（光学专业论文）茶叶不同产地特性的红外光谱分析.pdf

摘 要 i 摘 要 本文采用傅里叶变换红外光谱仪获得了茶叶的标准红外光谱， 依据相似学中相似度 的计算方法和曲线相似法建立了平均偏离分析方法， 并运用平均偏离方法分析了由标准 化流程得到的茶叶红外光谱，得到了茶叶不同产地特性与其纬度和海拔高度的关系。 实验发现：红外光谱图特征谱带的频率、强度和形状会随着测试条件、制样方法不 同而发生基线漂移、 吸收谱带畸变等情况。 本文分析了不同测试条件对红外光谱的影响， 并以最佳参数采集样品光谱数据， 通过在操作过程中全程利用红外辐射减少和拒绝水分 对光谱的影响，通过实验数据分析得到红外光谱测量的最佳配比在k=1:150和样品的颗 粒大小在160目，此时的光谱重复性好；并对红外光谱测量的规范化、标准化提出建议， 这对红外研究具有一定的参考价值。 为了更全面地了解这些茶叶的整体地域特征， 我们建立了红外光谱分析的平均偏离 方法，对标准化光谱图进行了直观分析，而且还探讨了平均偏离大小与茶叶产地纬度的 关系。研究表明，产地纬度相近的茶叶，平均偏离小；产地纬度相差大的茶叶，平均偏 离大。西湖龙井与洞庭碧螺春产地的海拔、纬度均相近，所以平均偏离较小。台湾与福 建隔海相望，纬度接近，所以台湾乌龙与安溪铁观音的平均偏离小。西湖龙井与云南普 洱的产地不仅纬度相差大，而且海拔相差巨大，所以造成的平均偏离特别大。因此茶区 的海拔高度和纬度与茶叶的产地信息有着密切关系。 这些实验结果说明：不同产地的茶叶虽然同属于茶叶品种，具有相似的特征，但是 由于环境因素的影响会有细微的差别， 我们可以利用这些差别得到茶区海拔高度和纬度 与茶叶的产地信息之间的关系， 因此平均偏离有可能成为分析茶叶产地信息的强有力的 方法，为茶叶产地的鉴别提供依据。 关键词 红外光谱 平均偏离 测试条件 纬度 abstract ii abstract by standards testing (the sample standardization and the measure standardization), the standard ir spectra of the china famous tea was obtained. in order to investigate the overall characteristics of these tea producing area, a visual, simple method (average deviation) was devised according to the similarity degree calculation method of the similarity science and the analogue method of curves. using this method, the relation between the average deviation of the tea ir spectra and their latitude was analyzed. the experiment show that: the frequency, intensity and shape of the ir spectrum may appear baseline excursion, aberrance of spectra with the different of testing condition, the sample preparation. in this paper, we analyze the effect of these factors on the quality of the ir spectrum, by using the infrared radiation, the effect of water-vapour may be decreased; by choosing the optimum proportion of sample and kbr and the size of sample at 160 mesh, the ir spectrum has good recurrence. in order to investigate the overall characteristics of tea producing area, we devised a visual, simple method (average deviation) on the standardized ir spectra to analyze the relation between the average deviation and the latitude of several typical standard teas. the result shows that: the average deviation of the tea with similar latitude and altitude is very small; on the