Restek
Home / Resource Hub / Technical Literature Library / Analyse von Nikotin und Verunreinigungen in den Liquids und im Dampf von E-Zigaretten

Analyse von Nikotin und Verunreinigungen in den Liquids und im Dampf von E-Zigaretten

articleBanner

Zusammenfassung

Die Beliebtheit elektronischer Zigaretten (E-Zigaretten) nimmt exponentiell zu. Trotz ihrer ständig zunehmenden Akzeptanz gibt es nur relativ wenige Untersuchungen zur Charakterisierung ihres Dampfes. Bisher konzentrierte sich die Forschung zu E-Zigaretten hauptsächlich auf die Lösungen, die letztlich zur Inhalation durch den Konsumenten verdampft werden. Die vorliegende Untersuchung hatte das Ziel, ein komplettes Paket von Methoden zur schnellen und einfachen Analyse der Liquids und des Dampfes elektronischer Zigaretten zu entwickeln, um den Nikotingehalt und die Verunreinigungsprofile bestimmen zu können. Zur Bestimmung des Nikotingehalts in E-Zigaretten-Liquids wurden schnelle (< 5 Minuten) GC-FID-Methoden (Gaschromatografie mit Flammenionisationsdetektor) mit Helium und Wasserstoff als Trägergas entwickelt. Außerdem wurde eine einfache GC-MS-Methode (Gaschromatografie gekoppelt mit Massenspektrometrie) zur Bestimmung der Verunreinigungen in E-Liquids entwickelt. Abschließend entwickelten wir eine einfache Probenahmevorrichtung, um den Dampf der E-Zigaretten in ein Thermodesorptionsröhrchen (TD) zu ziehen, das anschließend thermisch extrahiert und mithilfe derselben GC-MS-Methode analysiert wurde. Mit diesem innovativen Ansatz ließen sich Konzentrationen von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) und halbflüchtigen organischen Verbindungen (SVOCs), die in den Liquids nicht detektierbar waren, aus einem einzigen 40-mL-Zug nachweisen. Alle drei Methoden lassen sich mit einem Gaschromatografen, zwei Detektoren und einer einzigen analytischen Säule (Rtx®-VMS) durchführen, was die benötigten Ressourcen minimiert und einen einfachen Vergleich der Ergebnisse möglich macht.

Einführung

Elektronische Zigaretten (E-Zigaretten) verbrennen keinen Tabak, sondern erzeugen mithilfe eines akkubetriebenen metallischen Heizelements aus einem in einer Kartusche enthaltenen Liquid ein Aerosol (ohne Flamme oder Rauch) [1]. Das Liquid besteht normalerweise aus Feuchthaltemitteln (Propylenglykol [1,2-Propandiol] und/oder Glyzerin), Aromastoffen und Nikotin [2]. Wenn die Stromquelle einer E-Zigarette aktiviert wird, verdampft das Heizelement das Liquid unter Bildung eines Nebels, den der Konsument dann inhalieren kann (im deutschen Sprachgebrauch auch als “dampfen” bezeichnet) [3]. Der rauchartige Dampf imitiert den Tabakrauch und reproduziert auch das brennende Gefühl im Rachen und in der Lunge (oft auch als “Throat-Hit” bezeichnet). Diese Ähnlichkeiten mit Tabakrauch, in Verbindung mit vergleichbarer Hand-zu-Mund-Handhabung, haben zur raschen Verbreitung elektronischer Zigaretten beigetragen [4-6]. Trotz ihrer zunehmenden weltweiten Verwendung [3] sind unsere Kenntnisse über die chemischen Inhaltsstoffe von E-Zigaretten sehr begrenzt. Die meisten Untersuchungen konzentrierten sich auf den Nikotingehalt und Verunreinigungen (z. B. Nitrosamine) im Liquid der E-Zigaretten (E-Liquid, im englischen Sprachgebrauch auch als “e-Juice” bezeichnet) [7]. Noch wichtiger ist jedoch, dass nur sehr wenig über die chemische Zusammensetzung des Dampfes bekannt ist, den die Konsumenten letztlich inhalieren [7, 8].

Nur wenige Wissenschaftler (z. B. Goniewicz et al. [7], Kosmider [9] und Schober et al. [8]) haben versucht, den Dampf von E-Zigaretten zu charakterisieren, indem sie Analysen auf flüchtige organische Verbindungen (VOCs), Nitrosamine, Schwermetalle und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) durchführten. Diese Untersuchungen erforderten jedoch einen relativ komplizierten Versuchsaufbau und/oder benötigten spezielle Rauchmaschinen und/oder eine Reihe spezieller Analysegeräte. Derartige Voraussetzungen sind für routinemäßige Prüfungen in Auftragslaboren oft nicht gegeben. Die vorliegende Studie untersucht den Nikotingehalt und die Verunreinigungen mehrerer handelsüblicher E-Zigaretten und der zugehörigen Liquids mithilfe einfacher und schneller GC-FID- und GC-MS-Methoden. Außerdem wurden die primären Emissionen der E-Zigaretten mithilfe einer einfachen neuartigen Methode, die thermische Desorption (TD) und GC-MS vereint, auf VOCs und halbflüchtige organische Verbindungen (SVOCs) analysiert. Ergebnisse, Analysemethoden, Schwierigkeiten und Lösungen werden im Folgenden erörtert.

Experimenteller Teil 

Elektronische Zigaretten und Liquids

Vier im Handel erhältliche elektronische Zigaretten (Tabelle I) wurden aus der von Experten und Verbrauchern erstellten Top 10-Liste der “Best E-Cigarettes of 2014” ausgewählt [10]. Es ist zu bemerken, dass diese vier ausgewählten E-Zigaretten auch auf anderen internetbasierten Bewertungsportalen regelmäßig als “Top 10”-Produkte erschienen. Außerdem waren diese vier Marken leicht von örtlichen Geschäften zu beziehen. Alle vier E-Zigaretten waren Zigaretten der ersten Generation (d. h. sie waren in Bezug auf Größe und Aussehen gewöhnlichen Zigaretten nachgeahmt) [11] und, mit Ausnahme des Anbieters D, Einwegerzeugnisse. Neben den E-Zigaretten wurden auch die zugehörigen E-Liquids (d. h. dieselbe Marke mit identischem Aroma und Nikotingehalt) erworben.

Anbieter A, B und C gaben den Nikotingehalt in Gewichtsprozent an (w/w). Anbieter D gab den Gehalt in Volumenprozent an (v/v). Eine Seite der Flasche mit Nachfülllösung enthielt jedoch die Angabe 1000 mg Nikotin, was eher zur Einheit Gewichtsprozent passt (die auch der branchenübliche Standard zu sein scheint) oder eine Massenkonzentration sein könnte (w/v). Deshalb ist es nicht ganz klar, wie Anbieter D seine Nikotinkonzentrationen bestimmte. Nach Erhalt der Proben wurde 1 mL jedes E-Liquids mit einer kalibrierten Spritze auf eine kalibrierte Waage pipettiert, um die Dichte jeder Lösung zu bestimmen. Die gemessenen Dichten wurden später benutzt, um die Konzentrationsangaben auf den Etiketten (Gewichtsprozent, w/w) mithilfe der folgenden Gleichung in Massenkonzentrationen (m/v) umzurechnen, um so einen direkten Vergleich mit den analytisch bestimmten Massenkonzentrationen in mg/mL zu ermöglichen:

decorative

Tabelle I: Eigenschaften elektronischer Zigaretten und Liquids

Anbieter

Angegebener Nikotingehalt % (wt /wt)

Typ

Gemessene Dichte (g/mL)

A

1.8 (18 mg/1,000 mg)

Klassischer Tabak

1.1179

B

1.2 (12 mg/1,000 mg)

Klassischer Tabak

1.1843

C

1.2 (12 mg/1,000 mg)

Menthol

1.2006

D

 1.8 (18 mL/1,000 mL)*

Klassischer Tabak

1.1271

*Ein Etikett auf der Flasche mit Nachfülllösung gab die Konzentration an Nikotin in Volumenprozent (v/v) an, die andere Seite der Flasche enthielt jedoch die Angabe 1000 mg, was eher für die Einheit Gewichtsprozent (w/w) spricht.

