*红外技术在烟草分析领域的研究进展

发布于:2021-06-19 04:15:07

《 现代农业科技》 2008 年第 12 期

大田农艺

*红外技术在烟草分析领域的研究进展
2 马 强 1, 张忠锋 3 董小卫 1 李 晓 1 周显升 1 肖协忠 1
1 (山东中烟工业公司, 山东济南 250013;2 山东大学化学与化工学院;3 中国农业科学院烟草研究所)

摘要 综述了*红外光谱分析技术的基本原理、 发展历程和特点, 以及国内外*红外技术在烟草分析领域的研究现状及进展。 关键词 *红外技术; 烟草分析; 研究进展 S572 文献标识码 A 文章编号 1007- 5739( 2008) 0185- 02 12- 中图分类号 O657.33;

*红外技术是*年来分析化学领域迅猛发展的高新分 析技术, 越来越受国内外分析专家的关注, 它的出现带来了 新的分析技术革命。 1 *红外技术基本原理 NIR 光是介于可见光( VIS) 和中红外( MIR ) *红外( ) 之间的电磁波, 根据 ASTM( 美国实验和材料协会) 的定义, 其波长范围为 780~ 526nm。 2 该谱区是天文 学 家 William Herschel 于 1800 年发现的 , 比中红外谱区更早, 是人们最
[1]

析的热潮。 *几届匹兹堡会议的方法学分类中, *红外” “ 形 成了与“ 红外及拉曼” 分庭抗礼的局面, 单独分立成为 20 余 类独立技术中的 1 类, 并受到持续关注。 我国也成立了相关 专业组织, 并于 2006 年召开了全国第 1 届*红外光谱学术 会议。 从发表论文范围来看, 涵盖了多个领域。 3 *红外技术的特点 *红外技术是一种“ 三位一体” 的技术, 即*红外光谱 仪、 化学计量学软件和应用模型三部分的有机结合体。 这三 部分互相结合才能满足分析的要求, 缺一不可。 3.1 *红外技术的优势 *红外技术能够以较短的时间在众多领域得以推广应 用, 进而在数据处理及仪器制造方面得到飞速发展, 主要是 因为它具有诸多独特的优势: ①测试速度快, 非常适合于大 批量样品的分析测试。*红外光谱信息通过计算机系统进 行数据的处理统计, 在成熟的应用模型支持下, 样品扫描获 得光谱图后可立即得到定性定量结果,整个数据处理过程 以秒计, 测量过程一般在 1~ 2min 内完成。 测试数据的时效 性极高,并且 1 张光谱图可以同时计算出样品的多个性质 指标, 具有多组分同时分析能力。 ②测试过程中不破坏样 品, 为无损检测, 样品可重复使用。 ③测试时不发生化学反 应, 不使用化学试剂, 不产生污染。 *红外光谱分析只是获 取样品的光谱信号,不通过常规化学反应的手段来测定样 品, 不使用化学试剂, 因此测试过程中不会产生任何污染。 ④样品的定性与定量分析可同时兼顾。 ⑤投资及运行费用 较低。 *红外光谱仪的购置费用较低, 日常操作无消耗品, 测定几乎不发生费用。 测试时进行的工作就是扫描样品和 计算机自动计算, 在具体应用过程中, 对操作者的技能要求 较低, 没有较高的专业要求, 排除了分析中许多需要专业人 员操作的技术* 当然, 模型的建立及维护还是需要专业 人员进行大量的工作的。 ⑥能够应用于过程分析。 在线*红 外技术作为过程分析技术应用的典范,已经步入了工业化 阶段, 广泛应用于化工、 石化、 制药、 烟草等领域。 ⑦很多物 质在*红外区域的吸收系数小, 使分析过程变得简单。 3.2 *红外技术的缺陷 在实际应用中, *红外技术也存在一些固有的缺陷: ① 不适合于痕量分析和分散性样品分析; ②模型建立后需要 进行不断的维护修正; ③模型质量受参比方法制约性大; ④ 测试灵敏度比较低, 相对误差比较大。 4 *红外技术在烟草成分分析领域的研究进展

