一种仿生卷烟抽吸及烟气收集系统及其应用

1.本发明涉及新装置和界面修饰领域，具体来说是涉及一种仿生卷烟抽吸及烟气收集系统。


背景技术：

2.我国是世界上最大的卷烟消费市场之一，目前市场上存在各种类型的卷烟，年销售额巨大。由于烟气颗粒粒径、浓度及化学成分会影响烟气感官品质和安全性，研究卷烟烟气样品的制备收集方法、理化性质检测方法对探讨卷烟的品质和安全性是极为重要的。
3.在烟气理化性质的检测过程中，制备和收集烟气样品是一个重要的环节。现阶段研究者主要通过剑桥滤片收集烟气样品，其将烟气收集在极狭窄的滤膜上，主要用于检测烟气的化学组份。剑桥滤片上的烟气颗粒相互覆盖，不能用来检测粒径分布。因此研究者们也采取多重稀释的方法收集烟气样品，用于检测粒径。然而烟气浓度较高时，烟气颗粒容易发生碰撞、团聚和凝结，使颗粒的粒径和分布发生变化，因此测定过程中的抽吸模式、烟气稀释和陈化过程均能影响烟气样品粒径分布的测定结果，这对烟气样品的制备和收集提出了更高的要求。目前，卷烟或者加热卷烟的抽吸测试方法，大多数使用简单的剑桥滤片抽吸，这些方法能够所使用的抽吸腔体与真正的人类呼吸道形态相去甚远。并且，这些抽吸测试体系的内外外界环境温度和湿度是不可控的，也不能模拟抽吸后的呼气过程，这与正常的抽烟过程有较大差异，不能满足评价加热卷烟烟气性质的需求。所以构建深度仿生的烟气抽吸和收集系统具有重要意义。
4.基于传统的烟气采集方法，许多研究报道了卷烟烟颗粒收集和检测方法。如采用静电迁移法测定了卷烟的烟气粒径分布；利用快速粒径谱仪对电加热卷烟烟气的粒径分布进行了检测，检测传统卷烟或者电子烟的烟气颗粒大小。这些检测方法可以给出一个烟气颗粒粒径的分布，却不能直观地观测到烟气颗粒，也难以给出烟气颗粒更多方面的信息，它们不能满足评价加热卷烟烟气物理特性、感官特性及毒理学性质的需求。其最主要的缺陷体现在无法原位采集烟气样品，传统的烟气收集主要为液体过滤收集，湿润的棉花或者海绵收集等等，这些方法收集的烟气样品均为液相分散样品，在从弥散的固体烟气颗粒转为液相分散样品过程中，烟气颗粒的粒径分布情况和物化性质发生改变，无法得到一手的烟气颗粒分散情况和粒径分布。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的问题是，针对上述卷烟抽吸系统中的缺点，即仿生呼吸道还原问题和原位烟雾颗粒收集问题，提出创新解决方案，构建仿人体呼吸道结构的卷烟抽吸平台及原位烟气颗粒收集方法。
6.为解决上述问题，本发明采用的方案如下：一种仿生卷烟抽吸及烟气收集系统，其特征在于，包括3d打印仿生抽吸平台和原位烟气收集系统；3d打印仿生抽吸平台为人工肺驱动的弹性体材质3d打印仿生呼吸道和肺模型；原位烟气收集系统为基于静电修饰技术的
单颗粒烟气样品原位采集。
7.进一步，所述仿生卷烟抽吸及烟气收集系统，其特征在于，弹性体材质3d 打印仿生呼吸道和肺模型具有与人体呼吸道系统形状相同的腔体，包括口腔，鼻腔，器官和肺四个部分，按照人体呼吸道和肺构型1：1构建，弹性体材质为有机硅弹性体和/或有机硅凝胶；弹性体材质3d打印仿生呼吸道和肺模型上设有人工肺、暖风雾化加湿装置和测试-反馈系统，人工肺用于驱动仿生呼吸道腔体收缩和舒张，控制其内部负压和正压；暖风雾化加湿装置和测试-反馈系统，用于控制腔体内部温度和湿度。
8.进一步，所述仿生卷烟抽吸及烟气收集系统，其特征在于，人工肺和暖风雾化加湿装置与弹性体材质3d打印仿生呼吸道和肺模型连接部位设有hepa滤膜和活性炭滤网。
9.进一步，所述仿生卷烟抽吸及烟气收集系统，其特征在于，原位烟气收集系统包括烟气样品采集基板，设置于弹性体材质3d打印仿生呼吸道和肺模型的口腔、舌头、鼻腔、咽喉、气管处；烟气样品采集基板为表面亲水和静电修饰硅基板。
