（分析化学专业论文）裂解气相色谱和化学计量学在烟叶品质评价中的应用.pdf

博上后研究t 作报告 论文摘要 烟叶品质分析是烟草行业重要的任务之一。在烟叶综合化学品质 的评价中，要综合考虑各种化学指标的整体情况。本文运用模式识别 对烤烟的化学品质进行综合评价，以期对烟叶综合质量评价开辟一个 新的途径。 本项目主要着重研究： 1 建立一种模拟卷烟燃烧过程的在线裂解方法； 2 建立了一种裂解气相色谱一化学计量学的分析平台，将得到的 一系列化学成分及含量，进行数据处理，分析烟叶的特征组分与品质 的相关性。 3 采用此分析平台应用与烟叶品质控制，区域划分，特征分析， 烟叶替代等方面，取得了满意的结果。 该分析平台在客观性、准确性等方面显示出优越性，有助于提高 卷烟生产质量和科学管理水平，为今后进一步研究烟叶、卷烟、降低 有害物质，优化生产工艺，合理利用烟叶资源，拓宽烟叶原料的配方 领域，改变烟草制品结构、稳定与提高产品质量都有很大意义。 关键词：热裂解，气质联用，化学计量学，分析平台，烟叶，品质评 价 博上后研究t 作报告 a b s t r a c t t o b a c c oq u a l i t ya n a l y s i si so n eo ft h ei m p o r t a n tt a s k si nt o b a c c o i n d u s t r y i nc h e m i c a lq u a l i t ye v a l u a t i o n o ft o b a c c ol e a f , w es h o u l d c o n s i d e rt h ew h o l ec o n d i t i o n i nt h i s p a p e r ，p a t t e r nr e c o g n i t i o nw a s a p p l i e dt ot h eq u a l i t yo ff l u e - c u r e dt o b a c c ot oc o n d u c tac o m p r e h e n s i v e a s s e s s m e n tw i t hav i e wt oo p e nan e ww a y t h ep r o je c tf o c u s e dm a i n l yo n i e s t a b l i s h e da no n - l i n ep y r o l y s i sm e t h o dw h i c hs i m u la t et h e c o m b u s t i o np r o c e s so fc i g a r e t t e s ； 2 e s t a b l i s h e da n a n a l y s i sp l a t f o r mi n c l u d i n gp y r o l y s i s - g a s c h r o m a t o g r a p h y - m a s s c h e m o m e t r i c s as e r i e so fc h e m i c a lc o m p o s i t i o n a n dc o n t e n t sw e r ec o l l e c t e df o rd a t ap r o c e s s i n ga n dr e l e v a n c ea n a l y s i so f t h ec o m p o n e n t so ft o b a c c ol e a fa n dt h eq u a l i t y 3 a p p l i e dt h i sa n a l y s i sp l a t f o r mt o t o b a c c oq u a l i t yc o n t r o l ，l e a f z o n i n g ，c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s ，t o b a c c oa l t e r n a t i v e ，e t c ，a n d a c h i e v e d s a t i s f a c t o r yr e s u l t s t h ea n a l y s i sp l a t f o r md e m o n s t r a t e di t ss u p e r i o r i t yi nt h eo b j e c t i v i t y a n da c c u r a c y , a n dh e l p e dt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fc i g a r e t t ep r o d u c t i o n a n ds c i e n t i f i c m a n a g e m e n tl e v e l f o r t h ef u r t h e rs t u d yo ft o b a c c o ， c i g a r e t t e s ，a n dr e d u c e t h eh a r m f u ls u b s t a n c e s ，o p t i m i z e p r o d u c t i o n p r o c e s s e s ，r a t i o n a l u s eo fl e a fr e s o u r c e s ，e x p a n dl e a fa r e ao fr a w m a t e r i a l s ，c h a n g et h es t r u c t u r eo ft o b a c c op r o d u c t s ，i m p r o v ep r o d u c t q u a l i t y , i th a sas i g n i f i c a n tm e a n i n g k e y w o r d s ：p y r o l y s i s ，g c m s ，c h e m o m e t r i c s ，a n a l y s i sp l a t f o r m ，t o b a c c o ， q u a l i t ye v a l u a t i o n 博上后研究- t 作报告第一章综述 第一章综述 第一节裂解气相色谱及在烟草化学中的应用 裂解( p y r o l y s i s ) 是指仅由热能引起的化学降解反应。在一定的条件下，被裂 解样品的裂解过程将遵循一定的规律进行。特定的样品有其特征的裂解行为。通 过对某一样品进行裂解可以获得所需要的产物，是应用裂解；对原样品进行表征， 是分析裂解。p y - g c m s 是分析裂解的一种。 p y - g c m s ，即将待测样品置于裂解装置内，在控制的条件下加热使之迅速 裂解成可挥发性小分子产物，然后送入色谱柱进行g c m s 分析。通过产物的定 性定量分析，及其与裂解温度、裂解时间等操作条件的关系可研究裂解产物与原 样品的组成、结构和物化性能的关系，以及裂解机理和反应动力学。p y - g c m s 是一种破坏性的仪器分析方法。p y g c m s 的主要研究对象是天然和合成大分子、 生物大分子，有机地质大分子以及非挥发性有机化合物。 目前主要的三种裂解装置分别为：f u r n a c e ( 管式炉) ，c u r i e p o i n t ( 居里点) ， r e s i s t i v e l yh e a t e df i l a m e n t ( 热丝) 。 管式炉裂解器常应用在等温条件下，样品自由落进或注射进炉中，但有些样 品也可设置为慢速升温。居里点裂解器使用于脉冲裂解或仅仅非常快速的升温裂 解。热丝裂解器可以使用于慢速或快速的升温速率。 1 1 1 管式炉裂解器 管式炉裂解器产生一个高温区，样品可以自由落入或注射进这个区域。当要 裂解的样品进入管式炉的高温区后，样品被裂解，然后裂解产物由载气吹扫带入 色谱柱。 优点：比其他裂解装置更低的价位。 缺点：无法控制样品的加热速率； 由于炉腔的表面积非常大，所以会引起二次裂解反应； 典型的最高设置温度只能达到8 0 0 9 0 0 。1 2 ； 固体样品难以注射进样。 图il 管式炉裂解器 博士后研究工作报告第一章综述 1 1 2 居里点裂解器 样品放在铁磁性的材料中，然后放入高频震荡线圈中加热。铁磁材料将持续 升温直到它温度不再升高的那个点，也就是那个铁磁材料的“居里点”。使用不同 含量的铁、钴和镍做成合金来产生一个系列的居里点的范围，从而可提供不同的 裂解温度。 优点：加热快速和重现性好；每个材料一次性使用，不需要温度校准。 缺点：因铁磁材料有限，可设置的裂解温度也比较有限； 无法控制样品的升温速率； 同一样品使用不同的合金时，可能会有接触反应的影响； 最高温度在1 0 0 0 0c 。 图1 2 居里点裂解器 1 1 3 热丝型裂解器 电阻加热丝裂解器使用金属丝来控制裂解温度。裂解器使用纯铂金丝可以控 制温度至1 4 0 0 ( 2 。因为热丝通过裂解器的计算机系统加热和监控，所以温度、 升温速率和时间都可以在最宽的分析参数范围被连续控制。 博i ：后倒f 究t ：作报告第一章综述 c d s5 0 0 0 系列的裂解器的升温速率可以在o 0 1 c 分钟至2 0 ，0 0 0 c 秒之问 任意设置。每次运行可以最多做8 步的程序升温，每步都有初始温度和时间、加 热速率、最终温度和时间。时间的设置范围可从o 0 1 秒至9 9 9 9 9 分钟。 裂解器可以快速或慢速的升温速率来加热样品，可以单步或多步程序升温。 这就允许对放在探头内的同一样品进行不同温度下的多次分析。例如，样品可首 先加热到一个较低的温度，对样品进行热脱附出完整的化合物如残留单体、溶剂 和添加剂，然后同一样品加热到更高的裂解温度来研究聚合物，然后如需要的话， 可加热到更高的温度而不移走探头中的样品。慢速的加热速率允许时间分段式研 究通过和质谱或f t - i r 直接连接，或者在进入g c 分析前对产物进行捕集。 