基于煙用材料的衰減全反射紅外光譜無損鑒別真假卷煙

聶 磊，別振英，朱 友，劉 敏，陳玉松，任呼博，紀(jì)立順*，田進(jìn)國*

1. 山東大學(xué)藥學(xué)院，濟(jì)南市文化西路44 號(hào) 250012

2. 中國煙草總公司山東省公司，濟(jì)南市高新區(qū)龍奧北路1067 號(hào) 250098

目前，卷煙真?zhèn)舞b別方法主要有感觀鑒別法、評(píng)吸鑒別法和儀器鑒別法等[1]。在實(shí)際工作中，一般選用感觀鑒別法[2]，但由于該方法對(duì)檢驗(yàn)人員的技術(shù)水平和熟練程度要求較高，且以描述性語言為主，因此主觀性和經(jīng)驗(yàn)依賴性強(qiáng)。儀器鑒別法主要包括氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-MS）[3-5]、電子鼻[6-8]和近紅外光譜法等[9-11]。但這些方法均以卷煙煙絲為目標(biāo)測(cè)試物，需要對(duì)樣品進(jìn)行前處理，圖譜和數(shù)據(jù)也需要分析處理，因此方法的推廣應(yīng)用受到一定制約。

20 世紀(jì)60 年代，隨著衰減全反射（ATR）紅外附件的問世，衰減全反射-傅里葉變換紅外光譜（ATR-FTIR）技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛拓展[12]。對(duì)于一些難以通過溴化鉀壓片或涂膜進(jìn)行測(cè)試的特殊樣品，可以通過樣品表面的反射信號(hào)獲取反映樣品表層有機(jī)成分組成信息的紅外光譜圖；并且無需制樣，對(duì)樣品形狀及含水率也無特殊要求，可實(shí)現(xiàn)原位測(cè)試，因此該方法具有檢測(cè)準(zhǔn)確度較高、快速及檢測(cè)區(qū)域?。ㄖ睆郊s2 mm）等特點(diǎn)。

煙用材料是卷煙生產(chǎn)加工不可或缺的重要輔助材料，包括條與盒包裝紙、包裝膜、拉線、內(nèi)襯紙、框架紙、封簽紙、接裝紙以及卷煙紙等。除卷煙紙屬煙草專賣品并按國家有關(guān)規(guī)定進(jìn)行嚴(yán)格管理外，其他材料如包裝紙、內(nèi)襯紙、封簽紙、接裝紙等也必須在定點(diǎn)單位進(jìn)行加工生產(chǎn)。假冒卷煙雖然在外觀上可能會(huì)達(dá)到以假亂真的效果，但是它們所使用的基礎(chǔ)材料（如包裝紙?jiān)埖龋┖臀锪吓浞剑ㄈ缤苛虾陀∷⒂湍龋╇y以與真品卷煙完全一致，煙用材料表層上的化學(xué)成分與真品卷煙會(huì)存在較大差異。衰減全反射紅外光譜可以反映這種層面的差異，從而呈現(xiàn)較好的真?zhèn)舞b別能力[13]。本研究中基于煙用材料的化學(xué)成分組成，采用ATR-FTIR 技術(shù)建立一種無損、快速鑒別真假卷煙的方法，旨在為卷煙真?zhèn)舞b別提供另一種科學(xué)準(zhǔn)確的方法。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

本研究中使用的卷煙樣品由中國煙草總公司山東省公司提供并鑒定，樣品信息見表1。

表1 卷煙樣品信息①Tab.1 Information on cigarette samples

Thermo Nicolet 6700 FT-IR 光譜儀、DTGS KBr檢測(cè)器、金剛石衰減全反射附件、SMART iTXDiamond（美國Thermo Nicolet 儀器公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品光譜數(shù)據(jù)采集

基于金剛石衰減全反射附件，采用FT-IR 光譜儀對(duì)卷煙煙用材料進(jìn)行光譜采集。采集條件為：掃描范圍4 000～500 cm-1，分辨率8 cm-1，樣品掃描次數(shù)32 次，背景掃描次數(shù)32 次，測(cè)試區(qū)域直徑2 mm，檢測(cè)時(shí)間1 min。