早发现的非可见光区域, 距今已有 200 余年历史。 *红外光 谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高 能级跃迁时产生的, 分子在*红外谱区的吸收主要由分子中 C- H、 - H、 - H、 H、 N O S- C=O 等基团基频振动的合频与倍 频吸收组成。 不同基团或同一基团在不同化学环境中的* 红外吸收波长与强度都有明显差别, 所以*红外光谱具有 丰富的结构和组成信息, 比较适合于分析天然产物中与有 机基团有直接或间接关系的成分 [2]。 因此, *红外光谱技术 的发展首先从农业领域应用开始。 2 *红外技术的发展历程概述 *红外谱区吸收强度很低、 谱带相互严重重叠、 信息解 析极其复杂, 使用经典的定性、 定量方法无法进行研究。 因 此受发现时技术条件的限制, 该谱区被“ 遗忘” 了*一个半 世纪。 世纪中期化学计量学和计算机技术的飞速发展, 20 解 决了*红外分析中的多元信息处理问题, 使得*红外技术 的优势得到了充分展露, 所以*红外光谱分析开始得到迅 速发展。 由于物质在*红外谱区中信息量丰富, 同时*红外 分析作为一项“ 绿色” 分析技术, 具有无污染、 非破坏性、 高 效快速、 低消耗、 能多组分同时分析和在线分析等优点, 因 此*年来涉足领域逐渐增多, 在农业、 石油化工、 医药、 食 品、 烟草、 纺织等许多行业得到了广泛应用。 *红外不但可以快速提供低成本的分析结果, 而且使 不断增加的分析工作量得到了高效解决。 作为一项迅速崛 起的光谱分析技术, *红外光谱在分析测试领域所起的作 用正越来越引起人们的关注。 进入 20 世纪 90 年代, *红外 光谱在工业领域中的应用全面展开, 有关*红外技术的研 究及应用文献几乎呈指数增长, 成为发展最快、 最引人注目 的一门独立的分析技术。 *红外技术在线分析领域也得到 了很好的应用, 并取得良好的社会效益和经济效益。 20 世纪 90 年代, 国际分析界逐渐形成了*红外光谱分
收稿日期 2008- 05- 15

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大田农艺 4.1 国外应用情况 1961 年 NIR 水分检测技术被首次应用于烟草工业, 当 时 Crowell 等人应用 NIR 技术测试湿焦油中的水分。 世 20 纪 70 年代*红外技术开始应用于烟草化学成分测定, 1977 年 McClure [3]等发表了采用*红外技术测定烟草中糖含量 的论文, 其仪器为单色扫描仪, 光谱二阶导数回归分析结果 最好。 1978 年 Hamid[4]发表了使用扫描式单色仪, 采用*红 外技术测定烟草中尼古丁含量的论文, 标样为 68 个, 粒度 为 40 目, 生物碱范围为 0.78% ̄6.10%。 研究了 3 种数学变换 方式: 1/ R ) 一阶导数以及二阶导数, lg( 、 波段由计算机计 算选 择 。 后 对 * 红 外 技 术 的 成 功 应 用 报 道 日 渐 增 多 , 随 McClure [5]、 Bense [6]等利用*红外技术检测了烟草中的多酚 和挥发碱。 Shinohara[7]等建立了部分烟草成分模型, 并取得 了较好的效果。 经过几十年的发展, 烟草行业目前对*红外 技术的应用已十分广泛。 相对而言, 国外的应用水*较为领 先, 根据不同烟草类型建立了相应*红外分析模型, 包括总 糖、 还原糖、 总植物碱等成分指标。 4.2 国内研究进展 国内自 20 世纪 90 年代开始将*红外技术应用于烟草 行业, 该技术随即进入了一个高速发展时期, 并且由实验室 研究阶段快速进入了工业应用。 国内*红外技术应用于烟 草成分分析始于 1995 年。 该年度王文真等 [8]发表了采用* 红外技术测定烟草总氮含量的论文, 结果定标和预测相关 系数都在 0.98 以上, 定标和预测标准差也较低。 张建*等 [2] 1999 年建立了测定烟草中总糖、 还原糖、 总植物碱、 总氮、 氯 5 项指标的*红外分析模型, 其中总糖和总植物碱的测定结 果与流动分析仪的测试结果相吻合, 结果间相对偏差为 3.5%, 具有实用价值。 这是*红外技术应用于国内烟草分析 的起始阶段。 进入 21 世纪后, 国内的研究应用逐渐走向成 熟, 涵盖指标范围日益扩大。 4.2.1 烟叶化学成分分析。 王东丹等[9]应用傅立叶变换*红 外漫反射光仪, 对具有代表性的 300 个烟草样品建立了* 红外光谱与总糖、 还原糖、 尼古丁、 总氮 4 种主要成分含量 间的关系模型, 结果表明, 各成分*红外预测值与实测值之 间的*均相对偏差均小于 5%。 并继续对青烟烟叶品质参数 进行了建模研究[10]。 王家俊[11]应用傅里叶变换*红外光谱分 析技术测定* 1 000 个具代表性的烤烟样品的*红外光谱 数据, 采用 PLS1 数学方法建立了测定烤烟中总氮、 总糖和 烟碱含量的数学模型。 陶晓秋等[12]以硫酸钡比浊法的测定值 为标准值, 建立了*红外光谱法预测烟草中硫含量的方法, 考察了光谱预处理方法、 谱区范围对硫含量预测值的影响。 测定结果的相对偏差为 10.8%。 周淑*等[13]建立*红外光谱 与初烤烟叶样品中蛋白质含量间关系的数学模型。 乐俊明 等 以 205 个样品组成校正集, 采用偏最小二乘回归法建立
[14]

