近红外光谱
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近红外光谱定量分析技术在烟草和 烟气化学成分分析中的研究进展
NIR分析技术
NIR定量分析技术的基本流程
NIR定量分析化学计量学方法
烟草化学成分分析
烟气分析检测
近红外光谱（NIR）
பைடு நூலகம்
NIR 主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向 高能级跃迁时产生的，主要反映的是含氢基团 X-H（如 CH、N-H、O-H 等）振动的倍频和合频吸收。 由于物质中 含氢基团的数量和结构形式不同，其在近红外透射或反射 光谱上产生的光谱信息也不尽相同。 目前，NIR 分析技术已经应用于农业、石化、制药、食品 、临床等众多领域。 该技术能够快速高效地定量或定性分 析样品中的化学组成和物化性质等，已成为各种企业和科 研部门不可或缺的分析手段。
4.烟草化学成分分析
4.1烟草常规化学成分分析检测
早在 20世纪 70 年代，McClure 等利用 NIR 定量分析技术 对烟草中的还原糖含量进行了测定。 Tan等利用多元校准技术对烟草的近红外光谱数据进行预 处理， 建立了烟草中总糖的近红外模型，结果表明该模型 精度高，预测结果准确。 付秋娟等建立了烟草中总挥发碱与NIR 数据的数学校正模 型，并选用未知样品对所建模型进行了检验，结果表明采 用 NIR 分析方法能快速检测烟草中的总挥发碱。 吴玉萍等建立了烟草中的多酚、柠檬酸、苹果酸和石油醚 提取物含量的近红外预测模型，该模型能快速定量分析烟 草中的香气成分。
5.3基于剑桥滤片扫描光谱建模预测
Shreve等模拟了动物对烟气中尼古丁的吸入研究试验，以剑 桥滤片捕集烟气中的尼古丁，将剑桥滤片的近红外光谱数据 以及用 GC 测定的烟气中尼古丁含量进行拟合，建立了卷烟 烟气中尼古丁含量的数学预测模型。
由于直接对卷烟燃烧的最终产物烟气的化学组成进行光谱表 征，其近红外光谱中包含待测烟气化学组分的直接贡献，所 建模型更加准确。此外，该类模型不需使用有机溶剂稀释， 有望用于低含量烟气组分的准确预测，该方法与直接扫描烟 叶粉末方法相比，需要经过卷烟和抽烟过程，需要耗费较多 的时间。
6.展望
NIR定量分析技术在烟草分析领域已得到广泛应 用，对烟草和烟气化学成分的快速检测发挥了重 要作用。NIR定量分析技术在烟草和烟气含量较 高的常规化学成分的快速、准确测定方面展示了 重优势，但在烟草和烟气中含量较低的化学成分 以及烟草化学成分在线分析的研究还很少，今后 这些方面将是 NIR 定量分析技术在烟草行业应用 中的重点研究内容。
5.烟气分析检测
卷烟生产企业必须对生产的卷烟产品进行卷烟 烟气分析，以保证卷烟产品的品质。通常根据 标准方法进行卷烟烟气分析，耗时、费力、耗 费大，而且分析时需要使用有机溶剂，造成环 境污染。如果使用近红外建模预测技术，则可 以在很大程度上减少日常工作量。应用近红外 建模预测技术在进行卷烟烟气检测时，主要采 取3 种建模预测方式。
3.NIR定量分析化学计量学方法
近红外光谱预处理方法
光谱除含有自身的化学信息外，还包含其他无关信息和噪 声，如电噪声、样品背景和杂散光等。 因此，在用化学 计量学方法建立模型前，需要对光谱数据进行预处理，以 减少光谱数据的共线性、扣除背景影响、减小噪声和光谱 的基线漂移等。
光谱数据均值中心化、标准化和归一化 光谱去噪 光谱求导 标准正态变量变换 多元散射校正
1.NIR分析技术的优势
分析对象广泛 无需特别的预处理，分析过程简单 分析效率高 分析成本低，仪器构造简单，易于维护。 典型的无损分析和绿色分析技术 测试结果较少受人为因素的影响，具有较好的 重现性
可实现在线分析
2.NIR定量分析技术的基本流程
（1）样品收集 （2）样品的组成或性质的化学分析 （3）光谱采集 （4）光谱预处理 （5）建立数学校正预测模型 （6）数学校正模型的验证分析 （7）未知样品分析
3.NIR定量分析化学计量学方法
NIR 定量分析的化学计量学算法
用于 NIR 定量分析的化学计量学算法属于多元校正 范畴，一直以来是化学计量学中最活跃的研究方向 之一。现代 NIR 分析技术结合了各种多元校正技术 ， 这是与经典 NIR 分析技术的本质区别之一。
在 NIR 定量分析研究中，通常使用的多元校正算法 有多元线性回归（MLR）、主成分回归（PCR）、 偏最小二乘回归（PLSR）等。
5.1 基于烟叶原料建模预测
