CN109884261A - 一种基于挥发物成分判别绿茶香型判别的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种检测绿茶中挥发物成分的装置和方法，以飞行时间质谱为基本检测技术，采用正离子模式，利用恒温水浴锅加热促进干茶叶挥发，由载气携带进入质谱检测。分析过程包括两步：1)用灯电离源‑飞行时间质谱在SPI模式和CI模式下测定绿茶芬香中的化合物成分；2)对结果进行PCA分析可快速区分不同香型茶叶。每个样品分析时间为3分钟，无需任何前处理。采用本发明所述的方法可无污染地实现不同香型绿茶的快速、有效鉴别，在顾客购买绿茶时也可提供更详细的信息。

Description

一种基于挥发物成分判别绿茶香型判别的装置和方法

技术领域

本发明属于绿茶鉴别技术领域，具体涉及应用飞行时间质谱技术鉴别绿茶香型的方法。本发明的鉴别方法操作简单、省时，鉴别过程无需应用有机试剂。

背景技术

绿茶是我国五大茶类之一，是历史上最早的茶类。绿茶是不发酵茶，保留了较多鲜叶内的天然物质，按其干燥和杀青方法的不同，一般分为炒青、烘青、晒青和蒸青四种绿茶。不同的炒制方法获得不同的香味，乃至滋味。以安溪铁观音为例。清香型铁观音经过轻发酵，香气淡而缥缈，茶汤口感比较清淡、舌尖略带甜味儿；而浓香型铁观音则采取经烘焙再加工的传统炒制工艺，香味儿浓郁持久，茶汤口味醇厚、香气源长，性在回甘。不同的炒制方法获得不同的绿茶香味及口感，同一类茶也可能有不同的品茶体验，对于茶叶爱好者而言，常会偏好某一种香味却想体验不同口感的绿茶，这便需要一种方法将茶叶按不同的香型再次分类。

此外，香味是绿茶感官审评的八大审评因子之一，不同的制作方法产生不同香型的茶叶。对香型的鉴别不仅可以应用到绿茶鉴别领域，也可拓展到绿茶香料中的选取应用。

飞行时间质谱是一种检测范围宽、扫描速度快且操作省时简便的质谱仪。随着空间聚焦、反射镜、垂直加速及真空调试等技术的提高，飞行时间质谱的分辨率可达到55000。以飞行时间质谱搭建的分析平台广泛应用于生物、环境等领域以测定多肽、多糖、芳香烃等大分子的分子质量和结构分析等。单光子电离源(Single Photo Ionization，SPI)和化学电离(Chemical Ionization，CI)是能量比较低的两种软电离源。SPI作用下，分析物主要获得分子离子；CI作用下则以分子离子为主，但同时也可能使分析物的支链断裂或环上的键断开得到碎片。两者都是与飞行时间质谱衔接良好且应用稳定、广泛的电离源，将两者结果对比可获得到混合分析物中比较全面的信息。

目前绿茶检测所用的方法有近红外光谱、SPME-GC-MS、PTR-MS等，香型检测也以GC-MS为主，这些方法虽然准确性高，但这些方法不仅所需的设备昂贵，维护困难，而且检测用时较长，前处理较繁琐。

本发明使用飞行时间质谱对不同香型的绿茶进行测定，找到一种鉴别绿茶香型的方法，该方法准确有效，点单省时，适合推广使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用飞行时间质谱技术鉴别绿茶香型的方法。本方法通过水浴加热提高干绿茶的挥发性，然后由载气载带进入质谱进行检测，对不同电离模式的结果进行PCA分析，并对比异同。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于挥发物成分判别绿茶香型判别的装置和方法。该装置利用升温的方式增强干茶叶挥发成分的挥发性，利用空气载带的方式，将挥发物载带进样。在放入茶叶前，茶叶承载器应保持载气吹扫的状态，玻璃瓶也预热完毕保持恒温的状态，放入茶叶后立即开始采集数据，观察信号。应注意预先加热茶叶承载瓶，保持恒温不变，并保证装置气密性良好。

进样管应为金属毛细管，并且通过对其表面缠加热带等方式使其保持较高的温度，以去除挥发物残留带来的影响。根据目标分析物的沸点等物理性质设定保温温度，根据《绿茶感官审评方法GB/T 23776-2009》中的检测方法，本发明设置保温温度为70℃。

利用SPSS及SIMCA软件对数据进行特异性和聚类分析，可对不同茶叶进行简单香型区分，并可对比两种电离方式。

包括样品气体进样系统、电离源及飞行时间质量分析器，

所述样品气体进样系统包括密闭的茶叶承载瓶，一与载气源相连的载气管路伸入至茶叶承载瓶内部；伸入至茶叶承载瓶内部的载气管路出口处于茶叶承载瓶中下部，于茶叶承载瓶上端设有出气口，出气口经进样管与电离源的电离区相连通；绿茶挥发物经电离源电离后的产物进入飞行时间质量分析器中进行检测；

