烟草金属形态分析研究

1各位领导各位朋友上午好!2烟草金属形态分析研究中国科学技术大学烟草与健康研究和中心张悠金2015.7.83汇报内容一、开展烟草和烟气金属形态研究的背景和意义二、国内外金属形态研究进展三、我们课题组已经开展的研究工作四、展望4一、背景和意义1.1背景近年来，随着全球性反吸烟运动的日益高涨和《烟草控制框架公约》的逐步实施，烟草及其产品的质量安全引起了人们的广泛关注。52010年10月第九届亚太烟草与健康会议上发布了一项中国与其他国家烟草的对比研究结果：中国产13个品牌香烟检测出含有金属，其中，铅、砷和镉等金属元素含量与加拿大产香烟相比，最高超出三倍以上。2010年10月美国《烟草控制》期刊也报道了关于中国产78个品牌香烟中金属元素的检测结果。这些研究结果的报道和有关媒体的渲染，再一次把烟草行业推到关注产品质量安全的风口浪尖上。6为了进一步加强我国卷烟产品质量安全工作，国家烟草专卖局党组于2010年11月17日就烟草产品质量安全召开了专题办公会议，强调烟草行业从上到下都要对金属元素的质量安全予以重视。2010年12月13日，国家烟草专卖局党组又专门召开了各直属单位“一把手”卷烟质量安全会议，进一步强调了质量安全的“一把手”责任制。随后各中烟公司和各省烟草局都召开了相关会议，高度重视烟草及其制品金属安全性。烟草行业对烟草及其制品的安全性管控和金属管控越来越严。7植物中的金属元素存在不同形态，不同形态对人体的作用是不同的。Pb：铅是可在人体和动物组织中积蓄的有毒金属。有机铅的毒性比无机铅大:大鼠的毒性试验表明，经腹腔注射不同形态铅化物，其半致死量LD50(mg/kg)差异很大，氧化铅为400，硫化铅为1600，砷酸铅800，醋酸铅150，四乙基铅口服致死剂量为15。8As：在自然界，主要砷化物形态有：亚砷酸盐(AsⅢ)、砷酸盐(AsⅤ)、一甲基砷酸(MMA)和二甲基砷酸(DMA)。主要砷化物对大鼠的半致死量LD50(mg/kg)分别为：As(Ⅲ)14，As(Ⅴ)20，MMA700-1800，DMA700-2600，AsC6500，AsB10000。这些数据表明无机砷的毒性最大，甲基化砷的毒性较小，而AsC、AsB和砷糖常被认为无毒的，砷与有机基团结合越多，毒性越小。As3+的毒性最大，如As2O3的毒性很强，20mg可致死。人体内三价砷易与巯基结合形成稳定的络合物，从而阻碍细胞呼吸，使细胞代谢发生障碍，有致癌性。五价砷会在许多生化反应中与磷酸竞争，因为键的不稳定，很快会水解而导致高能键(如ATP)的消失。氢化砷被吸入之后会很快与红血球结合并造成不可逆的细胞膜破坏。9Hg：常见的汞形态主要包括金属汞、无机汞(一价及二价化合物)、甲基汞，乙基汞等。汞化合物的毒性与其化学形态密切相关，有机汞具有脂溶性能，容易被机体吸收，因此毒性远远大于无机汞，有机汞与烷基结合的越少，毒性越小。人体血液中甲基汞的含量超过0.2μg/g便会出现中毒症状。常见的无机汞化物有甘汞（HgCl）和升汞(HgCl2)等，甘汞的溶解度较低，毒性较小，所以少量的甘汞可当作泻药和利尿剂。升汞较易溶于水，其毒性较大，致死量为1-2g。10Se：植物中硒存在的化学形式分为有机硒和无机硒两大类。无机硒主要包括硒酸(Se6+)、亚硒酸(Se4+)，是植物吸收的主要形式；有机硒则包括硒代半胱氨酸、硒同型半胱氨酸、甲基硒等含硒小分子以及硒与蛋白质、纤维和碳水化合物中的C、N等原子相结合而形成的含硒生物大分子。从大蒜、洋葱、韭菜等植物中鉴定出硒甲基硒代半胱氨酸是主要的硒化物，它与γ-谷氨酰硒甲基硒代半胱氨酸(硒甲基硒代半胱氨酸的运输载体)被认为是植物中存在的具有抗肿瘤效应物质。人体内的硒元素主要以2种生物活性含硒化合物的形式存在(含硒酶和含硒蛋白)，广泛存在于组织、体液及毛发中，具有清除自由基、排除体内毒素、抗氧化、能有效地抑制过氧化脂质的产生、防止血凝块、清除胆固醇、增强免疫和修复生物膜损伤等功能。但是，硒过量也会导致心肾功能障碍，腹泻，脱发。