CN106526053A - 一种利用hs‐imr‐ms快速评价烟草在制品质量一致性的方法 - Google Patents

一种利用hs‐imr‐ms快速评价烟草在制品质量一致性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用HS‑IMR‑MS快速评价烟草在制品质量一致性的方法，利用顶空进样器与IMR‑MS快速获取烟草在制品中各挥发性物质离子的响应值，绘制合格品平均质谱指纹图谱，结合相似度分析，对比合格阈值，来实现待测烟草在制品与合格品之间质量一致性的快速评价。本发明的有益效果是：将顶空进样器与IMR‑MS串联，使其集样品采集、进样、分析为一体，用于烟草在制品质量优劣进行分析判别，是一种操作简便、客观高效、无需前处理的快速分析方法；简单实用，便于推广，可实现将烟草挥发性成分分析数据用来指导烟草在线生产质量控制工作。

Description

一种利用HS‐IMR‐MS快速评价烟草在制品质量一致性的方法
技术领域
本发明涉及烟草质量评价技术领域，特别是一种利用HS‐IMR‐MS(顶空‐离子分子反应质谱)快速评价烟草在制品质量一致性的方法。
背景技术
烟草在制品是指卷烟加工过程中的烟草制品，包括加工过程中的叶片、叶丝、梗丝、配方烟丝等。烟草在制品是加工过程中各种形态的烟草，化学成分非常复杂，其挥发性成分对卷烟的内在品质及风格特征具有决定性作用。对烟草在制品挥发性成分的分析，可以为工艺和调香技术人员提供技术依据，对卷烟品牌的研发和维护具有重要意义。
目前，各卷烟生产企业对烟草在制品的质量控制主要通过外观检测和感官评吸进行。其中感官评价法需要把烟叶等制成卷烟，较繁琐耗时，且感官评吸主观性强，评吸结果会因人、因环境而异，结果准确性难以保证。
针对现有烟草在制品质量评价中存在的问题，仪器分析手段逐渐被用于烟草在制品的质量控制研究。目前，对烟草在制品进行分析前，较为常见的处理方法有顶空、水蒸气蒸馏、同时蒸馏萃取、加速溶剂萃取、固相微萃取等。其中顶空技术具有操作简单，灵敏度高，能较好保证烟草原有风格特征、不易造成挥发性成分损失的优点。
在烟草在制品挥发性成分分析方面，常用到的仪器则包括气相色谱、气相色谱‐质谱联用、全二维气相色谱‐质谱联用等。然而，由于烟草挥发性成分较为复杂，以上仪器要在短时间内测定所有挥发性组分，几乎是不现实的。
因此，针对现有烟草在制品质量控制过程中存在的耗时、需前处理、评价标准主观性强等问题，有必要利用新型分析仪器，研究开发出更适宜的烟草在制品质量控制技术和方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种操作简便、客观高效、无需前处理、利用HS‐IMR‐MS快速评价烟草在制品质量一致性的方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种利用HS‐IMR‐MS快速评价烟草在制品质量一致性的方法，利用顶空进样器与IMR‐MS(离子分子反应质谱)快速获取烟草在制品中各挥发性物质离子的响应值(cps)，绘制合格品平均质谱指纹图谱，结合相似度分析，对比合格阈值，来实现待测烟草在制品与合格品之间质量一致性的快速评价。
所述的一种利用HS‐IMR‐MS快速评价烟草在制品质量一致性的方法，包括以下步骤：
S1、样品的准备；
准备至少10批合格的同一种烟草在制品；另外准备好对应的待测烟草在制品；
精确称量上述合格品及待测样品各0.30g置于密封的20mL顶空瓶中，将空白对照瓶、合格品瓶及待测样品瓶按顺序放置于顶空进样器进样盘上，并于每两个样品间插入空白顶空瓶，用于间隔空吸，清除管道残留；
S2、HS‐IMR‐MS仪器分析条件设置，包括以下子步骤：
S21、顶空自动进样器分析条件如下：
样品平衡温度：50℃‐150℃，定量环温度：50℃‐150℃，传输线温度：50℃‐150℃；
定量环体积：1mL；样品平衡时间：2min‐30min；加压时间：0.2min；环路充装时间：0.2min；环路平衡时间：0.05min；进样时间：1min；
S22、IMR‐MS分析条件如下：
