<abstract xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml">

<sec><h3>Background</h3><p>Combustion as well as pyrolysis of tobacco greatly affect the type and levels of toxicants in cigarette smoke. We previously developed an approach to combine simultaneous temperature and pressure measurements with fast <italic>in-situ</italic> microprobe chemical sampling inside a burning cigarette, producing a series of temperature and gas-flow velocity maps that characterize this dynamic system in response to externally applied air flow.</p></sec>
<sec><h3>Aim</h3><p>Two cigarette types differing only in diameter were puffed under ISO 3308 and Health Canada Intense (HCI) regimes to further understand the dynamic interaction of air flow and cigarette design parameters on tobacco combustion and pyrolysis by applying the thermophysical and thermo-chemical mapping approach.</p></sec>
<sec><h3>Methods</h3><p>Three types of sampling probes were inserted, which are thermocouple arrays for gas-phase temperature, quartz tubes for pressure measurement, and a heated sampling microprobe coupled to a single-photon soft ionisation mass spectrometer for chemical analysis. Two kinds of similarly constructed cigarettes with the same blend were analysed: superslim (17 mm circumference) and king-size (24 mm circumference).</p>
<p>Synchronization among the sampled signals was achieved by mapping two probes (e.g., temperature/chemistry or temperature/pressure) at a time. The physical and chemical events were visualised and compared between the cigarettes and puffing regimes.</p></sec>
<sec><h3>Results</h3><p>A series of temperature, pressure, and chemical maps were obtained for the superslim and king-size cigarettes under ISO and HCI conditions. The pressure in the burning cigarette was higher in the superslim cigarette, and the temperature distribution differed between the two cigarette formats. As expected, temperatures and pressures were higher under HCI puffing than under ISO puffing for both cigarette formats. Thermochemical maps for e.g., benzene and nitric oxide formation were qualitatively similar between the superslim and king-size cigarettes. For other substances the distribution was markedly different.</p></sec>
<sec><h3>Conclusion</h3><p>The application of multi-probe <italic>in-situ</italic> chemical sampling is suitable to analyse highly dynamic combustion and pyrolysis processes occurring inside the two types of cigarettes. Ultimately, a direct comparison of cigarette circumferences on the complex combustion processes and formation of smoke constituents was achieved. [Beitr. Tabakforsch. Int. 29 (2020) 44–54]</p></sec>
</abstract>

BackgroundCombustion as well as pyrolysis of tobacco greatly affect the type and levels of toxicants in cigarette smoke. We previously developed an approach to combine simultaneous temperature and pressure measurements with fast in-situ microprobe chemical sampling inside a burning cigarette, producing a series of temperature and gas-flow velocity maps that characterize this dynamic system in response to externally applied air flow.
AimTwo cigarette types differing only in diameter were puffed under ISO 3308 and Health Canada Intense (HCI) regimes to further understand the dynamic interaction of air flow and cigarette design parameters on tobacco combustion and pyrolysis by applying the thermophysical and thermo-chemical mapping approach.
MethodsThree types of sampling probes were inserted, which are thermocouple arrays for gas-phase temperature, quartz tubes for pressure measurement, and a heated sampling microprobe coupled to a single-photon soft ionisation mass spectrometer for chemical analysis. Two kinds of similarly constructed cigarettes with the same blend were analysed: superslim (17 mm circumference) and king-size (24 mm circumference).
Synchronization among the sampled signals was achieved by mapping two probes (e.g., temperature/chemistry or temperature/pressure) at a time. The physical and chemical events were visualised and compared between the cigarettes and puffing regimes.
ResultsA series of temperature, pressure, and chemical maps were obtained for the superslim and king-size cigarettes under ISO and HCI conditions. The pressure in the burning cigarette was higher in the superslim cigarette, and the temperature distribution differed between the two cigarette formats. As expected, temperatures and pressures were higher under HCI puffing than under ISO puffing for both cigarette formats. Thermochemical maps for e.g., benzene and nitric oxide formation were qualitatively similar between the superslim and king-size cigarettes. For other substances the distribution was markedly different.
ConclusionThe application of multi-probe in-situ chemical sampling is suitable to analyse highly dynamic combustion and pyrolysis processes occurring inside the two types of cigarettes. Ultimately, a direct comparison of cigarette circumferences on the complex combustion processes and formation of smoke constituents was achieved. [Beitr. Tabakforsch. Int. 29 (2020) 44–54]