contrary, the average deviation is considerable. the producing area of xihu-longjing and tongting-biluochun have similar latitude and altitude, their average deviation is small. the distance of taiwan and fujian is near latitude, so the deviation average of taiwan-wulong and fujian-tieguanyin is small. the origins of xihu-longjing and yunnan-puer not only have big difference between latitude but huge altitude difference, so there is a large average deviation. therefore, there are affinity between the altitude and latitude of the tea producing areas and the average deviation of their ir spectrum. these results show that: although the tea belong to the same variety and have the same characteristics, the tea from different producing areas show delicate difference because of the influence of the environmental factor. we could get the relationships between the producing abstract iii areas of tea and the altitude and latitude, so the average deviation method would be a powerful method which could provide theoretical basis for the identification of tea. key words ir spectrum average deviation standards testing latitude analogue method 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 研究意义 茶叶为山茶科植物山茶的叶芽，作为饮品在中国已有数千年的历史，是世界三大饮 品(茶、咖啡和可可)之首1。现代科学大量研究证实，茶叶确实含有与人体健康密切相 关的生化成份，如咖啡碱、可可碱、胆碱、茶碱、黄嘌呤、黄酮类、儿茶素、醇类、萜 烯类、酯类、酚类、酸类、碳水化合物、芳香油化合物、多种蛋白质、维生素和氨基酸 等，具有延缓衰老、降脂助消化、预防和抗癌、抑制心血管疾病、美容护肤等多种功效。 茶叶在我国分布广泛，品种繁多，具有悠久的传统工艺和深厚的文化底蕴，因此具 有显著的地域性优势， 为了有效地保护我国茶叶的正宗、 地道和纯正等经济和文化价值， 提高我国名牌茶叶的市场价值和质量水平，发挥我国名牌茶叶的地域优势、产品优势， 增强我国茶叶市场的竞争力和市场占有率，保证原产地茶叶的质量和特色，茶叶原产地 保护技术的制定就成为当前面临的首要任务。 制定茶叶原产地保护技术需要结合地理信 息分析重要名品茶叶原产地分布状况，建立产品供给分布信息网。国内外成品茶的质量 控制仍是以专家的感官审评为主，即通过人的视觉、嗅觉、味觉、触觉对茶叶的形状、 色泽、香气和滋味进行鉴定2。外界的干扰因素会对人的感光灵敏度造成影响，使审评 结果不准确。而现有的应用电子鼻、电子舌传感技术机器以及视觉技术等仪器辅助感官 审评方法，还须解决一些技术难题。因而茶叶行业当务之急便是建立一种快速、高效、 简便、准确鉴定茶叶质量的方法，以便于区分茶叶产地和鉴定茶叶质量，从而更好的保 护我国的茶叶产业。 1.2 国内外研究现状 目前茶叶的品质评定有感官评审和理化评审。 茶叶的感官评审是评茶人员依靠自身 的专业知识和专业技能，在一定的环境设备条件下，评定茶叶品质的过程3。感官评审 具有快速，简便易行的优点，包括看外形和审评内质两种方法，分为外形、香气、汤色、 滋味和叶底五个审评项目，每个审评项目又包含许多的因子4。感官评审易受自身和外 界双重因素的影响。一方面由于评茶人员自身感觉存在个体差异会影响评审过程，如不 河北大学理学硕士学位论文 2 同的评茶人员评审同一样品结果可能存在差异；另一方面外部环境的变化会对人的味 觉，视觉等感觉器官产生影响。如采光的影响：不均匀的光线会影响评茶人员对茶叶汤 色、外形和叶底色泽的评审；噪音的影响，评茶人员会由噪音引起心理压力，造成情绪 波动，影响茶叶的评审结果；温度的影响：温度过低过热都会造成评茶人的不适感，影 响评茶人对茶叶的评审；异味的影响：由于茶叶的评审过程包括茶叶滋味及香气的评定 因此异味对评审结果影响较大。 