同一品牌不同系列卷煙煙氣氣溶膠的顯微紅外光譜研究

摘要［目的］用顯微紅外光譜測(cè)定同一品牌不同系列卷煙的煙氣氣溶膠，建立快速區(qū)分模型。［方法］利用顯微紅外光譜測(cè)定同一品牌不同系列卷煙的煙氣氣溶膠，應(yīng)用主成分分析（PCA）建立模型，并與傳統(tǒng)方法測(cè)定的煙氣煙堿量、煙氣水分、焦油量、一氧化碳量進(jìn)行比較。［結(jié)果］顯微紅外光譜分析結(jié)果顯示，H7、H11、H12、B1、B13和B14與其他樣本距離較遠(yuǎn)，與傳統(tǒng)方法測(cè)定結(jié)果基本吻合。［結(jié)論］顯微紅外光譜能快速區(qū)分同一品牌不同系列卷煙的煙氣氣溶膠，為卷煙的品質(zhì)鑒定提供了一種新方法。

關(guān)鍵詞煙氣氣溶膠；顯微紅外光譜；主成分分析

中圖分類號(hào)TS41+1"文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611（2024）24-0154-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.24.034

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

StudyontheMicroinfraredSpectroscopyofSmokeAerosolsfromDifferentSeriesCigarettesoftheSameBrand

WANG Jian^1，2，LI Chao3，WANG Xin4 et al

（1.AnhuiProvincialKeyLaboratoryofAerosolAnalysis，RegulationandBiologicalEffects，Hefei，Anhui230088;2.AnhuiZhongyanIndustryCo.，Ltd.，Hefei，Anhui230088;3.TheSecondAffiliatedHospital，AnhuiMedicalUniversity，Hefei，Anhui230601;4.SchoolofBasicMedicine，AnhuiMedicalUniversity，Hefei，Anhui"230031）

Abstract［Objective］BasedonFTIRmicrospectroscopyofthesmokeaerosolsofthesamebrandfromdifferentseriesofcigarettes，quickdifferentiationmodelwasestablished.［Method］FTIRmicrospectroscopywasusedtodeterminethesmokeaerosolsofdifferentseriesofcigarettesfromthesamebrand.Amodelwasestablishedbyusingprincipalcomponentanalysis（PCA）.Thenicotinecontent，moisturecontent，tarcontent，andcarbonmonoxideamountinthesmokewerecomparedwiththetraditionalmethods.［Result］FTIRspectroscopyanalysisresultsrevealedthatH7，H11，H12，B1，B13，andB14werefarawayfromothersamples，whichwereconsistentwiththedeterminedresultsby""traditionalmethods."［Conclusion］FTIRmicrospectroscopycanquicklydistinguishthesmokeaerosolsfromdifferentseriesofcigarettesofthesamebrand，whichprovidedanewmethodforthequalityidentificationofcigarettes.

KeywordsSmokeaerosol;FTIRmicrospectroscopy;Principalcomponentanalysis

卷煙中所含組分在燃燒過(guò)程中經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜變化產(chǎn)生數(shù)千種化學(xué)成分，其中部分揮發(fā)性較低的蒸汽通過(guò)凝結(jié)形成煙氣氣溶膠^［1-2］。煙氣氣溶膠的形成是各種動(dòng)態(tài)的化學(xué)、物理、環(huán)境和生理現(xiàn)象共同作用的結(jié)果。在卷煙燃吸過(guò)程中，主流煙氣是不斷變化的氣溶膠體系，是評(píng)價(jià)卷煙內(nèi)在質(zhì)量的主要指標(biāo)。因此，開(kāi)展煙氣氣溶膠的檢測(cè)分析尤為重要^［3］。