1.2.2 相似度判別模型構(gòu)建

用金剛石衰減全反射附件采集每個(gè)真品卷煙多批次樣品煙用材料的紅外光譜圖，從10 多個(gè)鑒別點(diǎn)中找出至少一個(gè)分辨力較強(qiáng)的鑒別點(diǎn)，得到每個(gè)樣品的參考對(duì)照?qǐng)D譜并輸入圖譜庫；然后進(jìn)行直觀圖譜比較及相似度分析，確定卷煙真?zhèn)舞b別的閾值，從而建立用于真?zhèn)尉頍熻b別的相似度分析判別模型。

本研究中相似度分析采用兩種計(jì)算方法，分別是相關(guān)系數(shù)法和QC 比較法。相關(guān)系數(shù)法就是采用相關(guān)系數(shù)（即皮爾遜相關(guān)系數(shù)）的大小來評(píng)價(jià)圖譜的相似度[3]。相關(guān)系數(shù)值越大，表明圖譜的相關(guān)程度越高，相似度越高。相關(guān)系數(shù)最大值為1，表示完全正相關(guān)；為0，表示不相關(guān)。一般情況下，圖譜比較時(shí)相關(guān)系數(shù)很少出現(xiàn)負(fù)值，若是負(fù)值，表示圖譜強(qiáng)度的變化趨勢(shì)不一致。該方法的評(píng)價(jià)結(jié)果與觀察效果較為相近，側(cè)重于圖譜整體輪廓比較，圖譜越相似，相關(guān)系數(shù)值越高。該方法在中藥指紋圖譜的相似度評(píng)價(jià)中應(yīng)用廣泛。QC比較法是由紅外光譜儀標(biāo)配軟件提供的一種相似度分析方法，該方法基于QC 值的大小來評(píng)價(jià)相似度，一般以%表示。QC 值越大，圖譜的相似度越高，為100%時(shí)表示完全吻合。該方法對(duì)圖譜的特征（如特征峰的缺失）具有較強(qiáng)的鑒別力。

1.2.3 待測(cè)樣品真?zhèn)舞b別

采集待測(cè)樣品相應(yīng)鑒別點(diǎn)的紅外光譜，在真品卷煙參考對(duì)照?qǐng)D譜數(shù)據(jù)庫中對(duì)待測(cè)卷煙樣品紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，計(jì)算兩者之間對(duì)應(yīng)每個(gè)鑒別點(diǎn)的相似度值，并與相關(guān)閾值比較，進(jìn)而判定樣品的真?zhèn)?。卷煙真?zhèn)舞b別檢驗(yàn)流程圖如圖1 所示。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

采用相關(guān)系數(shù)法和QC 比較法進(jìn)行相似度分析。相關(guān)系數(shù)采用Matlab 2015B 軟件（美國Mathworks 公司）計(jì)算。QC 值為紅外光譜質(zhì)量比較的吻合率值，采用儀器自帶軟件EZ OMNIC 7.3軟件（美國Thermo Nicolet 儀器公司）計(jì)算。

圖1 卷煙真?zhèn)舞b別檢驗(yàn)流程圖Fig.1 Flow chart of cigarette authenticity identification test

2 結(jié)果與討論

2.1 鑒別點(diǎn)的確定

一般情況下，大多數(shù)卷煙生產(chǎn)企業(yè)會(huì)根據(jù)自身產(chǎn)品的定位和特點(diǎn)，選擇2～3 家煙用材料生產(chǎn)廠商以保證材料供應(yīng)的穩(wěn)定性，因此同一品牌卷煙（尤其是行業(yè)內(nèi)合作生產(chǎn)品牌）相應(yīng)的鑒別點(diǎn)可能會(huì)有所不同。對(duì)于某一品牌卷煙，采集真品和假冒卷煙煙用材料不同鑒別點(diǎn)的衰減全反射紅外光譜圖，通過直觀比較和相似度分析，確定分辨力較強(qiáng)的鑒別點(diǎn)并用于卷煙真?zhèn)舞b別。表2 為不同品牌卷煙的鑒別點(diǎn)及鑒別效果。

表2 不同品牌卷煙煙用材料鑒別點(diǎn)、鑒別效果及閾值Tab.2 Identification point, discrimination capability and threshold of cigarette packaging materials of different cigarette brands