茶叶承载瓶置于一加热装置的加热区内；进样管外壁面上缠绕有防止进样管吸附挥发物的电加热带或电加热丝。

所述加热装置为恒温水浴锅；载气管路上设有气体流量计。

电离源包括从上到下依次设置的真空紫外灯(VUV灯)、中部带通孔的板状灯头电极、中部带通孔的板状推斥电极、中部带通孔的板状聚焦环、中部带通孔的板状聚焦电极和中部带通孔的板状Skimmer；

采用所述装置，载气管路与载气气源连接，由流量计控制流速；干净载气吹扫置于茶叶承载瓶内的干茶叶，并载带干茶叶的挥发物由进样管进入电离源的电离区；

VUV灯发射光子，光子与分析物分子碰撞生成产物离子；在灯头电极和推斥电极之间的电压差形成的电场的作用下运动；由于离子束会发生空间发散，所以设置聚焦环和聚焦电极对离子束矫形，最后通过Skimmer进入飞行时间质量分析器。

所述质谱电离源，用于实现干茶叶挥发物的电离，得到带电离子。本方法采用单光子电离(Single Photo Ionization，SPI)和化学电离(Chemical Ionization，CI)两种方式，通过改变灯头电极和推斥电极的电压差实现两种电离方式的电压条件切换；

将干绿茶盛放在容器中，利用载气载带挥发物进入质谱中进行分析。在放置干茶叶前预热茶叶承载玻璃瓶，在加入干茶叶后立即开始采集数据。根据仪器稳定性和挥发物稳定性设定采集时间。

设置电压参数见表1，通过改变灯头电极和推斥电极的电压差实现两种电离方式的电压条件切换。

表1电压参数表

本方法的优点如下：

1.与GC-MS检测法相比，本方法无需任何化学试剂，没有环境污染的风险，且每个样品仅需3min，可大幅减少检测时间；

2.与固相微萃取等其他前处理方式相比，本方法值采用加热提高干茶叶挥发性的方式，可节省成本并缩短实验时间，省时且便捷；

3.本方法还可以根据试剂需要应用至迁移谱等其他检测器中。

附图说明

图1为本发明的装置图

图2为本发明中茶叶承载瓶的细节图

图3为在CI模式下四种香型的PCA模型

图4为本发明在SPI模式下四种香型的PCA模型

具体实施方式

实施例

本发明利用SPSS及SIMCA软件对数据进行特异性和聚类分析，可对不同茶叶进行简单香型区分，并可对比两种电离方式。

包括样品气体进样系统1、电离源2及飞行时间质量分析器3，所述样品气体进样系统1包括密闭的茶叶承载瓶6，一与载气源相连的载气管路4伸入至茶叶承载瓶6内部；伸入至茶叶承载瓶6内部的载气管路4出口处于茶叶承载瓶6中下部，于茶叶承载瓶6上端设有出气口，出气口经进样管5与电离源2的电离区相连通；绿茶挥发物经电离源电离后的产物进入飞行时间质量分析器3中进行检测；

茶叶承载瓶6置于一加热装置的加热区内；进样管5外壁面上缠绕有防止进样管吸附挥发物的电加热带或电加热丝。

所述加热装置为恒温水浴锅7；载气管路4上设有气体流量计8。

电离源2包括从上到下依次设置的真空紫外灯(VUV灯)10、中部带通孔的板状灯头电极11、中部带通孔的板状推斥电极12、中部带通孔的板状聚焦环13、中部带通孔的板状聚焦电极14和中部带通孔的板状Skimmer15；

采用所述装置，载气管路4与载气气源连接，由流量计8控制流速；干净载气吹扫置于茶叶承载瓶6内的干茶叶，并载带干茶叶的挥发物由进样管5进入电离源2的电离区；

VUV灯发射光子，光子与分析物分子碰撞生成产物离子；在灯头电极11和推斥电极12之间的电压差形成的电场的作用下运动；由于离子束会发生空间发散，所以设置聚焦环13和聚焦电极14对离子束矫形，最后通过Skimmer15进入飞行时间质量分析器3。

所述质谱电离源2，用于实现干茶叶挥发物19的电离，得到带电离子。本方法采用单光子电离(Single Photo Ionization，SPI)和化学电离(Chemical Ionization，CI)两种方式，通过改变灯头电极和推斥电极的电压差实现两种电离方式的电压条件切换；

将干绿茶盛放在容器中，利用载气载带挥发物进入质谱中进行分析。在放置干茶叶前预热茶叶承载玻璃瓶6，在加入干茶叶后立即开始采集数据。根据仪器稳定性和挥发物稳定性设定采集时间。

设置电压参数见表1，通过改变灯头电极和推斥电极的电压差实现两种电离方式的电压条件切换。

本方法基于以下实验实现：

1.仪器与材料

1.1仪器与软件

自制SPI-CI TOFMS，恒温水浴锅，铁架台及顶空玻璃瓶，加热带及加热控制板；SIMCA，SPSS，origin，自编文件类型转换文件，自编峰面积积分软件。

1.2样品

实验样品包括西湖龙井、谢裕大、蒙顶山等不同种类的绿茶共计31种绿茶，分别为栗香型10种，嫩栗香型9种，熟栗香型6种及嫩香型6种，见表2。

表2样品编号及香型

2.方法

2.1茶样处理

①收集多种绿茶，并由评茶师根据《绿茶感官审评方法GB/T 23776-2009》对多种绿茶样品进行香型分类，最终得到栗香型绿茶9种，嫩栗香型绿茶8种，熟栗香型绿茶6种，嫩香型绿茶6种；

