片烟中化学成分检测方案(近红外光谱仪)

美国 BRIMROSE 公司 AOTF/NIR中国总代理&技术支持中心--济南金宏利实业有限公司 美国 BRIMROSE公司LUMINAR 5030 便携式AOTF-NIR 光谱仪 片烟检测 济南金宏利实业有限公司 烟草行业目前状况： 目前，烟草行业尚没有直接无损检测片烟化学成分的方法。实验室常规检测仪器分析片烟化学成分需要对片烟进行烘干、研磨、浸提和检测多个步骤，检测完后，被检测的片烟将不复存在。该方法分析时间长，需要对样品进行复杂的处理，消耗大量的试剂，不同的指标要不同的通道进行测试。 AOTF-NIR检测方案： 采用 Luminar 5030便携式近红外光谱仪直接对片烟扫描，进行无损检测，几分钟就可快速得到片烟的烟碱、总糖、还原糖、钾和氯等各指标的检测结果。 三. 目的： 不需要对片烟进行复杂的处理，实现直接对片烟各种成分的快速无损检测，寸节省时间、降低成本、增加效益。 四. 意义： 根据国家局有关文件精神，卷烟企业逐步取消打叶线，原料的使用和储运均采用片烟方式，为了更好的适应今后的发展，在线检测和库存烟叶的养护中方便快捷的检测，建立片烟近红外检测模型具有非常重要的意义。可以将检测移动到陈化现场进行，这大大提高了工作效率，节省了大量人力。近红外检测快速的特点又提高了检测结果的时效性，可以很好的利用检测结果来指导生产。 五. 仪器条件和样品处理： 仪器：美国 BRIMROSE 公司产的 Luminar 5030 型便携式 AOTF 技术近红外光谱仪，主要部件包括：光学部分、控制部分、电源适配器、笔记本电脑。仪器波长范围为 1100nm 到2500nm， 2nm 的波长增量，扫描次数为100，采用 InGaAs 检测器。挪威 CAMO 公司 The Unscrambler 分析软件。 样品：不同产区不同年度的片烟样品。 六、 测量方式： 扫描光谱时，手持仪器的手柄将光学探头对准片烟样品上的采样点进行。然后将多次采集的光谱平均为1张光谱，以该张光谱作为这个片烟样品的光谱。光谱数据的采集，在陈化车间现场进行，扫描模式设为“Ratio mode”，因为这种方式可以有效地扣除背景变化带来的影响。现场建模能够将各种背景变化因素建入模型中，有利于增强模型对现场环境适应能力。 图3-1.陈化车间现场检测 图3-2.小包装片烟的检测 片烟近红外检测取样点的确定： 与烟叶叶片采样点办法相似，取-包片烟从俯视面(如图3-3所示)取多点采集光谱。 图3-3.片烟测样点示意图 然后平均点光谱，命名为P，例如P5为①⑤⑧(11(15)的平均光谱， P6为①⑤⑦⑨(11)(15)的平均光谱，等等，具体情况见表3-1： 表3-1 平均光谱编号 光谱采样点 P1 P5 ①⑤⑧(11)(15) P6 ①⑤⑦⑨(11)(15) P7 ②④⑥⑧①(12(14 P8 ②③⑤⑦⑨(11)(13)(15) P9 ①③⑤⑥⑧①(11(13(15 P10 ②③④⑥⑦⑨①(12(13(14) P11 ①③⑤⑥⑦⑧⑨①(11(13)(15) P12 ①②③④⑥⑦⑨①(12)(13)(14)(15) P13 ①②③④⑥⑦⑧⑨①(12)(13)(14)(15) P14 ①②③④⑥⑦⑧⑨①(11)(12)(13)(14)(15) P15 ①②③④⑤⑥⑦⑧⑨①(11)(12)(13)(14)(15) 选取具有代表性烟叶片烟样品8个，居于中间位置的平均光谱情况如表3-2： 表3-2 平均光谱编号 居于中间的次数 P1 1 P5 0 P6 2 P7 0 P8 0 P9 4 P10 4 P11 1 P12 4 P13 8 P14 11 P15 13 由表3-2可见，从P9开始于于光谱中心的次数有一个突变，此后，增加不明显，为了便于操作和减少误差引入，选9点作为光谱采集模式，定位方法如图3-4所示，采用等分线交叉定位法，即将片烟样品的整个表面进行横向和纵向的四等分，等分线的9个交叉点即为9个采样点的位置。 