1、近红外光谱及其在烟草行业中的应用,冉霞,一、近红外光谱1、近红外光谱原理2、近红外光谱分析技术的优点3、近红外光谱分析技术的不足4、近红外光谱分析技术的发展 二、近红外光谱在烟草行业中的应用1、常规化学成分分析2、烟气分析4、烟叶类型或产地判别5、卷烟配方识别6、卷烟真伪鉴别7、卷烟材料分析8、烟叶物理指标测定 三、展望,一、近红外光谱,近红外光谱分析技术作为分析化学领域迅猛发展的高新技术，它的出现带来了又一次分析技术的革命。近几届匹兹堡会议的方法学分类中，“近红外”从“红外及拉曼”中分离出来单独列为一类，因而受到持续关注。近年来该项技术在烟草行业已成为研究热点，并得到广泛应用。,1、近红外光
2、谱原理,近红外光谱也称为分子的振动-转动光谱，主要由分子振动的基态向高能级跃迁产生。能级跃迂包括基频跃迁(对应分子振动状态在相邻振动能级之间的跃迁)、倍频跃迁(对应于分子振动状态在相隔一个或几个振动能级之间的跃迁)和合频跃迁(对应于分子两种振动状态的能级同时发生跃迁)。近红外光吸收带主要记录的是含氢基团XH(X=C、N、O、S、P)振动的倍频和合频产生的吸收，其中包含了大多数有机化合物的组成和分子结构信息。,2、近红外光谱分析技术的优点,1分析过程简单、快速。 2操作简单、费用低。 3测试重现性好，可用于样品的定性、定量分析。 4便于实现在线分析。由于光纤技术的介入，近红外在线分析和遥测技术得
3、以发展。,3、近红外光谱分析技术的不足,1近红外光谱峰出现的频率范围低，吸收峰数目多、重叠严重、谱带复杂；吸收强度较弱，光谱的信噪比低。 2近红外光谱容易受到测量条件(如温度、仪器)、样品状态(如溶剂效应)等外界因素的影响。 3不适合于痕量分析和分散性样品的分析。近红外光谱分析的灵敏度相对较低，不适于检出限较低样品的测量。,4、近红外光谱分析技术的发展,1800年，Herschel首次发现了NIR光谱区；近红外光谱被发现后，“沉睡”了近一个半世纪，才迎来了自身应用发展的几个高潮阶段：第一次是在20世纪50年代中后期，随着一些简易近红外光谱仪的出现和Norris等人在NIR漫反射技术上所做的工作
4、，掀起了近红外光谱应用的小高潮，主要应用于农副产品的分析 。,第二次是在80年代后期，计算机技术的发展带动了分析仪器的数字化和化学计量学的发展。通过化学计量学方法可以解决谱带较宽、吸收峰重叠严重的问题，使人们重新认识了近红外光谱的价值，各种领域的应用研究陆续展开。 第三次是进入90年代，有关近红外光谱的研究及应用文献几乎呈指数增长。同时由于光纤技术的介入，近红外在线分析技术得以发展，并取得良好的社会效益和经济效益，从此近红外光谱技术进入一个全速发展的新时代 。 最近出现的新技术MEMS(Micro Electromeehanical System，即微电子机械系统)有望推动近红外光谱分析技术的
5、第四次发展。,二、近红外光谱分析技术在烟草行 业中的应用,烟草是一种成分复杂的天然植物，含有大量的C-H基团，因此，利用近红外光谱来反映烟叶中某些成分的含量是有效的。不同品种的烟叶，其化学组成显然各不相同，因而会导致烟叶的近红外光谱产生差异，而这种差异恰恰能为烟叶品种的识别提供一个快速判断的依据。同时，由于烟草的育种方式、产地、土壤、气候的不同，反映在近红外光谱图上也会有差别，因此通过光谱来评价这些因素也是有效的。烟草中的还原糖、总糖、总氮、烟碱等成分是设计卷烟配方和质量控制的重要指标，在卷烟生产的许多环节需要对这些指标进行快速无损检测，因此应用NIR分析技术也就显得非常必要。,1、常规化学成
6、分分析,NIR分析技术在1968年成功应用于烟草工业，McClure等首次发表了NIR测定烟草还原糖的文章。 1978年，Hamid等用近红外光谱分析了烟末中生物碱的含量 1986年McClure等利于近红外光谱分析了烟草中的总氮含量 。 1983年，Long指出，烟草中水分的近红外光谱的重要吸收波长为1940nm、1840nm、2100nm。同年，Tonini建立了水分预测模型，SEC为0.639，SEP为0.646。,而今，近红外光谱分析技术在烟草化学成分检测方面已得到成熟应用，相应研究较多，国内对此进行了大量的工作。 张建平等l3建立了测定烟草中总糖、还原糖、总植物碱、总氮、氯等5项指标