Nikotin

Zur Bestimmung der Nikotinkonzentrationen in den Liquids von E-Zigaretten wurde das folgende System verwendet: ein Agilent 7890A GC mit einem Agilent FID. Als analytische Säule wurde eine Rtx®-VMS-Säule verwendet, die sich durch ihre einzigartige Fähigkeit zur Trennung flüchtiger Verbindungen auszeichnet. Die GC-FID-Parameter für Helium und Wasserstoff als Trägergase sind in Tabelle II dargestellt. Die Nikotinkonzentrationen in den Liquids der E-Zigaretten wurden durch Kalibrierung des GC-FID mit einem NIST (National Institute of Standards and Technology) rückführbaren Standard (Art.-Nr. 34085) bestimmt. Der 1000 µg/mL-Nikotinstandard wurde mit Methylenchlorid schrittweise verdünnt, um eine externe Kalibrierkurve mit 7 Punkten erstellen zu können (Tabelle III). Ein interner Standard (Art.-Nr. 30074) gemäß U.S. EPA (United States Environmental Protection Agency) Methode 8260 erwies sich für die vorliegende Untersuchung als geeignet, ist jedoch nicht gezeigt.

Alle E-Liquids wurden mit Methylenchlorid hundertfach verdünnt. Diese Verdünnung wurde aus folgenden Gründen durchgeführt: 1) Anfängliche Versuche mit den E-Liquids ergaben, dass sie relativ zähflüssig waren. Diese hohe Viskosität führte zur Bildung von Luftblasen in der Spritze des Autosamplers. Eine Verdünnung von 100:1 beseitigte alle Viskositätsprobleme. 2) Die für diese Untersuchung ausgewählten E-Liquids schienen Nikotinkonzentrationen von etwa15–25 mg/mL zu besitzen, was außerhalb des Konzentrationsbereichs der Kalibrierkurve lag (Tabelle III). Eine Verdünnung von 100:1 führte zu Nikotinkonzentrationen, die zwischen den unteren und oberen Grenzen der Kalibrierkurve lagen. Wichtig ist zu erwähnen, dass Methylenchlorid anstelle von Methanol als Lösemittel benutzt wurde, weil der Methanol-Lösemittelpeak mit Ethanol (einem Hauptbestandteil der Liquids von E-Zigaretten) koeluiert.

Tabelle II: Analysesystem und Parameter zur quantitativen Bestimmung des Nikotingehalts elektronischer Zigaretten-Liquids.

Agilent 7890A GC-FID
Säule Rtx-VMS, 30 m, 0.25 mm ID, 1.40 µm (Art.-Nr. 19915)
Injektion Verdünntes (100:1) E-Liquid
Injektionsvolumen

1.0 µL split 200:1

Liner

Restek Premium 4-mm Precision Liner mit Glaswolle (Art.-Nr. 23305.5)

Injektionstemperatur 250 °C
Septum Purge Fluss 3 mL/min
Detektor

FID bei 250 °C

Trägergas

He, konstanter Fluss

H₂, konstanter Fluss*

H₂, konstanter Fluss* 

Flussrate

2.0 mL/min

2.50 mL/min

2.50 mL/min

Lineargeschwindigkeit

44.4 cm/sec

67.2 cm/sec

67.2 cm/sec

Ofen

100 °C bis 260 °C mit 35 °C/min (0.25 min)

100 °C bis 260 °C mit 54 °C/min (0.15 min)

100 °C bis 240 °C mit 35 °C/min 

*Erfordert einen Ofen mit schneller Aufheizung

Tabelle III: Externe Kalibrierkurve zur quantitativen Bestimmung des Nikotingehalts von E-Liquids.

1.00 mg/mL Nikotin-Standard (Art.-Nr. 34085)

Stufe

µL der vorherigen Stufe

µL Methylenchlorid 

Gesamtvolumen (µL)

Konzentration (mg/mL)

1

NA

NA

NA

1.00

2

100

100

200

0.500

3

100

100

200

0.250

4

100

100

200

0.125

5

100

100

200

0.063

6

100

100

200

0.031

7

100

100

200

0.016

 

Verunreinigungen

Zur qualitativen Bestimmung der Verunreinigungen in den Liquids von E-Zigaretten wurde folgendes Analysesystem verwendet: ein Agilent 7890B GC in Verbindung mit einem Agilent 5977A MS-Detektor. Die GC-MS-Parameter sind in Tabelle IV dargestellt. Für diese Analyse wurde ebenfalls die Rtx®-VMS-Säule verwendet, die sich für flüchtige Verbindungen bewährt hat.

Tabelle IV: Analysesystem und Parameter zur quantitativen Bestimmung der Verunreinigungen in E-Liquids.

Agilent 7890B/5977A GC-MS-Parameter

Säule

Rtx-VMS, 30 m, 0.25 mm ID, 1.40 µm (Art.-Nr. 19915)

Injektion

Diluted (2:1) electronic cigarette liquid

Injektionsvolumen

1.0 µL split (10:1)

Liner

Restek Premium 4 mm Precision liner w/wool (Art.-Nr. 23305.5)

Injektionstemperatur

250 °C

Septum Purge Fluss

3 mL/min

Ofen

35 °C (hold 1 min) to 250 °C at 11 °C/min (hold 4 min)

Trägergas

He, constant flow

Flussrate

2.0 mL/min

Lineargeschwindigkeit

51.15 cm/sec

Detektor

MS

Modus

Scan

Temp. Transferline

250 °C

Analysatortyp

Single quadrupole

Ionenquellentemperatur

230 °C

Quadrupol-Temperatur

150 °C

Elektronenenergie

70 eV

Tuning-Typ

BFB

Ionisationsmodus

EI

Erfassungsbereich

15 – 550 amu

Scangeschwindigkeit

5.2 scans/sec

 