《 现代农业科技》 2008 年第 12 期 烟烟叶样品进行了*红外漫反射光谱扫描及其纤维素含量 的化学测定, 利用偏最小二乘法建立了烟叶纤维素 NIR 预 测模型, 并对建模参数和模型的预测效果进行了评价。 李世 勇等[19]采用最小二乘支持向量回归( LSSVR ) 法和偏最小二 PLSR ) 法及 192 个烟叶样品的*红外光谱与总糖含 乘回归( 量 的 测 定 数 据 , 别 建 立 了 烟 叶 总 糖 含 量 的 NIR 预 测 分 模型, 并利用这 2 种模型对 95 个烟叶样品进行了预测。 LSSVR 法模型的预测准确度比 PLSR 法模型高。 蒋锦峰等[20] 应用*红外光谱技术建立了烟草中 17 项主要化学成分的 分析模型, 17 项指标包括总挥发酸、 这 总挥发碱、 石油醚提 取物总量、 石油醚提取物中性成分、 多酚、 淀粉、 纤维素、 硫 酸根、 值、 pH 灰分、 水溶性灰分碱度、 总糖、 还原糖、 总氮、 生 物碱、 钾, 氯、 认为*红外光谱技术在分析这 17 项化学指标 时均可以替代经典化学方法。 何智慧等[21]建立了声光可调- *红外光谱方法( AOTF- NIR ) 检测烟草主要化学成分的方 法, Unscrambler 定量分析软件将光谱与对应的化学成分 用 值相关联, 建立了烟草中总糖、 还原糖、 总烟碱和钾的回归 模型。 王玉等[22]建立了*红外光谱技术快速无损检测烟草重 要香味成分茄酮的方法。 尹晓东等[23]应用*红外光谱仪测定 了 910 个具代表性的云南省全省 12 个地区烤烟的*红外 光谱数据, 并采用化学计量学中的偏最小二乘法分别对实 验数据进行处理, 建立了预测云南全省烟叶总糖、 烟碱、 氯 和钾、 水分含量的校正模型。 4.2.2 烟草不同部位成分分析。 王家俊等[24]应用傅里叶变换 *红外光谱法测定了 1 210 个具代表性的烤烟各个生长期 的根、 叶样品的*红外光谱数据, 茎、 并采用偏最小二乘法 分别对实验数据进行处理, 建立了预测根茎和烟叶氮、 磷、 氯和钾等主要营养元素含量的校正模型。 付秋娟等[25]对烟草 根中的 N、 Ca、 进行了*红外光谱分析,其相对偏差 K、 Mg 分别为 5.1%、 9.0%、 7.6%和 8.1%。 4.2.3 烟草在线分析。 马翔等[26]用在线傅立叶变换*红外光 谱仪采集制丝线上烟丝的光谱, 建立了在线烟丝含水率、 总 植物碱、 总糖和总氮的数学模型。 利用这些模型可以快速、 准确地预测生产线上烟丝的这些常规化学成分含量。 5 小结与展望 *红外技术在烟草分析领域已得到广泛应用, 对相关 化学成分的快速检测起到了不可替代的作用。 *红外技术 今后的工作会以实用型模型为重点展开。 另外, 通过*红外 技术同时进行烟叶外观质量和内在质量的评判, 为烟叶等 级的准确判定可提供有力的依据。 总之, *红外光谱分析技 术作为一种“ 绿色” 分析技术, 优点突出, 能够非常有效地应 用于大批量样品的快速检测。 相信今后会在烟草行业得到 进一步的推广应用, 成为一种日常性的通用技术手段。 6 参考文献
[1] HER SCHEL W.Experiments on the R efrangibility of the Invisible R ays of the Sun[J].Philosophical Transactions of the R oyal Society of Lodon, 1800( : 90)225. [2] 张建*, 谢雯燕, 束茹欣, 等.烟草化学成分的*红外快速定量分析研

