车内tapac烟草相关颗粒物排放:建立一个新的测量平台

背景

烟草燃烧产生的颗粒物(PM)排放在世界范围内造成严重的健康负担。二手烟暴露在封闭空间(如室内房间、汽车舱室)中异常高，对弱势群体(如儿童、老人等)的健康构成特别大的威胁。本研究旨在建立一个新的测量平台，并在不让任何人暴露于有害烟草烟雾的情况下，调查车内四种不同通风条件下的PM排放。

方法

在三菱Space Runner(内部容积3.709米)中，测量了3R4F参考香烟吸烟时的PM浓度^3.)．这些香烟是用机器吸的，避免了研究人员的暴露。香烟点火后4.5分钟熄灭，PM测量持续到点火后10分钟。

结果

不通风的香烟在4.5分钟后测量出较高的PM平均浓度(PM₁₀: 1150µg/m^3.下午,_2.5: 1132µg/m^3.下午,₁: 861.6µg/m^3.)及10分钟后(下午₁₀: 1608µg/m^3.下午,_2.5: 1583µg/m^3.下午,₁: 1133µg/m^3.）．在开启通风条件下吸烟的3R4F与不通风条件下吸烟的人相比，4.5分钟后PM减少(PM₁₀:-47.5至-58.4%，PM_2.5:-47.2到-58%，PM₁:-39.6至-50.2%)和10分钟后(下午₁₀:-70.8至-74.4%，PM_2.5:-70.6至-74.3%，PM₁:-64.0到-68.0%)。不通风的香烟在4.5分钟(PM₁₀: 2207µg/m^3.下午,_2.5: 2166µg/m^3.下午,₁: 1421µg/m^3.)及10分钟(下午1点30分)₁₀: 1989µg/m^3.下午,_2.5: 1959µg/m^3.下午,₁: 1375µg/m^3.)．在不同通风方式下吸烟的香烟的PM峰值在4.5 min (PM₁₀: 630-845µg/m^3.下午,_2.5: 625-836µg/m^3.下午,₁: 543 ~ 693µg/m^3.)和10分钟(下午₁₀: 124 ~ 130µg/m^3.下午,_2.5: 124 ~ 129µg/m^3.下午,₁: 118 ~ 124µg/m^3.)．

结论

新的测量平台为研究人员提供了一种更安全的方法来调查香烟的PM排放。这些数据可与已发表的研究相媲美，并表明在关闭窗户的停放车辆内吸烟会产生有害的PM排放，即使车辆通风系统正在运行。未来的研究应使用新的测量平台，在广泛的条件下调查车内吸烟的PM暴露和PM分布。

在过去的几十年里，关于环境空气污染及其对人类健康威胁的知识有了显著的增加。吸烟时排放的颗粒物(PM)具有高度致癌性。烟草烟雾含有5000多种化学物质，其中约98种已被证实会致癌，而其他许多化学物质尚未被确定[1］．此外，烟草烟雾的有毒混合物影响多个器官系统，并导致大量并发症和疾病(例如癌症、哮喘等)[2，3.］．PM可以分为PM₁₀下午,_2.5，和PM₁．点₁₀包括尺寸(气动直径)≤10µm的所有颗粒，PM_2.5包括所有≤2.5 μ m的颗粒和PM₁≤1µm [4］．较小的颗粒比较大的颗粒对我们的健康构成更大的威胁，因为它们可以深入肺部，被血液吸收，并到达体循环[5，6］．燃烧源(例如烟草)主要产生小颗粒[7］．世界卫生组织(世卫组织)在2021年更新的空气质量指南中建议24小时平均PM_2.5≤15µg/m^3.， 24小时平均值为45µg/m^3.对点₁₀［8］．Schramm等人认为，香烟侧流烟雾的PM质量高于主流烟雾[9］．