Dampf

Der Dampf elektronischer Zigaretten wurde auf Nikotin und Verunreinigungen analysiert, nachdem er in Thermodesorptionsröhrchen „aufgefangen“ wurde. Goniewicz et al. und andere Wissenschaftler verwendeten Rauchmaschinen (z. B. Teague TE-2, Borgwaldt RM20S), um Aerosole von E-Zigaretten zu erzeugen und aufzufangen; eine derartige Apparatur war jedoch für die vorliegende Untersuchung nicht verfügbar [7]. Um reproduzierbare und quantitative Ergebnisse zu erhalten, wurde deshalb eine einfache Probenahmevorrichtung (Abbildung 1) aus einer gasdichten 50-mL-Spritze (Art.-Nr. 24761). gefertigt. Die Spritze wurde verwendet, um 40 mL Dampf in ca. 4 Sekunden aus einer E-Zigarette in ein Thermodesorptionsröhrchen aus Edelstahl zu ziehen, das mit Tenax TA, Carbograph TD und Carboxen 1003 (nicht konditioniert [Art.-Nr. 26469] oder konditioniert [Art.-Nr. 26470]). gefüllt war. Dieses Röhrchen wurde auf Basis der optimierten Kombination dreier Sorbentien für das Screening auf VOCs (C2-3) bis zu SVOCs (C30-32) ausgewählt. Obwohl es sich hierbei um eine manuelle Methode handelte, wurde ein Zug von etwa 4 Sekunden Dauer verwendet, in Übereinstimmung mit den Beobachtungen zur Topografie von E-Zigaretten von Farsalinos et al. [12]. Neben den Proben mit einem einzigen Zug wurde auch eine aus 10 Zügen bestehende Probe analysiert, um ein typisches Rauchverhalten nachzuahmen. Bei dieser Probenahme wurden 10 Züge von jeweils 4 Sekunden Dauer verwendet, die durch 10 Sekunden lange Intervalle zwischen den einzelnen Zügen voneinander getrennt waren. Das Desorptionsröhrchen wurde dann zur Bestimmung der von der E-Zigarette direkt emittierten VOCs und SVOCs an das folgende Analysesystem überführt: ein Markes UNITY™-Thermodesorptionssystem in Verbindung mit einem Agilent 7890B GC, der mit einem Agilent 5977A MS-Detektor gekoppelt war. Das UNITY™-System und die GC-MS-Parameter sind in den Tabellen V bzw. IV dargestellt.

Die Dampfkonzentrationen ausgewählter VOCs wurden aus einer Kalibrierkurve mit 5 Punkten berechnet, die durch Analyse einer Volumenreihe eines 10.0 ppbv Primärstandards erzeugt wurde (Tabelle VI). Der 10.0 ppbv Primärstandard wurde hergestellt, indem 180 mL des 1.00 ppmv 75 Komponenten TO-15 + NJ Mixes (Art.-Nr. 34396) und 180 mL des 1.00 ppmv Ozon-Precursor-Gemischs/PAMS (Art.-Nr. 34420) in einen evakuierten 6-Liter-SilcoCan® Luftüberwachungskanister (Art.-Nr. 24142-650) injiziert wurden, wonach der Kanister mit Stickstoff von 50% relativer Feuchte auf 30 psig unter Druck gesetzt wurde. Ochiai et al. [13] zeigten, dass 50% relative Feuchte sich für die Stabilität als optimal erwies. Der Standard wurde dann zur Alterung 7 Tage gelagert.

Abbildung 1: Probenahmevorrichtung mit gasdichter Spritze zum quantitativen Transfer des Dampfes einer E-Zigarette in ein Thermodesorptionsröhrchen.

decorative

Tabelle V: Thermodesorptionssystem Markes UNITY™ und Parameter für die thermische Extraktion der Aerosole elektronischer Zigaretten zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der von E-Zigaretten emittierten VOCs und SVOCs.

Markes UNITY-Parameter

Allgemeine Einstellungen

Trap-Einstellungen

Betriebsmodus

Standard, zwei Stufen

Pre-Trap Fire-Purge

1.0 min

Standby-Split

ja

Flussrate

20.0 mL/min

Standby-Flussrate

5 mL/min

Trapping Temperatur

0 °C

Temperatur Strömungsweg

210 °C

Aufheizrate

Max

Minimum Trägergasdruck

5.0 psi

Desorptionstemperatur

320 °C

GC-Zykluszeit

0.0

Trap-Haltezeit

5 min

 

 

Split auf

True

Vor der Desorption

Split Fluss

20 mL/min

Vorspülzeit

1.0 min

Trap in Line

nein

Split auf

ja

Flussrate

20 mL/min

Röhrchen-/Probendesorption

Zeit 1

10.0 min

Temperatur 1

320 °C

Trap in Line

ja

Split auf

nein

 

Tabelle VI: Kalibrierkurve zur Berechnung der mithilfe des Thermodesorptionssystems Markes UNITY™ bestimmten Konzentrationen im Dampf.

Standard (ppbv)

Injektionsvolumen (mL)

Kalibrierkonzentration (ppbv)

10.0

720

180

10.0

360

90

10.0

120

30

10.0

40

10

10.0

4

1.00

Blindproben

Das Markes UNITY™-System wurde mit Helium als Trägergas zur Desorption der Thermodesorptionsröhrchen und der Kühlfalle mittels  ballistischen Aufheizens betrieben, um die Analyten am Kopf der analytischen Säule zu fokussieren. Die Kombination aus Heliumgas (frei von Sauerstoff) und erhöhten Temperaturen führte möglicherweise zu Bedingungen, die für eine Pyrolyse von Propylenglykol und/oder Glyzerin ideal waren. Es wurde bereits früher gezeigt, dass bei der Pyrolyse von Propylenglykol und Glyzerin Formaldehyd, Acetaldehyd und Acrolein entstehen. Deshalb wurden folgende Versuche durchgeführt, um etwaige Beiträge aus dem TD-GC-MS-Prozess selbst ermitteln zu können: in leere Röhrchen aus Edelstahl (d. h. ohne Sorbens) sowie in gefüllte Thermodesorptionsröhrchen (d. h. mit Mehrbett-Sorbens) wurden 1-µL-Aliquote der Liquids von E-Zigaretten injiziert und im TD-GC-MS-System analysiert. Außerdem stammte die bei der Probenahme durch die elektronischen Zigaretten gezogene Luft aus dem Labor. Aufgrund des allgegenwärtigen Vorkommens von VOCs wie Formaldehyd und Benzol war es unerlässlich, den Beitrag an VOCs in der Laborluft für die Dampfanalyse zu bestimmen. 40-mL-Proben der Laborluft wurden deshalb in regelmäßigen Abständen mithilfe von Thermodesorptionsröhrchen gesammelt und mit derselben TD-GC-MS-Methode analysiert.

Ergebnisse und Diskussion

Nikotin

Analysen der Liquids elektronischer Zigaretten, wie in Abbildung 2 (Helium), Abbildung 3 (Wasserstoff, schnelle Aufheizung) und Abbildung 4 (Wasserstoff, Standardaufheizung) gezeigt, unter Verwendung der in Tabelle II gezeigten GC-FID-Bedingungen, ermöglichten die schnelle Bestimmung (d. h. weniger als 5 Minuten GC-Laufzeit) der wesentlichen chemischen Bestandteile. Die Liquids der E-Zigaretten aller vier Anbieter enthielten offenbar Ethanol, Propylenglykol, Glyzerin und Nikotin. Hierbei sollte erwähnt werden, dass alle vier Anbieter Propylenglykol, Glyzerin und Nikotin auflisteten; keiner der Anbieter gab jedoch Ethanol als Inhaltsstoff an. Analysen von Blindproben zeigten, dass sich das Ethanol nicht durch Kontamination aus dem Labor erklären ließ. Methylenchlorid wurde als Lösemittel verwendet, um durch Viskosität oder Konzentration bedingte Probleme zu beseitigen; das erklärt die reichliche Anwesenheit des Methylenchlorids. Abbildung 5 zeigt, dass die schnelle GC-FID-Methode eine akzeptable externe Kalibrierung des Nikotins zwischen 0.016 und 1.00 mg/mL (r > 0.995) ergab.