Integration of Time and Spatially Resolved <italic>In-Situ</italic> Temperature and Pressure Measurements With Soft Ionisation Mass Spectrometry Inside Burning Superslim and King-Size Cigarettes

<trans-abstract xml:lang="de" xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml">

<sec><h3>Hintergrund</h3><p>Sowohl die Verbrennung als auch die Pyrolyse des Tabaks haben einen starken Einfluss auf Menge und Art toxischer Substanzen im Zigarettenrauch. Ein von uns entwickelten Verfahren ermöglicht mit Hilfe einer Mikrosonde die gleichzeitige Temperatur- und Druckmessung in Kombination mit einer <italic>in-situ</italic> Probenahme im Fülltabak einer brennenden Zigarette. Dies erlaubt die Darstellung der Temperatur- und Strömungsgeschwindigkeit des Rauchstroms innerhalb der Zigarette und charakterisiert dieses dynamische System während der Züge.</p></sec>
<sec><h3>Zielsetzung</h3><p>Zwei Zigaretten, die sich nur in ihrem Durchmesser unterschieden, wurden maschinell nach ISO 3308, bzw. entsprechend den Health Canada Intense-Normen verraucht, um das dynamische Zusammenwirken zwischen der Strömung des Rauchs während der Züge und der Verbrennung und Pyrolyse des Tabaks mit Hilfe thermophysikalischer und thermochemischer Verfahren darzustellen.</p></sec>
<sec><h3>Methoden</h3><p>Drei unterschiedliche Sonden wurde in die Tabakkörper der Zigaretten eingesetzt, und zwar ein Thermoelement zur Temperaturmessung des Rauchs, eine Quarz-Sonde zur Druckmessung, sowie eine geheizte Probenahme-Sonde, gekoppelt an ein Photon Ionisations-Massenspektrometer. Untersucht wurden Zigaretten, die sich nur in ihrem Durchmesser unterschieden: eine Superslim-Zigarette mit 17 mm Umfang und eine King-Size-Zigarette mit einem Umfang von 24 mm. Die erhaltenen Messdaten wurden in mehrfacher Weise zusammengeführt, z.B. gemessene Temperatur und Zusammensetzung des Rauchs, oder gemessene Temperatur- und Druckverhältnisse. Die erhaltenen chemischen und physikalischen Messdaten wurden visualisiert und den Zigarettentypen sowie den durch die Zugvolumina (ISO: 35 mL/2 s, Health Canada Intense: 55 mL/2 s) bedingten unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten zugeordnet.</p></sec>
<sec><h3>Ergebnisse</h3><p>Innerhalb der brennenden Zigarette war der Druck in der Superslim-Zigarette höher und auch die Temperaturverteilung unterschied sich bei den beiden Zigarettenformaten. Wie erwartet, waren bei beiden Zigarettenformaten die Drücke und Temperaturen unter Health Canada Intense-Zugbedingungen höher als unter ISOZugbedingungen. Die thermochemischen Verhältnisse, z.B. zur Bildung von Benzol und Stickstoffmonoxid, waren bei den Superslim- und King-Size-Zigaretten qualitativ ähnlich. Bei anderen Substanzen war die Verteilung jedoch stark unterschiedlich.</p></sec>
<sec><h3>Schlussfolgerung</h3><p>Die Anwendung der chemischen <italic>in-situ-</italic>Probenahme mit mehreren Sonden ist geeignet, um die innerhalb der zwei Zigarettentypen auftretenden, hochdynamischen Prozesse der Verbrennung und Pyrolyse zu analysieren, wie durch den direkten Vergleich des Zigarettenumfangs sowie der komplexen Verbrennungsprozesse und der Bildung von Rauchbestandteilen gezeigt werden konnte. [Beitr. Tabakforsch. Int. 29 (2020) 44–54]</p></sec>
</trans-abstract>

