CN111060642A - 一种对同品种不同产地烟叶分类鉴别的方法 - Google Patents

一种对同品种不同产地烟叶分类鉴别的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对同品种不同产地烟叶分类鉴别的方法，主要包括：对待测烟叶样品进行顶空分析和气相色谱‑离子迁移谱分析，获得三维谱图，比对三维谱图中的特征分析区域，鉴别烟叶种类。该方法将顶空‑气相色谱‑离子迁移谱联用技术用于不同产地烟叶快速分类鉴别，方法分辨率和灵敏度高，分析时间短，且无损、无样品前处理，方法环境友好，实验所用的耗材少，检测成本低，结果直观，适合烟叶样品批量分类鉴别。

Description

一种对同品种不同产地烟叶分类鉴别的方法
技术领域
本发明涉及快速分析检测领域，特别涉及一种对同品种不同产地烟叶分类鉴别的方法。
背景技术
烟叶香气成分是烟叶内在品质的主要内容之一，烟叶中的挥发性和半挥发性成分与香气质量密切相关，烟叶香气品质主要受遗传因素和环境因素影响。在遗传因素相同的情况下，环境因素影响烟叶香气成分的种类、含量和组成比例。同一品种不同产地的烤烟烟叶因环境因素的影响，使其具有不同的香气和挥发性成分，即一个产地区别于另一个产地烟叶的化学组成，这形成了他们各自的指纹特征。
离子迁移谱(IMS)是一种痕量化学物质分析检测技术，它基于气相中不同的气相离子在电场中迁移速度的差异来对化学离子物质进行表征的一项分析技术。IMS检测灵敏度高、响应速度快，在挥发性有机化合物的痕量检测中优势极为突出，适合现场快速检测或分析，检测时间常为毫秒级。但IMS仅靠飘移管对化合物进行分离，分离效果差，不能有效对同品种不同产地的烟叶进行分类鉴别。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中无法有效对同品种不同产地的烟叶进行分类鉴别的问题。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种对同品种不同产地烟叶分类鉴别的方法，包括：
步骤S1，采用顶空方式进样，分别对待测烟叶进行顶空分析处理，获得所述待测烟叶挥发出的挥发性化合物和半挥发性化合物，其中，设定所述顶空分析条件为：孵化温度90℃，孵化时间5min，进样体积200μl，进样针温度95℃；
步骤S2，利用气相色谱-离子迁移谱对经过所述顶空分析处理的待测烟叶进行分析，获得所述待测烟叶对应的三维谱图，其中，设定气相色谱-离子迁移谱分析条件为：色谱柱为多毛细管分离柱，固定相为OV-5，色谱柱温度34℃，进样口温度90℃，载气为高纯氮气，载气流量采用程序升气模式，初始流量6ml/min，保留4min后，于8min时升至150ml/min，150ml/min一直保持至10min，10.5min时流量降至初始流量6ml/min；迁移谱漂移气体流量250ml/min，迁移谱漂移管温度45℃；
步骤S3，对所述三维谱图进行分析，获取特征分析区域，对所述待测烟叶的产地进行分类鉴别。
采用上述技术方案，通过优化设定顶空分析条件和气相色谱-离子迁移谱分析条件，使获得的分析样品的三维谱图更加可靠，能够更加准确地实现定性分析，以对不同产地烟叶进行准确快速分类。并且，该分析方法中不需样品前处理，方法环境友好，检测时间短，灵敏度高，重现性好，且配备多毛细管色谱柱的快速气相色谱分离时间与常规色谱相比大大缩小，可以满足现场快速分析的需要，并且因为同品种不同产地烟叶挥发性和半挥发性化学成分的差异较小，孵化温度低时不足以获得区分彼此的化合物信息，因此本方案采用较高的孵化温度90℃，为防止化合物在进样针冷凝，进校针温度设置成比孵化温度更高的温度。
可选地，步骤S3具体包括：
步骤S31，对所述三维谱图进行优化分析，获取所述挥发性化合物和所述半挥发性化合物的所述特征分析区域，所述特征分析区域能够表征所述待测烟叶的特征；