除了上述这些影响因素还有其他方面的因素造成感官评 审的不准确。 茶叶的理化审评是应用物理、化学的方法对有关因子的测定，来评定茶叶的品质， 理化测定主要包括总灰分、水浸出物、水溶性灰分碱度、酸不溶性灰分、粗纤维、咖啡 碱、茶多酚、水分等项目的测定。这个方法,可以准确地反映茶叶的优劣与等级。茶叶理 化标准有： gb830687、gb830587、gb830987、gb830887、gb831287、 gb831087、gb830487、 gb831387等。茶叶理化评审的方法主要有色谱法、质 谱法连用、原子吸收分光光度法等分析检测方法。 色谱法又称、 “色谱分析” 5、“层析法” 6 、“色谱分析法” 7，是一种分离和分 析方法，在分析化学、有机化学、生物化学等领域有着非常广泛的应用。色谱法利用不 同物质在不同相态的选择性分配，固定相中的混合物通过流动相的洗脱，不同的物质会 以不同的速度沿固定相移动，最终达到分离的效果。 色谱法常见的检测方法有柱色谱法、 薄层色谱法、 高效液相色谱法、 气相色谱法等。 目前色谱法被广泛应用于茶叶检测中，主要有：茶叶残留农药的检测：张雪波和上官 良敏胶凝渗透色谱净化， 高效液相色谱梯度洗脱定性定量测定茶叶中多菌灵和甲萘威农 药残留量， 回收率达到84.5%103.2%， rsd3.2%4.5%， 多菌灵的检出限为0.1mlg， 甲萘威检出限为0.03mlg 8；茶叶中有机物的提取及测定：张扬、江燕斌、黄少烈和 郑英明采用高效逆流色谱技术从茶叶粗提物中提取高纯度表没食子儿茶素没食子酸酯 ( egcg)的研究， 得到的hplc纯度可达95%9； 以及茶叶指纹图谱的研究方面： 罗一帆、 郭振飞等人利用高效液相色谱法研究广东岭头单枞茶品种的色谱图， 根据图中的相对保 留时间、相对面积、共有峰、重叠率、八强峰和相对总面积等建立了指纹图谱，表明了 利用指纹图谱在广东岭头单枞茶品种的鉴别上是可行的， 也为不同品种不同产地茶叶品 第 1 章 绪论 3 种的鉴别提供了依据10。色谱法虽然具有高灵敏度、高分辨率、高选择性、良好、高效 的重现性等优势，但是由于茶叶中儿茶素等有机物容易在开放的系统中被氧化，因此出 峰时间会因为进样时间的不同而有较大不同，对茶叶产地特征等的研究影响较大；此外 色谱虽然能够准确地鉴别茶叶， 但是昂贵的费用和繁琐的步骤使它不能更加广泛的应用 到茶叶的快速鉴定上。 质谱法是用电场和磁场将运动的离子（带电荷的分子、分子碎片和原子）按其质荷 比分离后进行检测的方法。了解离子的化合物组成就可以由测出离子的准确质量而得 到。 质谱仪种类繁多， 多采用与其它仪器连用的方法进行检测， 如gc-ms主要用于在300 左右能汽化的样品，可以得到较多的质谱信息。300c ? 左右不能汽化的样品与生物大 分子分别采用lc-ms与lc-ms和maldi-tof进行分析，都可以得到分子量信息。还可 以通过测定蛋白质中的氨基酸序列来确定蛋白质物质。 高分辨质谱仪可以提供的化合物 组成式对于结构测定是非常重要的，因此质谱仪的分辨率是一项重要技术指标。质谱法 特别是它与色谱仪及计算机联用的方法，已广泛应用在生化、有机化学、药物代谢、毒 物学、农药测定、临床、环境保护、地球化学、石油化学、宇宙化学、食品化学、植物 化学和国防化学等领域。近年来gc-ms法连用技术在茶叶检测中的应用较为广泛，蒋俊 树、赵彬和周莉运用气相色谱-质谱联用技术对于测定茶叶中农药残留，茶叶样品用加 速溶剂提取，胶凝渗透色谱净化，gc-ms法检测，检测到茶叶中36种农药残留在0.05、 0.2和1.0mg/km11；此外在测定多组分含量中也有应用：王虹、康海宁和陈军辉等人采 用 8 c 反向柱，以10%的甲醇溶液作为流动相等梯度洗脱，在不需要茶氨酸进行衍生化条 件下，采用大气化学电离质谱sim测定茶叶中的茶氨酸的检出限可达 14 100 . 2 g 12；在 茶叶指纹图谱的研究中袁敏、 张铭光和袁鹏等人采用热裂解色谱/质谱法研究茶叶的指纹 图谱，得到同一等级茶叶相关系数0.900，不同等级茶叶的相关系数0.820，反应了 不同等级茶叶的差异，为不同等级茶叶的鉴定提供了依据13。gc-ms需要待测样品是 有机溶液， 不能溶解的有机物一般不能测定； 而且由于有些化合物在加热过程中易分解， 极性太强，需进行酯化处理。 原子吸收光谱法（atomic absorption spectrometry，aas），又称原子吸收分光光度 河北大学理学硕士学位论文 4 法（atomic absorption spectrophotometry，aas）是依据待测元素的基态原子对其共振辐 射的吸收强度来测定样品中该元素含量的一种仪器分析方法。 它是测定痕量和超痕量元 素的有效方法。 它能测定几乎所有金属元素和一些类金属元素， 此法已普遍应用于农业、 冶金、化工、地质、医药卫生及生物等各部门，尤其在食品卫生、环境监测和生物机体 中微量金属元素的测定中，应用日益广泛。原子吸收光谱法是茶叶理化检测的一种常用 方法，主要用于茶叶微量元素含量测定和以此来获取茶叶等级及产的信息。