11Ni：镍是一些酶的组成部分，适量的镍可以激活肽酶、刺激生血机能，镍的积极作用通常指Ni2+，如Ni2+可能对心血管有益处，硫酸镍和溴化镍等曾用于治疗贫血。而四羰基镍Ni(CO)4则是一种致癌物，吸烟者更易患肺癌就是因为卷烟中含量较高的镍与烟雾中CO结合成Ni(CO)4所致。观察Ni2+进入细胞后的分布情况发现，不溶性镍盐进入细胞后很快进入细胞核内；而水溶性镍盐进入细胞后短时间内主要集中在胞浆，长时间作用后才能在核内聚集；可见水溶性镍盐进入细胞后很快被溶解消散，而不溶性镍盐却可长期停留在细胞中，因此，不溶性镍盐(如Ni3S2、Ni2O3等)的致癌活性比水溶性镍化物高（如NiSO4、NiCl2）。12Cd：Cd2+是与毒性相关性最大的因素。动物实验表明不同形态镉造成的毒性差异也很显著，研究者比较了无机镉和硫蛋白型镉(Cd-MT)在老鼠体内的分布，结果表明注射的硫蛋白型镉(Cd-MT)在1h内大约有60%的镉从尿中排出，27%累积在肾脏中，而注射的CdCl2则有67%累积在肝脏中，仅0.03%从尿中排出。13Cr：人体每天需要Cr3+的量约0.06-0.36mg。Cr3+是葡萄糖耐量因子的中心活性成分，能协助胰岛素维持正常糖耐量。Cr3+能增强血浆卵磷脂胆固醇酞基转移酶、肝内皮细胞脂酶的活性以及脂蛋白脂酶的作用，使血脂、胆固醇下降。人们还发现，糖尿病、心肌炎、心肌病患者体内缺Cr3+。Cr6+的毒性大，它可影响细胞的氧化还原，能与核酸结合，干扰人体内重要酶体系的功能，对呼吸道、消化道有刺激、致癌作用，会损伤肾及肺。铬的致癌作用主要是指以正六价状态存在的铬。141.2、意义烟草金属主要是指As、Cd、Cr、Pb、Ni、Se、Hg等。一个安全性指标的合格与否可能决定一个品牌的成败，一个品牌的成败可能决定一个企业的兴衰，甚至严重影响一个行业的发展。卷烟中的金属又是通过烟气进入人体的。烟气金属来自于卷烟的原辅材料，烟叶是卷烟的原料，卷烟的安全性在很大程度上取决于烟叶的安全性。因此，加强烟叶和烟气金属的检测和监控十分重要而紧迫。15烟叶中金属元素也存在不同形态，如：不溶态、可溶态、无机态、有机态、不同价态、不同结合态，等等。不同形态金属对人体的作用不同，有的对人体是有益的，有的对人体是有害的，有的毒性高，有的毒性低，如：Se在一定量以下对人体是必需的，富硒烟叶，硒保健品等，但硒高于一定量后就会对人体有害；三价砷致癌；五价砷比三价砷毒性低些；六价铬致癌，三价铬毒性低；等等。因此，判断烟草金属的危害性，不仅要考虑金属总量，还应该考虑金属不同形态和及其含量。16不同形态金属的物理化学性质不同，它们在烟气中的迁移特性必然不同，有的易迁移到烟气中，有的难迁移到烟气中。对于那些金属总量高，而易迁移到烟气中的金属形态含量低的烟叶，按金属总量判断标准，这种烟叶在卷烟中应该少用或不用。但实际上这种烟叶应用到卷烟中时，其烟气中金属含量并不会高。所以按金属不同形态含量及其烟气迁移特性判断，这种烟叶在卷烟中不仅可用，而且可以适量使用。相反，那些虽然金属总量不高，而易迁移到烟气中的金属形态含量高，这种烟叶反而不能多用或不能用。因此，用金属含量判断烟叶工业可用性时，不仅要考虑金属总量，而且还要考虑金属不同形态含量及其烟气迁移特性。17就我们所知，关于植物中金属不同形态分离和检测技术研究报道较多，但关于烟草中金属不同形态的研究报道相对较少。近年来，随着行业对烟草金属研究的重视，关于烟草金属不同形态研究的报道逐渐增多。因此，开展烟叶和烟气中金属不同形态分离和检测技术和金属不同形态烟气迁移特性的系统性研究对树立科学全面正确判断烟草金属有害性和烟叶工业可用性，不仅具有重要的理论意义，而且具有重要的实际应用价值和经济意义。18二、国内外金属形态分析研究进展2.1概述国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)——形态分析是指证实分析物质的分子和原子状态的过程。