Tabelle VII zeigt, dass die vom Anbieter angegebenen Nikotinkonzentrationen um 4 bis 28 % unter den tatsächlich gemessenen Nikotinkonzentrationen lagen. Wir erinnern daran, dass die Angaben von Gewichtsprozenten auf den Etiketten mithilfe der gemessenen Dichte jeder Lösung in Massenkonzentrationen umgerechnet wurden, um einen direkten Vergleich mit den tatsächlichen Werten zu ermöglichen, die unter Verwendung der Kalibrierkurve analytisch bestimmt wurden. Die Beobachtung des erhöhten Nikotingehalts steht im Einklang mit den Ergebnissen von Schober et al. [8] und anderen Wissenschaftlern.

Abbildung 2: Analyse der Hauptbestandteile von E-Liquids mittels GC-FID (Helium)

cgarm-img
GC_FF1256
PeakstR (min)
1.Methanol1.285
2.Ethanol1.355
3.Methylene chloride1.430
4.Propylene glycol2.174
5.Unknown3.371
6.Glycerin3.446
7.Nicotine4.632
ColumnRtx-VMS, 30 m, 0.25 mm ID, 1.40 µm (cat.# 19915)
Standard/Sample
Diluent:Methylene chloride
Conc.: Electronic cigarette liquid diluted 100:1
Injection
Inj. Vol.:1.0 µL split (split ratio 200:1)
Liner:Premium 4 mm Precision liner w/wool (cat.# 23305)
Inj. Temp.:250 °C
Oven
Oven Temp.:100 °C to 260 °C at 35 °C/min (hold 0.25 min)
Carrier GasHe, constant flow
Flow Rate:2.0 mL/min
Linear Velocity:44.4 cm/sec @ 100 °C
DetectorFID @ 250 °C
Make-up Gas Flow Rate:50 mL/min
Make-up Gas Type:H2
Hydrogen flow:40 mL/min
Air flow:400 mL/min
InstrumentAgilent 7890A GC

Abbildung 3: Analyse der Hauptbestandteile von E-Zigaretten-Liquids durch GC-FID (Wasserstoff, schnelle Aufheizung)

cgarm-img
GC_FF1257
PeakstR (min)
1.Methanol0.861
2.Ethanol0.905
3.Methylene chloride0.957
4.Propylene glycol1.433
5.Glycerin2.256
6.Nicotine3.030
ColumnRtx-VMS, 30 m, 0.25 mm ID, 1.40 µm (cat.# 19915)
Standard/Sample
Diluent:Methylene chloride
Conc.: Electronic cigarette liquid diluted 100:1
Injection
Inj. Vol.:1.0 µL split (split ratio 200:1)
Liner:Premium 4 mm Precision liner w/wool (cat.# 23305)
Inj. Temp.:250 °C
Oven
Oven Temp.:100 °C to 260 °C at 54 °C/min (hold 0.15 min)
Carrier GasH2, constant flow
Flow Rate:2.5 mL/min
Linear Velocity:67.2 cm/sec @ 100 °C
DetectorFID @ 250 °C
Make-up Gas Flow Rate:50 mL/min
Make-up Gas Type:H2
Hydrogen flow:40 mL/min
Air flow:400 mL/min
InstrumentAgilent 7890A GC

Abbildung 4: Analyse der Hauptbestandteile von E-Liquids durch GC-FID (Wasserstoff, normale Aufheizung)

cgarm-img
GC_FF1258
PeakstR (min)
1.Methanol0.875
2.Ethanol0.926
3.Methylene chloride0.987
4.Propylene glycol1.619
5.Glycerin2.805
6.Nicotine3.927
ColumnRtx-VMS, 30 m, 0.25 mm ID, 1.40 µm (cat.# 19915)
Standard/Sample
Diluent:Methylene chloride
Conc.: Electronic cigarette liquid diluted 100:1
Injection
Inj. Vol.:1.0 µL split (split ratio 200:1)
Liner:Premium 4 mm Precision liner w/wool (cat.# 23305)
Inj. Temp.:250 °C
Oven
Oven Temp.:100 °C to 240 °C at 35 °C/min
Carrier GasH2, constant flow
Flow Rate:2.5 mL/min
Linear Velocity:67.2 cm/sec @ 100 °C
DetectorFID @ 250 °C
Make-up Gas Flow Rate:50 mL/min
Make-up Gas Type:H2
Hydrogen flow:40 mL/min
Air flow:400 mL/min
InstrumentAgilent 7890A GC

Abbildung 5: Wie die externe Kalibrierkurve der verwendeten GC-FID-Methode zeigt, wurde für Nikotin über den Konzentrationsbereich von 0.06–1.00 mg/mL eine lineare Korrelation erhalten (r > 0.995).

chart, line chart

 

 

Tabelle VII: Vergleich der vom Anbieter angegebenen Nikotinkonzentrationen mit den in der vorliegenden Untersuchung durch direkten Vergleich mit reinen Nikotinstandards mithilfe der GC-FID-Methode bestimmten Konzentrationen.

Anbieter

Vom Anbieter angegebene Nikotinkonzentration (mg/mL)^

In dieser Studie bestimmte Nikotinkonzentration (mg/mL)*

Differenz in %

A

20.1

23.4

17%

B

14.2

14.8

4%

C

14.4

17.4

21%

D

20.3

26.0

28%

^Berechnet auf Basis der gemessenen Dichte. 
*Mittelwert von 3 Analysen.

Verunreinigungen in den Liquids von E-Zigaretten

Wie in Abbildung 6 gezeigt, ergab die Analyse der Liquids von E-Zigaretten, dass neben den von den Anbietern aufgelisteten Inhaltsstoffen Propylenglykol, Glyzerin und Nikotin zahlreiche weitere Verbindungen vorlagen. Bei der in Abbildung 6 gezeigten Lösung (Anbieter A) wurden 64 nicht identifizierte und identifizierte (einige nur vorläufig) Verbindungen im E-Liquid gefunden. Verbindungen wurden als “identifiziert” eingestuft, wenn sie in einem anschließenden Lauf mit einem externen Standard durch identische Retentionszeiten und Massenspektren verifiziert wurden. Verbindungen wurden als “vorläufig identifiziert” eingestuft, wenn die Übereinstimmung des Massenspektrums mit der 2011-NIST-Datenbank 80% oder höher war [14]. Mehrere Pyrazine, die vermutlich aus vom Hersteller zugefügten Aromastoffen stammen, wurden vorläufig identifiziert. So ist der vorläufig identifizierte Geschmacksstoff Acetylpyrazin zum Beispiel für sein “nussartiges” Aroma bekannt. Außerdem wurden mehrere Pyridine identifiziert, was bei aus Tabak gewonnenem Nikotin üblich ist. Zum Beispiel wurde 3-(3,4-Dihydro-2H-Pyrrol-5-yl)-Pyridin (Myosmin) ebenfalls vorläufig identifiziert und diese Verbindung ist ein in Tabak vorliegendes Alkaloid [15]. Es ist zu beachten, dass fast die Hälfte (36) aller Verbindungen nicht identifiziert wurde; zukünftige Forschungsarbeiten sollten sich auf die Identifikation dieser Verbindungen konzentrieren.

