4 Deposition coefficient of aerosol in different lung lobes

2.4 烟气气溶胶在人体肺部气管的沉降

肺是以支气管反复分支形成的支气管树为基础构成的，肺中的支气管经多次反复分枝成无数细支气管，并在末端膨大成囊状，形成肺泡［20］。采用MPPD 模型，对烟气气溶胶在人体肺部不同级数气管的沉降进行模拟，结果如图5所示。可见，整体上，卷烟、加热卷烟和电子烟的烟气气溶胶在不同级数气管的沉降规律较为一致，其沉降系数均随气管级数的增加呈现出先增加后降低的趋势；烟气气溶胶的最大沉降系数发生在第19～22级气管，最大沉降系数所在气管的级数在各肺叶有所差异；3 类样品之间，各级数气管的沉降系数均呈现出卷烟＜加热卷烟＜电子烟的规律。

图5 烟气气溶胶在肺部不同级数气管的沉降系数Fig.5 Deposition coefficient of aerosol in different airway generations of lung

3 结论

①志愿者呼出烟气气溶胶的粒径相较于吸入烟气气溶胶表现出增大趋势，卷烟烟气气溶胶的粒径增长因子小于加热卷烟和电子烟。②电子烟气溶胶在人体呼吸道的沉降系数明显高于加热卷烟和卷烟。③烟气气溶胶在肺部的沉降系数最高，其次是气管支气管和口腔。④烟气气溶胶在肺部右下肺叶具有较高的沉降系数，在肺部第19～22 级气管的沉降系数较高。本研究结果可用于烟气气溶胶在人体呼吸道的暴露评价。