HintergrundSowohl die Verbrennung als auch die Pyrolyse des Tabaks haben einen starken Einfluss auf Menge und Art toxischer Substanzen im Zigarettenrauch. Ein von uns entwickelten Verfahren ermöglicht mit Hilfe einer Mikrosonde die gleichzeitige Temperatur- und Druckmessung in Kombination mit einer in-situ Probenahme im Fülltabak einer brennenden Zigarette. Dies erlaubt die Darstellung der Temperatur- und Strömungsgeschwindigkeit des Rauchstroms innerhalb der Zigarette und charakterisiert dieses dynamische System während der Züge.
ZielsetzungZwei Zigaretten, die sich nur in ihrem Durchmesser unterschieden, wurden maschinell nach ISO 3308, bzw. entsprechend den Health Canada Intense-Normen verraucht, um das dynamische Zusammenwirken zwischen der Strömung des Rauchs während der Züge und der Verbrennung und Pyrolyse des Tabaks mit Hilfe thermophysikalischer und thermochemischer Verfahren darzustellen.
MethodenDrei unterschiedliche Sonden wurde in die Tabakkörper der Zigaretten eingesetzt, und zwar ein Thermoelement zur Temperaturmessung des Rauchs, eine Quarz-Sonde zur Druckmessung, sowie eine geheizte Probenahme-Sonde, gekoppelt an ein Photon Ionisations-Massenspektrometer. Untersucht wurden Zigaretten, die sich nur in ihrem Durchmesser unterschieden: eine Superslim-Zigarette mit 17 mm Umfang und eine King-Size-Zigarette mit einem Umfang von 24 mm. Die erhaltenen Messdaten wurden in mehrfacher Weise zusammengeführt, z.B. gemessene Temperatur und Zusammensetzung des Rauchs, oder gemessene Temperatur- und Druckverhältnisse. Die erhaltenen chemischen und physikalischen Messdaten wurden visualisiert und den Zigarettentypen sowie den durch die Zugvolumina (ISO: 35 mL/2 s, Health Canada Intense: 55 mL/2 s) bedingten unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten zugeordnet.
ErgebnisseInnerhalb der brennenden Zigarette war der Druck in der Superslim-Zigarette höher und auch die Temperaturverteilung unterschied sich bei den beiden Zigarettenformaten. Wie erwartet, waren bei beiden Zigarettenformaten die Drücke und Temperaturen unter Health Canada Intense-Zugbedingungen höher als unter ISOZugbedingungen. Die thermochemischen Verhältnisse, z.B. zur Bildung von Benzol und Stickstoffmonoxid, waren bei den Superslim- und King-Size-Zigaretten qualitativ ähnlich. Bei anderen Substanzen war die Verteilung jedoch stark unterschiedlich.
SchlussfolgerungDie Anwendung der chemischen in-situ-Probenahme mit mehreren Sonden ist geeignet, um die innerhalb der zwei Zigarettentypen auftretenden, hochdynamischen Prozesse der Verbrennung und Pyrolyse zu analysieren, wie durch den direkten Vergleich des Zigarettenumfangs sowie der komplexen Verbrennungsprozesse und der Bildung von Rauchbestandteilen gezeigt werden konnte. [Beitr. Tabakforsch. Int. 29 (2020) 44–54]

<trans-abstract xml:lang="fr" xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml">

