同一品牌不同系列卷烟烟气气溶胶的显微红外光谱研究

摘要 ［目的］ 用显微红外光谱测定同一品牌不同系列卷烟的烟气气溶胶，建立快速区分模型。［方法］ 利用显微红外光谱测定同一品牌不同系列卷烟的烟气气溶胶，应用主成分分析（PCA）建立模型，并与传统方法测定的烟气烟碱量、烟气水分、焦油量、一氧化碳量进行比较。［结果］显微红外光谱分析结果显示，H7、H11、H12、B1、B13和B14与其他样本距离较远，与传统方法测定结果基本吻合。［结论］ 显微红外光谱能快速区分同一品牌不同系列卷烟的烟气气溶胶，为卷烟的品质鉴定提供了一种新方法。

关键词 烟气气溶胶；显微红外光谱；主成分分析

中图分类号 TS 41+1  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）24-0154-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.24.034

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on the Microinfrared Spectroscopy of Smoke Aerosols from Different Series Cigarettes of the Same Brand

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

（1.Anhui Provincial Key Laboratory of Aerosol Analysis，Regulation and Biological Effects，Hefei，Anhui 230088;2.Anhui Zhongyan Industry Co.，Ltd.，Hefei，Anhui 230088;3.The Second Affiliated Hospital，Anhui Medical University，Hefei，Anhui 230601;4.School of Basic Medicine，Anhui Medical University，Hefei，Anhui  230031）

Abstract ［Objective］ Based on FTIR microspectroscopy of the smoke aerosols of the same brand from different series of cigarettes，quick differentiation model was established. ［Method］FTIR microspectroscopy was used to determine the smoke aerosols of different series of cigarettes from the same brand.A model was established by using principal component analysis （PCA）. The nicotine content，moisture content，tar content，and carbon monoxide amount in the smoke were compared with the traditional methods. ［Result］FTIR spectroscopy analysis results revealed that H7，H11，H12，B1，B13，and B14 were far away from other samples，which were consistent with the determined results by   traditional methods.  ［Conclusion］FTIR microspectroscopy can quickly distinguish the smoke aerosols from different series of cigarettes of the same brand，which provided a new method for the quality identification of cigarettes.

Key words Smoke aerosol;FTIR microspectroscopy;Principal component analysis

卷烟中所含组分在燃烧过程中经过一系列复杂变化产生数千种化学成分，其中部分挥发性较低的蒸汽通过凝结形成烟气气溶胶^［1-2］。烟气气溶胶的形成是各种动态的化学、物理、环境和生理现象共同作用的结果。在卷烟燃吸过程中，主流烟气是不断变化的气溶胶体系，是评价卷烟内在质量的主要指标。因此，开展烟气气溶胶的检测分析尤为重要^［3］。

传统的烟气气溶胶检测方法是利用采样器或薄膜对气溶胶颗粒进行收集，然后采用重力沉降、静电吸引、惯性碰撞、截留等方法将气溶胶颗粒按粒径大小从空气中分离出来。烟气气溶胶传统检测方法在收集气溶胶颗粒的过程中无法避免颗粒间的团聚、凝结、碰撞等现象，导致烟气气溶胶颗粒大小和分布状态都有相应改变，从而对测定结果准确性有一定的影响。为改善这一问题，研究工作者利用特殊薄膜将电子显微镜应用于烟气气溶胶颗粒研究中或者将级联撞击器和离心机应用到烟气气溶胶颗粒的检测中。例如，张晓凤等^［4］将大气采样器与光学显微镜、CCD数码相机、光学通道、图像处理系统等组装成一套烟气气溶胶颗粒检测分析系统；沈光林等^［5］利用电子低压撞击器结合气体混合稀释器及轴向稀释器组建了一套烟气气溶胶检测系统，可测量粒径0.007～9.970 μm的烟气气溶胶颗粒。虽然上述检测系统及装置对烟气气溶胶颗粒的检测结果比较准确，但是只能提供粒径大小和浓度的相关信息，无法给出化学成分的相关信息。

傅里叶变换红外光谱仪的出现使红外光谱的应用范围由化学领域扩展到生物医学领域。目前也有少量红外光谱应用于气溶胶研究的报道。张晶等^［6］应用红外光谱比较香烟整体烟气及气溶胶，发现1 230 cm^-1处为酚类化合物C-O伸缩振动峰，1 735 cm^-1处为羧酸中羰基的伸缩振动峰，烟气中CO与CO2特征吸收峰的强度远远高于其他峰，而气溶胶中CO峰消失且CO2峰的强度也大大减弱，提示红外光谱可用于研究香烟烟气的化学变化、组分挥发以及形态聚集等动态变化过程。上述研究表明，红外光谱是一种研究烟气气溶胶的潜在有力工具。

显微红外光谱是红外光谱与显微镜的结合，与普通红外光谱相比具有以下优点^［7-8］：①样品取样少，检测极限为10 ng；②样品制备简单，测量过程对样品没有损伤，可以保持样品原有的晶型和形态。因此，显微红外光谱是研究气溶胶的有力工具^［9］。笔者以显微红外光谱为主要研究工具，研究烟气气溶胶，建立一套比较完善的实验方法学，包括样品前处理方法、红外光谱参数、数据处理及建模等，并在此基础上对安徽中烟工业有限责任公司主要产品普皖（包括26个批次）的烟气气溶胶进行分析，从而为卷烟配方优化及批次质量判断等提供帮助。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验样本与耗材。