优点：最高裂解温度可达1 4 0 0 ( 2 ： 可调节的加热速率和裂解时间； 多步程序升温； 最快升温速率达2 0 s ； 可调的最低加热速率允许时问分段式研究； 可选干燥功能来除去分析中不需要的水或溶剂。 缺点：价格较贵； 加热丝非常精密。 图1 3 热丝裂解器 博士后研究工作报告 第一章综述 生产厂家： 管式炉裂解器 居里点裂解器 一f r o n t i e rl a b s f i 本 一s g e p y r o j e c t o r 澳大利亚 一s h i m a d z u e 1 本s o l do n l ya t t a c h e dt ot h e i rg c 热丝型裂解器 f i s c h e r 德国 一c d sa n a l y t i c a l 美国 表1 1 几种裂解器基本性能比较 _ 一1 “ ，_ “ _ _ 一“。”+ 。+ i b i p 眠贬强黼弘憾 i l l s1 0 f 嘲嗽呲嘲姆* 呲删i l f l 离f a c e i m e # * 洲惜r j n s p 嗍p l e r， t y p c a t f u r n a c e t 0 9 0 0 ci 嗍 t 蛸lq i i p o - l t t o1 0 4 0 ci 明 , , i i o 2 2i 蛳1 0 4 0 cf c 竹 2 0 2 咖s 日h 学2 0 0 唧s 精学 00 1 t 0 2 0 1 m s0 0 1 t o 鹎e 9 9 泓 0 0 1 t 0 9 9 9 9 9 s e ：0 0 1 b 9 婚9 9n m 1 + n d f 曲9 蛔鲫竹廓 一 t t 一一“ 一 b 删n o t c 晡潮tm帕 一+一。“一。”“”。”一 b 娃府睡d1 0 - 2 0 , c，n on ot 0 3 - c m c 时。一t o 1 0 s e c 一“一 ，n o 一 堕：t 0 2 0 0 c ；- - l ti 一一一o ，b 引舢t 0 1 0 4 0 亿i 嘲啪岫dt 0 1 0 u ca r g or d n1面 n ot 0 3 0 0 c1 o m 雌s a m ( f - l a nt o s 0 0 cf 响 1b 帅hc 珥l i 刺1 帕n ot o 锄ci ”十t 一“一 阳l 槲g s g t o 蛾 懈谢删 知懈帅t 0 2 5 咒1 即啦灯l 溺t o 眦l r 同蛔蝻删 - 幽dn o帕帆 i 一c 一一 轴帕伽p r r 姒t o o cl r 目h 酬c n r 妇l ，n o帕嗽i， “”。一 “+“一。4 “ 、呐曼，柏哆鸭照叼缸1 粤哩。粤萄辩，一一 一 帕n o：t 0 2 弋 11 ，一；一 一一m u 瞄棚刚璐 c d s5 2 5 0 1 ；t o 3 0 旷c i 刚s 蕾i e 笛愀娜蜘蕾脚咖5 面0 _ i - b帕 断潮蛐 t o 玳u 删 1 。“，_ 1 _ 一 一一 ，二一。一一 耐惯a 汹t o l o 柏e c 敝捌，懈tn oi n ot 0 3 0 阢；甜1 ，n o wg s g 嗍。： o 鬲描 孓1 0 蠲et o m 0 gi r 日如蛔帽 黼- 一ln o 帕 ：1 0 3 2 旷c秘 州j 翻 l t o1 0 4 0 ci c 毋 黻- 削哪b 舢i 血 f帕 n o ：1 0 2 0 0 cl ；t； ； i1 5 - 一 ：f _一 博i ：后研究t 作报告第一章综述 裂解气相色谱一质谱方法的建立和发展与气相色谱质谱和分析裂解方法的发 展紧密相连。从事分析裂解的人们希望获得能够把裂解混合物分离、定性并对某 一聚合物给出特征性信息的技术。1 9 5 4 年d a v i s o n 等人首次提出用g c 分离裂解产 物。1 9 5 7 年h a s l a m 和j e f s 用离线裂解g c 分析了聚合物的裂解产物。 1 9 5 9 年有三篇论文报道了用p y g c 联机分析聚合物f m 】。p y - g c 的出现拓展了 g c 的应用范围，使更有效的将裂解产物进样至i g c 进行分离，操作重现性更好。 导致t p y - g c 作为主要分析裂解方法迅速发展。1 9 6 2 年s t a n l e y 等人将毛细管首次 用于p y - g c 分析，使得复杂的裂解产物得到较好的分离。1 9 6 5 年氢化p y - g c f f i j 世， 可把不饱和产物转化为相应的饱和产物，裂解谱图大为简化【4 l 。1 9 6 6 年s i m o n 等 人【5 ：觌t p y - g c m s 联机分析，鉴定了氨基酸的裂解碎片。 p y - g c m s 联机分析方法的出现使裂解产物的鉴定成为可能【6 j ，为进一步研 究聚合物的结构和热裂解机理奠定了基础。从此，裂解气相色谱尤其是高分辨裂 解气相色谱在聚合物的研究中起到了越来越重要的作用。十年代以来，分析裂解 技术特别是高分辨裂解气相色谱技术和高分辨裂解气相色谱质谱( p y g c m s ) 技术丌始应用于各个研究领域【7 j 。 