<sec><h3>Toile de fond</h3><p>La combustion tout comme la pyrolyse du tabac ont une grande incidence sur le type et la teneur des substances toxiques présentes dans la fumée de cigarette. Précédemment, nous avions développé une approche destinée à combiner des relevés simultanés de pressions et de températures et reposant sur un échantillonnage chimique <italic>in situ</italic> rapide à l’aide d’une microsonde placée à l’intérieur de la cigarette allumée. Cette approche avait livré une série de cartes de températures et de vélocité des flux de gaz, qui caractérise ce système de combustion dynamique réagissant à un flux d’air insufflé de l’extérieur. Objectif: Deux types de cigarette se distinguant uniquement par leur diamètre furent tirées par bouffées selon les paramètres de l’ISO 3308 et ceux du Health Canada Intense (HCI) afin d’approfondir la compréhension de l’interaction dynamique du flux d’air et des paramètres de conception de la cigarette et de son influence sur la combustion et la pyrolyse du tabac par le tracé d’une cartographie thermochimique et thermophysique.</p></sec>
<sec><h3>Méthode</h3><p>Trois types de sondes d’échantillonnage furent insérées, à savoir des chapelets de thermocouples pour le relevé de la température en phase gazeuse, des tubes de quartz pour le relevé de la pression et une microsonde d’échantillonnage chauffée et couplée à un spectromètre de masse à ionisation douce par photon unique pour l’analyse chimique. Deux types de cigarettes de fabrication similaire (la superslim et la king-size) et de même composition furent analysés : Superslim (circonférence 17 mm) et king-size (circonférence 24 mm). La synchronisation des signaux échantillonnés fut réalisée en cartographiant deux sondes (par exemple, température/chimie ou température/pression) simultanément. Les manifestations physiques et chimiques furent visualisées et comparées selon les cigarettes et les paramètres de fumage par bouffés.</p></sec>
<sec><h3>Résultats</h3><p>Un recueil de cartes dédiées à la chimie, la pression et la température fut constitué pour les cigarettes superslim et king-size dans le respect des conditions du HCI et de l’ISO. La pression observée dans la cigarette allumée s’avéra plus élevée pour la cigarette superslim et la répartition des températures varia parmi les deux formats de cigarette. Sans surprise, les températures et les pressions observées furent supérieures dans les conditions de fumage définies par l’HCI par rapport à celles relevées dans les conditions ISO, indépendamment du format de cigarette. Les cartes thermochimiques relatives, par exemple, à la formation du benzène et du monoxyde d’azote furent qualitativement similaires pour la superslim et la king-size. Eu égard aux autres substances, la répartition fut nettement différente.</p></sec>
<sec><h3>Conclusion</h3><p>Le recours à l’échantillonnage chimique <italic>in situ</italic> par sondes multiples se prête à une analyse des processus hautement dynamiques de combustion et de pyrolyse qui se produisent à l’intérieur des deux types de cigarette. A terme, une comparaison directe de l’influence de la circonférence de la cigarette sur les processus de combustion complexes et la formation des composants de la fumée fut réalisée. [Beitr. Tabakforsch. Int. 29 (2020) 44–54]</p></sec>
</trans-abstract>