根据世卫组织的数据，虽然每年约有700万吸烟者死于吸烟，但估计有120万不吸烟者死于二手烟[10］．这是一个惊人的数字，因为受到相关负担影响的人并不是主动决定吸烟，而是经常不由自主地吸烟，并面临患慢性呼吸道炎症性疾病、哮喘、慢性阻塞性肺病、肺癌或乳腺癌等疾病的巨大风险[11］．研究表明，儿童尤其容易患上SHS。由于儿童的肺部较小，呼吸频率较高，每公斤体重吸入的颗粒比成人多[12，13，14］．暴露于SHS的儿童肺部和呼吸道疾病明显比未暴露于SHS的儿童更常见[8，13，15］．为减轻个人和经济负担，许多国家已禁止在餐馆、电影院和酒吧等公共场所吸烟[16，17，18］．然而，在大多数国家，在私人家庭或车辆内吸烟是合法的，这对接触二手烟和罹患与自燃性烟雾有关的疾病构成了极大的风险[19］．车内烟草消费很普遍。经常打开一扇或多扇窗户，以改善通风，减少被动暴露。然而，即使在车窗敞开的车辆中，PM暴露也会增加[20.，21］．

本研究介绍了一种新设计的标准化方法来测量PM浓度(PM₁₀下午,_2.5，和PM₁)在不同条件下，在没有任何人暴露的情况下，在车厢内进行测试，这比以往的类似研究有明显优势[20.，21］．这个新平台是对已建立的烟草烟雾颗粒和室内空气质量(ToPIQ)平台以及改进的ToPIQ-2研究的改进[22，23］．本研究的目的是:(1)在标准化实验环境中模拟车内人员和驾驶员暴露于乘客排放的二手烟的情况;(2)量化与这种二手烟相关的颗粒物负担。

实验装置

为了测量烟草燃烧产物在车厢内的PM排放，一辆三菱Space Runner 1991-1998 (syn. Mitsubishi Expo LRV)停在法兰克福歌德大学的车库里。该车客货总载客量为3.709米^3.［24］．

为避免主动吸烟对健康造成的危害，一种相当于ToPIQ-2研究的自动环境烟草烟雾发射器(AETSE) [23)，被整合到汽车舱室。这台机器是由Schimpf-Ing(挪威特隆赫姆)开发和建造的，包括一个烟泵和一个微控制器单元，驱动一个步进电机来移动200毫升玻璃注射器内的柱塞[23］．排烟泵被放置在乘客座位的后面(图。1B)，并通过聚酰胺管连接到吸烟装置(由Daniel Müller建造，法兰克福歌德大学职业医学、社会医学和环境医学研究所和Norbert Deffner，法兰克福大学医院生理学车间，德国)。吸烟装置(模拟吸烟的人)被放置在乘客座位上，由AETSE的微控制器单元控制。手动将香烟推入固定装置，使香烟处于稳定位置(图。1B, D，香烟是由自动打火机点燃的。在燃烧阶段之后，将香烟排入水浴中以熄灭香烟。

为了进行空气交换，在车内安装了两个风扇(型号:Master BML 4800)，一个在两个前排座位之间，另一个在AETSE旁边的折叠后排座位上(图2)。1B).为了更好地保证车内的通风，研究者可以通过遥控打开后挡板，打开车内的风扇，将香烟烟雾吹到车库外。在香烟燃烧和通风的同时，研究人员在车库外约5米的安全距离观察实验。

为了将来的研究，额外安装了两个风扇(型号:Trotec TTV 4500 HP)，分别安装在车辆外的前侧窗两侧(图2)。1A)，产生恒定且可重复的气流(气流模拟)。风扇有三种功率等级，可以在三种不同的模式下工作。这些模式可根据1m距离内的气流速度进行区分，包括风速为0 km/h的功率级1/3，风速为7.4 ~ 8.5 km/h的功率级2/3，风速为23 ~ 30.6 km/h的功率级3/3。本研究未使用Trotec TTV 4500 HP风扇。