其主要原因是：1 1 开发和改进了各种性能优良的裂解装置，由此可实现反映 被裂解样品化学组成与结构的热裂解过程，且重现性良好；2 ) 高分辨毛细管柱用 于p y - g c 系统，可以很好地分离复杂的裂解产物，提供更多的关于原样品的信息； 3 ) 裂解气相色谱一质谱及各种气相色谱选择性检测器的使用，可以方便准确地确 定裂解产物的归属；4 ) 化学反应与热裂解的结合使用，简化了裂解谱图可以更明 显地判断峰的归属；5 ) 该分析方法具有样品用量少( 毫克或微克) ，分离率高。分 析速度快以及样品无需事先纯化，样品的物理状态不限等优点。 但由于g c 分离的特点，从色谱柱流出的只能是热稳定的、分子量限制在一 定范围的裂解产物，不易检测不稳定的中间体，强极性的物质和难挥发的裂解产 物。为了扩大p y - g c m s 的应用范围，可以使用离线裂解技术【8 1 ，裂解产物随载 气进入一个捕集装置，在这里裂解产物被捕集，载气则放空，然后将产物从捕集 装置中洗脱，再进入色谱柱分离，进行g c m s 分析1 9 1 。还可以使用衍生化技术， 使强极性的裂解产物转化为非极性或弱极性的衍生物，大大提高其挥发度。 在烟草研究中，裂解可模拟卷烟燃烧过程。v y - c , c m s 在烟草化学研究中的 博t 后研究工作报告第一章综述 应用，可归纳为几个方面： 1 ) 烟草和卷烟的裂解研究 国内外对卷烟或烟草中化学成分裂解产物的研究文献很多【i o - 1 8 】，如胶质、纤 维素、木质素、儿茶酚，蔗糖、烟碱和生物碱，氨基酸，果胶、绿原酸和芦丁；甜料 剂甘草酸及其钠盐；烟草增香剂可可粉；烟草致香剂香兰素、香豆素；烟草中农 药残留等。 2 ) 烟草添加剂的裂解 弄清烟草添加剂在卷烟燃烧过程中的行为很重要。p y - g c m s 它可用来研究 单一物质的燃烧结果。研究的关键是在不同条件下实施裂解实验，预测烟气化学 变化。研究发现，这些添加剂的转移率与烟气化学数据是一致的【1 9 1 。 3 ) 稳定同位素标记的烟草成分的热裂解 要排除烟气混合物中其它成分的干扰，研究燃烧过程对单一成分的影响，裂 解g c m s 是有效的技术手段。通过测定烟气中带有标记物的碎片可计算每种添 加剂的降解程度。 4 ) 烟气有害成分与烟叶化学成分之间关系的研究 朱大恒【2 0 1 综述了国内外有关烟气成分与烟叶主要化学成分关系的研究成 果，结果表明：烟叶在燃吸过程中，烟气有害成分与烟叶化学成分存在着密切的 关系。 5 ) 卷烟燃烧过程的监测 裂解气相色谱质谱可用来研究雪茄烟裂解的不同阶段获得的产物及烟碱在 裂解期间和燃烧的卷烟中的最终产物。 6 ) 化学动力学对烟草裂解的应用 化学动力学可应用于烟草裂解的研究，如烟草裂解作用的动力学【2 1 1 ，烟草中 碳的氧化动力学【2 2 1 。 7 ) 质量评价与过程建模 裂解气相色谱法可评价烤烟总粒相物和烟草的凝聚甜2 3 1 ；建立阴燃卷烟裂 解过程数学模型【冽及燃烧和裂解中微粒形成的模型【2 5 , 2 6 1 ，还有在卷烟阴燃过程 中数学模型鲫。 8 ) 裂解条件及检测方法 7 - 博i ：后研究t 作报告第一章综述 应用新的检测方法并探讨裂解条件，如用稳定同位素标记研究烟草成分的热 裂解；开发实时快速脱气分析方法富早埃变换红外光谱法【2 8 1 ；直接快速烟草特 征鉴定法一高温裂解场致电离质谱【2 9 】。 第二节指纹图谱和化学计量学 1 2 1 指纹图谱研究 现代指纹鉴定始于1 9 世纪末2 0 世纪初的犯罪学和法医学。每个人的指纹在微 小的细节构造上各有不同，可以据以鉴别每个人的特征。指纹图谱技术应用于植 物药质量控制，是从2 0 世纪7 0 年代，色谱技术的发展，人们大量采用薄层色谱 ( t l c ) 方法，将植物中化学成分展载于由各种担体铺成的薄层板上。根据薄层 板上的斑点的位置、斑点大小、斑点颜色、斑点数目的多少进行定性鉴别，这种 薄层鉴别方法具备了指纹图谱的特征。2 0 世纪7 0 年代及8 0 年代，出现薄层扫描仪， 同本和我国部分学者用薄层扫描仪得到复方成药扫描图作为色谱指纹图尝试应 用于药材及成药分析。 常用指纹图谱研究的方法与技术研究对象的不同，指纹图谱研究的方法与技 术也不同，并都随着现代科技技术的发展而发展。中药指纹图谱研究所采用的方 法大致分为：色谱法、光谱法及其它。 色谱法包括：薄层色谱法( t l c ) 、液相色谱法( l c ) 、气相色谱法( g c ) 、 高效毛细管电泳法( c e ) ； 光谱法包括：紫外光谱法( u v ) 、红外光谱法( i r ) 、近红外光谱法( n i r ) ； x 射线衍射法、核磁共振法( n m r ) 等。 中药指纹图谱鉴别借用了法医学的指纹鉴定的概念。 定义：运用现代分析技术对中药化学信息以图形( 图像) 的方式进行表征并 加以描述。 由次生代谢产物组成的中药提取物的色谱指纹图谱不仅具备个体的绝对的 惟一性，更强调的是物种特征的惟一性与同种植物中的相似性。 表征和描述：“表征是将中药化学信息通过色谱图( 液相色谱图、气相色 谱图或薄层色谱图) 等方式进行表达；“描述 是对指纹图谱经过计算、分析、 比较、评价等过程，以技术参数、指纹特征等加以说明。 博- j j 后研究工作报告第一市综述 中药指纹图谱研究须经过制备、分析、比较、评价和校验等过程。