Hóa học đằng sau thuốc lá điện tử

Thuốc lá điện tử đang được giới trẻ ưa chuộng vì chúng thể hiện phong cách chất chơi của họ. Tuy nhiên hóa học đằng sau chúng thì không phải ai cũng hiểu rõ. Vì thế để giúp các bạn hiểu rõ hơn về vấn đề này, chúng ta sẽ tìm hiểu về hóa học đằng sau thuốc lá điện tử và những điều cần biết về nó. Bạn hãy giành ít thời gian để đọc và tham khảo nhé!

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ tập trung vào thuốc lá điện tử chứa nicotine vì chúng được sử dụng chủ yếu.

Đôi nét

Thuốc lá điện tử (tên tiếng Anh là Electronic cigarettes) là một thiết bị có bề ngoài giống như điếu thuốc. Về cơ bản, nó là một chất lỏng chứa nicotine có thể được làm giàu bằng các vật liệu thơm bổ sung. Chất lỏng này được hóa hơi để hít vào (và sau đó thở ra một phần) bằng cách sử dụng cuộn dây sưởi chạy bằng pin. Thuốc lá điện tử được cho là ít gây hại hơn đáng kể so với thuốc lá thông thường, vì các chất gây ung thư có lẽ không có trong hơi thuốc. Mức độ mà các bên thứ ba có thể bị tổn hại về thể chất, rủi ro sức khỏe lâu dài và khả năng phát triển chứng nghiện nicotine cho đến nay vẫn chưa được biết rõ và vẫn là một đối tượng điều tra.

Thuốc lá điện tử có rất nhiều tên gọi khác nhau như vape, thuốc lá vaporizer hay hệ thống phân phối nicotine điện tử (Electronic Nicotine Delivery Systems). Herbert A. Gilbert đến từ Mỹ là người đầu tiên đưa ra ý tưởng về thuốc lá điện tử vào năm 1963. Tuy nhiên, đến năm 2003, một dược sĩ đông y người Trung Quốc có tên là Hon Lik (Hàn Lực) đã phát triển ra loại thuốc lá điện tử với hình dáng hiện đại được sử dụng rộng rãi ngày nay.

Một số thuốc lá điện tử nhìn bề ngoài có hình dáng giống với thuốc lá điếu truyền thống hay xì gà. Những loại khác trông giống như bút hoặc ổ đĩa flash hoặc có những thiết kế hoàn toàn khác lạ. Thuốc lá điện tử có thể dùng một lần hoặc bơm dung dịch bổ sung để tiếp tục sử dụng. Hầu hết các thiết bị này đều sử dụng buồng chứa tinh dầu (cartridge), nếu dùng một lần được gọi là kén nhỏ chứa nicotine hoặc nếu có thể bơm lại để chứa tinh dầu (e-juice hay e-liquid). Tinh dầu này là chất lỏng thường chứa nicotine, hương liệu, propylene glycol và glycerin thực vật.

Các loại thuốc lá diện tử. Nguồn Texaschildrens.org

Thuốc lá thường và thuốc lá điện tử

Hút thuốc lá truyền thống ảnh hưởng đến mọi cơ quan trong cơ thể, và là nguyên nhân tử vong hàng đầu có thể phòng ngừa được ở Hoa Kỳ: Nó góp phần gây ra gần 1/5 ca tử vong, theo Trung tâm Dự phòng và Kiểm soát Bệnh tật Hoa Kỳ (U.S. CDC). Thuốc lá điện tử với chất lỏng dựa trên nicotine thường được bán trên thị trường như một sự thay thế cho thuốc lá truyền thống cho những người nghiện thuốc lá.

Mỗi năm trên thế giới có khoảng 7 triệu người chết do hút thuốc lá và hơn 900.000 người chết do hít phải khói thuốc lá thụ động. Đáng chú ý, tại Việt Nam, mỗi năm có khoảng 40.000 người tử vong vì các bệnh có liên quan đến thuốc lá. Dự báo đến năm 2030, con số này có thể tăng lên tới 70.000 người/năm.