测量系统

PM测量由便携式小型激光气溶胶光谱仪(LAS)格林型号11-R进行。LAS位于驾驶员一侧的车顶(图2)。1A).它可以将PM测量值区分为PM₁₀下午,_2.5，和PM₁)．通过安装在乘客座位上的可移动管道，LAS可以吸入车内空气，距离座椅表面63厘米。这支烟管的位置距离香烟70厘米，距离乘客侧车窗105厘米，距离司机侧车窗34厘米，距离方向盘65厘米(图1)。1C).每6秒测量一次。温度和相对湿度是在一个装置上测量的，该装置位于管子横向3厘米处，高度相同。这次实验只使用了随车而来的车载通风系统。它有四个不同的功率等级。在本研究中，仅应用了功率级别2/4。

在4种不同的通风条件下，测量了车内PM的shs依赖性浓度。这些包括:条件1(C1)所有窗户关闭，汽车通风关闭，条件2(C2)，所有窗户关闭，汽车通风系统打开2/4级，空气朝向挡风玻璃，条件3(C3)，所有窗户关闭，汽车通风打开电源2/4级，空气朝向挡风玻璃和脚，并且条件四(C4)，所有窗户关闭，汽车通风系统打开2/4级，空气朝向身体和头部。

烟草制品

本研究中使用的3R4F参考香烟平均含9.4毫克焦油、0.73毫克尼古丁和12毫克一氧化碳[25］．

吸烟的协议

所有接受测试的香烟都遵循相同的吸烟规则。吸烟装置自动点燃香烟后，首先吸两次烟。最初两次吹气的间隔是一秒。随后每分钟吸两次烟，间隔30秒。每口烟的持续时间为3秒，体积为40毫升。共吸10口后，香烟从吸烟装置中排出，并在充满水的培养皿中熄灭。在广泛的全车通风5分钟后重新启动吸烟装置。每种条件重复24次，总共抽了96支烟。过早熄灭的香烟必须重复燃烧。在随后的数据处理中没有考虑到它们。

数据处理与分析

每个测量周期分为三个区间。的第一个区间首先是在每次吸烟后至少5分钟的车辆通风后进行基线PM测量。的第二个间隔由香烟从点火到熄灭持续4.5分钟的时间组成(燃烧阶段)。的第三个间隔持续时间至少5.5 min，为燃烧后阶段。LAS每6秒测量一次PM₁₀下午,_2.5，和PM₁浓度。每个被评估的香烟数据集由101个单次测量组成，结果正好是10分钟。

点₁₀下午,_2.5，和PM₁是一段时间后的平均浓度。在4.5 min(1。- 46。测量)和10分钟后(1 - 101。测量)。PM峰值代表4.5 min(46。测量)和10分钟(101。测量)。

统计分析

数据的统计评价采用Prism版本6 (GraphPad Software, La Jolla California, USA，www.graphpad.com)．采用Shapiro-Wilk、D 'Agostino-Pearson和Kolmogorov-Smirnov检验来确定标准分布(通过)。单因素方差分析(ANOVA)与Tukey的多重比较检验。显著性水平设定为p= 0.05。

基线PM₁₀下午,_2.5，和PM₁通气后间隔至少5分钟为30.6±11.5µg/m^3.， 27.9±11µg/m^3.， 24.6±11.2µg/m^3.,分别。

点₁₀下午,_2.5，和PM₁平均浓度(C_的意思是) 4.5 min后，在没有任何通风的情况下吸烟(C1)，显著升高(p< 0.0001)高于其他三种通风条件(C2 - C4)下的PM浓度。C_的意思是点₁₀在实验条件下，C2 - C4比C1低47.5 ~ 58.4%。点_2.5和点₁在C2 - C4组比C1组低39.6 - 58%1)．C2 - C4比较无显著差异(p= 0.0752 - 0.9999)。然而，C4的PM C略高_的意思是大于C2和C3。

点C_的意思是C1组10 min后显著升高(p< 0.0001)比在C2 - C4下吸烟的人少。PM₁₀在C1项下所吸香烟的平均值较C2项高290%。点_2.5和点₁C1组的平均值较C2组分别高出287%及207%1)．