广西贺州市 产品质量监督检验所的莫晓玲采用反萃取-火焰原子吸收光谱法测定茶叶中铅的研究 14；潘慧娟采用原子吸收分光光度法, 以绿茶为对照, 对浙江及部分地区苦丁茶中微量 元素含量进行了测定，结果表明苦丁茶中微量元素的含量与茶叶之间存在显著差异，苦 丁茶之间地域差异不显著，但大叶苦丁茶与小叶苦丁茶之间差异显著，大叶苦丁茶中的 钾、钙、镁、镉元素高于小叶苦丁茶，而铅、铜含量小于小叶苦丁茶15。原子吸收光谱 法检出限低，灵敏度高、分析精度好、仪器简单操作方便、分析速度快、应用广泛。但 是原子吸收光谱法不易进行多种元素同时测定，一些微量元素测定灵敏度较低，而且利 用原子吸收光谱法测定茶叶，样品处理较复杂，影响检测的稳定性和重复性。 综上所述，在茶叶产地信息测定中需要一种兼顾样品处理简单，仪器灵敏度高，测 定准确而且造价低廉等优点的检测方法。 目前红外光谱分析方法是鉴定化合物及其结构的重要方法之一，应用广泛，对样品 要求低（固态，液态和气态；纯物质还是混合物；有机物还是无机物）而且基本无需预 处理，较之色谱技术便于在线分析，对样品无损伤，而且兼有对操作人员的要求不苛刻 等优点。红外光谱是产生于上世纪80年代一门科学。1949年，天体物理学家peter fellgett 在应用干涉仪对来自宇宙天体的光进行了测量中取得了第一张傅里叶变换红外光谱。20 世纪60年代，由于微型计算机能够进行傅里叶变换，商品的傅里叶变换红外光谱仪才出 现。最早将傅里叶变换红外光谱仪应用到茶叶检测方面的是日本，日本在70年代在茶叶 多组分的定量分析中运用近红外光谱分析技术，如吉川聪一郎用近红外光谱仪测定煎 茶、绿茶、乌龙茶中的咖啡因、全氮量、茶多酚、氨基酸的含量。国内关于运用傅里叶 变换近红外光谱仪的报道多是传统的研究运用特定波长确定某种成分的多元回归方程， 同时也有少量的关于含量的测定。浙江大学茶叶研究所的刘蕾等人、中国计量学院的刘 军辉等人运用傅里叶红外光谱仪对茶叶中一些物质含量进行了研究。 傅里叶变换红外光 第 1 章 绪论 5 谱分析技术在茶叶检测中的应用中，多数报道是关于近红外光谱技术的，而傅里叶变换 中红外光谱分析技术在茶叶检测中的报道较少。 近红外光谱技术虽有操作和样品处理简 单等优势，但也存在一些缺陷：灵敏度相对较低，由于近红外光的波长较中红外光长， 因此傅里叶变换光谱仪在近红外光谱区工作时， 近红外光谱区采择点的密度比中红外光 谱区高16，分析结果的准确性依赖于所建模型的质量，需要用标样进行校正对比，此外 样品需求大也是其一大缺陷。 中红外是研究无机物和有机物的重要区域，这是因为中红外17（分子的基频震动光 谱区）区域包含大多数化合物的基频吸收带，因此中红外区可以视为像人的指纹一样的 指纹区。通常所说的红外光谱即指中红外光谱。中红外光谱是指波数在4000400cm-1 的区域，其中指纹区的波数在1300400cm-1，主要是由一些含氢基团的弯曲振动、卤 素原子等的伸缩振动和单键c-o、c-n，及c-c骨架振动产生，其吸收峰不仅多而且复 杂，物质的分子结构略有变化就会引起吸收峰的变化，因此区分化合物就如同根据不同 的指纹区别人一样， 依据吸收峰的的不同区分相应的化合物。 近年来应用红外光谱的 “指 纹鉴别法” 和数学分析法相结合对中药进行鉴定的报道越来越多。 这种将中药学、 数学、 分析化学相结合，利用“指纹鉴别法”对光谱图进行整体考虑的现代红外光谱技术，在 中药的宏观质量控制中扮演着重要的角色18。 我们可以把这一方法运用于茶叶产地信息 的鉴别中。 由于傅立叶红外光谱仪具有取样量小、可以实现快速在线检测、对环境无污染、操 作简便、测试速度快、测试成本低、特征性高、不破坏试样等优点，因此红外光谱可以 作为鉴别茶叶产地信息的重要指标。近几年来， 运用傅立叶变换红外光谱法在鉴别各 种药材及食品真伪等方面报道较多，运用ftir在茶叶产地信息检测中的报道还不太多， 本文就通过对茶叶中红外光谱分析， 利用相似学的曲线分析法寻找茶叶产地与纬度之间 的关系。 1686年牛顿把相似模型在其著作原理中成功运用于工程技术。1818年相似正定 理 （相似不变量存在定理） 首先由法国j.bertrmd提出。1973年贝塔朗菲 （l.v.bertalanffy） 在其著作系统论中指出可以用一般性语言描述在不同学科领域中出现的相似定律。 相似学就是研究自然界中相似规律的学科，相似性存在于自然界很多系统中，而且相似 概念出现在各个不同学科间。动植物学中不同的动植物之间存在相似性；在医学领域不 河北大学理学硕士学位论文 6 同物种间存在相似性；在运动中不同的运动方式有其相应的运动定理，即相似性。系统 相似实质是系统的特性的相似。系统的相似性可以用相似系数来估计，而相似系数可以 用：距离系数、概率相似系数、相关系数、结合系数等来描述。其中距离系数也不是相 似度而是相异度，因为距离系数越大相似度越小。相似度的大小跟相似元的数量和每个 相似元数值大小有关，因此可以用距离系数来确定相似元的大小，可以计算得到系统的 相似度。 