Abbildung 6: Die Analyse der Liquids von E-Zigaretten mithilfe der GC-MS-Methode brachte zahlreiche weitere Verbindungen zum Vorschein neben denen, die auf den Produktetiketten angegebenen waren.

cgarm-img
GC_FF1260
PeakstR (min)Match QualityEC LiquidBlankRegion
1.Nitrogen/oxygen/carbon dioxide1.051100xxRed
2.Water1.441100xxRed
3.Methanol1.709100xxRed
4.Unidentified1.934xxRed
5.cis-1,2-Dimethylcyclopropane2.11794xxRed
6.Ethanol2.239100xRed
7.1,1-Dichloroethene2.28294xxRed
8.Methylene chloride2.757100xxRed
9.1,2-Dichloroethene2.89194xxRed
10.Ethyl acetate4.03791xRed
11.Unidentified6.000xRed
12.Unidentified6.085xRed
13.Toluene6.207100xRed
14.Propylene glycol7.853100xOrange
15.2,3-Dimethylpyrazine9.24391xOrange
16.Unidentified9.615xOrange
17.Unidentified9.713xOrange
18.Unidentified9.889xOrange
19.Unidentified10.017xOrange
20.Unidentified10.060xOrange
21.Trimethylpyrazine10.38394xOrange
22.Unidentified10.828xOrange
23.Unidentified10.907xOrange
24.Unidentified11.047xOrange
25.Unidentified11.114xOrange
26.Acetylpyrazine11.39495xOrange
27.N-(1-Methylethyl)benzenamine11.86480xOrange
28.Dipropylene glycol12.07191xOrange
29.Glycerin12.473100xOrange
30.Dipropylene glycol methyl ether13.04080xGreen
31.Unidentified13.107xGreen
32.Unidentified13.168xGreen
33.Unidentified13.229xGreen
34.1-(3-Pyridinyl)ethanone13.32194xGreen
35.Unidentified13.412xGreen
36.Unidentified13.463xGreen
37.Unidentified14.479xGreen
38.Unidentified14.534xGreen
39.Unidentified14.643xGreen
40.Unidentified14.863xGreen
41.Unidentified15.003xGreen
42.Nicotine15.800100xGreen
43.Unidentified16.161xBlue
44.Unidentified16.222xBlue
45.α-Damascone16.28995xBlue
46.Unidentified16.374xBlue
47.Unidentified16.417xBlue
48.Unidentified16.478xBlue
49.Unidentified16.643xBlue
50.Unidentified16.984xBlue
51.Unidentified17.033xBlue
52.Myosmine17.15595xBlue
53.Unidentified17.276xBlue
54.Unidentified17.380xBlue
55.Unidentified17.441xBlue
56.Nicotine 1-N-oxide17.53393xBlue
57.Anabasine17.69798xBlue
58.Nicotyrine17.75291xBlue
59.Unidentified18.105xBlue
60.2,3-Dipyridyl18.55097xBlue
61.Unidentified19.788xBlue
62.Unidentified21.025xBlue
63.Unidentified21.092xBlue
64.Cotinine21.63591xBlue
ColumnRtx-VMS, 30 m, 0.25 mm ID, 1.40 µm (cat.# 19915)
Standard/Sample
Diluent:Methylene chloride
Conc.: Electronic cigarette liquid diluted 2:1
Injection
Inj. Vol.:1 µL split (split ratio 10:1)
Liner:Premium 4 mm Precision liner w/wool (cat.# 23305)
Inj. Temp.:250 °C
Oven
Oven Temp.:35 °C (hold 1 min) to 250 °C at 11 °C/min (hold 4 min)
Carrier GasHe, constant flow
Flow Rate:2.0 mL/min
Linear Velocity:51.15 cm/sec @ 35 °C
DetectorMS
Mode:Scan
Scan Program:
GroupStart Time
(min)
Scan Range
(amu)
Scan Rate
(scans/sec)
1015-5505.2
Transfer Line Temp.:250 °C
Analyzer Type:Quadrupole
Source Type:Extractor
Extractor Lens:6mm ID
Source Temp.:230 °C
Quad Temp.:150 °C
Electron Energy:70 eV
Tune Type:BFB
Ionization Mode:EI
InstrumentAgilent 7890B GC & 5977A MSD

Dampf

Wie in Abbildung 7 gezeigt, konnte die einfache Probenahmevorrichtung (Abbildung 1) den Dampf einer elektronischen Zigarette erfolgreich in das Thermodesorptionsröhrchen ziehen und aus einem einzigen 40-mL-Zug nachweisbare Mengen von VOCs und SVOCs liefern. Die Untersuchung über Verunreinigungen ergab, dass der Dampf von E-Zigaretten neben Propylenglykol, Glyzerin und Nikotin zahlreiche weitere Verbindungen enthielt (z.B.  82 nicht identifizierte und identifizierte [manche nur vorläufig] Verbindungen). Zusätzlich zu den in den Liquids gefundenen Verbindungen offenbarte die Analyse des Dampfes jedoch die Anwesenheit von weiteren 18 Verbindungen. Besonders interessant war das Vorhandensein von Formaldehyd, Acetaldehyd, Acrolein und Xylolen sowie mehrerer Siloxane. Die Beobachtung der drei Carbonylverbindungen Formaldehyd, Acetaldehyd und Acrolein in der vorliegenden Untersuchung steht im Einklang mit den Ergebnissen von Goniewicz et al.’s [7] und Kosmider et al.’s [9].

Diese Ergebnisse sind aus folgenden Gründen relevant: 1. Alle drei Carbonylverbindungen sind akut toxisch; außerdem ist Formaldehyd als für Menschen krebserzeugend [16] und Acetaldehyd als für Menschen potenziell krebserzeugend [17] eingestuft. 2. Diese Verbindungen waren in den E-Liquids nicht anwesend, was darauf hinweist, dass sie während des Verdampfungsvorgangs bzw. aus Materialien der E-Zigaretten erzeugt wurden. Dies steht im Einklang mit der Tatsache, dass die Pyrolyse von Glyzerin zur Bildung von Formaldehyd, Acetaldehyd und Acrolein führt [18]. Außerdem ist bekannt, dass Polysiloxane oft als Kunststoffadditive verwendet werden und die meisten E-Zigaretten der ersten Generation, darunter auch die in dieser Untersuchung verwendeten, sind mit Gehäusen aus Kunststoff hergestellt. Diese Befunde haben weitreichende Folgen für die weitere Beurteilung von E-Zigaretten, besonders angesichts der Tatsache, dass die Konsumenten letztlich den Dampf und nicht das Liquid der E-Zigaretten inhalieren.

Um dieses Thema genauer zu beleuchten: Acrolein ließ sich in den Liquids für E-Zigaretten nicht nachweisen. Es wurde jedoch im Dampf aller E-Zigaretten gefunden, die in der vorliegenden Studie untersucht wurden. Dabei bewegten sich die Acroleinkonzentrationen in einem Bereich von 1.5 bis 6.7 ppmv pro 40-mL-Zug (0.003–0.015 µg/mL), vergleichbar mit dem Wert von 0.004 µg/mL, den Goniewicz et al. [7] fanden. Um diese Konzentrationen besser einordnen zu können: sie übertrafen den Grenzwert für kurzzeitige Exposition (STEL, Short-term Exposure Limit) des National Institute of Occupational Safety and Health (NIOSH) von 350 ppbv. Darüber hinaus würde jede E-Zigarette unter Annahme eines 40-mL-Zugs und 400 bis 500 Zügen (diese Werte basieren auf Angaben verschiedener Hersteller von E-Zigaretten) pro E-Zigarette ungefähr 20 bis 230 µg Acrolein erzeugen. Aus gesundheitlicher Sicht betrachtet sind die in der vorliegenden Untersuchung beobachteten Acroleinemissionen vergleichbar mit den bei herkömmlichen Tabakzigaretten gefundenen Werten (3 bis 220 µg Acrolein pro Zigarette) [19]. Referenzstandards für Formaldehyd und Acetaldehyd waren zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieser Applikation nicht verfügbar. Ihre Peakflächen waren jedoch von derselben Größenordnung wie bei Acrolein, was auf vergleichbare Konzentrationen schließen lässt und auch den Ergebnissen von Goniewicz et al. entspricht [7].