Williamson等在辅助材料保持相同的基础上，使用近红外光谱 仪直接扫描烟叶原料，建立了烟叶焦油的产生量与光谱之间的 数学校正模型。 邱军等使用近红外光谱仪直接扫描烟叶粉末，建立了烟气总粒 相物中烟碱含量的预测模型。 利用烟叶原料直接扫描近红外光谱建立数学校正模型，该类方 法操作简单、快速，对于常规的烟叶化学组分的含量具有较好 预测效果；对于采用了标准化的制丝工艺、卷接参数和辅料的 卷烟的烟气成分释放量也能进行准确预测；而对于采用了不同 制丝工艺、不同卷接参数和不同辅料规格等的单等级卷烟和成 品烟则难以实现准确预测。
谢谢
4.烟草化学成分分析
烟草作为天然植物， 含有大量对 NIR 敏感的C-H、 N-H、O-H 等基团，烟草中糖、氮 、碱、焦油及其 他一些质量特征与以上基团密切相关，因此可以使 用 NIR 对这些特征进行定量分析。NIR定量分析技术 已广泛应用于烟草总糖、还原糖、生物碱、总氮、 总挥发碱、总挥发酸和无机元素等的检测中，为烟 草制品质量控制提供了保障。
4.烟草化学成分分析
4.2无机元素分析检测
由于无机元素对 NIR 没有明显吸收，因此一般认为无法使 用 NIR 分析技术对无机元素的分析检测，但进一步的研究 发现，无机盐与近红外光谱间具有衍生的复杂关系。因而 可以通过近红外技术间接地检测无机元素。 国外最先开始研究利用 NIR分析技术测定烟草中的无机元 素。 1986 年 McClure等发表了采用 NIR 分析技术测定无 机元素的研究论文， 研究结果引起了国内一些学者的兴趣 ，一系列基于 NIR 分析技术检测无机元素的研究成果被报 道出来。
5.2基于烟气总粒相物萃取液建模预测
王家俊等采集220个具代表性的烟气总粒相物萃取液的 FTNIR 透射光谱，利用多元校正技术-偏最小二乘法，分别建 立了焦油、烟碱以及一氧化碳的数学校正模型，该模型能同 时测定卷烟焦油、烟碱以及一氧化碳的释放量，具有实际应 用价值。 对于浓度较大的化学组分预测效果较好，但对于浓度较低的 化学组分则得不到较好的预测效果，这是由于萃取剂的使用 使得烟气化学组分的近红外光谱信号被大大降低（3~4 个数 量级）；另外，由于使用了有机萃取溶剂，会产生有机废液 ，污染环境；更为重要的是，在标准方法中，对不同的烟气 组分使用了不同的萃取溶剂，若采用不同萃取溶剂的近红外 光谱建模不利于方法的推广使用。
NIR分析技术
NIR定量分析技术的基本流程
NIR定量分析化学计量学方法
烟草化学成分分析
烟气分析检测
近红外光谱（NIR）
பைடு நூலகம்
NIR 主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向 高能级跃迁时产生的，主要反映的是含氢基团 X-H（如 CH、N-H、O-H 等）振动的倍频和合频吸收。 由于物质中 含氢基团的数量和结构形式不同，其在近红外透射或反射 光谱上产生的光谱信息也不尽相同。 目前，NIR 分析技术已经应用于农业、石化、制药、食品 、临床等众多领域。 该技术能够快速高效地定量或定性分 析样品中的化学组成和物化性质等，已成为各种企业和科 研部门不可或缺的分析手段。
4.烟草化学成分分析
4.1烟草常规化学成分分析检测
早在 20世纪 70 年代，McClure 等利用 NIR 定量分析技术 对烟草中的还原糖含量进行了测定。 Tan等利用多元校准技术对烟草的近红外光谱数据进行预 处理， 建立了烟草中总糖的近红外模型，结果表明该模型 精度高，预测结果准确。 付秋娟等建立了烟草中总挥发碱与NIR 数据的数学校正模 型，并选用未知样品对所建模型进行了检验，结果表明采 用 NIR 分析方法能快速检测烟草中的总挥发碱。 吴玉萍等建立了烟草中的多酚、柠檬酸、苹果酸和石油醚 提取物含量的近红外预测模型，该模型能快速定量分析烟 草中的香气成分。
5.3基于剑桥滤片扫描光谱建模预测
Shreve等模拟了动物对烟气中尼古丁的吸入研究试验，以剑 桥滤片捕集烟气中的尼古丁，将剑桥滤片的近红外光谱数据 以及用 GC 测定的烟气中尼古丁含量进行拟合，建立了卷烟 烟气中尼古丁含量的数学预测模型。
由于直接对卷烟燃烧的最终产物烟气的化学组成进行光谱表 征，其近红外光谱中包含待测烟气化学组分的直接贡献，所 建模型更加准确。此外，该类模型不需使用有机溶剂稀释， 有望用于低含量烟气组分的准确预测，该方法与直接扫描烟 叶粉末方法相比，需要经过卷烟和抽烟过程，需要耗费较多 的时间。
6.展望