元素形态分为物理形态和化学形态，其中物理形态是指元素在样品中的物理状态，如溶解态、胶体和颗粒状等；化学形态是指元素以某种离子或分子的形式存在，其中包括元素的价态、结合态、聚合态及其结构等。形态分析就是定量分析检测样品中元素物理形态和化学形态的过程。19形态分类随研究对象的不同而有所不同。一种是分为无机态、有机态化合物与生物活性物质结合态等；另一种使用较广泛的形态分类方法是按操作定义的形态进行分类，即选用合适的试剂将金属提取物分成数类,有水溶态，残渣态以及有机质结合态等。初级形态分析主要是求出可溶态元素的种类及含量，并用滤膜将不溶态与可溶态分开，在分离基础上进行有关元素含量测定。次级形态分析的目的是在上一层次已确定有关元素种类基础上，测出游离态；区分有机态和无机态；用特定的分离方法区分离子价态及金属元素的具体结合形态。202.2元素不同价态分离2.2.1元素价态分离方法沉淀-共沉淀法：沉淀-共沉淀法是一种经典的分离富集方法，其在20世纪60年代起迅速发展得益于LukeCL技术：在溶液中加入沉淀剂和少量的金属离子(称为载体Carrier)共沉淀溶液中痕量金属元素。近年来，新的共沉淀剂不断涌现，其应用日益广泛。硫酸锌与氢氧化钠配制成的6.0mg/mL的氢氧化锌共沉淀剂在pH值为8.3-8.8之间可使Cr3+完全共沉淀，从而分离Cr3+和Cr6+。21吸附分离法:吸附方法主要有两种，其一是根据吸附材料对元素不同价态的吸附性能的差异，先选择性地分离、测定其中一种价态的含量，然后再将另一种价态经过氧化或还原后测定元素的总量，用差减法求得另一价态的含量；另一种方法是通过改变吸附条件(如介质pH值)，或采用不同性能的吸附材料，分别测定试样中不同的价态。根据吸附剂的不同，可分为巯基棉吸附、壳聚糖吸附、树脂分离等。22萃取法溶剂萃取法：利用不同形态元素对溶剂的亲和能力不同而达到分离的目的。可选择pH=5.1柠檬酸缓冲溶液萃取As3+，0.2mol/L乙酸萃取二甲基砷酸（DMA）。固相萃取：由液固萃取和柱液相色谱技术相结合发展而来，是一种填充固定相的短色谱柱，根据样品中不同组分在固相填料上作用力不同，使被测组分与其他组分分离，达到浓缩被测组分或除去干扰物质的目的。23色谱法：是一种利用混合物中诸组分在两相间的分配原理以获得分离的方法。由液相色谱、气相色谱和超临界流体色谱等组成的现代色谱学己成为元素形态分离的基础，如阴离子交换色谱（液相色谱）常被用来分离As3+、As5+、一甲基砷酸MMA、二甲基砷酸DMA。近年来，高效液相色谱与原子吸收光谱、原子发射光谱、原子荧光光谱、质谱等联用的分析方法对复杂体系中的元素形态分析发挥着重要作用。24同步辐射X射线吸收精细结构分析法:同步辐射是高能带电粒子在磁场中沿曲线轨道做回旋加速运动时，沿轨道切线方向发出一种极强的电磁辐射。由于它最初是在同步加速器上观察到的，便被称为同步辐射。在同步辐射X射线吸收技术中，将X射线能量调整至与所研究的元素中内电子层一致，再用于探测样品，然后监测吸收的X射线数量与其能量的函数关系。Hu等利用同步辐射X射线吸收法检测了烟叶粉末、烟灰、主流烟气粒相物中As3+、As5+和Cd2+的含量。Liu等则建立了检测烟叶、烟灰、主流烟气粒相物中As3+、As5+的X射线吸收近边结构法。252.2.2几种具体价态分离技术直接分离检测As不同价态技术HPLC与ICP-MS联用技术的关键是接口问题，即样品溶液经HPLC分离后在线引入ICP的雾化系统。杨丽君等建立了一种同时测定阿散酸、亚砷酸根、砷酸根、砷胆碱、砷甜菜碱、一甲基砷和二甲基砷等7种砷形态的HPLC-ICP-MS技术。样品采用人工胃液作为提取液进行超声处理，再以碳酸铵溶液和水作为流动相，采用阴离子分析柱将样品提取液进行分离，最后进入电感耦合等离子体质谱测定。各砷形态在1-50ug/kg范围内线性关系良好，相关系数均在0.999以上；在1、2、10ug/kg3个添加水平进行了方法学验证，平均回收率为84.3-106.6%，相对标准偏差为1.4-4.