试验样本由安徽省气溶胶解析调控及生物效应重点实验室提供，包括不同批次普皖香烟及相应烟气气溶胶。其他耗材有BaF2窗片、EP管（江苏宇力医疗器械有限公司）、一次性医用橡胶检查手套（南京友乐博科学仪器有限公司）、移液器吸头（Biosharp公司）、无水乙醇（国药集团化学试剂有限公司）、去离子水（实验室制备）等。

1.1.2 仪器与设备。IFS77V傅里叶变换红外光谱仪（德国Bruker公司）、Hyperion 2000红外显微镜（德国Bruker公司）、DZF-6020真空干燥箱（上海三发科学仪器有限公司）、JP-040ST超声波清洗机（深圳市洁盟清洗设备有限公司）、SBK-RD-A04全自动实验室超纯水机（东莞思佰康环保科技有限公司）、KDC-120HR高速冷冻离心机（安徽中科中佳科学仪器有限公司）、D3024R高速冷冻离心机（美国赛洛捷克公司）、LabServ移液枪（5～50 μL）（赛默飞世尔科技有限公司）、LabServ移液枪（100～1 000 μL）（赛默飞世尔科技有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 烟气气溶胶剑桥滤片制备及化学成分测定。

不同批次的香烟经全自动转盘式吸烟机（德国伯格瓦特公司）抽吸后（抽吸容量17.5 mL/s，间隔58 s），由92 mm剑桥滤片捕集，最后由气相色谱仪（安捷伦7890A，美国）进行分析。吸烟机每个样品每轮20支，取20支平均值进行分析。其中，烟气气溶胶的一氧化碳量使用吸烟机测定；使用气相色谱仪测定卷烟总粒相物中烟气水分、烟气烟碱量及焦油量。统计抽吸口数，计算单口焦油量。

1.2.2 显微红外光谱测试条件。

将吸附烟气气溶胶的剑桥滤片剪成小块放入10 mL烧杯中，并加入7.5  mL无水乙醇浸没滤片；烧杯置于超声清洗机中，在功率240 W、频率40 kHz下超声6 min后，取上清液并置于-20 ℃下储藏备用；

显微红外光谱测试在国家同步辐射实验室红外谱学与显微成像光束线站应用Bruker傅立叶变换红外光谱仪结合Bruker红外显微镜（型号Hyperion 2000）开展；测量前取出样品分别滴入BaF2窗片，自然烘干后进行显微红外光谱检测。红外显微镜参数如下：光谱分辨率4 cm^-1；扫描范围为4 000～800 cm^-1；扫描次数256次；狭缝大小为200 μm×200 μm。每个样品测定10次，取平均值进行分析。

1.2.3 红外光谱数据处理。

红外光谱图用OPUS 5.5软件处理，包括在一定范围剪切后依次进行基线校正与归一化处理；应用OPUS 5.5 软件标注峰位并比较差异；应用OPUS 5.5软件获取峰位置和峰面积，计算峰面积比值；应用Origin 6.0软件对上述峰面积比值进行比较分析；应用Quasar 1.0.1软件对红外光谱进行主成分分析（PCA）与机器学习；应用Unscrambler X 10.4软件对红外光谱进行PCA，以获得载荷因子图。

2 结果与分析

2.1 烟气气溶胶的烟气检测指标 不同批次新制皖烟的烟气检测指标见表1。

在烟气检测数据中，选择烟气烟碱量、烟气水分、焦油量、一氧化碳量进行主成分分析，以PC1为横坐标，以PC2为纵坐标，结果发现H11和B13与其他批次样本距离较远，提示H11和B13与其他批次样本可能存在差异，如图1所示。

2.2 烟气气溶胶乙醇提取物的红外光谱分析

对新制皖烟烟气气溶胶乙醇提取物进行红外光谱分析，主要峰位及其归属见表2。26个系列新制皖烟烟气气溶胶乙醇提取物的红外光谱无明显差异（图2、3）。

2.3 峰面积比值

为了进一步分析不同批次新制皖烟烟气气溶胶乙醇提取物的红外光谱，选定相应峰并计算峰面积比值，选择的峰面积及相应基线如表3所示。

分别以峰面积比值为横坐标、纵坐标，建立不同批次新制皖烟的烟气气溶胶区分模型，部分结果见图4。从图4a可以看出，其中B2和B3与其他批次样本距离较远，提示B2和B3新制皖烟烟气气溶胶的成分与其他批次样本存在差异。从图4b可以看出，B2、B3、H6与其他批次样本距离较远，提示B2、B3和H6新制皖烟烟气气溶胶的成分与其他批次样本存在差异。从图4c可以看出，B2、H6与其他批次样本距离较远，提示B2和H6新制皖烟烟气气溶胶的成分与其他批次样本可能存在差异。