分析色谱 指纹图要求“准确的辨认”，不是“精密的测量 ；比较供试品与对照品的色谱 指纹图谱是要求“相似”，而不是“相同 。 评价色谱比较的结果，是根据色谱指纹图谱的模糊属性，着眼于宏观的规 律性的特征分析，即着重辨认完整色谱的“图貌 ，而不是求索细枝末节。分析 比较的结果，是对供试品与对照品之间的差异或一致性作出评价。 中药指纹图谱的建立，应以系统的化学成分和药理学研究为依托，应体现系 统性、特征性、重现性三个基本原则。 “系统性 是指指纹图谱所反映的化学成分应包括中药有效部位所含大部分 成妥的种类，或指标成分的全部。 “特征性”是指指纹图谱中反映的化学成分信息( 具体表现为保留时间或位 移值) 是具有高度选择性的，这些信息的综合结果，将能特征地区分中药的真伪 与优劣，成为中药自身的“化学条码”。 “重现性”是指所建立的指纹图谱，在规定的方法与条件下，不同的操作者 和不同的实验室应能作出相同的指纹图谱，其误差应在允许的范例内，这样才可 以保证指纹图谱的使用具有通用性和实用性，也是作为标准方法所必备的特征之 一o 1 2 2 两种常用指纹图谱技术 1 2 2 1 近红外光谱法 此方法与红外光谱法原理相同，但检测时采用近红外波长，所给出的信息是 所有化学物质结构信息的加和，通过一系列样本的检测( 必须预先知道样品中相 关成分的含量或样本的定性归属) ，运用化学计量学手段，建立了样本与信息之 间的数学模型。运用该模型即可对未知样本( 如：新近购进的原药材或新生产的 成品等) 进行辨别分析( 给出结果：合格与否、含量多少等) 。 优点：检测速度快( 通常为l m i n ) 、操作简单、适宜过程控制等。 数据处理需掌握一定的化学计量学知识。 近红外技术在农药、化工、农业等相关领域已广泛应用，方法的成熟度较 高，可推广近红外技术在原材料质量控制中的应用。 1 2 2 2 气相色谱法 博i j 后f i j f 究t 作报告第一章综述 气相色谱法主要用于分析气体、挥发性和半挥发性液体或者沸点在5 0 0 以 下，相对分子质量4 0 0 以下的物质。适合与裂解仪联用。 特点：灵敏度高、分离度好、分析速度快，定量分析的精密度优于1 。为 中药指纹图谱研究的主要方法之一，裂解气相色谱法虽早应用于烟草方面研究， 但目前较少其指纹图谱应用于烟叶品质评价的文献报道。 在实际过程中由于受到各种因素的影响，样品指纹图谱中有可能出现个别色 谱峰的增加减少，色谱峰图谱行为可能发生改变，如峰形、峰宽、峰高发生变 化及保留时间发生偏移等，不可机械性地通过色谱图的叠加来评价指纹色谱图。 增a n 减少的色谱峰对指纹图谱整体相似的贡献，不是单纯性的降低，有可 能出现相互消长的现象。对于难以把握的色谱峰，建议由软件去进行判别评价， 尽可能避免人为判别评价。 指纹图谱数据获取途径 将中药色谱指纹图通过扫描仪等设备，即可将图形图像转化成a s c i i 数 据。 从色谱软件中均可采集到截片数据，即时i 日j 与电信号响应值。 从色谱软件中均可直接读取色谱数据( 如保留时f b j 、峰面积等) 。 1 2 3 化学计量学 指纹图谱分析产生信息含量丰富的多维数据，因此充分运用化学计量学理论 和多元统计分析新方法，对采集的海量原始信息进行压缩降维和归类分析，从中 有效挖掘出有用信息，对分析结果的最终解释至关重要【3 0 。3 2 1 。数据分析方法分为 非监督学习方法和有监督学习方法，在非监督学习方法中又分为主成分分析 ( p c a ) 、聚类分析( c a ) 等。有监督学习方法包括神经网络、偏最d - 乘法 等分析方法。有监督和无监督的学习方法成为建立识别模型的主要方法【3 3 】。数 据输出的最终目的是将代谢组数据转化为标准化和统一的格式【3 4 1 。分析仪器直 接导出的元数据( m c t a d a t a ) ，由于原始谱图的信号量大、噪音复杂、格式各样、 尺度迥异、基线漂移和测试重现性等问题【3 7 1 ，不能直接用于模式识别分析，此 前须经过原始数据的预处理，如采用多种方法【3 8 都】进行原始图谱的分段积分、滤 噪、峰匹配、标准化和归一化等处理( 图2 ) ，最后提取出二维数据表形式【4 4 , 4 s 1 。 1 2 3 1 模式识别 博1 ：后训究t - 作撤告 第一章综述 1 2 3 1 1 非监督方法 非监督方法( u n s u p e r v i s e dm e t h o d ) 针对那些不利用或没有样本所属类别信 息的情况。 主成分分析( p r i n c i p a lc o m p o n e n t sa n a l y s i s ，p c a ) p c a 是一种在保持数据信息损失最少的原则下，对高维变量空问进行降维处 理的线性映射方法【矧。它的基本算法是要找到一种空间变换方式，把经标准化 后的原始变量线性组合成若干个相互正交的矢量( 即主成分，p c ) ，其中第一 主成分能反映样本问的最大差异，其他主成分所反映的差异程度依次降低，这种 空间变换方式，又称为k a r h u n e n l o e v e 变换( k l 变换) 4 7 1 。