相似系统相似度计算公式19为： = + = n i ii uqa nlk n 1 b)(a, )(q (1) 其中),(baq为系统相似度，k、l分别为系统a、b的要素，n为两系统的相似元， 设 i x为第i个相似元， i a为影响系统相似度的每一个相似元的权重值， i q为每个相似元 的值。 当组成相似系统的相似元值平权时 n ai 1 = = + = n i i uq nlk 1 b)(a, )( 1 q (2) 如果每个相似元值1= i q时，则相似度的值就仅有相似元的数量决定，相似度公式 变为： nlk+ = 1 q b)(a, (3) 当相似系统的所有要素都为相似元时1= +nlk n ， 则系统相似度值就仅由相似元值 决定，则相似度公式为： = = n i ii uqa 1 b)(a, )(q (4) 当组成相似系统的相似元值平权时 n ai 1 =，则上式就变为： = = n i i uq n 1 b)(a, )( 1 q (5) 第 1 章 绪论 7 由此可见系统的相似元数量越多、相似元数值越大则系统相似度值越高。1q =则 说明系统间要素组成数量相同，并且要素的特性相同；1q0表示系统间就有相似性， 表明系统间相似度大小；0q =则说明系统间没有相似性。相似学在自然界普遍存在， 而且应用广泛。地球科学、生命科学、生态系统、工程技术、机械系统以及仿生学中都 有巨大的应用价值。许多物理，化学特性就可以在不同系统间构成相似元，我们可以利 用相似学原理解决许多复杂问题20-21。 相似学同样可以应用到曲线相似问题中， 通过对 曲线相似度的研究可以得到曲线所表征物质的相似性。 1.3 本文所做的工作 由于红外光谱图的质量与仪器性能、检测条件和样品制备方法有密切的关系，因此 要得到满意的红外光谱图需要分析仪器、环境及样品制备等方面的影响，根据仪器的种 类、分析的目的和样品的状态选择合适的记录条件和样品制备方法。仪器性能的影响要 注意检测仪器的性能指标和依据正规的仪器使用方法； 此外在样品制备和检测整个过程 中要注意环境温度和湿度的影响，通过比较试验结果确定试验的最佳环境参数，同时在 样品检测和样品制备过程要拒绝水分的影响； 再次样品的制备方法虽然很难引起物质的 化学变化，却可能引起物理变化，如特征吸收带的频率形状和强度等，因此需要分析不 同测量条件对红外光谱的影响，并以最佳参数采集样品光谱数据，通过实验数据分析确 定红外光谱测量的kbr与样品的最佳配比以及样品颗粒大小。 制定茶叶红外光谱的标准 制备检测流程，进而可以对红外光谱测量的规范化、标准化提出建议。 参考相似学系统分析原理中相似度数值计算法即公式（1）以及模式识别中的欧氏 距离，建立红外光谱分析的平均偏离方法。利用matlab编写程序。通过规范化的标准 检测，制备样品并获取样品的标准红外光谱。对茶叶光谱图进行直观分析，由于茶叶的 生物特征（种属、细胞类别和成分等）是相似的，因此茶叶的红外光谱具有相似性，同 时由于不同产区茶叶的生长环境（气候条件、土壤、植被）存在差异，会导致红外光谱 曲线的不同。可以得出平均偏离大小与茶叶产地纬度及海拔高度之间的关系。对重要名 牌茶叶进行系统检测分析，运用数据处理技术挖掘茶叶主题特征因子信息，筛选鉴别茶 叶的差异性特征，构建名牌茶叶原产地特征信息指纹图谱，得到茶叶原产地分布状况， 建立产品供给分布资源模型。 河北大学理学硕士学位论文 8 第 2 章 茶叶的产地信息及傅里叶变换红外光谱仪 2.1 茶叶的产地信息 我国是茶树的故乡，自原始社会就开始采集茶叶、利用茶叶，我国最早有文字记载 的历史，距今已有三千多年22。茶叶历史可以追溯到西汉时期，有史料记载，茶叶作为 饮品是从西汉开始的。三国两晋时代用茶果招待客人已经是一种规矩了。饮茶是在南北 朝时期加以普及的。茶叶在唐朝时已经盛行，真正的将茶叶由饮用、药用变为饮品，而 且由一种爱好、习惯、生理需求升华为真正的中国茶文化、一种境界、升华为一种修养， 进而影响了中国和世界。茶税作为国家财政的重要组成部分是在宋朝开始。花茶在明代 开辟了民间的又一新天地，且有专设的“茶司马”，在明代的对外贸易与军事中茶产业 占有重要的地位。清代一切禁令被政府废除，可以自由种植茶叶，使得茶叶更加普遍， 这便有了所谓的“开门七件事”：油、盐、柴、米、酱、醋、茶。我国茶叶不仅生产历 史悠久而且分布广范，历史中有200多个地区有茶叶种植的记载，遍及19个省。包含有 湖南、湖北、安徽、四川、福建、云南、广东、浙江、江西、广西、贵州、江苏、陕西、 河南、西藏、山东、甘肃、台湾、海南等省市。目前，全国茶园面积最大的是云南省， 而茶叶产量最多的是福建省。水平分布上，南北跨越自东经94至122的15，东西横 跨27，自北纬18至37范围内。地跨北亚热带、南亚热带、中亚热带、中热带、边缘 热带和暖日温带。在垂直分布上，茶树从几十米至2600米的高地。在我国茶叶生产区域 内，日照、雨量、气温、土壤生态等条件差异极大，且地形复杂既有四川盆地、西双版 纳、云贵高原、也有东南丘陵、还有边陲海南。 我国茶叶资源辽阔，根据茶树品种、茶类、土壤气候条件和生产的发展等特点，茶 叶划分采取3个级别，全国性划分的用以宏观指导的一级茶区；各产茶省（区）划分的 用以各省区内进行指导的二级茶区； 以及由各地县划分的用以具体指挥茶叶生产的三级 茶区。