打开IMR‐MS系统并预热48小时以上，在IMR‐MS工作站中设置Single Masses方法，并在该方法中进行如下参数设置：
于扫描离子清单中添加质量数为16‐500的各个扫描离子，设置每种离子：扫描时间：50ms‐500ms；质谱采样压力：35mbar；电离试剂：Xe，试剂电离能：12.13eV，或电离试剂：Kr，试剂电离能：14.00eV；分辨率：1amu；样品循环扫描次数：5次；
S3、合格品平均质谱指纹图谱获取；
计算合格品各离子五次扫描结果的平均值，并扣除空白对照中对应离子平均值，即得合格品各离子的响应值；以各离子的响应值和相应质量数作图，得到合格品的质谱指纹图谱；经过多批次(≥10批)合格品重复测试，确定出该烟草在制品平均质谱指纹图谱；通过平均质谱指纹图谱可直观了解烟草在制品所含离子质量数，质谱图中每一个离子的响应值来源于不同化合物的分子离子或碎片离子在该质量数处的强度之和；
S4、确定相似度合格阈值；
将各合格品质谱指纹图谱以及平均质谱指纹图谱数据导入SPSS统计分析软件，利用双变量相关分析，采用皮尔逊相关系数法计算各合格品的质谱指纹图谱与平均质谱指纹图谱之间的相似度，根据其中最低相似度确定该烟草在制品的合格阈值，定义合格阈值为小于最低相似度2％；
S5、待测样品鉴定；
按照步骤S3，得到待测样品的质谱指纹图谱，计算出该样品和合格品平均质谱指纹图谱的相似度，对比合格阈值，对待测样品质量进行评价，如相似度计算值低于合格阈值，其质量与合格品表现不一致，判定为不合格样品。
所述的步骤S21中，样品平衡时间：5min。
所述的步骤S22中，样品平衡温度：80℃，定量环温度：100℃，传输线温度：120℃。
所述的步骤S22中，于扫描离子清单中添加质量数为16‐200的各个扫描离子。
所述的步骤S22中，设置每种离子：扫描时间：300ms。
采用皮尔逊相关系数法计算各合格品的质谱指纹图谱与平均质谱指纹图谱之间的相似度的计算方法如公式1所示：
式(1)中rxy即两图谱的相关系数，x和y代表进行相似度比较的两张质谱指纹图谱，其中xi和yi表示x和y的第i个数据点的响应值，和表示x和y质谱数据的均值。r描述的是两个样品图谱间线性相关强弱的程度，其绝对值越大且越接近于1，两个样品图谱的相似度越高，即两样品质量越一致；其绝对值越小且越接近于0，两个样品图谱相似程度越小，即两样品质量越不一致。
本发明适用的对象包括烟草加工过程中的叶片、叶丝、梗丝、配方烟丝、烟末，本方法也可用于叶片、叶丝、梗丝等的年份、产地的质量差异性研究。
离子分子反应质谱(IMR‐MS)是一种新型软电离质谱技术，其原理是使用具有低能量(10eV‐14eV)的离子束使待测气体分子完全离子化，从而被电四极杆滤质器分离，产生信号。采用IMR‐MS技术，测量过程快速，选择性高且干扰少，选择适合的电离试剂，就可实现对样品全挥发性成分分析。在本发明中，将顶空进样器与IMR‐MS串联，使其成为一种集样品采集、进样、分析为一体的挥发性成分分析技术，就可为烟草在制品质量控制提供一种操作简便、客观高效、无需前处理的快速分析方法。
本发明具有以下优点：
1、选用顶空进样，操作简单，灵敏度高，能较好保证烟草原有风格特征，不易造成挥发性成分损失。
2、采用IMR‐MS分析，选择适合的电离试剂，可实现对样品全挥发性成分分析。
3、采用IMR‐MS分析，分析灵敏度高，干扰少，分析时间短，适合大批量样品分析。
4、通过合格品平均质谱指纹图谱，可直观表征烟草在制品挥发性成分质量数情况，结合相似度合格阈值判定，评价方法简单实用、标准客观，分析过程重复性好，结果稳定准确，可实现将烟草挥发性成分分析数据用来指导烟草在线生产质量控制。
附图说明
图1为本发明实施例1中云烟(紫)配方烟丝合格品平均质谱指纹图谱。
图2为本发明实施例3中云烟(紫)配方烟丝合格品平均质谱指纹图谱。
图3为本发明实施例4中云烟(软珍品)配方烟丝合格品平均质谱指纹图谱。
图4为本发明实施例5中梗丝合格品平均质谱指纹图谱。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步的描述：
实施例1：