其原理如下： 设x 是经标准化后含d 个变量n 个样本的样本集，第k 个主成分矢量，也称主 成分负载( 1 0 a d i n g ) 为 p i 端： ，弦女，夕潍) 2 膏2l ，2 ，d p 是主成分矢量矩阵，即x 的协方差的特征矢量，x 在p 上的投影为样本 的主成分( 也称主成分得分s c o r e 矩阵) t = xp 以主成分矢量为坐标轴作图( 二维或三维，称为得分图) 可以反映类别间的 差异，及其随时间的变化轨迹，与之对应的主成分负载图能够反映导致类别间差 异的主要元素。正是由于p c a 操作的简便和变量的可解释性，使它成为化学计量 学常用方法【4 8 5 0 l 。 非线性影射法( n o n - l i n e a rm a p p i n g ，n l m ) 非线性影射法【5 1 1 是所有模式识别方法中原理最简单的一种。它先计算在原 始a 维空间中所有数据点彼此间的距离，然后将样本点放置在一个随机的或由主 成分构造的二维或三维空间中，这个空间不断被调整，所遵循的原则是尽量使样 本点移至低维空间后点间的距离与在原空间中一致。 系统聚类方法( h i e r a c h i c a lc l u s t e ra n a l y s i s ，h c a ) h c a 的目的是使复杂数据简化并突出数据间的自然群组关系和其他非监督 方法类似。h c a 输出一个系统树图，最初每个样本为一个集团，然后按一定判 博i j j 一叭究l ：作 2 告第一章综述 据将某两个样本连成一个集团，成为( n 1 ) 个集团。一个典型的系统聚类是生 物的分类，形成一个树状结构【5 2 】。如何将同类样本先后连成集团，需要规定 个判据，即相似度，它是系统聚类算法的基础。 1 2 3 1 2 监督方法 监督方法( s u p e r v i s e dm e t h o d s ) ，是已知训练集样本所属类别的条件下的分 类方法【5 3 1 。 偏最, b - - 乘法( p a r t i a ll e a s ts q u a r e s ，p l s ) 如需考察多个因变量，就得采取其他技术( 如多元回归) 进行逐步回归或主 成分回归【5 4 1 。它是主成分分析、典型相关分析和多元线性回归分析三种分析方 法的综合，具有这三者的优点【5 5 , 5 6 。 偏最小二乘法具有预测功能【5 7 】。w o l d 教授提出正交信号校i f ( o s c ) 用来 去掉x 矩阵，成功的应用于近红外谱图中【5 8 】，对n m r 谱也非常有效【5 9 删】。 b e c k w i t h h a l l 发现o s c 在处理生物体液谱图时可以使得原本无法分丌的一些生 理或病理状念区分丌嘲1 。k e u n 等人还提出了一种根据变量稳定性而赋以相应权 值的方法v a s t 。v a s t 给变化较大的变量赋以小的权值，从而削弱了这种影响。 线性判别式法( 1 i n e a rd i s c r i m i n a n ta n a l y s i s ，l d a ) l d a 也叫做线性学习机，通过计算一个线性判别函数定义一个决策面，以 区分只有两个类别的情况。这个判别函数是原变量的线性组合，两个变量定义的 函数是一条直线，三个变量则是个平面，多于三个变量的则是比数据集少一维 的超平面，c h a r l t o n 将p c a 与l d a 结合起来，区分不同厂家生产的速溶咖啡， 只需三个主成分便能得到很好的分类结果【6 2 j 。 k - 最近邻法( k - n e a r e s tn e i g h b o ra n a l y s i s ，k n n ) k 最近邻法对未知样本的分类，是根据它在多维空间中邻近的大多数样本的 类别来确定f 5 2 1 。其基本思想是先将已分好类别的训练样本点“记入”多维空间中， 然后将待分类的未知样本亦记入空间，考查未知样本点的l 阶近邻( k 为奇数， 如1 ，3 ，5 等等) 。若近邻中某一类样本最多，则可将未知样本亦判为该类。 1 2 博1 ：后研究- t 作报告第一章综述 神经网络( n e u r a ln e t w o r k ，n n ) 神经网络是近年来人工智能的一个重要学科分支。对于核磁共振谱图，该方 法充分发挥其无需数据前处理、抗干扰能力强的优势【6 3 1 ，成功地预测了物质( 特 别是碳水化合物) 的化学位移【6 4 1 、识别出二维谱的交叉峰【6 5 】、定量分析了混合 物中各成分的含量【6 3 1 以及入血浆中的脂蛋白含量【6 6 】。神经网络中应用最广泛的 当属b p 神经网络( 即逆传播) 。它遵循“模式顺传播，误差逆传播”的原则【6 7 1 。 s p e c h t - 于2 0 世纪9 0 年代初提出了概率神经网络( p n n ) ，在光学字符识别【6 8 1 、股 市指数预测【6 9 】、火灾监测【删以及代谢组学的毒理研刭7 1 】等方面都收到良好效果。 该网络基于贝叶斯概率分布，所以特别适合高度非线性的分类问题，预测精度要 高于其他监督分类方法。 第三节烟n - i - o o 品质控制 烟草中的组份众多，含量大小不一，烟丝的质量不可能取决于某个组份，而 是许多组份的共同贡献、相互匹配、相互制约的综合反映。