傳統(tǒng)的煙氣氣溶膠檢測(cè)方法是利用采樣器或薄膜對(duì)氣溶膠顆粒進(jìn)行收集，然后采用重力沉降、靜電吸引、慣性碰撞、截留等方法將氣溶膠顆粒按粒徑大小從空氣中分離出來(lái)。煙氣氣溶膠傳統(tǒng)檢測(cè)方法在收集氣溶膠顆粒的過(guò)程中無(wú)法避免顆粒間的團(tuán)聚、凝結(jié)、碰撞等現(xiàn)象，導(dǎo)致煙氣氣溶膠顆粒大小和分布狀態(tài)都有相應(yīng)改變，從而對(duì)測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確性有一定的影響。為改善這一問(wèn)題，研究工作者利用特殊薄膜將電子顯微鏡應(yīng)用于煙氣氣溶膠顆粒研究中或者將級(jí)聯(lián)撞擊器和離心機(jī)應(yīng)用到煙氣氣溶膠顆粒的檢測(cè)中。例如，張曉鳳等^［4］將大氣采樣器與光學(xué)顯微鏡、CCD數(shù)碼相機(jī)、光學(xué)通道、圖像處理系統(tǒng)等組裝成一套煙氣氣溶膠顆粒檢測(cè)分析系統(tǒng)；沈光林等^［5］利用電子低壓撞擊器結(jié)合氣體混合稀釋器及軸向稀釋器組建了一套煙氣氣溶膠檢測(cè)系統(tǒng)，可測(cè)量粒徑0.007～9.970 μm的煙氣氣溶膠顆粒。雖然上述檢測(cè)系統(tǒng)及裝置對(duì)煙氣氣溶膠顆粒的檢測(cè)結(jié)果比較準(zhǔn)確，但是只能提供粒徑大小和濃度的相關(guān)信息，無(wú)法給出化學(xué)成分的相關(guān)信息。

傅里葉變換紅外光譜儀的出現(xiàn)使紅外光譜的應(yīng)用范圍由化學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。目前也有少量紅外光譜應(yīng)用于氣溶膠研究的報(bào)道。張晶等^［6］應(yīng)用紅外光譜比較香煙整體煙氣及氣溶膠，發(fā)現(xiàn)1 230 cm^-1處為酚類化合物C-O伸縮振動(dòng)峰，1 735 cm^-1處為羧酸中羰基的伸縮振動(dòng)峰，煙氣中CO與CO2特征吸收峰的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他峰，而氣溶膠中CO峰消失且CO2峰的強(qiáng)度也大大減弱，提示紅外光譜可用于研究香煙煙氣的化學(xué)變化、組分揮發(fā)以及形態(tài)聚集等動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。上述研究表明，紅外光譜是一種研究煙氣氣溶膠的潛在有力工具。

顯微紅外光譜是紅外光譜與顯微鏡的結(jié)合，與普通紅外光譜相比具有以下優(yōu)點(diǎn)^［7-8］：①樣品取樣少，檢測(cè)極限為10 ng；②樣品制備簡(jiǎn)單，測(cè)量過(guò)程對(duì)樣品沒(méi)有損傷，可以保持樣品原有的晶型和形態(tài)。因此，顯微紅外光譜是研究氣溶膠的有力工具^［9］。筆者以顯微紅外光譜為主要研究工具，研究煙氣氣溶膠，建立一套比較完善的實(shí)驗(yàn)方法學(xué)，包括樣品前處理方法、紅外光譜參數(shù)、數(shù)據(jù)處理及建模等，并在此基礎(chǔ)上對(duì)安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司主要產(chǎn)品普皖（包括26個(gè)批次）的煙氣氣溶膠進(jìn)行分析，從而為卷煙配方優(yōu)化及批次質(zhì)量判斷等提供幫助。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

1.1.1試驗(yàn)樣本與耗材。

試驗(yàn)樣本由安徽省氣溶膠解析調(diào)控及生物效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供，包括不同批次普皖香煙及相應(yīng)煙氣氣溶膠。其他耗材有BaF2窗片、EP管（江蘇宇力醫(yī)療器械有限公司）、一次性醫(yī)用橡膠檢查手套（南京友樂(lè)博科學(xué)儀器有限公司）、移液器吸頭（Biosharp公司）、無(wú)水乙醇（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、去離子水（實(shí)驗(yàn)室制備）等。

1.1.2儀器與設(shè)備。IFS77V傅里葉變換紅外光譜儀（德國(guó)Bruker公司）、Hyperion2000紅外顯微鏡（德國(guó)Bruker公司）、DZF-6020真空干燥箱（上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司）、JP-040ST超聲波清洗機(jī)（深圳市潔盟清洗設(shè)備有限公司）、SBK-RD-A04全自動(dòng)實(shí)驗(yàn)室超純水機(jī)（東莞思佰康環(huán)?？萍加邢薰荆?、KDC-120HR高速冷凍離心機(jī)（安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司）、D3024R高速冷凍離心機(jī)（美國(guó)賽洛捷克公司）、LabServ移液槍（5～50μL）（賽默飛世爾科技有限公司）、LabServ移液槍（100～1000μL）（賽默飛世爾科技有限公司）。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1煙氣氣溶膠劍橋?yàn)V片制備及化學(xué)成分測(cè)定。