国家一级茶区分为4个，即江北茶区、江南茶区、西南茶区、华南茶区。 江北茶区：处于长江与黄河以北地区，是我国最北的产茶区。包括陕西、河南、山 东、甘肃等省和安徽北部、湖北北部、江苏北部等地。茶区气温相对较低，年最低气温 可达零下10左右，年平均气温为1516。降水较少，年降雨量约为7001000mm， 第 2 章 茶叶的产地信息及傅里叶变换红外光谱仪 9 而且分布不均，茶树常年饱受干旱。茶区为中国南北土壤的过渡型，以棕壤和黄棕壤为 主，易出现粘盘层，许多茶区具有较高的酸碱度。尽管如此，由于茶区地形复杂，有具 有良好的微域气候的山区，茶叶质量很好。茶树也以灌木型中叶种和小叶种为主，品种 多为绿茶。茶树种类主要有以下几种：河南信阳的信阳毛尖、河南桐柏县崇山峻岭中的 太白银毫、河南固始县的仰天雪绿、河南光山县杏山竹叶青、陕西西乡县高中山区的午 子仙毫、山西汉江两岸的紫阳毛尖、甘肃的龙神翠竹、山东胶南市的海青锋茶等23。 江南产区：位于长江以南地区，包括浙江、江苏南部、安徽、江西、湖南、湖北、 福建等地。我国茶叶多产于江南产区，该产区不仅茶叶产量高（年产量大约占全国总产 量的23）而且品种繁多，有绿茶、青茶、红茶、花茶以及品质各异的名特茶。该产区 茶叶分布广泛，既有丘陵也有高山。茶区气候适宜种植茶叶，气候四季分明，气温较高， 降水丰富，秋冬季降雨较少。产区的土壤类型以红壤为主，间或以黄壤和棕黄壤为辅， 同时还有少数冲击土。茶树种类多为灌木型中叶种和小叶种，还有部分小乔木型中叶种 和大叶种。其中各省区茶叶品种不同，主要名特茶有浙江省的杭州西湖龙井茶、皖西大 别山茶区的六安瓜片、安徽黄山的黄山毛峰、祈门县的祁红功夫等茶叶、苏南吴县太湖 的洞庭碧螺春、湖北恩施两县的宜红功夫、湖南洞庭山（君山）的君山银针、福建泉州 安溪的安溪铁观音、武夷山的武夷岩茶等23。 西南茶区：位于我国西南地区，包括滇、黔、川和西藏东南地区。其中云贵高原是 我过最早的茶区，是茶树的原产地中心。茶区内多为高原和盆地，地形复杂，气候也因 为海拔不同相差悬殊。茶区土壤以山地红壤、赤红壤和棕壤为主，这些种类的土壤因为 有机质含量较高，适宜茶树生长。茶树种类繁多，有灌木型、小乔木型、乔木型等。茶 叶生产不仅品种繁多，而且有自己的独特品种，有沱茶、紧压茶、普洱茶、同时也有红 茶和部分绿茶、花茶等。主要名优茶有：普洱市的普洱茶、云南南部与西部的滇红、黔 南的都匀毛尖茶等23。 华南茶区：是我国最南端的茶区，包括福建、广东、广西、海南、台湾等省的南岭 以南地区。气温较高，除福建北部、广西北部和广东北部等少数地区外，年平均气温可 达摄氏1922， 冬季最低平均气温为714， 降水丰富， 年降水量为12002000mm， 其中台湾省年降水量常超过2000mm，茶树的生长期也很长。茶区土壤也因为土层深厚、 富含机质、森林覆盖而适宜茶叶生长。茶树品种有乔木、小乔木和灌木等。以红茶、乌 河北大学理学硕士学位论文 10 龙茶最为著名，同时还有花茶、白茶和六堡茶等。主要名优茶有：广西的六堡茶、桂北 的桂花茶、海南五指山的苦丁茶、台湾的台湾乌龙等茶。 2.2 仪器简介 2.2.1 傅里叶变换红外光谱仪的发展历史 1800年，人们在可见光区红光外侧发现了肉眼看不到的红外光（infrared）。1892 年，julius发现了红外光敏感装置，并利用岩盐镜和测温辐射计（电阻温度计），测定 了20多种有机化合物的红外光谱16。最早的红外光谱仪与18世纪末和19世纪初制作成 功，直到第二次世界大战后第一台商用红外光谱仪才研制成功。双光束红外光谱仪出现 于20世纪40年代中期，它们大都采用棱镜作为色散元件，因此称为棱镜式红外光谱仪。 用光栅作为色散元件的光栅式红外光谱仪问世于50年代末期。 由于电子技术的发展以及 对气象和大气污染研究的需要，60年代以来，红外光谱仪得到迅速发展。傅里叶变换红 外测量仪被称为第三代光谱仪，是70年代问世的，它是基于光相干性原理设计的干涉型 红外分光光度计。 2.2.2 傅里叶变换红外光谱仪的构成 在任何光谱技术中， 多色辐射光束必须以某种方式使其每一频率与其它频率区分开 来，以便测量每一频率的强度，或者更精确地说，测量每一分辨元的强度24。色散型红 外光谱仪是采用棱镜或光栅做单色器，因而它属于单通道测量，每次只能测量一个窄波 段的光谱元；而傅里叶变换红外光谱仪不是依据光的折射和衍射而设计的红外光谱仪， 是非色散型光谱仪，使用的干涉仪不是单色器，因而可以同时收集所有频率的信息，可 测量一定的干涉图，根据数学上的傅里叶变换函数的特性，利用计算机将其光源的干涉 图转换成光源的光谱图， 也就是将以光程差为函数的干涉图象变换成以波数为函数的光 谱图。 傅立叶变换红外光谱仪由光源（硅碳棒和高压汞灯）、动镜定镜、分束器、试样插 入、检测器（tgs和pbs）和计算机数据处理系统和记录计组成，如图2-1所示。傅里叶 变换光谱仪与色散型光谱仪的主要区别在于干涉计和电子计算机部分。 其干涉计大多是 迈克尔逊（michelson）干涉仪25。 第 2 章 茶叶的产地信息及傅里叶变换红外光谱仪 11 迈克尔干涉仪的原理图如图2-2所示，光源射出的红外线光束由分束器分成两束： 一束透射过分束器到定镜后反射入样品池到达检测器； 另一束通过分束器反射到达动镜 后再反射与定镜来的光形成干涉光进入样品池和检测器。 