NIR定量分析技术在烟草分析领域已得到广泛应 用，对烟草和烟气化学成分的快速检测发挥了重 要作用。NIR定量分析技术在烟草和烟气含量较 高的常规化学成分的快速、准确测定方面展示了 重优势，但在烟草和烟气中含量较低的化学成分 以及烟草化学成分在线分析的研究还很少，今后 这些方面将是 NIR 定量分析技术在烟草行业应用 中的重点研究内容。
5.烟气分析检测
卷烟生产企业必须对生产的卷烟产品进行卷烟 烟气分析，以保证卷烟产品的品质。通常根据 标准方法进行卷烟烟气分析，耗时、费力、耗 费大，而且分析时需要使用有机溶剂，造成环 境污染。如果使用近红外建模预测技术，则可 以在很大程度上减少日常工作量。应用近红外 建模预测技术在进行卷烟烟气检测时，主要采 取3 种建模预测方式。
3.NIR定量分析化学计量学方法
近红外光谱预处理方法
光谱除含有自身的化学信息外，还包含其他无关信息和噪 声，如电噪声、样品背景和杂散光等。 因此，在用化学 计量学方法建立模型前，需要对光谱数据进行预处理，以 减少光谱数据的共线性、扣除背景影响、减小噪声和光谱 的基线漂移等。
光谱数据均值中心化、标准化和归一化 光谱去噪 光谱求导 标准正态变量变换 多元散射校正
1.NIR分析技术的优势
分析对象广泛 无需特别的预处理，分析过程简单 分析效率高 分析成本低，仪器构造简单，易于维护。 典型的无损分析和绿色分析技术 测试结果较少受人为因素的影响，具有较好的 重现性
可实现在线分析
2.NIR定量分析技术的基本流程
（1）样品收集 （2）样品的组成或性质的化学分析 （3）光谱采集 （4）光谱预处理 （5）建立数学校正预测模型 （6）数学校正模型的验证分析 （7）未知样品分析
3.NIR定量分析化学计量学方法
NIR 定量分析的化学计量学算法
用于 NIR 定量分析的化学计量学算法属于多元校正 范畴，一直以来是化学计量学中最活跃的研究方向 之一。现代 NIR 分析技术结合了各种多元校正技术 ， 这是与经典 NIR 分析技术的本质区别之一。
在 NIR 定量分析研究中，通常使用的多元校正算法 有多元线性回归（MLR）、主成分回归（PCR）、 偏最小二乘回归（PLSR）等。
5.1 基于烟叶原料建模预测
Williamson等在辅助材料保持相同的基础上，使用近红外光谱 仪直接扫描烟叶原料，建立了烟叶焦油的产生量与光谱之间的 数学校正模型。 邱军等使用近红外光谱仪直接扫描烟叶粉末，建立了烟气总粒 相物中烟碱含量的预测模型。 利用烟叶原料直接扫描近红外光谱建立数学校正模型，该类方 法操作简单、快速，对于常规的烟叶化学组分的含量具有较好 预测效果；对于采用了标准化的制丝工艺、卷接参数和辅料的 卷烟的烟气成分释放量也能进行准确预测；而对于采用了不同 制丝工艺、不同卷接参数和不同辅料规格等的单等级卷烟和成 品烟则难以实现准确预测。
谢谢
4.烟草化学成分分析
烟草作为天然植物， 含有大量对 NIR 敏感的C-H、 N-H、O-H 等基团，烟草中糖、氮 、碱、焦油及其 他一些质量特征与以上基团密切相关，因此可以使 用 NIR 对这些特征进行定量分析。NIR定量分析技术 已广泛应用于烟草总糖、还原糖、生物碱、总氮、 总挥发碱、总挥发酸和无机元素等的检测中，为烟 草制品质量控制提供了保障。
4.烟草化学成分分析
4.2无机元素分析检测
由于无机元素对 NIR 没有明显吸收，因此一般认为无法使 用 NIR 分析技术对无机元素的分析检测，但进一步的研究 发现，无机盐与近红外光谱间具有衍生的复杂关系。因而 可以通过近红外技术间接地检测无机元素。 国外最先开始研究利用 NIR分析技术测定烟草中的无机元 素。 1986 年 McClure等发表了采用 NIR 分析技术测定无 机元素的研究论文， 研究结果引起了国内一些学者的兴趣 ，一系列基于 NIR 分析技术检测无机元素的研究成果被报 道出来。
5.2基于烟气总粒相物萃取液建模预测
王家俊等采集220个具代表性的烟气总粒相物萃取液的 FTNIR 透射光谱，利用多元校正技术-偏最小二乘法，分别建 立了焦油、烟碱以及一氧化碳的数学校正模型，该模型能同 时测定卷烟焦油、烟碱以及一氧化碳的释放量，具有实际应 用价值。 对于浓度较大的化学组分预测效果较好，但对于浓度较低的 化学组分则得不到较好的预测效果，这是由于萃取剂的使用 使得烟气化学组分的近红外光谱信号被大大降低（3~4 个数 量级）；另外，由于使用了有机萃取溶剂，会产生有机废液 ，污染环境；更为重要的是，在标准方法中，对不同的烟气 组分使用了不同的萃取溶剂，若采用不同萃取溶剂的近红外 光谱建模不利于方法的推广使用。