最高PM平均值显示了不通风的3R4F参考香烟(图2)。2)．C2 - C4的3R4F参照香烟的PM均值相似。在这里，与PM相比，可以观察到最大的差异₁₀C3和C4的。将通风引向身体和头部(C4)导致PM增加14%₁₀相比C3(朝向挡风玻璃和脚的通风)。虽然不同通气方向(C2 - C4)的PM无明显差异_10，点_2.5，和PM₁（p= 0.5460 - 0.9999)，我们发现10分钟后C4期间测量的PM值有略高于C2和C3的趋势。

在C1通风条件下，PM峰值在4.5 min和10 min最高。PM峰值在4.5 min和10 min差异显著(p当通风条件C1与条件C2 - C4比较时，< 0.0001)。C2 - C4在4.5 min时的PM峰值没有明显差异(p= 0.2191 - 0.9973)，分别在10分钟出现PM峰值(p= 0.9977 - 0.9999)。

点₁₀下午,_2.5，和PM₁与基线相比，4.5分钟和10分钟的峰值分别下降了9.9%、9.6%和3.2%。与C1条件C2 - C4相比，4.5分钟PM峰值下降了71.5%。10分钟后，比较C1和C2 - C4条件，PM最大减少量为93.8%。

颗粒分布如图所示。3.．看C_的意思是的测量范围，PM₁在C1条件下，4.5 min时占总PM的74.9%，10 min时占70.5%。点_{2.5 - 1}占23.5%，28%，而PM_{10 - 2.5}仅占C1下PM排放的1.5 - 1.6%。条件2中PM含量最高₁占总PM的89.5%，其次是C3(占总PM的88.2%)和C4(占总PM的86.8%)。点_{2.5 - 1}C2-C4的含量占总PM的9.7 - 12.8%，而PM_{10 - 2.5}仅占0.70 - 1%。与PM相比，只能看到微小的变化₁₀下午,_2.5，和PM₁排放后4.5分钟和10分钟。

在所有PM测量中，车厢内的温度在17 - 21°C之间变化。舱内相对湿度在42-55%之间。

本研究描述了一种新开发的实验方法，以量化车辆中二手烟的PM排放。数据表明，即使汽车通风系统打开，车内吸烟也会产生不同直径的有害颗粒排放。如果实验设置模拟了车内人员没有通风的场景，那么当通风启动时，颗粒负载明显更高，尽管通风条件之间颗粒负载暴露的差异很小。

先前的研究调查了在人体条件下暴露人类吸烟者的汽车烟草烟雾污染[20.，21，26，27，28，29，30.，31］．从而获得PM的数据_2.5由Sendzik等人在相似的通风条件下产生的PM浓度水平与本研究相似[21］．为了研究目的而让人类接触有毒烟草烟雾存在重要的伦理问题。因此，这项研究的优势在于引入了一种新的机械系统，可以在不让研究人员或任何其他人接触烟草烟雾的情况下进行二手烟研究。高度标准化的熏制程序确保了最佳的数据采集和比较。在C2-C4条件下，汽车的车载通风系统保持在功率级别2/4，因为我们认为这是驾驶员使用的现实设置。虽然温度和相对湿度可能会影响PM浓度，但有意让它们不受控制，这似乎是本研究的一个局限性。之所以选择这种实验方法，是因为它模拟了一辆没有空调或暖气的汽车的真实驾驶情况。32，33］．正如之前的ToPIQ研究中提到的，AETSE不能完全模仿真正的吸烟者[22，23，34，35］．因此，令人惊讶的是，PM数据可以与使用人类吸烟者的研究数据进行比较。与ToPIQ I相比，ToPIQ II研究设计使用了一个更大的吸烟室(2.88米)^3.)，因此更能与三菱太空奔跑者(3.709米)的车内体积相媲美^3.) ［23，24］．由于车内体积较大，参考香烟PM_2.5在Gerber等人的ToPIQ II研究中测量的暴露量比本研究中给出的相应PM值高约9% [23］．不同内部体积对PM负荷的影响应是今后研究的重点。