由于动镜在不断做地周期性运 动，这两束光的光程差随动镜移动距离的变化呈现周期变化。样品可以吸收某些谱带红 外光，在检测器上便可以得到样品的干涉图谱，这些干涉图谱是动镜移动距离x的函数。 傅立叶变换函数： =dxvxvbv)2cos()(i）（ (1) 其中：b（）入射光强度；i（）是干涉光强度； 为光源频率。对于一个有连 记录计 （fts 变换） 检测器 式样插入 干涉计 光源 电子计算机 图 2-1 傅里叶变换红外光谱仪构成示意图 河北大学理学硕士学位论文 12 续波长多色光，其干涉图可以由上式得到。由傅里叶变换的可逆性，就可以得到光源的 光谱分布。傅里叶变换光谱仪是通过计算机对检测器收集的信号进行函数数据处理，就 可以得到在任何波数的光强， 最终得到与经典红外光谱仪同样的光强随频率变化的红外 吸收光谱图。但傅里叶余弦变换是非常复杂和麻烦的，因此在计算时需要将傅里叶积分 变为加和公式，用电子计算机完成数值的计算。尽管傅里叶变换红外光谱仪由于反射镜 移动只能从几厘米到几米而受限制，但其分辨率也可以达到0.1cm-1。 2.2.3 傅里叶变换红外光谱仪的特点 傅里叶变换红外光谱仪优点主要有：较之色散光谱仪可以收集所有频率的信息，这 样便可以在相同的光源、探测器和光通量的条件下，在一个分辨元的时间内，可测量到 一定的干涉图；多通道可以提高信噪比；在光通量方面较之色散型光谱仪增加光通量， 因为在干涉仪中，除受反射镜尺寸限制外没有其他障碍，首先傅里叶变换红外光谱仪的 扫描速度比色散型仪器要快上数百倍，使得其可以在不到1秒的时间里测得一张低噪音 水平、分辨很好的红外光谱图。其次由于傅里叶红外光谱仪扫描速度快、能量输出大、 信噪比高且噪音可以被平滑处理，因此使它具备较高的灵敏度（可达10-910-12g），即 便是弱辐射和微量组分也可以得到较理想的光谱图。 此外傅里叶变换红外光谱仪还具有 波束精度高（001cm-1）、测定光谱范围宽（10000cm-110cm-1）、杂散光少（001%） 和重复性好（01%）的特点，同时它还可实现tga/ftir、lc/ftir、gc/ftir等技术 联用；还可以通过增加动镜移动距离提高分辨本领16。 常说的红外吸收光谱，便是中红外光谱。至今中红外光谱仪器已经成为了一门历史 悠久，应用广泛且简单、成熟的技术，在这方面的研究资料也多。测定中红外光谱的仪 器有红外分光光度计、非色散红外光度计以及应用较广泛的傅里叶变换红外光谱仪等。 傅里叶变换红外光谱仪可以以样品为光源测量发射谱，也可以以硅碳棒、高压汞灯（用 于远红外区）、卤钨灯、能斯脱灯为光源测量吸收谱或反射谱。中红外光谱由于红外传 感器的发明得以发展。中红外光谱区的红外光谱有很强的特征性，所以本区能准确、快 速的对气体、液体、固体样品做定性、定量分析。即用化学键的特征波数来鉴别化合物 的类型和与标准化合物的红外光谱对比的方法来做分析鉴定，并可用于定量测定，还可 用不同种类高分子材料的鉴别研究等。 第 2 章 茶叶的产地信息及傅里叶变换红外光谱仪 13 2.2.4 傅里叶变换红外光谱仪的应用 由于傅里叶变换红外光谱仪所具有的上述优点，使得其在无论生物学、化学还是物 理学等领域都得到了广泛的应用。尤其在化学领域可以在测定物质含量、结构、观察化 学反应历程，区分同分异构体等方面发挥重要的作用。由于色谱法分离效能很高，但鉴 定能力低，而红外光谱仪在这方面能力强可以互补，达到理想的结果，所以可以和色谱 仪联用分析化工产品。联机方法也有两种：光谱色谱呈脱机结合和光谱色谱呈联机 结合。红外光谱法在合成工业中也发挥重要的作用：由于红外光谱法能够反应分子结构 特征， 因此可以鉴定具有相同元素且不溶的聚合物的未知样品； 检测聚合物链上的端基、 分枝和交链等结构单元；考察聚合物的链结构；研究聚合物反应机理和聚合物的化学反 应；剖析聚合物中的填料和添加剂、定量分析共聚物组成和煤化学结构的研究等。近年 来傅里叶变换红外光谱法在鉴定中药品种、分析重要组成等方面的研究也较为普遍，虽 然茶叶与中药同属植物但也有很大区别，而后者的红外光谱研究还较少。 河北大学理学硕士学位论文 14 第 3 章 茶叶红外光谱测量条件研究 3.1 引言 红外光谱分析技术以其快速、高效、简便等优势已被人们认识和接受，其应用范围 也由物理学扩展到生物学、 化学等学科各个领域中,在科研、 商品检测中及生产中是一个 重要环节。红外光谱分析技术是利用样品内部分子的某些官能团结构，主要是含h化学 键,如chh、sh、nh产生振动、转动状态的变化或能级跃迁导致红外区域光谱 发生变化的信息，因而该谱区信息量大，信号容易获取，通过对该谱区信息的分析可以 反映样品的内部状况和组成结构信息26-27 。 为了得到一张高质量的红外光谱图，除了仪器性能外，很大程度上取决于选择合适 的样品制备方法以及熟练的操作技术28。 此外要想得到满意的实验结果， 还必须依据测 定装置的种类、 样品的状态和分析的目的等条件， 选择最佳的记录条件和样品制备方法。 