表2（續(xù)）

由表2 可見，在同一品牌卷煙所使用的煙用材料上一般會(huì)有多個(gè)鑒別點(diǎn)。不同品牌卷煙之間，有的鑒別點(diǎn)（如接裝紙）相同，有的鑒別點(diǎn)不同。直觀比較結(jié)果是根據(jù)通過直接觀察相應(yīng)鑒別點(diǎn)的紅外光譜圖差異得到。同時(shí)，為使圖譜比較具有客觀量化的依據(jù)，分別采用相關(guān)系數(shù)和QC 比較進(jìn)行了相似度評(píng)價(jià)。采用相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)相似度時(shí)，真品卷煙之間的相關(guān)系數(shù)值（以%表示，下同）的范圍是98.829 2～99.985 3，而真品卷煙與假冒卷煙之間的相關(guān)系數(shù)值為57.187 6～98.681 0。真品卷煙之間（相關(guān)系數(shù)最低值98.829 2）與真?zhèn)尉頍熤g的相似度值（相關(guān)系數(shù)最高值98.681 0）差異較小，因此區(qū)分能力較弱。基于QC比較評(píng)價(jià)相似度時(shí)，真品卷煙之間的QC 值范圍是89.672 3～99.838 6，而真品與假冒卷煙之間的QC 值為28.594 2～87.170 0。真品卷煙之間（最低值為89.672 3）與真?zhèn)尉頍熤g的QC 值（最高值為87.170 0）差異較大，因此區(qū)分能力強(qiáng)。綜上可知，QC 比較法的鑒別結(jié)果優(yōu)于相關(guān)系數(shù)法。

以“雄獅（硬黑）”小盒為例，本研究中嘗試研究了不同鑒別點(diǎn)的鑒別效果。通過各鑒別點(diǎn)衰減全反射紅外光譜的直觀對(duì)比，發(fā)現(xiàn)6 個(gè)鑒別點(diǎn)均具有較好的鑒別效果（表2）。以小盒蓋內(nèi)邊條鑒別點(diǎn)為例，硬盒蓋內(nèi)邊條鑒別點(diǎn)及相應(yīng)的紅外光譜圖分別見圖2 和圖3。

由圖3 可知，通過直觀比較可以發(fā)現(xiàn)真品卷煙之間的圖譜輪廓特征一致性較好。假冒卷煙與真品卷煙的紅外光譜圖區(qū)別明顯，特別是在500～2 000 cm-1范圍內(nèi)，差異最明顯。1 725、1 391、1 006、872.6 和537.1 cm-1等一些特征峰的差異非常顯著。表2 表明，該鑒別點(diǎn)真品卷煙與假冒卷煙的相似度值差異較大，QC 值為28.594 2%，與直觀比較結(jié)果一致，因此該鑒別點(diǎn)的鑒別力強(qiáng)，能夠用于卷煙真?zhèn)舞b別。在假冒卷煙樣品中，XS-SF1 和XS-SF2 之間的圖譜輪廓較為相似，但與XS-SF3 的圖譜差異較大，總體上假冒卷煙樣品的圖譜一致性較差，原因可能是造假者所用煙用材料來源不同所致。

圖2 “雄獅（硬黑）”硬盒蓋內(nèi)邊條鑒別點(diǎn)（圖中黃色箭頭所示）Fig.2 Inner edge identification point on packet lid of cigarette brand“Lion（hard black）”（The yellow arrow shown in the figure）

圖3 “雄獅（硬黑）”小盒鑒別點(diǎn)蓋內(nèi)邊條的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectra of inner edge identification point on packet lid of cigarette brand“Lion（hard black）”

有的鑒別點(diǎn)通過直接觀察真品卷煙和假冒卷煙的紅外圖譜即可發(fā)現(xiàn)存在較顯著的差異，但相似度值（如相關(guān)系數(shù)值）可能差別并不大。圖4 和圖5 為“中華（大中華）”內(nèi)襯紙鑒別點(diǎn)和相應(yīng)的紅外光譜圖。通過直觀比較該鑒別點(diǎn)的紅外光譜圖發(fā)現(xiàn)，真品卷煙的紅外光譜圖輪廓特征非常一致，假冒與真品卷煙則存在明顯區(qū)別。例如，圖5 中虛線所示的兩個(gè)矩形框區(qū)域1 337～1 571 和2 780～3 074 cm-1及波數(shù)為1 036 和1 647 cm-1的特征峰。雖然相關(guān)系數(shù)值差別不大，但QC 值有較大差異，分別為97.778 3%和61.363 4%（表2）。因此，在進(jìn)行鑒別點(diǎn)鑒別效果評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)將直觀比較結(jié)果與相似度評(píng)價(jià)相結(jié)合，通過綜合分析確定鑒別結(jié)果。由于相關(guān)系數(shù)區(qū)分能力較差，在后續(xù)相似度分析時(shí)，只采用QC 比較法。