步骤S32，利用Gallery插件生成以特征分析区域为横轴，所述待测烟叶的样品号码为纵轴的视图库；
步骤S33，通过比对特征分析区域，对测待烟叶的产地进行分类鉴别。
可选地，对待测烟叶的产地进行分类鉴别具体包括：
设定匹配度域值；
分析待测烤烟烟叶的三维谱图的特征分析区域的结果，得到所有待测烤烟烟叶间特征分析区域的整体匹配度值；
将整体匹配度值与匹配度阈值进行比较，鉴别待测烤烟烟叶的产地。
可选地，鉴别待测烟叶的产地具体包括：
若整体匹配度值大于或等于匹配度域值，则待测烤烟烟叶为相同产地；
若整体匹配度值小于匹配度域值，则待测烤烟烟叶为不同产地。
可选地，将整体匹配度值与匹配度阈值进行比较是利用化学计量学评价方法进行的。
可选地，化学计量学评价方法为主成分分析法和/或正交偏最小二乘-判别分析法。
可选地，对待测烟叶的产地进行分类鉴别具体为：
通过比对特征分析区域的出峰情况，鉴别烟叶产地；其中，
若待测烤烟烟叶间的特征分析区域的出峰情况明显不同，则待测烤烟烟叶为不同产地；
否则，则待测烤烟烟叶为相同产地。
可选地，采用型号为FlavourSpec的气相色谱-离子迁移谱设备进行顶空分析处理。
可选地，三维谱图中的信息包括漂移时间、色谱保留时间和粒子响应信号强度。
与现有技术相比的有益效果如下：
本发明提供的对同品种不同产地烟叶分类鉴别的方法，通过优化设定顶空分析条件和气相色谱-离子迁移谱分析条件，使获得的分析样品的三维谱图更加可靠，能够更加准确地实现定性分析，以对不同产地烟叶进行准确快速分类。并且，该分析方法中不需样品前处理，方法环境友好，检测时间短，灵敏度高，重现性好，且配备多毛细管色谱柱的快速气相色谱分离时间与常规色谱相比大大缩小，可以满足现场快速分析的需要，并且因为同品种不同产地烟叶挥发性和半挥发性化学成分的差异较小，孵化温度低时不足以获得区分彼此的化合物信息，因此本方案采用较高的孵化温度90℃，为防止化合物在进样针冷凝，进校针温度设置成比孵化温度更高的温度。
附图说明
图1为本发明一实施例的对同品种不同产地烟叶分类鉴别的方法的流程图；
图2为气相色谱-离子迁移谱(GC-IMS)结构示意图；
图3为云烟87品种烟叶A、B、C三个产区GC-IMS三维谱图；
图4为云烟87品种烟叶A、B、C三个产区19个选定特征分析区域视库图；
图5为A品种烟叶三个产区不同批次样品特征分析区域的OPLS-DA分析第1、2主成分得分图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应注意的是，在本说明书中，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
图1为本发明一实施例提供的对同品种不同产地烟叶分类鉴别的方法的流程图。
本发明实施例提供了一种对同品种不同产地烟叶分类鉴别的方法，包括：
步骤S1，采用顶空方式进样，分别对待测烟叶进行顶空分析处理，获得所述待测烟叶挥发出的挥发性化合物和半挥发性化合物，其中，设定所述顶空分析条件为：孵化温度90℃，孵化时间5min，进样体积200μl，进样针温度95℃；
具体地，同品种不同产地烟叶挥发性和半挥发性化学成分的差异较小，较低的孵化温度低时不足以获得区分彼此的化合物信息，因此本方案采用较高的孵化温度90℃，以获得烟叶中更多的挥发性和半挥发性成分，同时为防止化合物在进样针冷凝，将进校针温度设置成比孵化温度更高的温度孵化温度，因此进样针温度设置成95℃。
步骤S2，利用气相色谱-离子迁移谱对经过所述顶空分析处理的待测烟叶进行分析，获得所述待测烟叶对应的三维谱图，其中，设定气相色谱-离子迁移谱分析条件为：色谱柱为多毛细管分离柱，固定相为OV-5，色谱柱温度34℃，进样口温度90℃，载气为高纯氮气，载气流量采用程序升气模式，初始流量6ml/min，保留4min后，于8min时升至150ml/min，150ml/min一直保持至10min，10.5min时流量降至初始流量6ml/min；迁移谱漂移气体流量250ml/min，迁移谱漂移管温度45℃；