②将绿茶用透明密封袋密封，保存于4℃的冰箱中待测；

2.2实验步骤

①用加热带包裹进样毛细管，设置温度为70℃；

②启动仪器，加载高压光电离源-电离源-飞行时间质谱SPI模式下各部件电压；

③设置恒温水浴锅温度为70℃，将顶空吹扫玻璃瓶置于其中预热10分钟；

④测试仪器稳定性：将10mL/min的1ppm的Benzene-Toluene-Xylene混合气经990mL/min的经净化装置的空气稀释后，通入高压光电离源-电离源-飞行时间质谱中，采集10s，获得BTX全谱图。采集3次谱图后关闭测试仪器稳定性气路；

⑤测试空瓶背景：用100mL/min经净化器的空气吹扫顶空吹扫玻璃瓶，设置采集时间为3min，采集空瓶背景的谱图，连续采集3张；

⑥称取200m_g绿茶样品于玻璃瓶中，用经净化器的空气以顶空吹扫的方式载带绿茶芬香进入仪器中，设置采集时间为3min采集绿茶芬香的谱图；

⑦测试完毕后再次测试仪器稳定性，步骤同④；

⑧加载CI模式下各部件电压，然后进行操作⑤和⑥，得到CI模式下谱图；

2.3数据处理

将得到的信号强度-质量数的.TOF文件通过Matlab编程转换成信号强度-质量数的.TXT文件，再通过自编的峰面积积分软件转换成峰面积-质量数的.TXT文件；将各茶叶样品的数据整合为Excel表，导入SPSS软件，对所有的检出峰进行显著性筛选；最后将具有显著性的峰选出，整合为Excel表，导入SIMCA-p 11.5，选择PCA模型。通过软件的自动拟合建立PCA模型。CI的PCA模型共有四个主成分，主成分1和主成分2的R²＝0.956；SPI的PCA模型共有三个主成分，主成分1和主成分2的R²＝0.997。

Claims (6)

1.一种检测绿茶中挥发物成分的装置，包括样品气体进样系统(1)、电离源(2)及飞行时间质量分析器(3)，其特征在于：

所述样品气体进样系统(1)包括密闭的茶叶承载瓶(6)，一与载气源相连的载气管路(4)伸入至茶叶承载瓶(6)内部；伸入至茶叶承载瓶(6)内部的载气管路(4)出口处于茶叶承载瓶(6)中下部，于茶叶承载瓶(6)上端设有出气口，出气口经进样管(5)与电离源(2)的电离区相连通；绿茶挥发物经电离源电离后的产物进入飞行时间质量分析器(3)中进行检测；

茶叶承载瓶(6)置于一加热装置的加热区内；进样管(5)外壁面上缠绕有防止进样管吸附挥发物的电加热带或电加热丝。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述加热装置为恒温水浴锅(7)；载气管路(4)上设有气体流量计(8)。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

电离源(2)包括从上到下依次设置的真空紫外灯(VUV灯)(10)、中部带通孔的板状灯头电极(11)、中部带通孔的板状推斥电极(12)、中部带通孔的板状聚焦环(13)、中部带通孔的板状聚焦电极(14)和中部带通孔的板状Skimmer(15)。

4.一种检测绿茶中挥发物成分的方法，其特征在于：采用权利要求1-3任一所述装置，载气管路(4)与载气气源连接，由流量计(8)控制流速；干净载气吹扫置于茶叶承载瓶(6)内的干茶叶，并载带干茶叶的挥发物由进样管(5)进入电离源(2)的电离区；

VUV灯发射光子，光子与分析物分子碰撞生成产物离子；在灯头电极(11)和推斥电极(12)之间的电压差形成的电场的作用下运动；由于离子束会发生空间发散，所以设置聚焦环(13)和聚焦电极(14)对离子束矫形，最后通过Skimmer(15)进入飞行时间质量分析器(3)。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

所述质谱电离源(2)，用于实现干茶叶挥发物(19)的电离，得到带电离子。本方法采用单光子电离(Single Photo Ionization，SPI)和化学电离(Chemical Ionization，CI)两种方式，通过改变灯头电极和推斥电极的电压差实现两种电离方式的电压条件切换；

将干绿茶盛放在容器中，利用载气载带挥发物进入质谱中进行分析。在放置干茶叶前预热茶叶承载玻璃瓶(6)，在加入干茶叶后立即开始采集数据。根据仪器稳定性和挥发物稳定性设定采集时间。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：设置电压参数，通过改变灯头电极和推斥电极的电压差实现两种电离方式的电压条件切换。