了*红外光谱信息与各成分含量之间的定量校正模型, 建 立烟草中 4 种化学成分的快速无损检测方法。 邱军等 [15- 17] 利用偏最小二乘法对烟草中钙、 淀粉、 镁、 石油醚提取物进 行了建模研究, 结果较理想。 段焰青等 [18]对 1 214 个国产烤

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大田农艺 表 2 春玉米不同品种种植方式的植株性状
品种 丹玉 90 号 丹玉 86 号子 丹玉 68 号 种植方式 覆膜移栽 露地移栽 地膜直播 覆膜移栽 露地移栽 地膜直播 覆膜移栽 露地移栽 地膜直播

《 现代农业科技》 2008 年第 12 期

株高∥cm 穗位高∥cm 单株叶片∥片 果穗粗∥cm 果穗长∥cm 秃尖长∥cm 穗行数∥行 穗粒数∥粒 千粒重∥g 247.0 112.3 21.3 5.2 20.6 3.4 17.0 479.8 258.4 239.3 103.1 21.2 5.0 20.2 4.2 16.2 406.3 236.4 268.6 121.4 22.4 5.2 20.5 3.3 16.2 451.8 252.4 111.2 20.2 4.6 18.1 3.2 14.6 399.6 258.5 232.4 222.8 98.8 19.6 4.3 17.5 3.5 13.4 343.8 235.7 249.8 113.9 20.9 4.6 17.7 3.2 13.4 372.1 242.3 273.4 136.2 22.8 5.2 20.1 3.8 14.2 429.2 285.3 257.4 130.6 22.4 5.0 18.3 4.3 12.8 375.6 264.7 285.5 135.0 23.3 5.0 19.3 4.1 13.7 406.1 270.2

表 3 春玉米不同品种不同种植方式的产量
品种 丹玉 90 丹玉 86 丹玉 68 *均 覆膜移栽 理论产量 实收产量 12.50 10.63 10.76 10.60 13.01 11.01 12.09 10.75 露地移栽 理论产量 实收产量 9.76 8.80 8.29 8.10 10.02 9.21 9.36 8.70 地膜直播 理论产量 实收产量 11.71 9.75 9.29 9.24 11.13 9.85 10.71 9.61 *均 理论产量 11.32 9.45 11.39 -

( hm2) t/ 实收产量 9.73 9.31 10.02 -

均实收产量为 10.02t/ hm2; 王 90 次 之 , 均 实 收 产 量 丹 * 为 9.73t/ hm ; 王 86 最 低 , 均 实 收 产 量 为 9.31t/ hm 。 丹 *
2 2

长发育相对缓慢, 产量水*低。 地膜直播播种晚, 但生育进 程快, 表现出生育期缩短, 产量介于 2 种方式之间。 ( 收获后, 3) 可以种植晚秋作物。 晚秋作物高产的关键 是延长晚秋作物的生长期, 即春玉米茬后种植秋季作物越 早越好。 据研究资料表明, 秋季作物的稳定性与高效性与前 茬作物收获期成显著的相关性, 移植期越晚, 稳产性越差。 为此, 在辽宁省二熟制生产实践中, 因地制宜地选用早熟品 种, 并组装早熟高产种植方式, 对实现辽宁春播区二熟制生 产具有较大的现实意义。 4 参考文献
[1] 赵强基, Garr D D. 菲律宾以稻为基础的种植制度生态学评价Ⅰ: 各 类种植方式的养分*衡[J].作物学报, 1993, 5)402- 411. 19( : [2] 李萍萍, 陆建飞.麦玉米稻三熟制高产高效同步性分析[J].农业技术 1994( : 20. 2)18- 经济, 李卫红, 程贵敏, 等.运用*红外光谱法测定烤烟中蛋白质 [13] 周淑*, 含量的数学模型[J].贵州农业科学, 2004, 6)25- 26. 32( : 陈鹰, 丁映.*红外光谱分析法测定烟草化学成分[J].贵州农 [14] 乐俊明, 2005, 3)62- 63. 33( : 业科学, [15] 邱军, 王允白, 付秋娟, 等.*红外光谱法快速测定烟草中的钙[J].烟 草科技, 2006( : 32, 2)31- 36. [16] 邱军, 王允白, 张怀宝, 等.FT- NIR 法测定烟草中的镁[J].光谱实验 室, 2005( : 5)976- 978. 王允白, 张怀宝, 等.烟草中淀粉、 石油醚提取物的*红外光谱 [17] 邱军, 分析模型研究[J].分析化学, 2006( : 4)588. [18] 段焰青, 孔祥勇, 李青青, 等.*红外光谱法预测烟草中的纤维素含 量[J].烟草科技, 2006( : 20. 8)16- 王芳, 邵学广.最小二乘支持向量回归与偏最小二乘回归建 [19] 李世勇, 立烟草总糖 NIR 预测模型比较[J].烟草科技, 2006( : 48. 11)45- [20] 蒋锦峰, 李莉, 赵明月.应用*红外检测技术快速测定烟叶主要化学 成分[J].中国烟草学报, 2006, 2)8- 12. 12( : 练文柳, 吴名剑, 等.声光可调- *红外光谱技术分析烟草 [21] 何智慧, 主要化学成分[J].分析化学, 2006, 5)702- 704. 34( : [22] 王玉, 王保兴, 武怡, 等.烟叶重要香味物质的*红外快速测定[J].光 谱实验室, 2007, 2)69- 72. 24( : [23] 尹晓东, 史绍新, 寸树标, 等.*红外光谱检测云南烟叶主要化学成 分快速定量分析模型的方法[J].云南烟草, 2007( : 29. 1)26- 罗丽萍, 李辉, 等.FT- NIR 光谱法同时测定烟草根、 叶 茎、 [24] 王家俊, 中的氮、 氯和钾[J].烟草科技, 磷、 2004( : 27. 12)24- [25] 付秋娟, 王树声, 窦玉青, 等.烟草根中 N、 Ca、 的*红外光谱 K、 Mg 分析[J].烟草科技, 2006( : 37. 10)35- 温亚东, 王毅, 等.傅立叶变换*红外光谱仪在制丝线上的应 [26] 马翔, 用[J].烟草科技, 2006( : 24. 1)22-