不同批次的香煙經(jīng)全自動(dòng)轉(zhuǎn)盤式吸煙機(jī)（德國(guó)伯格瓦特公司）抽吸后（抽吸容量17.5mL/s，間隔58s），由92mm劍橋?yàn)V片捕集，最后由氣相色譜儀（安捷倫7890A，美國(guó)）進(jìn)行分析。吸煙機(jī)每個(gè)樣品每輪20支，取20支平均值進(jìn)行分析。其中，煙氣氣溶膠的一氧化碳量使用吸煙機(jī)測(cè)定；使用氣相色譜儀測(cè)定卷煙總粒相物中煙氣水分、煙氣煙堿量及焦油量。統(tǒng)計(jì)抽吸口數(shù)，計(jì)算單口焦油量。

1.2.2顯微紅外光譜測(cè)試條件。

將吸附煙氣氣溶膠的劍橋?yàn)V片剪成小塊放入10mL燒杯中，并加入7.5"mL無(wú)水乙醇浸沒(méi)濾片；燒杯置于超聲清洗機(jī)中，在功率240W、頻率40kHz下超聲6min后，取上清液并置于-20℃下儲(chǔ)藏備用；

顯微紅外光譜測(cè)試在國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室紅外譜學(xué)與顯微成像光束線站應(yīng)用Bruker傅立葉變換紅外光譜儀結(jié)合Bruker紅外顯微鏡（型號(hào)Hyperion 2000）開(kāi)展；測(cè)量前取出樣品分別滴入BaF2窗片，自然烘干后進(jìn)行顯微紅外光譜檢測(cè)。紅外顯微鏡參數(shù)如下：光譜分辨率4 cm^-1；掃描范圍為4 000～800 cm^-1；掃描次數(shù)256次；狹縫大小為200 μm×200 μm。每個(gè)樣品測(cè)定10次，取平均值進(jìn)行分析。

1.2.3紅外光譜數(shù)據(jù)處理。

紅外光譜圖用OPUS5.5軟件處理，包括在一定范圍剪切后依次進(jìn)行基線校正與歸一化處理；應(yīng)用OPUS5.5軟件標(biāo)注峰位并比較差異；應(yīng)用OPUS5.5軟件獲取峰位置和峰面積，計(jì)算峰面積比值；應(yīng)用Origin6.0軟件對(duì)上述峰面積比值進(jìn)行比較分析；應(yīng)用Quasar1.0.1軟件對(duì)紅外光譜進(jìn)行主成分分析（PCA）與機(jī)器學(xué)習(xí)；應(yīng)用UnscramblerX10.4軟件對(duì)紅外光譜進(jìn)行PCA，以獲得載荷因子圖。

2結(jié)果與分析

2.1煙氣氣溶膠的煙氣檢測(cè)指標(biāo)不同批次新制皖煙的煙氣檢測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表1。

在煙氣檢測(cè)數(shù)據(jù)中，選擇煙氣煙堿量、煙氣水分、焦油量、一氧化碳量進(jìn)行主成分分析，以PC1為橫坐標(biāo)，以PC2為縱坐標(biāo)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)H11和B13與其他批次樣本距離較遠(yuǎn)，提示H11和B13與其他批次樣本可能存在差異，如圖1所示。

2.2煙氣氣溶膠乙醇提取物的紅外光譜分析

對(duì)新制皖煙煙氣氣溶膠乙醇提取物進(jìn)行紅外光譜分析，主要峰位及其歸屬見(jiàn)表2。26個(gè)系列新制皖煙煙氣氣溶膠乙醇提取物的紅外光譜無(wú)明顯差異（圖2、3）。

2.3峰面積比值

為了進(jìn)一步分析不同批次新制皖煙煙氣氣溶膠乙醇提取物的紅外光譜，選定相應(yīng)峰并計(jì)算峰面積比值，選擇的峰面積及相應(yīng)基線如表3所示。

分別以峰面積比值為橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)，建立不同批次新制皖煙的煙氣氣溶膠區(qū)分模型，部分結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4a可以看出，其中B2和B3與其他批次樣本距離較遠(yuǎn)，提示B2和B3新制皖煙煙氣氣溶膠的成分與其他批次樣本存在差異。從圖4b可以看出，B2、B3、H6與其他批次樣本距離較遠(yuǎn)，提示B2、B3和H6新制皖煙煙氣氣溶膠的成分與其他批次樣本存在差異。從圖4c可以看出，B2、H6與其他批次樣本距離較遠(yuǎn)，提示B2和H6新制皖煙煙氣氣溶膠的成分與其他批次樣本可能存在差異。