10.进一步，所述仿生卷烟抽吸及烟气收集系统，其特征在于，表面亲水和静电修饰硅基板的制备方法包括如下步骤：将硅基板在异丙醇中超声清洗处理，功率100w,清洗时间15分钟；将硅基板使用氮气吹干之后，浸泡于铬酸溶液中，至于恒温箱80℃处理30分钟；取出硅基板，使用超纯水冲洗三遍，并使用氮气吹干；将基板浸泡于含有1％质量分数的3-氨丙基三乙氧基硅烷(aptes)的甲苯溶液中，浸泡2小时；取出基板，使用甲苯和乙醇冲洗三遍，在干燥皿4℃保存备用。
11.一种仿生卷烟抽吸及烟气收集系统，其特征在于，应用于各类卷烟和加热卷烟抽吸测试和烟气收集。
12.一种仿生卷烟抽吸及烟气收集系统，其特征在于，应用于各类电子烟抽吸测试和烟气收集。
13.本发明的技术效果如下：
14.1.相对于传统的卷烟抽吸装置，本发明中的仿生卷烟抽吸平台能够模拟人体呼吸道系统整体的仿生卷烟抽吸过程，仿生抽吸平台内重要的位置(口腔、舌头、鼻腔、咽喉、气管)均预留有安装烟气样品采集基板的位置，以便于收集不同位置的烟气样品。
15.2.相对于传统的卷烟抽吸装置，本发明中的仿生卷烟抽吸平台能够保持内外环境稳定，仿生抽吸平台内外分别连接温湿度控制仪，在仿生抽吸平台内部模拟稳定的人体生理环境，在仿生抽吸平台外部模拟稳定可控的温湿度环境。
16.3.相对于传统的卷烟抽吸装置，本发明中的仿生卷烟抽吸平台能够控制抽吸频率，潮气量，通过改变抽吸量(潮气量)，模拟不同年龄人群的肺活量，实现差异性烟雾量抽吸模拟，通过改变内外压差，实现不同海拔地区人群抽吸模拟等等。
17.4.相对于传统的卷烟烟雾采集装置，本发明中的卷烟烟气采集方法，能够对吸入仿生呼吸道中的烟气进行原位采集，避免被吸附的烟气颗粒再聚集或发生进一步的化学反应，保证烟气颗粒的物理化学性质长期不变。
附图说明
18.图1人工肺驱动的弹性体材质3d打印仿生抽吸平台示意图。
19.图2硅基板静电修饰示意图。
20.图3基于静电修饰技术的单颗粒烟气样品的原位采集示意图。
21.图4仿生卷烟抽吸及烟气收集系统相对于传统卷烟抽吸采集系统性质对比图。
22.图5剑桥滤片收集的烟气和仿生卷烟抽吸及烟气收集系统收集的烟气动态光散射检测和多次动态光散射测试的粒径峰值进行分析。
23.图6不同位置的烟雾原位采集和原子力显微镜表征。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
25.运用3d打印技术，构建一个仿生抽吸平台，其结构如图1所示。本发明使用可打印弹性体，打印出与人体呼吸道系统形状相同的腔体，其总体结构主要包括了口腔、舌头、鼻腔、咽喉、气管等。该平台使用人工肺替代肺部，模拟逐口抽吸过程，其中舌头和咽喉等部位使用高弹性低模量高分子材料，保证柔性，模拟舌头和咽喉部在抽吸过程中的形变和位移过程；烟气从口腔进入，从口腔和鼻腔呼出，整个运动过程与烟气在人体呼吸系统内的运动高度相似。仿生抽吸平台内重要的位置(口腔、舌头、鼻腔、咽喉、气管)均预留有安装烟气样品采集基板的位置，以便于收集不同位置的烟气样品。
26.为保持仿生抽吸平台内外环境稳定，本项目拟在仿生抽吸平台内外分别连接温湿度控制仪，在仿生抽吸平台内部连接雾化加湿器和暖风机，连接负反馈温湿度控制器，模拟稳定可控的温湿度环境，保证腔体内部温度和湿度。
27.仿生抽吸平台系统中，使用人工肺即呼吸机替代传统的抽吸机(图1)，这一设计在模拟不同人群不同地域的卷烟抽吸情况方面具有明显的优势。人工肺能够改变抽吸的幅度(抽吸正压和负压设置)，频率(抽吸间隔设置)，湿度(内环境腔体湿度)，用于模拟不同的抽吸习惯的实验模拟和烟气样品采集；同时，人工肺还可以通过改变抽吸量(潮气量)，模拟不同年龄人群的肺活量，实现差异性烟雾量抽吸模拟，通过改变内外压差，实现不同海拔地区人群抽吸模拟等等。
