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近紅外光譜技術(shù)分析煙草的化學(xué)成分

近紅外光譜技術(shù)分析煙草的化學(xué)成分

摘　要　應(yīng)用近紅外光譜儀對(duì)制絲線煙絲的定量的快速分析，能夠快速評(píng)價(jià)煙草等質(zhì)量狀況，該方法不需要對(duì)煙絲進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)的煙絲快速的檢測(cè)，提供大量的數(shù)據(jù)，免去實(shí)驗(yàn)室人員復(fù)雜操作，可對(duì)煙草企業(yè)的效益具有非常重要的意義。

主題詞　近紅外光譜；煙草化學(xué)成分；偏最小二乘法（PLS）

引言

    近紅外光譜主要是由于分子振動(dòng)的非諧振性使分子振動(dòng)從基態(tài)向高能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的，記錄的主要是含氫基團(tuán)C一H!O一H!_N一H!S一H!P一H等振動(dòng)的倍頻和合頻吸收[1-2]。不同基團(tuán)(如甲基，亞甲基，苯環(huán)等)或同一基團(tuán)在不同化學(xué)環(huán)境中的近紅外吸收波長(zhǎng)與強(qiáng)度都有明顯差別。所以近紅外光譜具有豐富的結(jié)構(gòu)和組成信息，非常適合用于碳?xì)溆袡C(jī)物質(zhì)的組成性質(zhì)測(cè)量。習(xí)慣上將近紅外區(qū)劃分為近紅外短波(780一1100nm)和近紅外長(zhǎng)波(1100一2526nm)兩個(gè)區(qū)域。

    物質(zhì)的紅外光譜包含了組成與結(jié)構(gòu)的信息，而性質(zhì)參數(shù)(如油品的相對(duì)密度，餾程和閃點(diǎn)等)也與其組成、結(jié)構(gòu)相關(guān)，因此在樣品的近紅外光譜和其性質(zhì)參數(shù)間也必然存在著內(nèi)在的聯(lián)系。使用化學(xué)計(jì)量學(xué)這種數(shù)學(xué)方對(duì)其兩者進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可確立這兩者間的定量或定性關(guān)系，即校正模型。建立模型后，只要測(cè)量未知樣品的近紅外光譜，再通過(guò)軟件自動(dòng)對(duì)模型庫(kù)進(jìn)行檢索，選擇正確模型，根據(jù)校正模型和樣品的近紅外光譜就可以預(yù)測(cè)樣品的性質(zhì)參數(shù)。所以，整個(gè)近紅外光譜分析方法包括了校正和預(yù)測(cè)兩個(gè)過(guò)程。

1.實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器條件：

近紅外光譜儀，主要部件包括：儀器主機(jī)、電源適配器、集成顯示器。儀器所用檢測(cè)器為InGaAs，光譜采集軟件，建模軟件。實(shí)驗(yàn)所用的參數(shù)設(shè)置為：波長(zhǎng)范圍：680～2500nm；波長(zhǎng)增量：1.0nm；掃描次數(shù)：24次。

1.2光譜采集

以漫反射方式采集煙絲的光譜數(shù)據(jù)。采集樣品，將均勻的煙絲樣品裝進(jìn)樣品杯中，采用頂窗旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行漫反射檢測(cè)。所有樣品全部來(lái)自煙草制絲線上，共計(jì)取樣90個(gè)樣品，取樣時(shí)間間隔為15分鐘。共計(jì)3個(gè)煙絲種類(lèi)。每種煙絲25個(gè)樣品做校正集，用來(lái)建模，將樣品的光譜數(shù)據(jù)與相應(yīng)的化學(xué)成分相關(guān)聯(lián)來(lái)建立模型。

2.分析結(jié)果

2.1光譜處理

為獲得良好的光譜數(shù)據(jù)，應(yīng)在穩(wěn)定的條件下進(jìn)行光譜掃描。在建立模型前，首先需對(duì)掃描得到的吸收光譜進(jìn)行光譜預(yù)處理。采用的預(yù)處理方法為一階微分、9點(diǎn)平滑處理。一階微分可以放大光譜信號(hào)，使得更容易解析。平滑處理方法可以有效的降低噪音信息。

2.2 模型分析

將經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的建模光譜數(shù)據(jù)與樣品含量數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，采用偏最小二乘法（PLS），交互驗(yàn)證法（cross-validation），用建模分析軟件建立模型。

   在建立校正模型前，采用建模軟件對(duì)光譜進(jìn)行數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)，當(dāng)樣本置信度超95%時(shí)，則被判為異常。經(jīng)檢驗(yàn)，共有4張光譜異常，剔除后采用PLS建立煙堿、總糖的模型。

偏最小二乘法( PLS)具備克服樣品成分間相互干擾及吸收波段重疊引起偏離真實(shí)線性的能力, 用于復(fù)雜體系的校正模型建立[6]。PLS建模過(guò)程中,采用留一法計(jì)算內(nèi)部交互驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)偏差RMSECV, 當(dāng)RM SECV最小時(shí)對(duì)應(yīng)因子數(shù)為最佳。最終建立的煙草煙堿、總糖模型如圖1-2.

圖1.煙草中煙堿的校正集模型

圖2.煙草中糖的校正集模型

經(jīng)過(guò)模型的優(yōu)化，得出煙草中煙堿、糖較好的模型，模型相關(guān)系數(shù)分別為0.970、0.986。

2.結(jié)果與討論

    使用驗(yàn)證集來(lái)評(píng)估模型的準(zhǔn)確性，經(jīng)檢驗(yàn)，對(duì)未知樣品的檢測(cè)平均相對(duì)誤差為3.81%。

從以上所建立的煙堿、糖指標(biāo)的模型可以看出，有明顯的線性關(guān)系，說(shuō)明采集到的近紅外光譜數(shù)據(jù)中含有大量與煙堿、糖化學(xué)指標(biāo)相關(guān)的有效信息，利用近紅外光譜分析技術(shù)完全能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)出這些化學(xué)成分的含量。結(jié)果表明，使用近紅外光譜技術(shù)對(duì)煙草中煙堿、糖的快速無(wú)損檢測(cè)是完全可行的。

參考文獻(xiàn)：

1.陸婉珍,袁洪福,徐廣通等,現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù)[M],北京:中國(guó)石化出版社(第二版),2007

2.Ciurczak E,rennen J. Near Infrared Spectroscopy in Pharmaceutical and Medical

APPlications [M],New York:Marcel一Dekker,Inc.,2002.

3.LorberA, Wangen L E, KowalskiB R. A theoretical foundation fo r the PLS a lgorithm [J]. Journal o f Chemo metrics, 1987,1( 1) : 19~ 31.