手持近红外光谱法快速定量检测初烤烟叶中的尼古丁含量

刘 俊 ，姜林铃 ，李晨曲 ，陈 辉 ，刘 静 ，李伟民 ，李 健

（赛默飞世尔科技（中国）有限公司，上海 201203）

0 引言

云南由于土壤、气候等原因，比较适宜烤烟的种植和生长，因此烟草业也成为云南的支柱产业。尼古丁是烟草品质的重要化学指标和影响因素[1]，也是评价烟叶品质的决定性因素，约占烟草生物碱总量的95%（质量分数）以上[2]，是烟草化学常规检测的重要指标之一。

近红外光谱（NIR）属于分子振动光谱，与常规流动注射等化学分析技术相比，该技术测量时不需要对分析样品进行前处理，分析过程中也不消耗其他材料或破坏样品，具有使用简便、无损、快速、准确的优点，已经被广泛应用于我国烟草行业。针对烟叶的常规检测[3-9]，目前主要是采用台式近红外，但均要采样到实验室，并且需经过粉碎后采样才能获得结果，过程相对烦琐且耗时，不能在现场简便地立即获得结果。此外，也有将近红外设备固定安装在某生产工段的研究，但该方法无法直接在现场进行便捷的检测[10]。

本研究使用手持近红外方法，探索在现场对原烟片不进行直接处理即可检测的可行性，这对烟片的现场管控分级等均具有非常大的意义。

近红外光谱设备有滤光片型、光栅型、微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）型、傅里叶型，其中MEMS 型体积小巧、抗震性好，尤为适合小型手持近红外机器使用，本研究即选用MEMS手持近红外技术进行研究。

1 材料与方法

1.1 仪器及软件

手持近红外光谱仪型号为MicroPhazir，MEMS技术近红外，由赛默飞世尔科技（中国）有限公司生产。近红外光谱数据处理及建模软件为Thermo method generator，支持各种光谱处理以及PCA、PLS建模。

台式近红外光谱仪型号为Antaris II，配备积分球漫反射采样系统，由赛默飞世尔科技（中国）有限公司生产。近红外光谱数据处理软件为OMNIC，光谱分析化学计量学建模软件为TQ Analyst。由台式近红外Antaris II 提供烟叶的标准参照值，供手持近红外评估数据，以及进行使用效果反馈。

1.2 样品

取不同产地等级、类型的初烤烟叶样品398 份，烟叶不做任何处理。

1.3 实验方法

使用MicroPhazir 手持式近红外直接对着烟片进行光谱采集和测试，测试时采样窗口注意避开烟片中的明显烟梗叶脉部位。同时，因为烟片各个部位成分有明显差异，在每个烟片的不同位置选取5 个点进行检测，再取平均值作为该烟片的结果。参照值为烟片粉碎后，在Antaris II上检测烟末获得。

2 结果与分析

2.1 烟片不同部位的光谱比较

对各烟片样品的各部位分别进行手持近红外光谱采集，由于烟片不同部位的生长发育存在差别，因此不同部位的组成成分也会有明显差异[11-12]。低烟碱含量（1.41%）和高烟碱含量（4.00%）烟片不同部位的近红外光谱差异明显，如图1、图2 所示。所以，需要选择差异相对较小的烟片区域进行光谱采集，才能获得相对稳定的模型和应用效果。

图1 低烟碱含量（1.41%）烟片不同部位的近红外光谱

图2 高烟碱含量（4.00%）烟片不同部位的近红外光谱

2.2 烟片光谱采集部位的选择

由于烟片不同部位的组成成分存在区别，因此烟叶各部位的近红外光谱差异明显。选择烟片的叶尖部区域、叶中部区域、叶根部区域分别多次采样，比较各部位的光谱稳定性，发现烟片叶中部区域的稳定性相对较优。烟片叶尖部区域、叶中部区域、叶根部区域的光谱稳定性分别如图3、图4、图5 所示。

图3 烟片叶尖部区域的光谱稳定性

图4 烟片叶中部区域的光谱稳定性

图5 烟片叶根部区域的光谱稳定性

2.3 光谱采集及模型建立

对各烟片样品分别进行手持近红外光谱采集，如图6所示。选取各烟片的近红外信号相对更稳定的叶中部区域进行采集，光谱信号谱峰稳定性得到很大提高。

图6 烟片的手持近红外图谱

对图谱进行一阶导数、平滑以及范围归一化处理，使用台式近红外粉碎样品后测得的尼古丁值作为参照值，采用偏最小二乘法（PLS）建立了初烤烟叶的尼古丁预测模型，模型线性良好，R2达到0.78，RMSEC值为0.44，烟片的尼古丁化学值与手持近红外预测值对照图如图7 所示。考虑到烟片均匀性以及各光谱和真值的本身差异，对于没有经过任何粉碎均匀化处理的原烟片检测而言，这样的效果已经是非常理想了。如果进一步增加样品量，模型得到扩充，可以预见效果会有更大的提高。

图7 烟片的尼古丁化学值与手持近红外预测值对照图

2.4 模型效果评估

使用该模型对独立验证集烟片样品进行尼古丁含量的回测，同样在每个烟片的叶中部不同位置选取5个点进行检测，取平均值作为该烟片的结果。与同一份烟片粉碎后使用台式近红外测得的参照值进行比较，评估模型效果，尼古丁模型的效果评估如表1所示。

表1 尼古丁模型的效果评估

由表1 可以看出，在烟片不同部位的尼古丁含量也不同，检测结果会随烟片部位的差别而变动，绝对差别可以达到0.5%。不过比较好的是，通过测定不同部位的尼古丁含量再进行平均，总体平均值结果与粉碎混匀后的台式近红外参照结果接近，绝对偏差在0.1%以内，相对偏差在5%以内，这对于现场无处理快速检测烟片而言，精度已能满足要求，模型的预测效果良好。

3 结论

本研究采用手持近红外光谱仪建立了对初烤烟片尼古丁含量检测的定量模型，经过对非建模独立验证集样品进行实际测试，结果表明该方法测得的初烤烟片平均值与粉碎后台式近红外测得的参照值接近，精度完全满足对于现场无处理快速检测烟片的要求。

后续会对水分、总糖、总氮等其他相关指标进行建模，完善手持近红外对于现场烟片检测的使用效果。希望本研究能够为烟片的现场无处理快速检测、烟片质控以及烟片的现场分级，提供切实、可行的指导和借鉴。