因此，仅仅研究某种 成分的含量是远远不够的，应从多方面综合考虑分析，采用多种分析方法和多学 科的知识，况且烟草化学成份的变化极为复杂，烟草类型不同，化学成分存在差 异，烟草种植的生态环境、栽培措施、烟草成熟后的采收调制、发酵加工，以及 陈化，都对作为卷烟原料的烟叶的化学成分产生影响，在烟制品的加工制造过程 中，加工工艺、加香加料等各项技术加之烟叶原料的品质，又决定了烟制品的质 量。因此，研究烟草中化学成分的化学性质、变化规律，对烟叶质量的影响以及 对人体产生的效应，降低烟制品有害成分的含量，提高吸烟的安全性，开展烟草 的再利用研究，为人类造福，具有广阔的发展前景。 1 3 1 卷烟产品品质评定方法 卷烟产品的品质观是卷烟生产者在充分考虑吸烟者对卷烟的感觉后确定的， 是人们对烟草的品质( 或称质量) 包括色、香、味与化学成分的观念。从气味上说， 是反映在口腔内包括酸、甜、苦等味适的综合感觉；从刺檄性和劲头上说，又称 生理强度，就是使吸食者感到兴奋的程度。目前主要有以下两种评定方法。 博i j 后研究t 作报告第一章综述 1 3 1 1 感官评定法 感官评定法就是通过人体特定的感觉器官( 口腔、鼻腔、喉部) 对烟草吸味、 香精香料的质量、作用等进行鉴定。卷烟感官评吸着重于实践，强调于体验。国 家标准局于年4 月发布的卷烟国家标准卷烟感官技术要求( g b 5 6 0 6 4 1 9 9 6 ) 的执行主要还是靠人的感官去体会，它是- r - j 精巧的技术，很难掌握，目前人 们主要凭借外观性状和感官评定来评判烟草的内在质量。即使一些很有经验的评 吸专家有时在评价一种烟叶的类型或一种卷烟烟气的特征时，也往往会产生一些 很不一致的意见，很难对卷烟质量作出科学、公正、准确的判断。 迄今为止，对于烟叶风格的描述和把握主要还是依赖评吸，根据评吸人员的 文字与语言描述去了解烟叶及成品烟的风格。因此可以说烟叶( 卷烟) 的风格特 征处于只能意会，难以言传的现状。如能数字化地描述不同产地烟叶的风格特征， 则可望依据这些数字特征进行烟叶、成品烟风格质量的控制与管理。 1 3 1 2 近红外光谱技术 近红外光潜反映物质分子在近红外区的r h 、o h 、n h 和c = o 键等 基团的合频吸收与倍频吸收，可提供有机物的大量综合信息。由于其测试简便， 无须复杂的样品前处理，环境友好，可快速提供分析结果等特点，n i r s 技术自 上个世纪7 0 年代以来，在食品、医药、石油等领域得到了广泛应用【7 2 7 3 1 。 上海烟草( 集团) 公司以近红外快速定量检测为技术基础，按照不同的产地 对所要采购的烟叶规定了具体的内在化学成分的含量标准，并提出在烟叶采购分 级过程中外观和内在化学成分相结合的理论。在两年的原烟采购中进行了实践， 大大提高了烟叶的等级合格率同时也在稳定烟叶质量方面取得了明显的成效。 在烟草业用近红外技术进行主要化学成分定量分析的工作较多，文献【7 4 1 描 述了一种优化近红外定量校正的两步法。 近红外光谱的分辨率远不如中红外，无法根据其图谱进行定性分析而必须借 助于多元统计中的模式识别方法。近年来，近红外定性分析( t g 叫聚类分析) 的 应用也在日益扩展，国外已经成熟应用到生产线上作质量控制【7 5 - 7 7 1 。 近几年采用近红外光谱技术对草药、植物、农产品、烟叶等进行模式识别的 工作有：m a h ah a n a 等【7 8 】以近红外数据为基础，采用神经元网络对1 0 0 0 多个烟 叶样品进行了产地识别。 1 3 1 3 化学成分分析的数理统计法 博：l ：后研究- f 作报告第一章综述 要保证卷烟产品质量稳定，必须拟定化学成分指标。半个多世纪来，烟草研 究工作者一直在探索烟草的化学成分含量及其相互关系，试图直接用烟草的主要 化学成分来确定卷烟制品的内在质量，但是，由于烟草化学成分的复杂性而进展 不大。在现有的化学成分与品质的关系指标中，各项化学成分对品质的影响只是 简单的加和，并没有考虑到每一种化学成分对烟叶品质的贡献率，这也是造成评 价指标具有片面性的原因之一。现在，人们认识到，烟草的品质并不是所有的化 学成分对其有影响，而是许多组分共同贡献、相互匹配、相互制约的综合反映。 能否找到一个比较确切的表达烟叶主要化学成分与品质的关系的综合指标，是烟 草化学研究人员一直探索的一个学术热点，也是今后烟草化学研究的一项重要内 容，目前数理统计法主要研究现状如下： 1 9 9 2 年，z h i m i nw u 【7 9 】等研究探讨了烟草香气强度的贡献，对挥发性组分进 行了气相色谱分析，并获取了每种烟草中还原糖及生物碱总量，确定起关键作用 的特征组分，并建立相应的回归模型，将回归模型中特征组分的峰面积代入回归 模型计算式，换算成相应的“评价分数”，与感官评吸得分比较验证，以此来决定 烟草香气风格的组分。 1 9 9 8 年，高大启【8 0 】提出了一种并联神经网络，能直接将烤烟主要化学成分 测量数据转换为与香气、吃味、杂气、刺激性等人的感官评定指标值相一致的结 果，实验表明，与感官评定法相比，该方法在客观性、准确性等方面显示出优越 性。 