Die U.S. Food and Drug Administration (FDA) hat zur Zeit keine rechtlichen Befugnisse bezüglich der Kontrolle von E-Zigaretten. Die FDA räumt jedoch ein, dass E-Zigaretten, die damit verbundenen Risiken, Nikotinkonzentrationen und potenziell schädliche Substanzen, die inhaliert werden, “noch nicht abschließend untersucht worden sind”. Die FDA hat deshalb eine Regelung vorgeschlagen, um ihre rechtlichen Befugnisse auf E-Zigaretten zu erweitern [20]. Ungeachtet des derzeitigen Status der FDA-Befugnis bezüglich E-Zigaretten, machen die vorliegende Studie wie auch frühere Forschungsarbeiten deutlich, dass die Problematik der E-Zigaretten noch nicht ausreichend verstanden wird. Aber es scheint klar zu sein, dass E-Zigaretten nicht ohne Risiken für die menschliche Gesundheit sind. Die wichtigste Erkenntnis, die auch durch die vorliegende Studie bestätigt wurde, ist, dass zukünftige Untersuchungen über E-Zigaretten unbedingt den Unterschied zwischen E-Liquids und dem Dampf aus E-Zigaretten berücksichtigen müssen, weil deren chemische Profile deutlich unterschiedlich sind.

Abbildung 7: Der Dampf aus einem einzigen 40-mL-Zug aus einer E-Zigarette wurde in einem Thermodesorptionsröhrchen aufgefangen und mithilfe der GC-MS-Methode analysiert.

cgarm-img
GC_AR1161
PeakstR (min)Match QualityVaporBlank*Region
1.Nitrogen/oxygen0.685100xxRed
2.Carbon dioxide1.063100xxRed
3.Propene1.200100xRed
4.Formaldehyde1.227100xRed
5.Sulfur dioxide1.31390xRed
6.Chloromethane1.380100xRed
7.Water1.453100xxRed
8.Acetaldehyde1.672100xRed
9.Methanol1.715100xxRed
10.Unidentified1.885xRed
11.Ethanol2.270100xRed
12.Unidentified2.331xRed
13.Unidentified2.410xRed
14.Acrolein2.581100xRed
15.Propanal2.629100xRed
16.Methylene chloride2.770100xxRed
17.Acetone2.843100xRed
18.Unidentified2.892xRed
19.Hexane2.928100xRed
20.Acetonitrile3.160100xxRed
21.Unidentified3.544xOrange
22.Unidentified3.842xOrange
23.Trimethylsilanol3.928100xOrange
24.Unidentified4.092xOrange
25.Unidentified4.159xOrange
26.Unidentified4.245xOrange
27.Unidentified4.354xOrange
28.Benzene4.452100xxOrange
29.Unidentified4.519xOrange
30.Acetic acid5.05586xOrange
31.Unidentified5.141xOrange
32.Unidentified5.647xOrange
33.Unidentified5.756xOrange
34.1-Hydroxy-2-propanone6.07380xOrange
35.Unidentified6.165xOrange
36.Unidentified6.220xOrange
37.Toluene6.280100xxOrange
38.Hexamethylcyclotrisiloxane6.50691xOrange
39.Unidentified7.231xOrange
40.Unidentified7.530xOrange
41.Propylene glycol7.737100xGreen
42.m-Xylene8.048100xGreen
43.p-Xylene8.048100xGreen
44.o-Xylene8.530100xGreen
45.Styrene8.597100xGreen
46.Unidentified9.158xGreen
47.Octamethylcyclotetrasiloxane9.21891xGreen
48.4-Methyl-1-(1-methylethyl)cyclohexene9.37195xGreen
49.Unidentified9.639xGreen
50.Unidentified9.852xGreen
51.Unidentified9.932xGreen
52.Unidentified10.121xGreen
53.Unidentified10.219xGreen
54.Trimethylpyrazine10.46880xGreen
55.Benzaldehyde10.657100xGreen
56.Unidentified10.858xGreen
57.Unidentified11.120xGreen
58.Unidentified11.187xGreen
59.Acetylpyrazine11.54193xGreen
60.Decamethylcyclopentasiloxane11.62091xGreen
61.Phenol11.87094xGreen
62.Unidentified12.272xGreen
63.1,1'-Oxybis-2-propanol12.33390xGreen
64.Glycerin12.748100xBlue
65.Unidentified13.327xBlue
66.Dodecamethylcyclohexasiloxane13.97994xBlue
67.Nicotine15.862100xBlue
68.Tetradecamethylhexasiloxane16.08291xBlue
69.Unidentified16.326xBlue
70.Unidentified16.460xBlue
71.Myosmine17.21694xBlue
72.Nicotyrine17.80790xBlue
73.Unidentified18.002xBlue
74.2,3'-Dipyridyl18.61894xBlue
75.Unidentified18.721xBlue
76.Unidentified19.294xBlue
77.Unidentified19.611xBlue
78.Unidentified20.093xBlue
79.Unidentified20.190xBlue
80.Unidentified20.269xBlue
81.Unidentified20.501xBlue
82.Unidentified20.855xBlue
*The concentrations of these compounds in e-cigarette vapor were too close to blank and/or laboratory air concentrations to definitively state they were emitted from the e-cigarettes.
ColumnRtx-VMS, 30 m, 0.25 mm ID, 1.40 µm (cat.# 19915)
Standard/Sample
Conc.: One 40 mL puff of electronic cigarette vapor drawn via a gas-tight syringe to replicate vaping
InjectionDirect
Oven
Oven Temp.:35 °C (hold 1 min) to 250 °C at 11 °C/min (hold 4 min)
Carrier GasHe, constant flow
Flow Rate:2.0 mL/min @ 35 °C
DetectorMS
Mode:Scan
Scan Program:
GroupStart Time
(min)
Scan Range
(amu)
Scan Rate
(scans/sec)
1015-5505.2
Transfer Line Temp.:250 °C
Analyzer Type:Quadrupole
Source Type:Extractor
Extractor Lens:6mm ID
Source Temp.:230 °C
Quad Temp.:150 °C
Electron Energy:70 eV
Tune Type:BFB
Ionization Mode:EI
PreconcentratorMarkes UNITY™
InstrumentAgilent 7890B GC & 5977A MSD
AcknowledgementMarkes

