非線性化學指紋圖譜法鑒定煙草的研究

丁峰++佘媛媛++奉周玲　姚迪波

摘 要：該文利用非線性化學指紋圖譜方法對香煙煙草進行了系統研究，獲得各種香煙極具特征的非線性化學指紋圖譜。發現煙草加入量可引起指紋圖譜的相關參數規律變化，且符合一定的數學函數關系，其中誘導期呈多項式關系、周期呈冪函數關系、振蕩壽命呈線性關系，此規律可以用于對煙草成分進行定量。不同品牌的香煙具有不同的特征，此結果可以用于鑒別不同品牌香煙。結果證明，非線性電化學指紋圖譜可應用于分析鑒別各種品牌香煙并進行定量分析。

關鍵詞：非線性化學 化學振蕩 指紋圖譜 分析 鑒別 煙草

中圖分類號：O651 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0001-03

在一些化學反應系統中，某幾個組分或中間產物的濃度會隨時間與空間而發生周期性的變化，人們稱之為“化學振蕩反應”，由于其中組分的濃度變化呈現非線性規律，這樣的體系又稱為非線性化學體系或自組織體系[1]。目前，有關非線性化學的研究十分活躍[2]，而其應用于分析測試的原理在于待測物質濃度對穩定的化學振蕩體系的某些參數如：振蕩周期、振幅、誘導期等的改變量之間有較好的數學關系[3-4]。煙草是茄科一年生草本植物，煙草屬大約有60多種，但真正用于制造卷煙和煙絲的，基本只有紅花煙草，此外還有少部分用黃花煙草。中國是世界上人口最多的國家也是世界上煙民最多的國家，還是世界上最大的煙草消費國和生產國，統計數據顯示2014年全國煙草制品業總產值約7千億元。面對一個這么大的市場，造假者自然是不會放過的，每年都有大量的假煙流向市場。而這些假煙不但嚴重的欺騙消費者，還可能對消費者的生命安全存在重大的隱患。所以提供對煙草行之有效的科學分析方法是十分必要的。該文以煙草作為有機底物，組成煙草-BrO3--Mn2+-H2SO4 -丙酮體系，探討非線性化學指紋圖譜對煙草的鑒別。非線性化學指紋圖譜技術相對色譜和光譜指紋圖譜而言，無需分離提純等預處理，能適用于各種相態和劑型樣本的分析鑒別，具有分析速度快，分析成本低的特點[5]。

1 實驗方法

1.1 儀器與試劑

超級恒溫水浴（SYC-15型），非線性化學指紋圖譜儀（自行研制），217型雙鹽橋甘汞電極，213型鉑電極（上海康寧電光技術有限公司），5 mL注射器，電子天平（精度0.001 g）。

硫酸（1.52 mol/L）、丙酮（0.68 mol/L）、硫酸錳（0.10 mol/L）、溴酸鈉（0.80 mol/L），試劑均為分析純，所有溶液均為雙蒸水配制。

市售品牌香煙：芙蓉王、軟白沙、硬白沙，煙絲烘干置恒重。

1.2 實驗步驟

用電子天平稱取規定量的香煙（軟白沙、硬白沙、芙蓉王）煙絲，依次移取25 mL蒸餾水、20 mL H2SO4、10 mL丙酮、10 mL硫酸錳、于恒溫玻璃夾套反應懷中，混合成65 mL反應底液。調節恒溫水浴溫度為（60±0.5） ℃，在快速攪拌下，以鉑電極為指示電極，甘汞電極為參比電極，記錄電位E（mV）與時間t（s）的振蕩曲線。反應準備600 s，當電位趨于平穩時，迅速加入溴酸鈉5 mL。測定反應體系的電位隨時間變化曲線，并用計算機自動跟蹤并記錄振蕩波形獲得非線性化學指紋圖譜。

1.3 實驗裝置圖

實驗裝置，如圖1所示。

2 結果與討論

2.1 典型非線性電化學指紋圖譜

圖2是按“實驗步驟”測得的穩態體系“H++Mn2++BrO3-+丙酮”穩態體系與硬白沙（0.4 g）的非線性化學指紋圖譜。圖中各參數意義如下：誘導時間：加入溴酸鈉至振蕩開始所用時間；振蕩壽命：從振蕩開始至振蕩結束所經歷的時間；最高電位：振蕩反應開始至結束過程中的最高電位值；最低電位：振蕩反應開始至結束過程中的最低電位值；周期：兩個波峰之間所經歷的時間。取硬白沙煙絲0.4 g重復實驗得到的指紋圖譜誘導期形態一致，振蕩模式一致，誘導時間、振幅、振蕩壽命一致，重現性良好。

2.2 不同品牌香煙的差異性

圖3所示為：分別取軟白沙，硬白沙，芙蓉王各0.3 g煙絲加入振蕩體系，得到指紋圖譜，在同一坐標系下作圖，間隔0.3 V，可以看出硬白沙的誘導期、周期、反應終點較長，其次是軟白沙，最短的是芙蓉王；芙蓉王的振幅最高，其次是硬白沙，最低的是軟白沙。3種不同香煙的波形也存在明顯的差異，可用于品牌鑒別。

2.3 質量因素實驗

如圖4所示：以硬白沙煙草為底物，加入量以0.1g的梯度遞增。隨著煙草的加入量增加，在0.3～0.6 g這個區間內誘導期、震蕩壽命減短。而整個區間隨著煙草的加入量增加第一周期、第二周期、第三周期明顯減短，震蕩周期的個數明顯增加，電位也不斷下降。部分數據關系如圖5所示。

圖5、圖6是煙草加入量相對于第一周期、誘導期、震蕩壽命的數學關系。其中第一周期：y=2.442x-1.72，R=0.991；誘導期：y=4243.9x2-4557.8x+1340.3，R=0.9929；震蕩壽命：y=-989.3x+1785，R=0.872。

2.4 小結

由上述研究可知，煙草的非線性化學指紋圖譜重現性良好，在加入量為0.2～0.7 g區間內：誘導期、第一周期、第二周期、第三周期、震蕩壽命等參數均呈現良好數學關系。此規律可以用于鑒定煙草和進行定量分析。

參考文獻

[1] M.Orban，E.Koros.Chemical oscillations during the uncatalyzed reaction of aromatic compounds with bromated.I.Search for chemical oscillators[J].Physical Chemical，1978，82（14）：1672-1674.

[2] 高錦章.化學振蕩現象在分析化學中的應用[J].西北師范大學學報，2002（3）：100-105.

[3] 張孟民.化學振蕩技術在中藥研究中的應用[J].中草藥，2006，37（7）：961-965.

[4] Field R J，Burger M.Oscillating and Travelling Waves in Chemical System Willey-intenscience[M].New York，1985：45.

[5] Zhang，T.，et al.Determining method，conditional factors， traits and applications of nonlinear chemistry fingerprint by using dissipative components in samples[J].Scientia Sinica（Chi

mica），2011，41（9）：1521-1539.endprint