28.通过对硅基板进行表面亲水和静电修饰，进行基板对烟气颗粒的牵引和吸附，实现弥散烟气的直接吸附和采集(图2)。
29.硅基板静电修饰方法，将硅片基板首先切割为1
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1cm2大小，在异丙醇中超声清洗处理，功率100w,清洗时间15分钟；将硅基板使用氮气吹干之后，浸泡于铬酸溶液中，至于恒温箱80℃处理30分钟；取出硅基板，使用超纯水冲洗三遍，并使用氮气吹干；将前述基板浸泡于含有的3-氨丙基三乙氧基硅烷(aptes) 的甲苯溶液中，浸泡2小时，3-氨丙基三乙氧基硅烷浓度为1％质量体积分数；取出基板，使用甲苯和乙醇冲洗三遍，在干燥皿4℃保存备用。
30.下面对本发明各项性能进行实施例测试。
31.实施例1本发明中仿生卷烟抽吸和烟气采集系统与传统卷烟抽吸烟气采集系统对比
32.为展示本发明中仿生卷烟抽吸平台和烟气采集系统相对于传统卷烟抽吸采集系统的优势，本实施例列出了二者的部分性质对比(图3)。传统烟气抽吸采集系统主要利用剑桥滤片收集烟气样品，其将烟气收集在极狭窄的滤膜上，无法模拟烟气在呼吸道内的运动，也无法进行单颗粒收集。本项目设计的仿生抽吸平台的形状与人类呼吸道相同，最大限度
地模拟了人类呼吸道内外环境，除了可以模拟简单的抽吸过程，还可以模拟复杂环境和复杂状态下，不同人群和不同地区的卷烟抽吸过程，并完成相应采样。
33.实施例2本发明中仿生卷烟抽吸平台的烟气粒径分布与传统烟气收集系统粒径对比
34.为验证本发明中仿生卷烟抽吸平台对卷烟烟气颗粒收集和分散颗粒的影响，申请人对使用剑桥滤片收集的烟气和使用本发明中的仿生卷烟抽吸平台收集的烟气进行对比，使用动态光散射对二者溶于水之后的溶液进行检测。如图5a所示，动态光散射检测出，对于传统烟气收集系统，烟气颗粒分散范围为 1000-8000nm，相比之下，本发明中的仿生卷烟抽吸平台和烟气采集系统，烟气颗粒分散范围为400-1600nm；如图5b所示，对多次动态光散射测试的粒径峰值进行分析，发现传统方法所收集的烟气颗粒粒径的均值为3.5μm左右，而本发明中仿生卷烟抽吸平台所收集的烟气颗粒粒径的均值为720nm左右。由此可见，采用本发明中的仿生卷烟抽吸平台所收集的烟气颗粒分散度更高，具备更小的粒径，而作为对照的传统收集方式，烟气颗粒发生了聚集，无法真实展示烟气颗粒的粒径分布。
35.实施例3本发明中的原位收集的卷烟烟雾颗粒收集和形态分析
36.为了展示本发明中的仿生抽吸平台和原位收集在卷烟烟雾收集方面的应用，申请人使用本发明的仿生抽吸平台对卷烟烟雾在仿生呼吸道内不同位置的烟雾进行原位采集和原子力显微镜表征。如图6a所示，在呼吸道中距离口腔不同的位置，包括口腔位置(i)，咽喉位置(ii)，气管(iii)中段和鼻腔(iv)，设置静电修饰基板，用于卷烟烟气颗粒收集，而后使用原子力显微镜对采集了烟气颗粒的基板进行检测。如图6b所示，在口腔位置，由于烟雾湿度大，烟雾聚集相对集中，所以能够发现聚集的絮状或者聚集的颗粒状结构，高度在100nm以上，聚集尺度在微米级；如图6c所示，在咽喉位置，烟雾开始弥散，大颗粒物质在到达收集基板之前就已经下沉，因而该处收集的到为相对均一的中等烟雾颗粒，粒径大小在10-80nm之间，并且颗粒密度较高；如图6d所示，在气管中段，中等烟雾颗粒也已经弥散开，因而该处收集到的为密度(质量体积比)较低的小颗粒，颗粒密度也比较低，颗粒直径在20nm以下。这一实施例详细展示了本发明的仿生抽吸平台和原位收集方法在收集和直观表征卷烟烟气颗粒大小和聚散程度方面的应用和优势。