Blindproben

Die in leere Edelstahlröhrchen (d. h. ohne Sorbens) injizierten und mithilfe der TD-GC-MS-Methode analysierten 1-µL-Aliquote der E-Liquids führten zur Bildung von Formaldehyd, Acetaldehyd und Acrolein. Die Konzentrationen dieser drei Verbindungen erhöhten sich jedoch nicht, wenn 1-µL-Aliquote der E-Liquids in gefüllte Thermodesorptionsröhrchen (d. h. Mehrbett-Sorbens) injiziert und anschließend mithilfe der TD-GC-MS-Methode analysiert wurden. Diese beiden Beobachtungen decken sich mit der Hypothese, dass eine Pyrolyse von Propylenglykol und/oder Glyzerin innerhalb des TD-GC-MS-Systems selbst und nicht im Sorbens des Thermodesorptionsröhrchens (d. h. im Mehrbett-Sorbens) stattfand. Es war jedoch nicht klar, an welchem Punkt innerhalb des TD-GC-MS-Systems die Pyrolyse stattfand (d. h.  in der Kühlfalle, während des ballistischen Aufheizens oder in den beheizten Transferlines). Trotzdem war die Pyrolyse für 14 bis 23% der in dieser Studie beobachteten Konzentrationen von Formaldehyd, Acetaldehyd und Acrolein im Dampf verantwortlich. Die oben erwähnten prozentualen Anteile wurden durch Vergleich der Carbonyl-/Nikotin-Verhältnisse aus den leeren Edelstahlröhrchen und den gefüllten Thermodesorptionsröhrchen mit den 40-mL-Zug-Proben abgeschätzt. Außerdem war die Laborluft manchmal eine Quelle für bestimmte VOCs; diese Konzentrationen (z.B. im unteren ppbv-Bereich) waren jedoch oft deutlich niedriger als die Konzentrationen in den E-Zigaretten (z.B. im unteren bis mittleren ppmv-Bereich). Zukünftige Forscher sollten sich der Gehalte ihrer Laborluft und der potenziellen Pyrolyse innerhalb des TD-GC-MS-Systems bewusst sein und entsprechende Anpassungen ihrer Grenzwerte und/oder des Systemuntergrunds vornehmen. Dies lag außerhalb des Umfangs der vorliegenden Arbeit; jedoch sollte man sich in Zukunft darauf konzentrieren, den Beitrag der Pyrolyse zu reduzieren, zum Beispiel durch Anpassung der Temperaturen der Transferlines, der Aufheizraten, der Flussraten usw.

Vorteile/Einschränkungen/Zukünftige Forschung

Wissenschaftler wie Goniewicz et al. verfügten über spezielle Rauchmaschinen, mit denen sich “realistische Rauchszenarien” simulieren ließen (z. B. ein 1.8 Sekunden langer Zug mit einem 10 Sekunden langen Intervall zwischen den Zügen). Diese Rauchszenarien verraten möglicherweise mehr über den Dampf von E-Zigaretten und sind vielleicht auch genauer als die in dieser Untersuchung verwendete einfache Probenahmevorrichtung (Abbildung 1). Dennoch ist die vorliegende Arbeit insofern bedeutsam, da sie zeigt, dass die verwendeten analytischen Methoden hinreichend empfindlich sind, um einen einzigen 40-mL-Zug zu analysieren. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass ein Rauchszenario mit einem 4 Sekunden langen Zug und einem 10 Sekunden langen Intervall zwischen 10 Zügen mit der einfachen Probenahmevorrichtung (Abbildung 1) manuell durchgeführt wurde. Die Ergebnisse dieser Probe mit 10 Zügen sind in Abbildung 8 dargestellt. Diese Probe zeigte einige früh eluierende Verbindungen (eingestuft als identifiziert, vorläufig identifiziert und nicht identifiziert), die in der Probe mit nur einem Zug (Abbildung 7) nicht identifiziert wurden. Allerdings wurden die Peaks von Propylenglykol und Glyzerin, die in der Probe mit nur einem Zug bereits überladen waren, in der Probe mit 10 Zügen so groß, dass die meisten der vorher in der Probe mit nur einem Zug identifizierten Peaks aufgrund der Interferenz mit Propylenglykol und Glyzerin verloren gingen. Außerdem führte diese Überladung mit Propylenglykol und Glyzerin zur Kontamination des Thermodesorptionssystems Markes UNITY™, so dass eine zeitaufwändige Reinigung erforderlich war, um Verschleppungen zu vermeiden.

Wie bereits bei der Diskussion der Ergebnisse der Blindproben erwähnt, sollten sich zukünftige Forscher über die Pyrolysebedingungen innerhalb des TD-GC-MS-Systems und mögliche Auswirkungen auf die Konzentrationen von Formaldehyd, Acetaldehyd und Acrolein im Dampf bewusst sein. Für diese Carbonylverbindungen sind alternative Probenahme- und Analyseverfahren (z. B. DNPH-beschichtete feste Sorbentien) verfügbar, mit denen sich die Pyrolyseproblematik umgehen ließe. Sie haben jedoch den Nachteil, dass zeitaufwändige Lösemittelextraktionen erforderlich sind und dass es nicht möglich ist, in einem einzigen 40-mL-Zug  eine derart große Anzahl von Verbindungen zu scannen (wie z. B. die 82 in dieser Studie beobachteten VOCs und SVOCs). Zukünftige Untersuchungen zum Dampf von E-Zigaretten sollten sich auf die Optimierung der Parameter zur thermischen Desorption konzentrieren, um deren Beitrag zur Pyrolyse durch Justierung der Temperaturen der Transferlines, der Aufheizraten, der Flussraten usw. zu reduzieren. Insgesamt ist die vorliegende Methode als einfach durchzuführendes und schnelles Screening-Verfahren für zahlreiche VOCs und SVOCs im Dampf von E-Zigaretten voraussichtlich gut geeignet.

Abbildung 8: Zehn 40-mL-Züge von Dampf aus einer E-Zigarette wurden in einem Thermodesorptionsröhrchen aufgefangen und mithilfe der GC-MS-Methode analysiert.

cgarm-img
GC_AR1162
ColumnRtx-VMS, 30 m, 0.25 mm ID, 1.40 µm (cat.# 19915)
Standard/Sample
Conc.: Ten 40 mL puffs of electronic cigarette vapor drawn via a gas-tight syringe to replicate vaping
InjectionDirect
Oven
Oven Temp.:35 °C (hold 1 min) to 250 °C at 11 °C/min (hold 4 min)
Carrier GasHe, constant flow
Flow Rate:2.0 mL/min @ 35 °C
DetectorMS
Mode:Scan
Scan Program:
GroupStart Time
(min)
Scan Range
(amu)
Scan Rate
(scans/sec)
1015-5505.2
Transfer Line Temp.:250 °C
Analyzer Type:Quadrupole
Source Type:Extractor
Extractor Lens:6mm ID
Source Temp.:230 °C
Quad Temp.:150 °C
Electron Energy:70 eV
Tune Type:BFB
Ionization Mode:EI
PreconcentratorMarkes UNITY™
InstrumentAgilent 7890B GC & 5977A MSD
AcknowledgementMarkes

Schlussfolgerungen

Im Zuge der rasant steigenden Beliebtheit von E-Zigaretten wendet sich die öffentliche Aufmerksamkeit zunehmend dem Thema Verbraucherschutz zu. Während sich die Wissenschaft bis heute in erster Linie für die Bestandteile der E-Liquids interessierte, signalisieren die hier vorgelegten Daten einen Bedarf für eine deutlich verstärkte Forschung zum chemischen Profil des Dampfes aus E-Zigaretten. Zu diesem Zweck beschäftigte sich die vorliegende Untersuchung mit der Entwicklung von Analysemethoden für sowohl Liquids als auch für Dampfproben. Die drei im Rahmen dieser Studie entwickelten Methoden nutzten eine Rtx®-VMS-Säule, eine proprietäre Phase von Restek, die ausgewählt wurde, um die erforderlichen Ressourcen zu reduzieren und einen einfachen Vergleich der Ergebnisse zu ermöglichen.