Theo Mic.gov.vn

Vậy có gì khác biệt? Khi đốt lên, lá thuốc trong thuốc lá thông thường sẽ cháy và tạo ra khói có chứa nicotin hóa hơi mà người dùng hít vào. Khói thuốc còn chứa hàng ngàn chất khác trong đó có ít nhất 70  chất gây ung thư, hợp chất thúc đẩy sự phát triển của ung thư. Các mao mạch trong phổi hấp thụ nicotin và các chất khác, và chúng đi vào máu. Dòng máu mang các chất đã hấp thụ đến não và các bộ phận khác của cơ thể.

Ngược lại, thuốc lá điện tử không chứa thuốc lá. Họ sử dụng phương pháp không đốt cháy để cung cấp nicotine cho người dùng. Thuốc lá điện tử thường có bốn phần: ống ngậm, pin sạc, hộp chứa chất lỏng, còn được gọi là vỏ và đầu phun.

Chất lỏng có chứa nicotine, nước, hương liệu và dung môi, bao gồm glycerin hoặc propylene glycol, giúp ổn định sương mù hình thành trong bộ phun sương. Bộ phun là một buồng nhỏ làm nóng dung dịch từ hộp mực, tạo ra sương mù dạng xịt gồm các giọt chất lỏng nhỏ (về mặt kỹ thuật không phải là hơi) mà người dùng hít vào. Đó là một phiên bản nhỏ, cung cấp nicotine và hương vị của máy tạo ẩm. Khi người dùng hít phải sương mù, phổi của họ sẽ hấp thụ nicotine và các hợp chất khác.  

Nguồn: CDC, được điều chỉnh bởi RS Graphx, Inc.

Thành phần chung

Điểm chung của vaping và hút thuốc lá là nicotine. Nicotin nằm trong một nhóm hợp chất được gọi là alkaloid. Alkaloid là các phân tử hữu cơ (dựa trên cacbon) xuất hiện tự nhiên trong thực vật. Ngoài cacbon và hydro, alkaloid chứa ít nhất một nguyên tử nitơ và thường có hoạt tính dược lý quan trọng, nghĩa là chúng hoạt động như một loại thuốc trong cơ thể.  

Nhiều loại thuốc hiện đại hoặc là alkaloid có nguồn gốc từ thực vật, hoặc thuốc tổng hợp dựa trên các chất ban đầu có nguồn gốc từ thực vật. Ngoài nicotine, các alkaloid nổi tiếng khác bao gồm caffeine, codeine, cocaine và morphine.

Cấu trúc hóa học của nicotine

Các nguyên tử nitơ trong các alkaloid mang lại cho chúng một đặc tính quan trọng khác: Chúng có thể tồn tại ở dạng axit hoặc bazơ liên hợp. Các nguyên tử nitơ của alkaloid là bazơ, có nghĩa là các điện tử không liên kết có thể chấp nhận một proton (H+). Trong phản ứng ngược lại, H+ bị loại bỏ khỏi nitơ. Các phản ứng này xảy ra nhanh chóng theo cả hai hướng với tốc độ gần như nhau, do đó không quan sát thấy sự thay đổi tổng thể về nồng độ của chất phản ứng và sản phẩm:

Nicotine có hai nguyên tử nitơ trong cấu trúc của nó, và cả hai đều có thể được proton hóa về mặt kỹ thuật. Một chất chỉ trở nên proton trong điều kiện rất axit, pH <2, đây là điều kiện khó xảy ra đối với một sản phẩm tiêu dùng, vì vậy chúng ta hãy tập trung vào N. còn lại. 

Ở độ pH trên 9, có nhiều ion OH hơn ion H+ trong dung dịch, do đó dạng bazơ liên hợp của nicotin sẽ chiếm ưu thế. Trong các dung dịch axit, có nhiều ion H+ hơn. Các ion này sẽ proton hóa nitơ, làm cho dạng proton hóa của nicotin chiếm ưu thế.