图3-4.片烟表面采样点定位示意图 七、 片烟模型的建立 1.片烟的原始吸收光谱图 图3-5是用多点扫描求平均的方法得的典型的片烟原始吸收光谱图。图中片烟样品光谱的排列比较紧密，光谱与光谱之间的相似性较强，采集到的光谱信息量大，由于每个片烟采集了9个点的光谱，使得平均后的光谱比较具有代表性。 图3-5.片烟样品的原始吸收光谱 2.光谱数据的预处理 在建立模型前，首先需对扫描得到的原始吸收光谱进行光谱预处理，以消除噪音和基线的影响。我们采用的预处理方法为一阶导数9点平滑(savitzky-golay 法)。一阶导数处理可以很好的消除样品由于颜色差别引起的光谱基线偏移和漂移。 图3-6.片烟样品的一阶微分光谱图 电话：0531-88908933/88028728/88908915 3.3烟叶片烟近红外检测模型 将经过预处理后的光谱数据与片烟样品中的总糖等化学成分的基础数据进行关联，采用偏最小二乘法(PLS1)，交叉一验证法 (cross-validation)，用TheUnscrambler 定量分析软件建立模型。光谱和化学值异常值 (outlier)分别采用光谱影响值 Leverage 和化学值误差 Residual 这两个统计量来检验剔除。经过异常值的剔除进行逐步优化，最后得到了理想的校正模型。所得的烟草总烟碱、总糖、还原糖、钾和氯的 PLS1 回归模型图如图3-7~图3-11所示。 图3-7.片烟的 NIC 模型 图3-8.片烟的TS模型 13型 图3-9.片烟的RS 模型 图 3-10.片烟的K模型 cl24.(Y-var，PC)： (cl，24) 图3-11.片烟的CL模型 八、 结果： 由以上烟叶片烟样品各个指标的模型中可以看出，每个模型均有非常好的线性关系，各项指标的相关性R'都在0.94以上。建立模型的样品足够多，各指标的数据梯度分布也比较好，因此，可得到很好的验证偏差。这充分说明AOTF近红外技术用于片烟样品快速检测的方案是可行的。 表3-3.片烟模型参数汇总表 模型 主成分数 相关性 验证偏差 Nic 19 0.9729 7.13% Ts 12 0.9707 3.98% Rs 16 0.9592 4.21% K 20 0.9640 0.108 Cl 24 0.9476 0.037 九、 应用情况： 2006年已成功用于烟叶片烟陈化车间检测片烟化学成分，为烟叶片烟的陈化过程随时提供数据支持。 图3-12片烟陈化车间的现场检测 通过实践证明， AOTF-NIR 技术可以应用于现场片烟化学成分含量的快速检测。陈化中的片烟是以打包的形式存放的，其中的样品均一性比较差，如何才能取得对每包样品具有代表性的光谱非常重要。本实验中使用9点扫描取平均的方法采集光谱，又采用等分线交叉定位法对9个点进行精确定位，比较全面的代表了一个片烟样品的全面信息。测试中采用的是 AOTF 便携式近红外仪器，可以将检测移动到陈化现场进行，这大大提高了工作效率，节省了大量人力。近红外检测快速的特点又提高了检测结果的时效性，可以很好的利用检测结果来指导生产。 露泄勿请 http：//www. jhlsoft. com www. jhlaotf. com 址：济南历城区洪楼西路电话：真：_mail： jinhongliohu. comhttp：//www. jhlsoft.com www. jhlaotf. com