Toile de fondLa combustion tout comme la pyrolyse du tabac ont une grande incidence sur le type et la teneur des substances toxiques présentes dans la fumée de cigarette. Précédemment, nous avions développé une approche destinée à combiner des relevés simultanés de pressions et de températures et reposant sur un échantillonnage chimique in situ rapide à l’aide d’une microsonde placée à l’intérieur de la cigarette allumée. Cette approche avait livré une série de cartes de températures et de vélocité des flux de gaz, qui caractérise ce système de combustion dynamique réagissant à un flux d’air insufflé de l’extérieur. Objectif: Deux types de cigarette se distinguant uniquement par leur diamètre furent tirées par bouffées selon les paramètres de l’ISO 3308 et ceux du Health Canada Intense (HCI) afin d’approfondir la compréhension de l’interaction dynamique du flux d’air et des paramètres de conception de la cigarette et de son influence sur la combustion et la pyrolyse du tabac par le tracé d’une cartographie thermochimique et thermophysique.
MéthodeTrois types de sondes d’échantillonnage furent insérées, à savoir des chapelets de thermocouples pour le relevé de la température en phase gazeuse, des tubes de quartz pour le relevé de la pression et une microsonde d’échantillonnage chauffée et couplée à un spectromètre de masse à ionisation douce par photon unique pour l’analyse chimique. Deux types de cigarettes de fabrication similaire (la superslim et la king-size) et de même composition furent analysés : Superslim (circonférence 17 mm) et king-size (circonférence 24 mm). La synchronisation des signaux échantillonnés fut réalisée en cartographiant deux sondes (par exemple, température/chimie ou température/pression) simultanément. Les manifestations physiques et chimiques furent visualisées et comparées selon les cigarettes et les paramètres de fumage par bouffés.
RésultatsUn recueil de cartes dédiées à la chimie, la pression et la température fut constitué pour les cigarettes superslim et king-size dans le respect des conditions du HCI et de l’ISO. La pression observée dans la cigarette allumée s’avéra plus élevée pour la cigarette superslim et la répartition des températures varia parmi les deux formats de cigarette. Sans surprise, les températures et les pressions observées furent supérieures dans les conditions de fumage définies par l’HCI par rapport à celles relevées dans les conditions ISO, indépendamment du format de cigarette. Les cartes thermochimiques relatives, par exemple, à la formation du benzène et du monoxyde d’azote furent qualitativement similaires pour la superslim et la king-size. Eu égard aux autres substances, la répartition fut nettement différente.
ConclusionLe recours à l’échantillonnage chimique in situ par sondes multiples se prête à une analyse des processus hautement dynamiques de combustion et de pyrolyse qui se produisent à l’intérieur des deux types de cigarette. A terme, une comparaison directe de l’influence de la circonférence de la cigarette sur les processus de combustion complexes et la formation des composants de la fumée fut réalisée. [Beitr. Tabakforsch. Int. 29 (2020) 44–54]

Contributions to Tobacco & Nicotine Research

This work is licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.

Integration of Time and Spatially Resolved  Temperature and Pressure Measurements With Soft Ionisation Mass Spectrometry Inside Burning Superslim and King-Size Cigarettes

BackgroundCombustion as well as pyrolysis of tobacco greatly affect the type and levels of toxicants in cigarette smoke. We previously developed an approach to...

Integration of Time and Spatially Resolved In-Situ Temperature and Pressure Measurements With Soft Ionisation Mass Spectrometry Inside Burning Superslim and King-Size Cigarettes

Published Online: May 23, 2020

Page range: 44 - 54

Received: Dec 11, 2019

Accepted: Apr 30, 2020

DOI: https://doi.org/10.2478/cttr-2020-0005

Keywords
Cigarette circumference, puff regime, combustion and pyrolysis, microprobe analysis, on-line photo-ionization mass spectrometry

© 2020 Nan Deng et al., published by Sciendo

This work is licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.

Integration of Time and Spatially Resolved In-Situ Temperature and Pressure Measurements With Soft Ionisation Mass Spectrometry Inside Burning Superslim and King-Size Cigarettes

Published Online: May 23, 2020

Page range: 44 - 54

Received: Dec 11, 2019

Accepted: Apr 30, 2020

DOI: https://doi.org/10.2478/cttr-2020-0005

KeywordsCigarette circumference, puff regime, combustion and pyrolysis, microprobe analysis, on-line photo-ionization mass spectrometry

© 2020 Nan Deng et al., published by Sciendo

This work is licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.

Keywords
Cigarette circumference, puff regime, combustion and pyrolysis, microprobe analysis, on-line photo-ionization mass spectrometry