Phản ứng axit-bazơ của nicotine

Điều này có vẻ như là một sự thật tầm thường, nhưng sự ủng hộ đã đóng một vai trò quan trọng trong hành động pháp lý quan trọng được thực hiện chống lại các công ty thuốc lá nhiều thập kỷ trước. Và nghiên cứu gần đây cho thấy rằng nó có thể liên quan đến sự thống trị thị trường của một thương hiệu thuốc lá điện tử cụ thể, là Juul.

Tại sao một proton lại quan trọng?

Bắt đầu từ những năm 1990, nhiều bang ở Hoa Kỳ bắt đầu đệ đơn kiện các công ty thuốc lá vì cố tình che giấu thông tin về sự nguy hiểm của việc hút thuốc. Các tài liệu của công ty được công bố như một phần của các vụ kiện này tiết lộ rằng vào những năm 1960, các công ty thuốc lá đã phát hiện ra rằng dạng bazơ liên hợp của nicotine được phổi dễ dàng hấp thụ hơn, cung cấp một lượng nicotine lớn hơn – và khả năng gây nghiện cao hơn.

Sự khác biệt một Proton

Dạng bazơ liên hợp của nicotine được phổi dễ dàng hấp thụ hơn. Để tạo ra các sản phẩm có tỷ lệ cao hơn dạng này, các công ty thuốc lá thêm muối amoni vào thuốc lá của họ. Khi thuốc lá trong điếu thuốc cháy, hơi nóng sẽ tác động lên muối tạo thành amoniac và các hợp chất khác. Amoniac phản ứng với dạng axit nicotin, loại bỏ proton. Điều này tạo ra nhiều nicotin dạng bazơ liên hợp hơn.

amonium-hydro-phosphate

Nguồn C&EN

Các công ty thuốc lá bắt đầu thêm muối amoni, chẳng hạn như diammonium phosphate [(NH4)2HPO4], vào thuốc lá. Khi đốt cháy, các muối chuyển thành amoniac (NH3). Amoniac lấy proton từ các phân tử nicotin dạng axit, biến chúng thành dạng bazơ liên hợp, dễ hấp thụ hơn. Điều này có thể gây ra những hậu quả quan trọng, vì nicotine không thể đi qua màng tế bào của phế nang phổi và mạch máu ở dạng proton. Do đó, bất kỳ sự gia tăng nào về độ pH đều tạo điều kiện thuận lợi và đẩy nhanh sự hấp thu nicotine, do đó làm tăng nguy cơ nghiện.

Dạng bazơ liên hợp của nicotine tạo cảm giác gắt và ngứa ở phía sau cổ họng. Dạng axit của nicotine được cho là có cảm giác nhẹ hơn và êm hơn khi hít vào, nhưng phổi không hấp thụ dễ dàng.

Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu chất lỏng vaping đã gợi ý rằng sự khác biệt về độ mịn giữa axit và nicotine bazơ liên hợp có thể góp phần vào sự phổ biến của Juul, lần đầu tiên xuất hiện tại các cửa hàng vào năm 2015. Thiết kế kín đáo, giống như ổ ngón tay cái và hương vị trái cây đã giúp Juul nhanh chóng trở thành sản phẩm bán chạy nhất. Đến đầu tháng 8 năm 2019, các sản phẩm của Juul chiếm 72% tổng doanh số bán thuốc lá điện tử. 

Một nghiên cứu năm 2018 do David Peyton tại Đại học Bang Portland dẫn đầu để đánh giá các nhãn hiệu thuốc lá điện tử khác nhau đã phát hiện ra rằng hai chất lỏng Juul mà họ thử nghiệm chứa chủ yếu là nicotine dạng axit (cảm giác mượt mà hơn). 

Peyton và các đồng nghiệp của ông cũng phát hiện ra rằng pods Juul chứa khoảng 57 miligam (mg) nicotin trên mỗi mililít (mL) dung dịch. Các thương hiệu khác, bao gồm Twelve Vapor, Nicquid, và Beard Vape Co., có trung bình 10 mg nicotine trên mỗi mL dung dịch. Hầu hết các chất lỏng không phải của thương hiệu Juul có hơn 50% nicotine ở dạng bazơ liên hợp, khắc nghiệt hơn.

