手持近紅外光譜法快速定量檢測初烤煙葉中的尼古丁含量

劉 俊 ，姜林鈴 ，李晨曲 ，陳 輝 ，劉 靜 ，李偉民 ，李 健

（賽默飛世爾科技（中國）有限公司，上海 201203）

0 引言

云南由于土壤、氣候等原因，比較適宜烤煙的種植和生長，因此煙草業也成為云南的支柱產業。尼古丁是煙草品質的重要化學指標和影響因素[1]，也是評價煙葉品質的決定性因素，約占煙草生物堿總量的95%（質量分數）以上[2]，是煙草化學常規檢測的重要指標之一。

近紅外光譜（NIR）屬于分子振動光譜，與常規流動注射等化學分析技術相比，該技術測量時不需要對分析樣品進行前處理，分析過程中也不消耗其他材料或破壞樣品，具有使用簡便、無損、快速、準確的優點，已經被廣泛應用于我國煙草行業。針對煙葉的常規檢測[3-9]，目前主要是采用臺式近紅外，但均要采樣到實驗室，并且需經過粉碎后采樣才能獲得結果，過程相對煩瑣且耗時，不能在現場簡便地立即獲得結果。此外，也有將近紅外設備固定安裝在某生產工段的研究，但該方法無法直接在現場進行便捷的檢測[10]。

本研究使用手持近紅外方法，探索在現場對原煙片不進行直接處理即可檢測的可行性，這對煙片的現場管控分級等均具有非常大的意義。

近紅外光譜設備有濾光片型、光柵型、微機電系統（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）型、傅里葉型，其中MEMS 型體積小巧、抗震性好，尤為適合小型手持近紅外機器使用，本研究即選用MEMS手持近紅外技術進行研究。

1 材料與方法

1.1 儀器及軟件

手持近紅外光譜儀型號為MicroPhazir，MEMS技術近紅外，由賽默飛世爾科技（中國）有限公司生產。近紅外光譜數據處理及建模軟件為Thermo method generator，支持各種光譜處理以及PCA、PLS建模。

臺式近紅外光譜儀型號為Antaris II，配備積分球漫反射采樣系統，由賽默飛世爾科技（中國）有限公司生產。近紅外光譜數據處理軟件為OMNIC，光譜分析化學計量學建模軟件為TQ Analyst。由臺式近紅外Antaris II 提供煙葉的標準參照值，供手持近紅外評估數據，以及進行使用效果反饋。

1.2 樣品

取不同產地等級、類型的初烤煙葉樣品398 份，煙葉不做任何處理。

1.3 實驗方法

使用MicroPhazir 手持式近紅外直接對著煙片進行光譜采集和測試，測試時采樣窗口注意避開煙片中的明顯煙梗葉脈部位。同時，因為煙片各個部位成分有明顯差異，在每個煙片的不同位置選取5 個點進行檢測，再取平均值作為該煙片的結果。參照值為煙片粉碎后，在Antaris II上檢測煙末獲得。

2 結果與分析

2.1 煙片不同部位的光譜比較

對各煙片樣品的各部位分別進行手持近紅外光譜采集，由于煙片不同部位的生長發育存在差別，因此不同部位的組成成分也會有明顯差異[11-12]。低煙堿含量（1.41%）和高煙堿含量（4.00%）煙片不同部位的近紅外光譜差異明顯，如圖1、圖2 所示。所以，需要選擇差異相對較小的煙片區域進行光譜采集，才能獲得相對穩定的模型和應用效果。

圖1 低煙堿含量（1.41%）煙片不同部位的近紅外光譜

圖2 高煙堿含量（4.00%）煙片不同部位的近紅外光譜

2.2 煙片光譜采集部位的選擇

由于煙片不同部位的組成成分存在區別，因此煙葉各部位的近紅外光譜差異明顯。選擇煙片的葉尖部區域、葉中部區域、葉根部區域分別多次采樣，比較各部位的光譜穩定性，發現煙片葉中部區域的穩定性相對較優。煙片葉尖部區域、葉中部區域、葉根部區域的光譜穩定性分別如圖3、圖4、圖5 所示。

圖3 煙片葉尖部區域的光譜穩定性

圖4 煙片葉中部區域的光譜穩定性

圖5 煙片葉根部區域的光譜穩定性

2.3 光譜采集及模型建立

對各煙片樣品分別進行手持近紅外光譜采集，如圖6所示。選取各煙片的近紅外信號相對更穩定的葉中部區域進行采集，光譜信號譜峰穩定性得到很大提高。

圖6 煙片的手持近紅外圖譜

對圖譜進行一階導數、平滑以及范圍歸一化處理，使用臺式近紅外粉碎樣品后測得的尼古丁值作為參照值，采用偏最小二乘法（PLS）建立了初烤煙葉的尼古丁預測模型，模型線性良好，R2達到0.78，RMSEC值為0.44，煙片的尼古丁化學值與手持近紅外預測值對照圖如圖7 所示。考慮到煙片均勻性以及各光譜和真值的本身差異，對于沒有經過任何粉碎均勻化處理的原煙片檢測而言，這樣的效果已經是非常理想了。如果進一步增加樣品量，模型得到擴充，可以預見效果會有更大的提高。

圖7 煙片的尼古丁化學值與手持近紅外預測值對照圖

2.4 模型效果評估

使用該模型對獨立驗證集煙片樣品進行尼古丁含量的回測，同樣在每個煙片的葉中部不同位置選取5個點進行檢測，取平均值作為該煙片的結果。與同一份煙片粉碎后使用臺式近紅外測得的參照值進行比較，評估模型效果，尼古丁模型的效果評估如表1所示。

表1 尼古丁模型的效果評估

由表1 可以看出，在煙片不同部位的尼古丁含量也不同，檢測結果會隨煙片部位的差別而變動，絕對差別可以達到0.5%。不過比較好的是，通過測定不同部位的尼古丁含量再進行平均，總體平均值結果與粉碎混勻后的臺式近紅外參照結果接近，絕對偏差在0.1%以內，相對偏差在5%以內，這對于現場無處理快速檢測煙片而言，精度已能滿足要求，模型的預測效果良好。

3 結論

本研究采用手持近紅外光譜儀建立了對初烤煙片尼古丁含量檢測的定量模型，經過對非建模獨立驗證集樣品進行實際測試，結果表明該方法測得的初烤煙片平均值與粉碎后臺式近紅外測得的參照值接近，精度完全滿足對于現場無處理快速檢測煙片的要求。

后續會對水分、總糖、總氮等其他相關指標進行建模，完善手持近紅外對于現場煙片檢測的使用效果。希望本研究能夠為煙片的現場無處理快速檢測、煙片質控以及煙片的現場分級，提供切實、可行的指導和借鑒。