一种利用HS‐IMR‐MS快速评价烟草在制品质量一致性的方法，利用顶空进样器与IMR‐MS快速获取烟草在制品中各挥发性物质离子的响应值(cps)，绘制合格品平均质谱指纹图谱，结合相似度分析，对比合格阈值，来实现待测烟草在制品与合格品之间质量一致性的快速评价。
具体包括以下步骤：
S1、样品的准备
分别选取10批于2016年5月‐7月生产的云烟(紫)配方烟丝合格样品，及3批于2016年8月生产的云烟(紫)配方烟丝作待测品进行实验。
精确称量上述10批合格品及3批待测样品各0.30g置于密封的20mL顶空瓶中，将空白对照瓶、合格品瓶及待测样品瓶按顺序放置于顶空进样器进样盘上，并于每两个样品间插入空白顶空瓶。
S2、HS‐IMR‐MS仪器分析条件设置
S21、顶空自动进样器分析条件如下：
样品平衡温度：80℃，定量环温度：100℃，传输线温度：120℃；实际应用中，以上三个温度可根据样品于50℃‐150℃范围选择；
定量环体积：1mL；
样品平衡时间：5min，实际应用中，样品平衡时间可根据样品于2min‐30min范围内选择；加压时间：0.2min；环路充装时间：0.2min；环路平衡时间：0.05min；进样时间：1min；
S22、IMR‐MS分析条件如下：
打开IMR‐MS系统并预热48小时以上，在IMR‐MS工作站中设置Single Masses方法，并在该方法中进行如下参数设置：
于扫描离子清单中添加质量数为16‐200的各个扫描离子，实际应用中，也可根据样品于16‐500质量数范围内选择扫描段；
设置每种离子：扫描时间：300ms，实际应用中，扫描时间也可根据样品于50ms‐500ms范围内选择；质谱采样压力：35mbar；电离试剂：Xe，试剂电离能：12.13eV，实际应用中也可根据测定需求选择电离试剂：Kr，试剂电离能：14.00eV；分辨率：1amu，样品循环扫描次数：5次。
S3、合格品平均质谱指纹图谱获取
计算合格品各离子五次扫描结果的平均值，并扣除空白对照中对应离子平均值，既得合格品各离子的响应值。以各离子的响应值和相应质量数作图，得到合格品的质谱指纹图谱。经过多批次(10批)合格品重复测试，确定出平均质谱指纹图谱。云烟(紫)配方烟丝合格品平均质谱指纹图谱如图1所示。
方法重复性考察
为验证以上测定方法的稳定性，考察了该方法的日内、日间重复性：取第1批待测样品，重复6次上述HS‐IMR‐MS测定步骤，计算第1批待测样品质谱指纹图谱与平均质谱指纹图谱的相似度，考察该方法的日内重复性，结果如表1所示；于5日内，每日重复1次实验，考察该方法的日间重复性，结果如表2所示。表1和表2的结果显示，质谱指纹图谱相似度的相对标准偏差均小于3％，该方法具有很好的重复性和稳定性。
表1HS‐IMR‐MS法的日内重复性考察结果(n＝6)
相关系数(％) r1 r2 r3 r4 r5 r6 平均值 RSD％
1#～平均 98.51 97.26 98.32 98.87 97.81 97.13 97.98 0.70
表2HS‐IMR‐MS法的日间重复性考察结果(n＝5)
相关系数(％) r1 r2 r3 r4 r5 平均值 RSD％
1#～平均 98.32 96.93 98.90 97.96 97.38 97.89 0.77
S4、确定相似度合格阈值
将各合格品质谱指纹图谱以及平均质谱指纹图谱数据导入SPSS 19.0统计分析软件，利用双变量相关分析，计算各合格品质谱指纹图谱与平均质谱指纹图谱之间的相似度，根据其中最低相似度确定云烟(紫)配方烟丝的合格阈值，相似度计算结果如表3所示。由表3可知，第7批合格品质谱指纹图谱与平均质谱指纹图谱具有最低相似度，为96.88％，故确定云烟(紫)配方烟丝的相似度合格阈值为95.0％。
表3合格云烟(紫)配方烟丝质谱指纹图谱与平均质谱指纹图谱相似度
S5、待测样品鉴定
按照步骤(3)，得到待测样品的质谱指纹图谱，计算出待测样品质谱指纹图谱和平均质谱指纹图谱的相似度，对照合格阈值，对待测样品质量进行评价，评价结果如表4所示。由表4可知第1批和第3批待测品相似度计算结果高于合格阈值95.0％，是合格的云烟(紫)配方烟丝，第2批待测瓶相似度计算结果低于合格阈值95.0％，与合格品表现不一致，将其判定为不合格品。
3批待测云烟(紫)配方烟丝鉴定结果与感官评价法的鉴定结果一致，验证了HS‐IMR‐MS法的正确性。
