Evaluation de l'impact sanitaire des cigarettes électroniques : caractérisation physicochimique des e-liquides et e-vapeurs

by Nicolas Beauval

Doctoral thesis in Sciences du médicament et autres produits de santé

Under the supervision of Delphine Allorge and Nadine Locoge.

defended on 12-10-2018

in Lille 2 , under the authority of École doctorale Biologie-Santé (Lille) , in a partnership with IMPact de l'Environnement Chimique sur la santé humaine (Lille) (laboratoire) and Impact de l'environnement chimique sur la santé humaine (laboratoire) .

  • Alternative Title

    Evaluation of the health impact of electronic cigarettes : physicochemical characterization of e-liquids and e-vapors


  • Abstract

    The electronic cigarette has been on the market for several years and enjoys a strong reputation. Existing scientific data tend to consider the e-cigarette as less toxic than its main counterpart, the conventional cigarette. However, the intrinsic impact of vaping on human health, in the short and long term, is not precisely known and is currently part of many Public Health debates.Since 2014, we have undertaken a project whose main objective is to study the health impact of the electronic cigarette using a multidisciplinary approach comprising physicochemical analysis and experimental toxicology. As part of this project, my work focused on the physicochemical characterization of e-liquids, from a unique commercial source, and their e-vapors, mainly based on the identification and quantification of potentially-toxic compounds. Regarding the current lack of reference methods, this analysis requires a high level of control and robustness of the entire measurement chain, from generation to analysis methods, especially for e-vapor study.Considering the potential health impact of metallic trace elements (MTEs), we first developed and validated a method allowing the simultaneous dosage of 15 MTEs in e-liquids by ICP-MS. The e-liquid, a viscous organic matrix, is a source of significant matrix effects which must be corrected by the addition of matrix in the calibration step, in a suitable proportion. The method was fully validated according to the recommendations of the French Accreditation Committee and the US Environmental Protection Agency and demonstrated satisfactory robustness parameters.Six e-liquids and their respective e-vapors, generated via a smoking/vaping machine, were then analysed to detect and quantify their main ingredients (propylene glycol, glycerol and nicotine) and various potentially-toxic pollutants (15 MTEs, 50 pesticides, 16 polycyclic aromatic hydrocarbons and 3 carbonyl compounds). Each e-liquid composition was in accordance with that announced by the manufacturer and contained few pollutants, at trace levels. In the e-vapors, 3 carbonyl compounds, 2 polycyclic aromatic hydrocarbons and 4 MTEs (Sb, Cd, Cr and Pb) were found at concentrations 7 to 6126-fold lower than those measured in the mainstream smoke of the reference cigarette 3R4F, analysed under comparable conditions (except for chromium and antimony which were not detectable in the 3R4F smoke).The vaping regimen, that is mainly based on the volume, the duration and the frequency of puffs, is strongly suspected to participate to the large observed variability of the e-vapor chemical composition between different published data. Through focusing on the analysis of a unique family of compounds with health impact, we demonstrated, on the one hand, that the vaping regimen has some influence on the carbonyl composition of e-vapors and, on the other hand, that vaping regimens are not all suitable for any type of e-cigarette models.This work has contributed to improve the current knowledge on the physicochemical characterization of e-cigarette emissions. Globally, the e-cigarettes and e-liquids tested emit and/or generate few potentially-toxic compounds, at concentrations lower than those observed in conventional cigarette smoke. Our findings satisfy partly the urgent need of optimization and harmonization of the analytical practices used to study e-cigarettes and their emissions. They should thus contribute to the establishment of reference methods that will allow and facilitate the interpretation and comparison of data, which vary significantly across the literature.


  • Abstract

    La cigarette électronique est installée sur le marché depuis plusieurs années et jouit aujourd’hui d’une forte notoriété. Les données scientifiques existantes tendent à considérer l’e-cigarette comme moins toxique que son homologue principal, la cigarette conventionnelle. Cependant, l’impact intrinsèque du vapotage sur la santé humaine, à court et long terme, n’est pas précisément connu et est actuellement au coeur de nombreux débats de Santé Publique.Depuis 2014, nous menons un projet dont l’objectif principal est d’étudier l’impact sanitaire de la cigarette électronique au moyen d’une approche pluridisciplinaire combinant entre autres l’analyse physicochimique et la toxicologie expérimentale. Dans le cadre de ce projet, mes travaux ont porté sur la caractérisation physicochimique des e-liquides, d’une marque commerciale, et de leurs e-vapeurs, basée en particulier sur l’identification et la quantification de composés potentiellement toxiques pour l’Homme. En l’absence de méthodes de référence, cette analyse requiert un niveau élevé de maîtrise et de robustesse de l’ensemble de la chaîne de mesure, allant de la génération à l’analyse, notamment pour les e-vapeurs.Les éléments traces métalliques (ETM) étant des composés à impact sanitaire potentiel, nos travaux ont débuté par le développement et la validation d’une méthode de dosage simultané de 15 ETM dans les e-liquides par ICP-MS. Il s’avère que l’e-liquide, matrice organique visqueuse, est source d’effets de matrice non négligeables qu’il est nécessaire de corriger par l’ajout de matrice dans le calibrant, en proportion adaptée. La méthode a été entièrement validée selon les recommandations du Comité français d’accréditation et de l’US Environmental Protection Agency et a démontré des paramètres de robustesse satisfaisants.Six e-liquides et leurs e-vapeurs respectives, générées par une machine à fumer/vapoter, ont été ensuite analysés pour la recherche et la quantification de leurs ingrédients principaux (propylène glycol, glycérol et nicotine) et de différents polluants potentiellement toxiques (15 ETM, 50 pesticides, 16 hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et 3 composés carbonylés). Les e-liquides avaient une composition conforme à celle annoncée par le fabricant et contenaient quelques rares polluants, à l’état de traces. Dans les e-vapeurs, 3 composés carbonylés, 2 HAP et 4 ETM (Sb, Cd, Cr et Pb) ont été retrouvés à des concentrations 7 à 6126 fois inférieures à celles mesurées dans la fumée de la cigarette de référence 3R4F, analysée dans des conditions comparables (à l’exception du Cr et du Sb non présents dans la fumée de la 3RF4).Le profil de vapotage, qui repose essentiellement sur le volume, la durée et la fréquence des bouffées, semble contribuer à la large variabilité de la composition chimique des e-vapeurs observée entre les différentes données de la littérature. En se focalisant sur l’analyse d’une seule famille de composés à impact sanitaire probable, nous avons montré, d’une part, que le profil de vapotage a une influence certaine sur la composition de l’e-vapeur en composés carbonylés et, d’autre part, que les profils de vapotage ne sont pas adaptés à tous les modèles d’e-cigarette.Les travaux de cette thèse ont participé à améliorer les connaissances actuelles sur la caractérisation physicochimique des émissions de cigarette électronique. Globalement, les e-cigarettes et e-liquides testés émettent et/ou génèrent quelques rares composés potentiellement toxiques, à des concentrations inférieures à celles observées dans la fumée de cigarette conventionnelle. Les résultats de nos travaux répondent en partie à l’urgente nécessité d’optimiser et d’harmoniser les pratiques analytiques dans le domaine de l’e-cigarette et de ses émissions. Ils devraient ainsi contribuer à l’établissement de méthodes de référence qui faciliteront et autoriseront l’interprétation et la comparaison des données, actuellement très disparates dans la littérature.


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