7、的近红外光谱分析模型。 王东丹等14建立了近红外光谱与总糖、还原糖、烟碱、总氮含量间的关系模型，并对青烟叶品质参数进行了建模研究,2、烟气分析,烟气是香烟点燃后所生产的气体和烟尘的混合物，它的香气、劲头、余味和杂气等感官质量是消费者购买卷烟最关心的要素。烟气的香气特征除了专家的经验外，尚无公认的仪器来评价，目前对烟气质量的判断主要是检测其中的焦油、尼古丁及CO的含量，这几个指标比较能有效地反应烟气的浓度、劲头及对人休有害物质的含量。 1985年，Williamson等使用NIR光谱对卷烟焦油产生量进行了研究 1995年，Luzio等使用了来自世界各地的70多种卷烟产品进行了标准的烟气分析测试，
8、并建立了近红外预测模型,3、烟叶类型或产地判别,烟草生产地域分布广泛，准确判别烟草产地对卷烟生产具有重要指导意义。 Maha等用适当数学方法建模后，对于烟叶类型(烤烟、白肋烟)或不同产地(美国产、非美国产)得出了完全正确的判别结果。 Figures等证实近红外光谱与适当的化学计量学程序结合，对商业混合型烟草的定性更有把握。 王国东等对国内不同产地烤烟的近红外光谱进行了特征分析，认为近红外光谱可以较全面地反映产地信息。 束茹欣等以近红外光谱的主成分描述烟叶特征，采用马氏距离判别准则对不同产地的国产烤烟烟叶进行了产地、部位、等级的模式识别。,4、卷烟配方识别,卷烟配方工作的过程复杂而繁琐，充分利用
9、近红外技术能够有效降低工作强度，提高效率。 刘扬等45利用近红外谱图特征峰及化学成分进行了计算机辅助烟叶配方设计的研究。 Lo46采用NIR法和人工神经网络对烟草混合物进行了快速分类和配方分析。 Yamazaki47和Kimy等48用已知烟丝、膨胀梗丝和膨胀烟丝混合比例的配方建立的模型进行配方分析。 刘晓萍等49建立了4个不同配方的识别模型。 王家俊等50采用主成分分析马氏距离法、偏最小二乘法结合近红外光谱表征卷烟配方的过程质量。,5、卷烟真伪鉴别,进行准确快速的卷烟真伪鉴别，在流通领域可发挥独特作用，使执法建立在牢固的科学基础之上。 束茹欣等51通过聚类分析、鉴定测试等方法进行卷烟真伪的鉴别
10、。 王东丹等52应用近红外聚类分析，对不同牌号、类型的样品进行了定性分析。,6、卷烟材料分析,除了烟叶分析，卷烟工业还需进行大量的其它材料分析。 1990年Reynolds烟草公司53申请了采用近红外技术检测烟草中薄荷醇的专利技术。 汪帆等54利用偏最小二乘法结合傅里叶变换近红外透射光谱，分别建立了卷烟纸定量、厚度、透气度、水分、灰分的数学模型。 曹建国55建立了二醋酸纤维丝束外油分析的数学模型，并建立了滤棒中三醋酸甘油酯含量测定的数学模型嗍。 王家俊等57应用SIMCA分类法与PLS算法结合傅里叶变换近红外光谱，建立了卷烟纸的分类模型，用于卷烟纸的判别分类，同时建立了测定卷烟纸定量、厚度、透
11、气度、水分和灰分等性质的校正模型。,7、烟叶物理指标测定,近红外光谱分析技术已初步应用于烟叶物理指标测定。 周汉平等59采用外观质量评价法给250个烟叶样品的叶片结构和油分赋值。而后用近红外光谱仪在3 50012 000 cm-1波长范围对这些烟叶样品进行扫描，并采用偏最小二乘法建立了叶片结构和油分的近红外预测模型。,三、展望,由于近红外检测具有含量限制性，一般来讲，近红外光谱分析对物质有效成分测定的检测限在0.1以上。在可预见的几年时间内，能够通过近红外光谱分析技术进行检测的化学成分会被基本开发完毕。因此今后的工作重点会转到实用型模型开发及模型有效转移方面。 在烟草加工过程中进行实时在线检测对于工业企业的生产控制具有重要意义。而进行在线检测则正是近红外光谱分析技术的优势所在，能否实现准确的在线检测是该技术今后得以推广的关键。 总之，近红外光谱分析技术作为一种“绿色”分析技术，优点非常明显，能够有效地应用于大批量样品的快速分析。相信今后会在烟草行业得到进一步的推广应用。,谢谢！,