2.4主成分分析

主成分分析（PCA）是考查多個(gè)變量相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)方法，研究如何通過(guò)少數(shù)幾個(gè)主成分來(lái)揭示多個(gè)變量間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用降維的方法從原始變量中提取出少數(shù)幾個(gè)主成分，使它們盡可能保留原始變量的信息且彼此互不相關(guān)。因此，PCA將原來(lái)眾多具有一定相關(guān)性的指標(biāo)重新組合成一組新的互不相關(guān)的綜合指標(biāo)^［10］。應(yīng)用PCA方法分析1 530～800 cm^-1范圍的紅外光譜，以第一主成分（PC1）為橫坐標(biāo)，以第二主成分（PC2）為縱坐標(biāo)，繪制PCA散點(diǎn)圖（圖5）。在1 530～800 cm^-1范圍內(nèi)，H7、H11、H12、B1、B13和B14與其他批次樣本距離較遠(yuǎn)，提示H7、H11、H12、B1、B13和B14與其他批次樣本可能存在差異，部分結(jié)果與煙氣檢測(cè)指標(biāo)相一致。

3結(jié)論

近年來(lái)，近紅外光譜分析技術(shù)被廣泛應(yīng)用于煙草化學(xué)成分分析、煙氣分析、煙葉分析等方面^［11-12］。然而，近紅外光譜有以下缺點(diǎn)：①靈敏度差。一般要求檢測(cè)的含量大于1%。②建模難度大。諸多因素會(huì)對(duì)最終的分析結(jié)果產(chǎn)生直接影響，例如選擇與制備定量樣品、精確的化學(xué)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及合理的計(jì)量學(xué)方法等。中紅外光譜是鑒定化合物及其結(jié)構(gòu)的重要方法，具有掃描速度快、信噪比高、分辨率高與重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)礦物學(xué)、石油工業(yè)、毒品檢驗(yàn)、化合物鑒定與分析、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究^［13-17］。然而，關(guān)于中紅外光譜技術(shù)在煙草領(lǐng)域的應(yīng)用報(bào)道較少。該研究通過(guò)中紅外光譜分析新制皖煙煙氣氣溶膠，分別用峰面積比值和不同區(qū)域紅外光譜試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行建模，了解不同系列新制皖煙的差異。氣溶膠化學(xué)成分復(fù)雜，而細(xì)微差異可能影響卷煙質(zhì)量，從而進(jìn)一步影響品吸效果。此次重點(diǎn)研究煙氣煙堿量、煙氣水分、焦油量及一氧化碳量。該研究發(fā)現(xiàn)1 530～800 cm^-1范圍內(nèi)紅外光譜主成分分析與煙氣氣溶膠煙氣指標(biāo)吻合度較好，而部分紅外光譜主要峰位歸屬有N-H變角振動(dòng)及苯環(huán)骨架、C-H彎曲振動(dòng)、CH3彎曲振動(dòng)、酯基或O-乙酰基及C-O伸縮振動(dòng)峰等。以上結(jié)果提示顯微紅外光譜能敏感地發(fā)現(xiàn)同一品牌不同系列煙氣氣溶膠的差異。峰面積比值代表不同基團(tuán)的含量比。該研究中以峰面積比值建立的區(qū)分模型與煙氣指標(biāo)吻合度稍差，這可能與樣本量少有關(guān)，后續(xù)研究會(huì)加大樣本量。該研究的創(chuàng)新點(diǎn)是利用中紅外光譜研究同一品牌不同系列的卷煙，不同于以往文獻(xiàn)中利用近紅外光譜區(qū)分不同品牌的卷煙。同一品牌卷煙因配方完全一樣，不同系列卷煙差異較小，通過(guò)顯微紅外光譜能敏感地發(fā)現(xiàn)其中的細(xì)小差異，提示顯微紅外光譜未來(lái)可用于卷煙品質(zhì)的快速鑒定。該研究樣本量少，后續(xù)將擴(kuò)大樣本量，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，加入卷煙品吸評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)使用機(jī)器學(xué)習(xí)，為卷煙的質(zhì)量提供保證。

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