圖4 “中華（大中華）”內(nèi)襯紙鑒別點(diǎn)（圖中黃色箭頭所示）Fig.4 Inner liner identification point of cigarette brand“Zhonghua（Great Zhonghua）”（The yellow arrow shown in the figure）

圖5 “中華（大中華）”小盒內(nèi)襯紙鑒別點(diǎn)紅外光譜圖Fig.5 Infrared spectra of identification point on inner liner of cigarette brand“Zhonghua（Great Zhonghua）”

2.2 相似度閾值的確定及鑒別模型的建立

相似度閾值是指一類樣品的紅外光譜相似度的下限。閾值的確定可以采用經(jīng)驗(yàn)方法，但經(jīng)驗(yàn)方法具有一定的主觀性。通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法確定閾值多采用區(qū)間估計(jì)方法，但該方法要求數(shù)據(jù)的總體分布已知或近似為經(jīng)驗(yàn)分布，而后者要求數(shù)據(jù)必須為大樣本數(shù)據(jù)。本研究中的實(shí)際樣品數(shù)量較少，很難達(dá)到大樣本的要求。Bootstrap 方法是一種以原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[14]、按放回抽樣擴(kuò)增樣本系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)推斷方法。因此，根據(jù)多批次卷煙的相似度評(píng)價(jià)結(jié)果，采用Bootstrap 方法確定真品卷煙的鑒別閾值（抽取容量為10 000，α=0.05）。如果待測(cè)樣品與真品卷煙的平均譜圖的相似度值高于或等于閾值，則可判別為真品卷煙；否則，判定為假冒卷煙或非模型卷煙。不同品牌卷煙的相似度閾值（表2）顯示，不同鑒別點(diǎn)的閾值并不相同。實(shí)驗(yàn)中將得到的每一個(gè)品牌真品卷煙的紅外光譜平均譜圖作為對(duì)照?qǐng)D譜輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以確定的閾值作為判別標(biāo)準(zhǔn)，建立卷煙真?zhèn)舞b別模型。

2.3 方法學(xué)考察

在相同儀器條件下，取同一批次“雄獅（硬黑）”小盒樣品，測(cè)試同一樣品同一鑒別點(diǎn)部位的紅外反射光譜10 次，計(jì)算精密度；在2、4、6、8、10、12 及16 h 時(shí)進(jìn)行穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)；取同一批次卷煙樣品，在同一區(qū)域選擇7 個(gè)鑒別點(diǎn)部位測(cè)定其紅外光譜，進(jìn)行重現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)；方法學(xué)考察結(jié)果見表3?？梢?，測(cè)試精密度、樣品穩(wěn)定性和實(shí)驗(yàn)方法的重現(xiàn)性均較好。本研究中也使用Thermo Nicolet iS10 FT-IR 光譜儀進(jìn)行了重現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果良好。

表3 方法學(xué)考察結(jié)果Tab.3 Results of method validation

2.4 鑒別模型的應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，只有各個(gè)鑒別點(diǎn)的相似度全部達(dá)到要求（大于或等于閾值，見圖1）才能判定待測(cè)樣品為包裝材料與真品卷煙一致的樣品；否則為包裝材料與真品卷煙不一致的假冒卷煙或非模型卷煙樣品。隨機(jī)選擇每個(gè)品牌卷煙2 個(gè)（共10個(gè)）樣品作為待測(cè)樣品（見表1 注）進(jìn)行真?zhèn)舞b別?！靶郦{（硬黑）”小盒2 個(gè)待測(cè)樣品的相似度值如圖6 所示。以“雄獅（硬黑）”小盒對(duì)照?qǐng)D譜為參考，待測(cè)樣品1 所有鑒別點(diǎn)的相似度值均大于對(duì)應(yīng)閾值，因此判別為該樣品煙用包裝材料與真品卷煙一致；而待測(cè)樣品2 所有鑒別點(diǎn)的相似度值均小于對(duì)應(yīng)閾值，因此判別為假冒卷煙。其他樣品的鑒別結(jié)果見表4。

