基于全烟气暴露的卷烟烟气体外毒理学研究是近年来烟草制品体外毒性评价的热点之一。全烟气暴露实验可以模拟体内烟气暴露的微环境，更加全面、真实地反映烟草烟气的生物学效应。外源化学物对生物体的健康影响要基于一致的、可比较的暴露剂量才具有生物学意义。在实际的体外试验研究中，准确的实验剂量是毒理学研究结果可靠性的基础和保障。以往在进行全烟气暴露实验时，实际的卷烟烟气浓度很难测定，通常是采用间接表征的方法，主要包括稀释空气流速、烟气稀释百分比、抽吸烟支数量等表征方法。虽然利用这些卷烟烟气剂量的表征方法可以达到比较测试样品之间毒性差异的目的，但无法得到实际环境条件下的真实烟气暴露剂量。因此，卷烟烟气剂量的实时监测和精准控制对全烟气暴露实验结果的可靠性具有重要意义。

石英微量天平（QCM）是一种基于重力平衡能力的测试工具，用于测定和表征质量的变化，灵敏度高，测定范围可达纳克水平，近年来已被用于纳米颗粒物和超细颗粒物的质量检测。根据QCM工作原理，将其应用于评估全烟气暴露模块内沉积的卷烟烟气颗粒物的质量浓度，有助于更好地解释卷烟烟气生物学效应的剂量-效应关系。本项目组的研究人员利用QCM技术评估了全烟气暴露系统内卷烟烟气颗粒物的沉积情况，并进行了不同国家/地区实验室间的全烟气暴露剂量比对实验，获得的测试结果具有较好的一致性。前期的研究结果表明，QCM技术在测定全烟气暴露下的卷烟烟气剂量方面具有良好的应用前景。

在本部分中介绍采用全烟气暴露系统和QCM对烟气暴露仓内的烟气浓度进行测定和表征。

全烟气暴露实验条件下的卷烟烟气剂量测定系统由吸烟机、烟气稀释系统、烟气暴露模块、微量天平传感器和电信号记录单元组成。将VITROCELL^®VC10吸烟机与VITROCELL^®稀释系统连接组成卷烟烟气发生装置；将3个VITROCELL^®微量天平传感器放置于VITROCELL^®暴露模块6/3的3个独立小室内；将暴露模块密封后与烟气稀释系统连接。每个微量天平传感器由1个传感器支托和1个QCM组成（图4.33）。3个微量天平传感器分别与电信号记录单元连接。该测定系统的工作原理如下：

测定时，吸烟机抽吸卷烟产生的新鲜主流烟气进入烟气稀释系统，经合成空气即时稀释，稀释后的主流烟气进入烟气暴露模块。VITROCELL^®暴露模块6/3内的微量天平传感器上的QCM与进入暴露模块的稀释烟气实时、直接接触，卷烟烟气颗粒物沉积到QCM表面，传感器将QCM在烟气颗粒物沉积时的振动频率转换为电流信号，经过软件处理，电信号记录单元将电流信号转换为暴露模块内的实时累积烟气颗粒物的质量浓度（QCM单位表面积的烟气颗粒物质量）。QCM的检测分辨率为10ng/（cm²·s）。

图4.33 烟气暴露模块及微量天平传感器结构示意图

全烟气暴露实验开始前，对QCM先进行归零设置，确保检测基线稳定。利用VC10吸烟机在ISO抽吸条件下^[68]抽吸3R4F参比卷烟，新鲜产生的卷烟主流烟气进入烟气稀释系统中并与合成空气即时混合，每次实验中合成空气设置一个恒定的流速，稀释后的烟气以5mL/min的流速进入暴露模块内。每次实验连续抽吸3支卷烟（每支卷烟抽吸8口），当卷烟抽吸结束后，需等待全烟气暴露模块内烟气颗粒物的沉积达到平稳停滞期，在检测信号显示QCM表面的烟气颗粒物的质量停止增加时结束暴露实验，获得最大浓度的烟气颗粒物累积剂量。测试结果以单支卷烟的沉积烟气颗粒物的累积质量浓度（μg/cm²）表示。实验中，合成空气的流速依次设定为0.25，0.5，1.0，2.0，4.0L/min，即获得5个不同稀释比例下的烟气剂量测定结果。按照下列公式计算对应的稀释比例（稀释倍数），分别为1.95，2.90，4.81，8.62和16.24。每个稀释比例下的烟气暴露实验进行3次独立的重复实验。

式中 DR——稀释比例（Dilution Rate）；(www.daowen.com)

SA——合成空气（Synthetic Air）流速，L/min；

PV——抽吸容量（Puff Volume），mL；

PED——每口排烟时长（Puff Exaust Duration），8s。

如图4.34所示为不同流速合成空气稀释的卷烟主流烟气进入暴露模块后，QCM表面沉积的烟气颗粒物的累积质量浓度测定结果（单支卷烟的烟气颗粒物累积质量浓度为μg/cm²）。可以看出，在每个合成空气流速下，烟气暴露模块内3个独立小室内的烟气颗粒物质量浓度测定结果具有波动性；随着烟气稀释比例的增大，暴露模块内3个独立小室间的平行测定结果越接近[图3.34（1）]。这一现象有待于借助气溶胶空气动力学模型进行后续的深入研究。同时，使用QCM测定的烟气颗粒物的质量浓度存在明显的剂量-效应关系；随着烟气稀释比例的增大，暴露模块内烟气颗粒物的质量浓度降低[图3.34（2）]。通常，全烟气暴露实验中受试细胞或细菌的烟气暴露时间为15～60min。前期的研究结果表明，细胞暴露于5mL/min的气流速度下持续60min，细胞存活率不受明显影响。本实验中，按照实际的全烟气暴露实验的暴露条件进行卷烟烟气剂量的测定。本研究中，在进行烟气剂量测定时，每个稀释比例下抽吸3支卷烟，每支卷烟抽吸8口，即每个烟气剂量组的烟气暴露时间为24min；另外，将暴露模块内的烟气流速设置为5mL/min。本研究结果与先前报道的不同烟气暴露系统的剂量测定结果相一致，表明QCM可以实时、准确地监测暴露模块内烟气颗粒物的质量浓度。

图4.34 全烟气暴露下烟气颗粒物质量浓度测定结果

（1）不同流速合成空气稀释条件下，VITROCELL^®暴露模块6/3的3个独立小室内QCM表面沉积的烟气颗粒物的质量浓度（以单支卷烟计算），n=3（3次独立实验）；（2）不同流速合成空气稀释条件下，烟气暴露模块内烟气颗粒物累积质量浓度，n=3×3（3个独立小室，3次独立实验）