表4云烟(紫)配方烟丝待测品质量判定结果
样品批次 相似度(％) 合格阈值(％) 判定结果
1 97.98 95.0 合格
2 93.24 95.0 不合格
3 96.94 95.0 合格
本方法适用的对象包括烟草加工过程中的叶片、叶丝、梗丝、配方烟丝、烟末，本方法也可用于叶片、叶丝、梗丝等的年份、产地的质量差异性研究。
实施例2
按照实施例1进行实施，并在以下方面做相应调整：
将实施例1中的第1批待测云烟(紫)配方烟丝分别掺入云烟(软珍品)配方烟丝10％，20％，30％，40％(质量分数)，分别标记为1‐A，1‐B，1‐C，1‐D。以1‐A～1‐D作为实施例2的待检测样品进行实验，考察HS‐IMR‐MS法的灵敏度，质量评价结果如表5所示。由表5可知，掺配烟丝质谱指纹图谱与平均质谱指纹图谱的相似度均低于合格阈值，与合格品表现不一致，故判定为不合格品。
表5掺配的云烟(紫)配方烟丝质量判定结果
样品编号 相似度(％) 合格阈值(％) 判定结果
1‐A 94.78 95.0 不合格
1‐B 94.02 95.0 不合格
1‐C 92.56 95.0 不合格
1‐D 89.08 95.0 不合格
实施例3
为考察不同电离试剂对样品检测分析的影响，实施例3按照实施例1的步骤(1)～(3)实施，并在以下方面做相应调整：
在步骤(2)中，IMR‐MS分析条件如下：
打开IMR‐MS系统并预热48小时以上，在IMR‐MS工作站中设置Single Masses方法，并在该方法中进行如下参数设置：
于扫描离子清单中添加质量数为16‐200的各个扫描离子，设置每个离子：扫描时间：300ms，质谱采样压力：35mbar，电离试剂：Hg，试剂电离能：10.44eV，分辨率：1amu，样品循环扫描次数：5次。
由实施例3得到的云烟(紫)配方烟丝合格品平均质谱指纹图谱如图2所示。比较图1和图2发现，两图差异很大，由Xe做电离试剂的质谱图中，主峰包括m/z 18，19，31，37，43，45，60；由Hg做电离试剂的质谱图中，主峰为m/z 37，44，45，而m/z 18(水)的响应信号非常微弱。水分是卷烟生产过程的一个重要控制指标，所以选择Hg做电离试剂时，反映不了样品的真实情况，不宜选择。
为考察本发明对其他烟草在制品分析的适用性，实施例4～5按照实施例1进行实施，并在以下方面做相应调整：
实施例4
实施例4中，分别选取10批于2016年5月‐7月生产的云烟(软珍品)配方烟丝合格样品，及2批于2016年8月生产的云烟(软珍品)配方烟丝作待测品进行实验。IMR‐MS参数设置中，于扫描离子清单中添加质量数为16‐150的各个扫描离子，其余按照实施例1进行实施。合格云烟(软珍品)配方烟丝的平均质谱指纹图谱如图3所示，各合格品质谱指纹图谱与平均质谱指纹图谱相似度计算结果如表6所示，待测云烟(软珍品)配方烟丝质量判定结果如表7所示。
由表6可知，第6批合格云烟(软珍品)质谱指纹图谱与平均质谱指纹图谱具有最低相似度，为95.89％，故确定云烟(软珍品)配方烟丝的相似度合格阈值为94.0％。由表7可知第1批和第2批待测云烟(软珍品)配方烟丝相似度计算结果高于合格阈值94.0％，判定为合格的云烟(软珍品)配方烟丝。此判定结果与感官评价法的结果一致。
表6合格云烟(软珍品)配方烟丝质谱指纹图谱与平均质谱指纹图谱相似度
表7云烟(软珍品)配方烟丝待测品质量判定结果
样品批次 相似度(％) 合格阈值(％) 判定结果
1 97.82 94.0 合格
2 96.14 94.0 合格
实施例5
实施例5中，分别选取10批于2016年4月‐7月生产的同一种梗丝合格品，及2批于2016年7月‐8月生产的该种梗丝作待测品进行实验。IMR‐MS参数设置中，于扫描离子清单中添加质量数为16‐150的各个扫描离子，其余按照实施例1进行实施。合格梗丝的平均质谱指纹图谱如图4所示，各批合格梗丝质谱指纹图谱与平均质谱指纹图谱相似度计算结果如表8所示，待测梗丝质量判定结果如表9所示。
由表8可知，第3批合格梗丝与平均质谱指纹图谱的相似度最低，为96.42％，故梗丝的相似度合格阈值为94.5％。由表9可知第1批待测梗丝相似度值高于合格阈值94.5％，判定为合格梗丝，第2批待测梗丝相似度值低于合格阈值94.5％，将其判定为不合格品。