圖6 “雄獅（硬黑）”2 個(gè)待測(cè)樣品的相似度評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.6 Similarity evaluation results of two test samples of cigarette brand“Lion（hard black）”

表4 待測(cè)樣品的鑒別結(jié)果Tab.4 Identification results of test samples

由表4 可知，對(duì)于待測(cè)樣品為真品卷煙的比較，所有鑒別點(diǎn)QC 比較值的范圍是94.620 7～99.934 3；對(duì)于真品卷煙與假冒卷煙的比較，所有鑒別點(diǎn)QC 比較值的范圍是28.567 3～89.152 5。可見，所有真品樣品之間的QC 值均大于94.620 7，而真品與假冒卷煙的最大QC 值為89.152 5，因此QC比較法仍有較強(qiáng)的區(qū)分能力。表4 所列鑒別結(jié)果與樣品實(shí)際情況一致，鑒別正確率為100%。

同時(shí)，為了驗(yàn)證該鑒別模型的有效性和可靠性，測(cè)試了多批次真品“黃鶴樓（硬1916）”小盒內(nèi)襯紙鑒別點(diǎn)和“七匹狼（豪情）”小盒框架紙鑒別點(diǎn)的紅外光譜，這2 個(gè)品牌卷煙并未包含在鑒別模型內(nèi)，屬于非模型卷煙樣品。由表2 可知，鑒別模型數(shù)據(jù)庫中鑒別點(diǎn)為內(nèi)襯紙的卷煙品牌只有“中華”和“熊貓”，鑒別點(diǎn)為框架紙的卷煙品牌僅有“雄獅”。因此，通過搜索這些卷煙品牌數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相似度評(píng)價(jià)并與閾值比較，即可確定鑒別結(jié)果（表5）。

表5 非模型卷煙樣品的鑒別結(jié)果①Tab.5 Identification results of non-model cigarette samples

由表5 可見，非模型卷煙樣品QC 比較值的范圍是35.379 2 ～79.156 9。通過圖譜庫搜索和相似度計(jì)算，待測(cè)樣品的QC 值均小于表2 所列閾值，鑒別結(jié)果為非模型卷煙或假冒卷煙，與實(shí)際樣品類別一致（正確率為100%）。從上述鑒別結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，雖然表5 所列待測(cè)樣品并未包含在鑒別模型內(nèi)，但也能得出正確的鑒別結(jié)果，說明鑒別點(diǎn)的選擇和確定具有較強(qiáng)的品牌特征性，同時(shí)也進(jìn)一步驗(yàn)證了所建鑒別模型的有效性和可靠性。

在實(shí)際應(yīng)用中，卷煙包裝材料常會(huì)發(fā)生更替變化，判別模型也應(yīng)隨之進(jìn)行更新，補(bǔ)充新樣品，同時(shí)優(yōu)化模型。如果煙用包裝材料變化較大，可能需要重新建模，以提高判別模型的適用性。開展本研究的主要目的是展示衰減全反射紅外光譜的鑒別效果，因此若在實(shí)際工作中推廣應(yīng)用該方法，則標(biāo)準(zhǔn)圖譜應(yīng)建立在更大的樣本基礎(chǔ)上，使結(jié)果更符合統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 結(jié)論

采用衰減全反射-傅里葉變換紅外光譜法建立了一種基于煙用材料進(jìn)行假冒偽劣卷煙無損、快速、簡(jiǎn)便鑒別的方法。通過對(duì)多個(gè)鑒別點(diǎn)的光譜測(cè)試和比較，建立了多個(gè)品牌卷煙的鑒別模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)假冒卷煙樣品的定性鑒別，鑒別結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。與相關(guān)系數(shù)法相比，QC 比較法的分辨能力較高。本方法適用于批量樣品的鑒別檢驗(yàn)。本研究結(jié)果為卷煙真?zhèn)舞b別提供了一種準(zhǔn)確、可靠的參考方法。