1 9 9 9 年，王玉龙【8 l j 应用数理统计方法，对烟草化学成分的多项原始数据进 行标准化处理，转换为统一分布形式，再根据评吸结果及化学分析工作者的经验 选取各项化学指标的最佳值，以及各项化学指标间的相互系数，分别计算出各项 化学指标对综合评价的贡献值，进而计算出各项化学指标对烟草质量的总分数， 它与感官评吸模糊综合评定结果互相补充，随着经验值的选择，二种方法结果将 趋于一致。 2 0 0 0 年，杜咏梅等【8 2 】，通过数理统计系统分析了烟叶中水溶性糖( 包括还原 糖和总糖) 、烟碱、总氮含量与烤烟吃味品质的关系，结果表明，水溶性糖、烟 碱、氮含量对烤烟吃味品质都产生极显著的影响，其中还原糖、烟碱为目前制约 烤烟吃味品质的主要化学成分。 博i ：后研究_ r 作 6 l 告 第一章综述 2 0 0 0 年，刘颖绚等【8 3 1 ，利用数理统计的方法，采用电子报表e x c e l l 程序对 大量检测数据进行了统计分析，建立卷烟的内在质量指标的评估体系，找出影响 卷烟内在质量品质指标及造成其质量变化的原因。 同年，黄骏雄等【8 4 】采用英 a r o m a s c a n 公司生产的l a b s t a t i o n 电子鼻仪器对国 产香烟质量鉴别进行了初步研究，对区别不同等级香烟及判别真伪产品方面作了 报道。 2 0 0 1 年胡建军等【8 5 】采用灰色系统理论提出一种新的分析方法一关联度分 析法f s 6 , s t ，对烟叶主要成分与其感官质量进行了灰色关联分析，利用等差打分 法对感官评吸结果进行了量化处理，与传统的回归分析法所得结论基本一致。 第四节项目研究目的及内容 卷烟香味的复杂在于多种因素的综合，模式识别系统的优势在于趋势性的综 合。虽然单一化学指标可以从某个侧面衡量烟叶质量的好坏，但所得到的评价信 息是片面的，因为对于某一具体烟叶样品而言，各种化学指标往往是相互矛盾的， 即存在一些指标是适宜的，而另一些指标则是不适宜的。因此，在烟叶综合化学 品质的评价中，要综合考虑各种化学指标的整体情况，不能过分强调某一或某些 指标。 本文试图运用模式识别对烤烟的化学品质进行综合评价，以期对烟叶综合质 量评价开辟一个新的途径。 本项目主要着重研究： 1 建立一种模拟卷烟燃烧过程的在线裂解方法； 2 建立了一种裂解气相色谱化学计量学的分析平台，将得到的一系列化学 成分及含量，进行数据处理，分析香烟的特征组分与品质的相关性。 3 采用此分析平台应用与烟叶品质控制，区域划分，特征分析，烟叶替代 等方面，取得了满意的结果。 与感官评定法相比较，该分析平台在客观性、准确性等方面显示出优越性， 有助于提高卷烟生产质量和科学管理水平，为今后进一步研究烟叶、卷烟、降低 有害物质，优化生产工艺，合理利用烟叶资源，拓宽烟叶原料的配方领域，改变 烟草制品结构、稳定与提高产品质量都有很大意义，为烟草工业的发展、吸烟与 博l 后研究t 作撒告第一章综述 健康问题的研究打下基础。 图1 4 分析平台的流程和评价体系 1 7 悼岳研究t 怍撤告 第一$ 分析f 台的构建 第二章裂解气相色谱一质谱一化学计量学联用分析平台的构建 本研究提出了一个裂解气相色谱一质谱一化学计量学联用法应用于烟叶品质 研究的分析流程，选用四类地区的烤烟烟叶，包括烟叶样品的处理、分折采集、 数据的重构、化学计量学和结果的解释。应用热裂解装置和g c m s 在类似大气环 境中模拟燃烧过程对不同地区的烤烟烟叶进行了研究。 原理 通过一系列的数据采集手段，得到包含样品信息的指纹图谱，并利用化学计 量学的手段对这些信息进行提取，找出有用的信息。因此，我们要建立的分析方 法流程如图2l 。 s a m p l epr e p a r a t i o n d a t aa c q u i s i t i o n p y - g c f i d ，g c m s d a t ar e c o n s t r u c t i o n p e a ka l i g n m e n t d a t ap r e p r o c e s s j t s t a t i s t i c a la n a l y s i s l d a t ai n t e r p r e t a t i o n 包括下面几个步骤 。 矽 i 。 一上三 一 圈2 1 分析方法的流程图 博1 ：后研究t 作报告第一二章分析i 台的构建 1 ) 样品的预处理：对于不同的样品，预处理方法也不同。由于气相色谱只 适合于挥发性化合物的分析，分析时一般需要对样品进行衍生化处理，以增加样 品的挥发性和分析范围。常用的衍生手段有硅烷化和烷基化等。后面的几章将有 详细的研究。 2 ) 数据的采集：气相色谱灵敏度高，可检测大量含量低的小分子物质。相 对其他仪器，气相色谱还有应用广泛、价格低廉等特点，作为研究工具很有发展 潜力。作为气相色谱中最广泛使用的检测器，m s 具有其独特的优点。样本经 过g c m s 等分析仪器的分析，得到原始指纹数据。这里，不同分析方法包括分 离分析条件的摸索、优化及建立。建立具有重现性好、稳定、分辨率高等特点的 指纹图谱对不同的样品非常重要。 3 ) 数据的重构：得