由于傅里叶红外光谱仪具有相当高的精度，因此对扰动也比较敏感，对机械扫描精度要 求高，动镜要做高精度的匀速直线运动才能保障信号光束干涉图的均匀采样，而且由于 各种因素动镜会同时存在多个方向上的倾斜，导致产生相位误差和调制度误差。此外仪 器光源的稳定性、检测器、环境影响（外界电磁干扰）和电子系统（仪器接地不良等） 等都会带来仪器噪声。环境温度也会影响波长准确性。除了上述因素还有基线漂移等由 仪器本身引起测量误差。 样品的制备方法可能会引起非化学变化的物理变化， 影响特征吸收带的频率强度和 形状，进而导致谱图谱带畸变或基限漂移等。 红外光谱样品制备分为气体、液体（或溶液）和固体三种。对于气体样品可以直接 注入气体池内进行检测，吸收峰的强度可以通过调节池内样品的压力来实现。气体样品 红外光谱的测定最好能与分离能力强而鉴别能力较差的气相色谱连用，达到互补的效 果。液体样品有很多分析方法，分为纯样品技术和含水物质样品制备。对于粘度小、沸 点较高的液体可以涂于两片红外透明的窗片（kbr、nacl等）之间，窗片的互相挤压形 成一个样品薄层； 油状或粘稠液体最简单的方法是直接涂于红外透明的窗片 （kbr、 nacl 等）上测试，沸点较低的液体可以直接注入厚度适当的密封液体池内测试。含水液体样 第 3 章 茶叶红外光谱测量条件研究 15 品的制备也有多种方法主要有：结晶法、吸附压片法、蒸发涂片法、蒸发成膜法、液池 参数法。固体样品通常是以结晶、凝胶、薄膜、无定形、粉末或板等各种各样的形式存 在，所以制备的方法也是多种多样的。其中最简单的方法就是溶液法，但是溶液法可 供选择的溶剂有限而且只能用于纯粹的定性或定量分析，此外，由于溶剂对谱图的影响 会导致吸收谱带形状和位置的改变，很难得到溶质在红外区的完整谱图。粉末法就是 把固体样品放在玛瑙缽研钵中研细，然后悬浮置于易挥发的液体上，在移至盐窗上赶走 溶剂后形成一均匀的薄层，用于测绘。此法由于分散介质在该红外波段有吸收，存在干 扰。糊状法就是在玛瑙研钵中，将干燥的样品研磨成细粉末，然后滴加液体石蜡，使 之混研成糊状，均匀涂于溴化钾或氯化钠晶片上测试。样品的粒度、石蜡油的混合比、 样品层的厚度等的变化，会引起吸收谱带的宽度和强度改变，重复性不好。薄膜法要 求挥发性适当以及样品对于溶剂溶解性好，如果溶剂挥发性低则不易从样膜中去除干 净，如果溶剂较易挥发则会使试样在成膜过程中不透明，此外薄膜法会因为多晶转换现 象而影响谱图的解释，而且在加热去除溶剂时样品可能分解。对于不熔不溶的高聚物 样品如橡胶制品和环氧树脂等可以采取热裂解法。 该法是把不易直接测定的样品变成低 分子量的裂解产物，测定裂解产物来推断样品的结构。裂解法的谱图常常不易解释，所 以该法不常用。对于一些不溶、不熔融又粉碎困难的样品还可以采用全反射光谱法测 定。压片法又叫加压锭剂法，由于碱金属卤化物（溴化钾、氯化钾）在高压下变成可 塑物并且呈现出冷胀现象，在中红外区完全透明；没有溶剂、糊剂的吸收干扰，能一次 完整地获得样品的吸收光谱；散射光的影响较小；压片厚度可通过天平精确控制，因而 在红外光谱的测定上被广泛用于固体样品的调制。本实验所用样品茶叶为固体混合物， 选用压片法较为合适13 29。 现代红外光谱分析的有距离分析、相关分析、人工神经网络等各种方法，依靠样品 间光谱信息的细微差别来对样品进行定量或定性分析的，是一种物理的分析方法，分析 结果的准确性受多种因素影响30-31。 各种数学模型的好坏是红外分析的关键， 而数学模 型的建立要有高质量的光谱数据。 能够在多台同型号红外光谱仪上使用是共享红外信息 资源的重要前提，也是目前红外研究者的首要任务。规范化采样条件，以及最佳参数采 集建模样品光谱数据时能在多台同型号红外光谱仪上使用的基本条件。 本文分析了不同 测试条件对红外光谱的影响，并对红外光谱测量的规范化、标准化提出建议，对红外研 河北大学理学硕士学位论文 16 究具有一定的参考价值。 3.2 实验仪器、材料和方法 3.2.1 实验仪器 thermonicolet380傅立叶红外光谱仪，附带ez omnic软件，美国thermo electron 公司出品， 波数范围： 4004000cm-1， 扫描次数： 16次， 分辨率： 4 cm-1， 检测器： dtgs， 实验环境温度：2027，湿度：305 %。 电热恒温鼓风干燥箱：上海新苗医疗器械制造有限公司dhg-9003bs-型，功率： 650w，温度范围：10200。 磨碎机：北京环亚天元机械技术有限公司rt-08型，转速25000 rpm。 电子分析天平 感量0.1mg。 液压机。 玛瑙研缽、不同目颗粒筛。 3.2.2 原材料 茶叶：洞庭碧螺春，原产地为江苏省吴县太湖洞庭山。 kbr粉末：光谱纯。 3.2.3 样品制备的基本流程 将10g待测标准茶叶样品放置在电热恒温鼓风干燥箱内40下干燥12小时至恒重。 将干燥处理后的待测茶叶放入磨碎机内粉碎90秒， 取出过不同目颗粒筛后收集到干燥密 闭容器备用，取不同质量样品与干燥的溴化钾粉末充分混合并放置于玛瑙研缽内，在红 外灯辐射条件下充分研磨10分钟， 将研磨好的混合物100mg进行压片并测定其红外光谱。 实验时，保持室内的温度和湿度基本一致。简易流程如图3-1所示： 将茶叶样品