具体地，色谱柱温采用较低的温度更利于化合物的分离，因化合物出峰时间集中在前4min，载气采用较低的初始流速6ml/min保持4min。初如流速也不能过低，过低会造成化合物峰拖尾。
步骤S3，对所述三维谱图进行分析，获取特征分析区域，对所述待测烟叶的产地进行分类鉴别。
该技术方案中，针对烟叶的分析条件进行特别优化，将孵化温度设为90℃，孵化时间5min，进样针温度95℃，色谱柱温度34℃，有利于不同产地烟叶挥发出区别品种的挥发性和半挥发性化合物，并且提高了三维谱图上化合峰的数量，而且还防止了化合物在进样针内产生冷凝，并且将初始流量设为6ml/min，保留4min后，于8min时升至150ml/min，150ml/min一直保持至10min，10.5min时流量降至初始流量6ml/min，本方案采用的升气模式一开始的慢流量便于化合物能更好的分离，后段采用迁移谱漂移气体流量250ml/min，可使系统残留较小，通过这些分析条件的优化设置能够获得获得较好的分析结果。另外，在本实施例中可以选用型号为FlavourSpec的气相色谱-离子迁移谱设备进行顶空分析处理。
其中，步骤S3具体包括：
步骤S31，对所述三维谱图进行优化分析，获取所述挥发性化合物和所述半挥发性化合物的所述特征分析区域，所述特征分析区域能够表征所述待测烟叶的特征；
步骤S32，利用Gallery插件生成以特征分析区域为横轴，所述待测烟叶的样品号码为纵轴的视图库；
步骤S33，通过比对特征分析区域，对所述测待烟叶的产地进行分类鉴别。
其中，三维谱图中的信息包括漂移时间、色谱保留时间和粒子响应信号强度。
进一步地，对待测烟叶的产地进行分类鉴别具体包括：
设定匹配度域值；
分析待测烤烟烟叶的三维谱图的特征分析区域的结果，得到所有待测烤烟烟叶间特征分析区域的整体匹配度值；
将整体匹配度值与匹配度阈值进行比较，鉴别待测烤烟烟叶的产地。
进一步地，鉴别待测烟叶的产地具体包括：
若整体匹配度值大于或等于匹配度域值，则待测烤烟烟叶为相同产地；
若整体匹配度值小于匹配度域值，则待测烤烟烟叶为不同产地。
进一步地，步骤S5中，利用化学计量学评价方法对整体匹配度值与匹配度阈值进行比较。
该化学计量学评价方法为主成分分析法和/或正交偏最小二乘-判别分析法。
也就是说，在采集的三维谱图中选取各品种烟叶的特征信息区域，通过优化，形成能表征该品种烟叶挥发性与半挥发性成分的特征分析区域。对比同品种不同产地烟叶样品的特征分析区域，用软件自带的Gallery插件生成以特征分析区域为横轴，烟叶样品的样品号码为纵轴的视图库，通过观查选定分析区域的出峰情况，即可快速鉴别出同品种不同产地的烟叶。进一步的，可通过Gallery插件对烟叶分析区域进行整体匹配度比较，通过设定匹配度域值来鉴别不同产地的烟叶。进一步的，可对烟叶选定分析区域进行化学计量学评价如主成分分析、正交偏最小二乘-判别分析法等对不同产地烟叶样品进行快速分类鉴别。
在本发明的另一些实施例中，对待测烟叶进行分类鉴别具体为：
通过比对特征分析区域的出峰情况，鉴别出不同产地的烟叶；其中，
若所述特征分析区域的出峰情况大体相同，则为相同产地；
若所述特征分析区域的出峰情况明显不同，则为不同产地。
进一步地，采用型号为FlavourSpec的气相色谱-离子迁移谱设备进行顶空分析处理。且三维谱图中的信息包括漂移时间、色谱保留时间和粒子响应信号强度。
为更好地帮助理解，下面举例对以上方法进行说明。
顶空气相色谱-离子迁移谱(GC-IMS)结构示意图如图2所示；
图中，Drift gas为漂移气体，Carrier gas为载气气体，T1为迁移谱漂移管温度，T2为色谱柱温度，T3为进样口温度，IMS为离子迁移谱仪，EPC1为迁移谱漂移气体流量，EPC2为载气流量，sample为烟叶样品。