在没有任何通风的情况下吸烟10分钟后，PM值极高，这一发现令人担忧。此外，在不同通风条件下吸烟的3R4F参考香烟显示出类似的高PM水平(无显著性，p> 0.05)。与不通风的香烟相比，PM的平均浓度低3-4倍。在C3下，PM₁₀下午,_2.5，和PM₁10分钟后，与C1相比，PM分别减少了74.5%、74.3%和68%，是所调查通风条件下PM的最大降幅。相反，在C4条件下，10分钟后PM的下降幅度最小1)．

即使在10分钟后，测量的C_的意思是的点₁₀(> 400µg/m^3.)超过了世卫组织24小时阈值9倍以上。点₁₀不通风吸烟的香烟浓度比世界卫生组织推荐的PM阈值高35倍₁₀［8］．此外，这些高浓度的PM浓度大大超过了Dröge等人所做的测量(在驾驶车辆舱内的交通PM测量，除其他外，关闭窗户)显示PM_2.5值为5.2 - 23.2µg/m^3.和点₁数值范围为4.9 - 22.6µg/m^3.［36］．更高的C_的意思是与C_的意思是在C1下4.5 min后，是由于香烟熄灭后持续的高平台浓度。在C2 - C4条件下，PM浓度从4.5分钟降低到10分钟，降低了13.8 - 22.2%，证明了吸烟期间车内通风的效果。通风使机舱内空气与周围空气稀释，从而提高空气交换速率，降低PM浓度[31，37］．目前尚不清楚通风系统是否会产生气流，将PM推入车辆后部，从而增加儿童通常坐着的地方的PM浓度。实验已经表明，开着车窗吸烟并不会减少后排座位上的PM暴露量[38］．虽然吸烟时打开一扇或多扇窗户会增加空气交换率，但吸入SHS的几率仍然很高[20.，38，39，40］．Schober等人比较了不同车内容积的不同汽车在六种不同通风条件下IQOS、电子烟和卷烟的PM排放量[41］．烟草香烟燃烧产生了更高的PM排放_2.5(64 - 1988μg / m^3.)，而非IQOS或电子烟。相比于我们的调查(下午_2.5: 407 ~ 1583 μg/m^3.)，他们的总理_2.5由于实验条件不同，发射范围较宽[41］．Sohn等人测量了香烟在三种不同通风条件下的PM排放量[20.］．与我们的研究类似，他们将测量分为三个阶段:吸烟前阶段、吸烟阶段和吸烟后阶段。而他们得出的结论是，首相_2.5浓度超过了美国国家环境空气质量标准35µg/m^3._，他们的调查缺乏PM的鉴别₁₀和点₁排放。上述两项研究设计均未调查车内通风系统对PM排放的影响，如我们的研究模型所示[20.，41］．

数字3.将PM区分为PM_{10 - 2.5}下午,_{2.5 - 1}，和PM₁，从而比较香烟燃烧产生的不同颗粒大小的单个质量。10min后，70.5-89.6%的PM总质量≤1µm，而PM_{2.5 - 1}占9.7-28%和PM_{10 - 2.5}为0.7 - -1.5%。由于重力沉降，粗颗粒的沉积速度比细颗粒快[42，43］．然而，PM的沉积速率变化很大，并取决于许多因素(例如，湿度、温度、空气湍流、表面粗糙度、热泳、涡轮泳、空间分布、静电效应)[33，44］．相对于PM分数PM_{2.5 - 1}和点₁下午,_{10 - 2.5}更容易受到重力的影响[33］．因此，10分钟后细颗粒浓度高是由于香烟燃烧过程中重力沉降缓慢，细颗粒生成量大[7，42，45］．PM的部分₁10分钟后，C2 - C4较C1高16.3 - 19.1%。这可能是由于通风造成空气乱流，导致细颗粒的重力沉降减慢[33］．