Zur Bestimmung des Nikotingehalts der Liquids von E-Zigaretten wurden schnelle GC-FID-Methoden mit Helium oder Wasserstoff als Trägergas entwickelt. Diese Methoden wären für die schnelle Qualitätskontrolle von Liquids für elektronische Zigaretten geeignet. Außerdem wurde eine direkte GC-MS-Methode zur Bestimmung der Verunreinigungen in E-Zigaretten-Liquids entwickelt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Liquids für E-Zigaretten neben den auf dem Etikett vom Anbieter angegebenen Verbindungen (Propylenglykol, Glyzerin und Nikotin) eine Vielzahl weiterer Substanzen enthielten. In dieser Untersuchung zeigten die Liquidprofile insgesamt 64 identifizierte (manche nur vorläufig) und nicht identifizierte Verbindungen, d. h. wesentlich mehr als die drei auf dem Produktetikett angegebenen Inhaltsstoffe.

Zur Analyse von Dampfproben wurde eine einfache, neuartige Probenahmevorrichtung entwickelt, um den Dampf der E-Zigaretten in ein Thermodesorptionsröhrchen zu ziehen, das anschließend thermisch extrahiert und mithilfe einer GC-MS-Methode analysiert wurde. Diese Methode lieferte nachweisbare Konzentrationen von 82 VOCs und SVOCs aus einem einzigen 40-mL-Zug und kann leicht in Labors eingesetzt werden, die nicht über eine Rauchmaschine verfügen. Es ist beachtenswert, dass einige der identifizierten Verbindungen bekanntermaßen schädlich für die menschliche Gesundheit sind. Diese Verbindungen wurden im Dampf, jedoch nicht im Liquid der E-Zigaretten nachgewiesen, was darauf hinweist, dass sie beim Verdampfungsprozess entstanden sind.

Es besteht kein Zweifel daran, dass die Liquids für E-Zigaretten und – noch wichtiger – der Dampf zahlreiche weitere Verbindungen enthalten als die, die auf dem Produktetikett angegeben sind. Da diese Verbindungen potenzielle Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben, sollte die Wissenschaft sich intensiver mit der Untersuchung des Dampfes befassen. Die darin enthaltenen chemischen Substanzen sollten eindeutig identifiziert werden; außerdem sollte man untersuchen, wie typisches Nutzungsverhalten mit den vorhandenen Expositionsgrenzwerten für die menschliche Gesundheit korreliert.

Danksagung

Markes International Inc., 11126-D Kenwood Road, Cincinnati, OH 45242

Literatur

  1. A. Trtchounian, M. Williams, P. Talbot, Conventional and electronic cigarettes (e-cigarettes) have different smoking characteristics, Nicotine Tob Res 12 (2010) 905.
  2. C.J. Brown, J.M. Cheng, Electronic cigarettes: product characterisation and design considerations, Tob Control 23 Suppl 2 (2014) ii4.
  3. J.K. Pepper, T. Eissenberg, Waterpipes and Electronic Cigarettes: Increasing Prevalence and Expanding Science, Chemical Research in Toxicology 27 (2014) 1336.
  4. K.E. Farsalinos, G. Romagna, D. Tsiapras, S. Kyrzopoulos, V. Voudris, Evaluating nicotine levels selection and patterns of electronic cigarette use in a group of "vapers" who had achieved complete substitution of smoking, Subst Abuse 7 (2013) 139.
  5. C. Bullen, C. Howe, M. Laugesen, H. McRobbie, V. Parag, J. Williman, N. Walker, Electronic cigarettes for smoking cessation: a randomised controlled trial, Lancet 382 (2013) 1629.
  6. P. Caponnetto, D. Campagna, F. Cibella, J.B. Morjaria, M. Caruso, C. Russo, R. Polosa, EffiCiency and Safety of an eLectronic cigAreTte (ECLAT) as tobacco cigarettes substitute: a prospective 12-month randomized control design study, PLoS One 8 (2013) e66317.
  7. M.L. Goniewicz, J. Knysak, M. Gawron, L. Kosmider, A. Sobczak, J. Kurek, A. Prokopowicz, M. Jablonska-Czapla, C. Rosik-Dulewska, C. Havel, P. Jacob III, N. Benowitz, Levels of selected carcinogens and toxicants in vapour from electronic cigarettes, Tob Control 23 (2014) 133.
  8. W. Schober, K. Szendrei, W. Matzen, H. Osiander-Fuchs, D. Heitmann, T. Schettgen, R.A. Jorres, H. Fromme, Use of electronic cigarettes (e-cigarettes) impairs indoor air quality and increases FeNO levels of e-cigarette consumers, Int J Hyg Environ Health 217 (2014) 628.
  9. L. Kosmider, A. Sobczak, M. Fik, J. Knysak, M. Zaciera, J. Kurek, M.L., Goniewicz, Carbonyl compounds in electronic cigarette vapors: effects of nicotine solvent and battery output voltage, Nicotine Tob Res 16 (2014) 1319.
  10. E-Cig Reviews on the Best E-Cigarettes of 2014, Ecigarette Reviewed (2014). http://ecigarettereviewed.com (Accessed January 12, 2015).
  11. K.E. Farsalinos, R. Polosa, Safety evaluation and risk assessment of electronic cigarettes as tobacco cigarette substitutes: a systematic review, Ther Adv Drug Saf 5 (2014) 67.
  12. K.E. Farsalinos, G. Romagna, D. Tsiapras, S. Kyrzopoulos, V. Voudris, Evaluation of electronic cigarette use (vaping) topography and estimation of liquid consumption: implications for research protocol standards definition and for public health authorities' regulation, Int J Environ Res Public Health 10 (2013) 2500.
  13. N. Ochiai, A. Tsuji, N. Nakamura, S. Daishima, D.B., Cardin, Stabilities of 58 volatile organic compounds in fused-silica-lined and SUMMA polished canisters under various humidified conditions, J Environ Monit 4 (2002) 879.
  14. NIST Mass Spectrometry Data Center, U.S. Department of Commerce, 2014.
  15. A. Rodgman, T.A. Perfetti, The Chemical Components of Tobacco and Tobacco Smoke, CRC Press, 2nd ed., 2013.
  16. V.J. Cogliano, Y. Grosse, R.A. Baan, K. Straif, M.B. Secretan, F. El Ghissassi, Meeting report: summary of IARC monographs on formaldehyde, 2-butoxyethanol, and 1-tert-butoxy-2-propanol., Environ Health Perspect 113 (2005) 1205.
  17. IARC Working Group Lyon, 13-20 October 1987, Alcohol drinking, IARC Monogr Eval Carcinog Risks Hum 44 (1988) 1.
  18. Y.S. Stein, M.J. Antal, M. Jones, A study of the gas-phase pyrolysis of glycerol, Appl Pyrolysis, 4 (1983) 283.
  19. Toxicological Profile for Acrolein, Agency for Toxic Substances and Disease Registry, U.S. Department of Health and Human Services, Atlanta, 2007.
  20. Electronic Cigarettes (e-Cigarettes), U.S. Food and Drug Administration (2014) (Accessed January 13, 2015).
FFAN2127-DE