实施例一：
1)烟叶样品的制备
称取待分析的烟叶1克，装入20ml的顶空瓶中，一个样品制备3瓶做平行样，压盖密封待测。
2)采用顶空-气相色谱-离子迁移谱(HS-GC-IMS)分析烟叶样品
分析条件如下：
顶空条件：孵化温度：60℃；孵化时间：8min；进样体积：200μl；进样针温度90℃；
气相色谱-离子迁移谱(GC-IM)S条件：色谱柱为多毛细管分离柱(MCC)，固定相OV-5，色谱柱温34℃；进样口温度80℃；载气为高纯氮气；载气流量：采用程序升气模式，初始流量6ml/min，保留4min后，于8min时升至150ml/min，150ml/min一直保持至10min，10.5min时流量降至初始流量6ml/min。迁移谱漂移气体流量150ml/min；迁移谱漂移管温度45℃。
3)样品分析与谱图评价
在上述条件下分析云烟87品种烟叶三个不同产区的中部位烟叶样品，分析其挥发性和半挥发性成分，得到样品的HS-GC-IMS三维谱图。选择被分析烟叶的谱图标记物，即烟叶样品的特征分析区域，通过选定的分析区域利用软件自带的Gallery插件生成视图库，对分析区域出峰情况进行比较，达到对同品种不同产地烟叶快速分类的目的。
图3为云烟87品种烟叶A、B、C三个产区GC-IMS三维谱图。大部分峰集中在前4min，所有峰基本在6min内出完。
选取上述三个产区烟叶三维谱图中可区分同品种不同产地烟叶的特征峰共19个，通过仪器数据处理软件自带的Gallery插件生成视库图，同时计算出选定分析区域各样品之间的整体匹配度。图4所示，图3为6个批次A产区、15个批次B产区、12个批次C产区云烟87品种烟叶选定分析区域的视图库，同品种不同产地烟叶在不同的分析区域有强的响应，同一产地间烟叶的离子迁移谱峰相似，峰形与峰强度相差不大，产地之间的峰形与峰强度有明显区别。同一品种同产地烟叶批次间分析区域整体匹配度在85％以上，而不同产地间的分析区域匹配度在65％以下。把此方法用于A、B、C三个产地烟叶盲样进行分类预测，准确率达100％。
实施例二：
1)烟叶样品的制备
收集A品种烟叶近年三个产区的烟叶样品，装入20ml的顶空瓶中，一个样品制备3瓶做平行样，压盖密封待测。
2)采用顶空-气相色谱-离子迁移谱(HS-GC-IMS)分析烟叶样品
本实施例中顶空-气相色谱-离子迁移谱分析条件与实施例一中的分析条件相同，故在此不做赘述。
3)样品分析与谱图评价
选取A品种烟叶不同产区样品GC-IMS三维谱图的19个特征分析区域，采用统计分析软件对其进行数据分析。三个产区的烟叶分别采集22、15、8个批次，对该45个批次样品进行正交偏最小二乘法-判别法(OPLS-DA)分析，以分析区域为自变量X，分类变量为Y，发现三个产区的烟叶样品能彼此分开，图5OPLS-DA分析得分图可直观地展示分类效果，图中三组样品分离程度大，说明发明的GC-IMS分析方法通过选择恰当的分析区域能够较好的区分同一品种不同产地的烟叶样品。通过大批量分析可建立分类模型，方法适合对烟叶大批量快速分类鉴定。
采用本方法可对同品种不同产地烟叶快速准确的分类，通过直接采集待分类烟叶样品的顶空-气相色谱-离子迁移谱图，通过软件对比烟叶样品的特征分析区域，利用仪器自带的数据处理软件Gallery生成视库图，或对分析区域进行整体匹配度比较，或通过统计学软件对特征分析区域进行化学计量学分析如主成分分析、正交偏最小二乘法-判别分析等实现对同品种不同产地烟叶进行准确快速分类鉴别。并且本方法将顶空-气相色谱-离子迁移谱联用技术用于不同产地烟叶快速分类鉴别，方法分辨率和灵敏度高，分析时间短，且无损、无样品前处理，方法环境友好，实验所用的耗材少，检测成本低，结果直观，适合烟叶样品批量分类鉴别。
虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。本领域技术人员可以在形式上和细节上对其作各种改变，包括做出若干简单推演或替换，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种对同品种不同产地烟叶分类鉴别的方法，其特征在于，包括：
步骤S1，采用顶空方式进样，分别对待测烟叶进行顶空分析处理，获得所述待测烟叶挥发出的挥发性化合物和半挥发性化合物，其中，设定所述顶空分析条件为：孵化温度90℃，孵化时间5min，进样体积200μl，进样针温度95℃；
步骤S2，利用气相色谱-离子迁移谱对经过所述顶空分析处理的待测烟叶进行分析，获得所述待测烟叶对应的三维谱图，其中，设定气相色谱-离子迁移谱分析条件为：色谱柱为多毛细管分离柱，固定相为OV-5，色谱柱温度34℃，进样口温度90℃，载气为高纯氮气，载气流量采用程序升气模式，初始流量6ml/min，保留4min后，于8min时升至150ml/min，150ml/min一直保持至10min，10.5min时流量降至初始流量6ml/min；迁移谱漂移气体流量250ml/min，迁移谱漂移管温度45℃；
步骤S3，对所述三维谱图进行分析，获取特征分析区域，对所述待测烟叶的产地进行分类鉴别。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
步骤S31，对所述三维谱图进行优化分析，获取所述挥发性化合物和所述半挥发性化合物的所述特征分析区域，所述特征分析区域能够表征所述待测烟叶的特征；
步骤S32，利用Gallery插件生成以特征分析区域为横轴，所述待测烟叶的样品号码为纵轴的视图库；
步骤S33，通过比对特征分析区域，对所述测待烟叶的产地进行分类鉴别。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对待测烟叶的产地进行分类鉴别具体包括：
设定匹配度域值；
分析所述待测烤烟烟叶的三维谱图的特征分析区域的结果，得到所有待测烤烟烟叶间特征分析区域的整体匹配度值；
将所述整体匹配度值与所述匹配度阈值进行比较，鉴别所述待测烤烟烟叶的产地。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述鉴别所述待测烟叶的产地具体包括：
若所述整体匹配度值大于或等于所述匹配度域值，则所述待测烤烟烟叶为相同产地；
若所述整体匹配度值小于所述匹配度域值，则所述待测烤烟烟叶为不同产地。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将所述整体匹配度值与所述匹配度阈值进行比较是利用化学计量学评价方法进行的。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述化学计量学评价方法为主成分分析法和/或正交偏最小二乘-判别分析法。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对待测烟叶的产地进行分类鉴别具体为：
通过比对特征分析区域的信号峰，鉴别烟叶产地；其中，
若所述待测烤烟烟叶间的特征分析区域的信号峰明显不同，则所述待测烤烟烟叶为不同产地；
否则，则所述待测烤烟烟叶为相同产地。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用型号为FlavourSpec的气相色谱-离子迁移谱设备进行所述顶空分析处理。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三维谱图中的信息包括漂移时间、色谱保留时间和离子响应信号强度。
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