Peyton và các đồng tác giả của ông thấy có sự song song giữa các dạng nicotine khác nhau mà họ tìm thấy trong thuốc lá điện tử và khám phá của các công ty thuốc lá vào những năm 1960. Trong một cuộc phỏng vấn qua email, Peyton lưu ý rằng “sự kết hợp giữa nồng độ nicotine cao và dạng bazơ liên hợp thấp, giống như Juul, sẽ tạo ra hương vị và cảm nhận của người dùng không quá gắt, như thể chất lỏng thuốc lá điện tử có rất ít nicotin. ” 

Tuy nhiên, trong nghiên cứu, lượng nicotine trong hai hương vị Juul cao hơn so với các chất lỏng thuốc lá điện tử khác được thử nghiệm. Bao nhiêu thực sự được phổi hấp thụ là một câu hỏi khác. 

Nicotine trên não của bạn

Nghiên cứu đã phát hiện ra rằng nicotine là một tin xấu, đặc biệt là đối với thanh thiếu niên, những người có não bộ vẫn đang phát triển.

Trong số các tác dụng khác, chẳng hạn như làm tăng nguy cơ mắc bệnh cao huyết áp và tiểu đường, nicotine làm tăng mức độ dopamine trong não. Dopamine là chất dẫn truyền thần kinh, một loại chất hóa học do tế bào thần kinh tiết ra để gửi tín hiệu đến các tế bào thần kinh khác. Dopamine có liên quan đến việc kích hoạt các trung tâm vui vẻ và khen thưởng của não. Thông thường, mức độ của chất dẫn truyền thần kinh này sẽ tăng lên khi bạn đạt điểm cao trong một bài kiểm tra, chiến thắng trong một cuộc đua hoặc đạt đến cấp độ tiếp theo trong một trò chơi trên máy tính. Dopamine khiến bạn cảm thấy hài lòng về thành tích của mình.

Khi một loại thuốc như nicotine gây ra sự gia tăng dopamine một cách giả tạo, nó sẽ gây ra cảm giác tích cực tương tự. Vấn đề là khi tác dụng hết, những người hút thuốc hoặc hút thuốc lá điện tử muốn lặp lại trải nghiệm, vì vậy họ dùng nhiều thuốc hơn. Hình thức sử dụng và củng cố này có thể dẫn đến nghiện.  

Điều này đặc biệt nguy hiểm đối với thanh thiếu niên. Tuổi mới lớn là thời kỳ quan trọng để phát triển trí não. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tiếp xúc với nicotine có thể khiến não bộ của thanh thiếu niên bị ảnh hưởng bởi những hậu quả có hại, lâu dài. Ví dụ, nó có thể làm giảm kỹ năng nhận thức của người dùng, tăng khả năng họ dùng thử ma túy bất hợp pháp và tăng nguy cơ phát triển các rối loạn sức khỏe tâm thần.

Ngoài nicotine, hương liệu trong chất lỏng vaping có thể có tác động sức khỏe riêng. Các nghiên cứu sơ bộ trong phòng thí nghiệm liên quan đến các tế bào nội mô của con người, vốn nằm trong phổi, đã chỉ ra rằng một số chất lỏng có hương vị được sử dụng trong thuốc lá điện tử gây ra thiệt hại đáng kể cho các tế bào.

Tất cả các yếu tố sức khỏe này sẽ diễn ra như thế nào trong vài năm tới vài thập kỷ tới vẫn chưa được biết. Nhưng những gì bệnh tật và các nghiên cứu gần đây về thuốc lá điện tử cho đến nay đã chỉ ra rằng cần phải có nhiều nghiên cứu hơn nữa để hiểu những nguy cơ về sức khỏe của vaping.

Xem tiếp trang sau…