在种植方式方面, 以覆膜移栽方式为最高, 个品种*均 3 实 收 产 量 为 10.75t/ hm2; 地膜直播次之, *均实 收 产 量 为 9.61t/ hm2; 露地移栽最低, *均实收产量为8.70t/ hm2。 3 小结与讨论 ( 春玉米 3 个品种中, 1) 在生育进程方面, 丹玉 86 成熟 期最早, 丹玉 68 居中, 丹玉 90 生育期长, 成熟期最迟。 3 在 个品种单产水*上, 丹玉 68 产量最高, 丹玉 90 次之, 丹玉 86 产量为最低。 2) 覆膜移栽方式有 ( 相同品种的 3 种不同种植方式上, 利于形成高产的营养生长体, 具有显著的生育期缩短, 高产, 穗大粒多粒重。 露地移栽方式, 移栽大田后抗逆性能差, 生 ( 上接第 186 页)

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究[J].烟草科技, 1999( : 38. 3)37- [3] MCCLUR E W F, NOR R IS K H, WEEKS W W.R apid spectrophoto- metric analysis of the chemical composition of tobacco, I: part Total re- ducing sugars[J].Beitr Tabakforsch, 1977( : 17. 9)13- WEEKS W W.R apid spectrophotometric analysis of the [4] HAMID A, chemical composition of tobacco, 2: part Total alkaloids[J].Journal zur Tabak for scchung International, 1978( : 9)267- 274. WILLIAMSON R E, HAMID A.Measurement of [5] MCCLUR E W F, polyphenols in tobacco by computerized near infrared spectrophotometry [J].Tob Chem R es Conf, 1978( : 28. 32)27- [6] BENSE T, GASTELLU C.Estimation of total volatile bases in tobacco by near infrared reflectance spectrophotometry [J].Tob Sci, 1983 ( : - 27)92 94. [7] SHINOHAR A T, TAJIMA T.Application of near - infrared reflectance instrument to the analysis of chemical constituents of tobacco leaves[J]. Bull.Iwata Tob.Exp.Stn, 1985( : 69. 18)63- [8] 王文真, 张怀宝.利用 IA450 *红外分析仪快速测定烟草中的总氮 含量[J].仪器仪表与分析监测, 1995( : 55. 2)53- [9] 王东丹, 李天飞, 吴玉萍, 等.*红外光谱分析技术在烟草化学分析上 的应用研究[J].云南大学学报( 自然科学版)2001( : , 2)135- 137. [10] 王东丹, 李军会, 陈润琼, 等.FT- NIR 法测定青烟品质参数的研究 [J].西南农业大学学报, 2002, 1)64- 67. 24( : [11] 王家俊.FT- NIR 光谱分析技术测定烟草中总氮、 总糖和烟碱[J].光 谱实验室, 2003, 2)181- 185. 20( : 杜顺莲, 李维娜.*红外光谱法测定烟草中硫含量的研究 [12] 陶晓秋, [J].烟草科技, 2004( : 35. 8)33-

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