高浓度< 2.5微米的小颗粒尤其令人担忧，因为它们可以深入呼吸系统，造成严重的健康负担[46］．接触小颗粒的儿童尤其脆弱，并可能患上各种疾病(哮喘、癌症、肺功能下降、中耳炎、神经行为问题等)[47，48］．2010年，美国3-14岁儿童的额外医疗保健服务与可预防的SHS有关，价值6290万美元[49］．在意大利进行的一项观察性研究表明，在0.9%的过往车辆中，儿童暴露于机舱内的SHS [50］．因此，应通过法律保护儿童免受SHS侵害，禁止在室内(车内)吸烟。

车载通风系统(C2 - C4)大大降低了4.5 min和10 min后的PM峰值。与C1相比，它降低了PM₁₀下午,_2.5，和PM₁在4.5 min分别达到61.7-71.5%、61.4-71.2%、51.3-61.8%的峰值，在10 min分别达到93.5 - 93.8%、93.4 - 93.7%和91 - 91.4%的峰值1)．因此，大部分PM浓度峰值(> 61%)在第二个间隔结束时(4.5分钟后)降低。

2019年Campagnolo等人准确地显示了车厢内PM浓度与前车排放标准的相关性。新排放标准汽车(欧6)产生的PM减少34%_{0.3 - 1}与之前的车型相比(即Euro 0-2) [51］．这项研究提供了一个很好的例子，说明了严格的车辆PM排放法律的好处。

新的测量平台为未来的研究提供了多种机会。在不同通风情况下，不同开窗程度的PM暴露是最令人感兴趣的。两个外部风扇可以在不同的功率水平下使用，以模拟移动车辆周围的气流。在此模拟过程中的测量可能会增加有关汽车打开车窗时PM暴露的重要数据。空调的影响可以在接下来的研究中进行调查。吸烟装置可以帮助调查连续吸烟对车辆中PM浓度的影响。在车厢内不同位置同时放置多个LAS，可以获得不同通风条件下车厢内SHS分布的重要数据。

提出的新平台使研究人员能够在不暴露于SHS的情况下安全地测量烟草制品在车厢内的PM排放。调查和比较多种不同通风方案对PM浓度的影响对未来的研究很重要。这项研究证明了在车内吸烟造成的巨大PM负担，并显示了禁止在车内吸烟的重要性。我们希望开展的调查有助于鼓励政府和人民创造一个无烟的世界。

本研究中使用和/或分析的数据集可根据合理要求从通讯作者处获得。

AETSE:

自动环境烟草烟雾发射器

方差分析:

方差分析

C1:

所有的窗户都关上了，汽车的通风系统也关闭了

C2:

所有窗户都关闭，汽车通风系统打开2/4级，空气朝向挡风玻璃

C3:

所有窗户都关闭，汽车通风系统打开2/4级电源，空气朝向挡风玻璃和脚

C4:

所有窗户关闭，汽车通风系统打开2/4级，空气朝向身体和头部

C_的意思是：

平均浓度

拉斯维加斯:

激光气溶胶光谱仪

病人:

概率值

下午:

可吸入颗粒物

啦!

二手烟

ToPIQ:

烟草烟雾颗粒与室内空气质量

人:

世界卫生组织

3 r4f:

3R4F参考香烟

我们感谢Daniel Müller和Norbert Deffner为开发吸烟装置做出的巨大贡献。

这项研究没有得到外部资助。

作者及隶属关系

1. 法兰克福歌德大学职业医学、社会医学和环境医学研究所，西奥多-斯特恩-凯，德国美因河畔法兰克福7,60590

   卢卡斯·皮滕，Dörthe Brüggmann，詹尼斯Dröge，马库斯·布劳恩和大卫·a·格罗尼伯格

贡献

本文是LP论文的一部分。MB、LP和DAG对新测量平台的概念、设计和安装做出了重要贡献。所有实验研究和分析均采用LP进行。手稿由LP撰写，并由MB, DB, JD和DAG进行了严格的审查。所有作者都阅读并批准了最终的手稿。

相应的作者

对应到马库斯·布劳恩．

伦理认可和同意参与

不适用。

发表同意书

不适用。

相互竞争的利益

作者宣称他们之间没有利益冲突。

出版商的注意

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