表8合格梗丝质谱指纹图谱与平均质谱指纹图谱相似度
表9梗丝待测品质量判定结果
样品批次 相似度(％) 合格阈值(％) 判定结果
1 98.26 94.5 合格
2 94.18 94.5 不合格

Claims (7)

1.一种利用HS‐IMR‐MS快速评价烟草在制品质量一致性的方法，其特征在于：利用顶空进样器与IMR‐MS快速获取烟草在制品中各挥发性物质离子的响应值，绘制合格品平均质谱指纹图谱，结合相似度分析，对比合格阈值，来实现待测烟草在制品与合格品之间质量一致性的快速评价。
2.根据权利要求1所述的一种利用HS‐IMR‐MS快速评价烟草在制品质量一致性的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、样品的准备；
准备至少10批合格的同一种烟草在制品；另外准备好对应的待测烟草在制品；
精确称量上述合格品及待测样品各0.30g置于密封的20mL顶空瓶中，将空白对照瓶、合格品瓶及待测样品瓶按顺序放置于顶空进样器进样盘上，并于每两个样品间插入空白顶空瓶，用于间隔空吸，清除管道残留；
S2、HS‐IMR‐MS仪器分析条件设置，包括以下子步骤：
S21、顶空自动进样器分析条件如下：
样品平衡温度：50℃‐150℃，定量环温度：50℃‐150℃，传输线温度：50℃‐150℃；
定量环体积：1mL；样品平衡时间：2min‐30min；加压时间：0.2min；环路充装时间：0.2min；环路平衡时间：0.05min；进样时间：1min；
S22、IMR‐MS分析条件如下：
打开IMR‐MS系统并预热48小时以上，在IMR‐MS工作站中设置Single Masses方法，并在该方法中进行如下参数设置：
于扫描离子清单中添加质量数为16‐500的各个扫描离子，设置每种离子：扫描时间：50ms‐500ms；质谱采样压力：35mbar；电离试剂：Xe，试剂电离能：12.13eV，或电离试剂：Kr，试剂电离能：14.00eV；分辨率：1amu；样品循环扫描次数：5次；
S3、合格品平均质谱指纹图谱获取；
计算合格品各离子五次扫描结果的平均值，并扣除空白对照中对应离子平均值，即得合格品各离子的响应值；以各离子的响应值和相应质量数作图，得到合格品的质谱指纹图谱；经过不少于10批合格品重复测试，确定出该烟草在制品平均质谱指纹图谱；
S4、确定相似度合格阈值；
将各合格品质谱指纹图谱以及平均质谱指纹图谱数据导入SPSS统计分析软件，利用双变量相关分析，采用皮尔逊相关系数法计算各合格品的质谱指纹图谱与平均质谱指纹图谱之间的相似度，根据其中最低相似度确定该烟草在制品的合格阈值，定义合格阈值为小于最低相似度2％；
S5、待测样品鉴定；
按照步骤S3，得到待测样品的质谱指纹图谱，计算出该样品和合格品平均质谱指纹图谱的相似度，对比合格阈值，对待测样品质量进行评价，如相似度计算值低于合格阈值，其质量与合格品表现不一致，判定为不合格样品。
3.根据权利要求2所述的一种利用HS‐IMR‐MS快速评价烟草在制品质量一致性的方法，其特征在于：所述的步骤S21中，样品平衡时间为5min。
4.根据权利要求2所述的一种利用HS‐IMR‐MS快速评价烟草在制品质量一致性的方法，其特征在于：所述的步骤S22中，样品平衡温度为80℃，定量环温度为100℃，传输线温度为120℃。
5.根据权利要求2所述的一种利用HS‐IMR‐MS快速评价烟草在制品质量一致性的方法，其特征在于：所述的步骤S22中，于扫描离子清单中添加质量数为16‐200的各个扫描离子。
6.根据权利要求2所述的一种利用HS‐IMR‐MS快速评价烟草在制品质量一致性的方法，其特征在于：所述的步骤S22中，设置每种离子为扫描时间：300ms。
7.根据权利要求1所述的一种利用HS-IMR-MS快速评价烟草在制品质量一致性的方法，其特征在于：其评价对象包括烟草加工过程中的叶片、叶丝、梗丝、配方烟丝、烟末，所述的方法也适用于叶片、叶丝、梗丝等的年份、产地的质量差异性研究。
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