非线性化学指纹图谱法鉴定烟草的研究

丁峰++佘媛媛++奉周玲　姚迪波

摘 要：该文利用非线性化学指纹图谱方法对香烟烟草进行了系统研究，获得各种香烟极具特征的非线性化学指纹图谱。发现烟草加入量可引起指纹图谱的相关参数规律变化，且符合一定的数学函数关系，其中诱导期呈多项式关系、周期呈幂函数关系、振荡寿命呈线性关系，此规律可以用于对烟草成分进行定量。不同品牌的香烟具有不同的特征，此结果可以用于鉴别不同品牌香烟。结果证明，非线性电化学指纹图谱可应用于分析鉴别各种品牌香烟并进行定量分析。

关键词：非线性化学 化学振荡 指纹图谱 分析 鉴别 烟草

中图分类号：O651 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（a）-0001-03

在一些化学反应系统中，某几个组分或中间产物的浓度会随时间与空间而发生周期性的变化，人们称之为“化学振荡反应”，由于其中组分的浓度变化呈现非线性规律，这样的体系又称为非线性化学体系或自组织体系[1]。目前，有关非线性化学的研究十分活跃[2]，而其应用于分析测试的原理在于待测物质浓度对稳定的化学振荡体系的某些参数如：振荡周期、振幅、诱导期等的改变量之间有较好的数学关系[3-4]。烟草是茄科一年生草本植物，烟草属大约有60多种，但真正用于制造卷烟和烟丝的，基本只有红花烟草，此外还有少部分用黄花烟草。中国是世界上人口最多的国家也是世界上烟民最多的国家，还是世界上最大的烟草消费国和生产国，统计数据显示2014年全国烟草制品业总产值约7千亿元。面对一个这么大的市场，造假者自然是不会放过的，每年都有大量的假烟流向市场。而这些假烟不但严重的欺骗消费者，还可能对消费者的生命安全存在重大的隐患。所以提供对烟草行之有效的科学分析方法是十分必要的。该文以烟草作为有机底物，组成烟草-BrO3--Mn2+-H2SO4 -丙酮体系，探讨非线性化学指纹图谱对烟草的鉴别。非线性化学指纹图谱技术相对色谱和光谱指纹图谱而言，无需分离提纯等预处理，能适用于各种相态和剂型样本的分析鉴别，具有分析速度快，分析成本低的特点[5]。

1 实验方法

1.1 仪器与试剂

超级恒温水浴（SYC-15型），非线性化学指纹图谱仪（自行研制），217型双盐桥甘汞电极，213型铂电极（上海康宁电光技术有限公司），5 mL注射器，电子天平（精度0.001 g）。

硫酸（1.52 mol/L）、丙酮（0.68 mol/L）、硫酸锰（0.10 mol/L）、溴酸钠（0.80 mol/L），试剂均为分析纯，所有溶液均为双蒸水配制。

市售品牌香烟：芙蓉王、软白沙、硬白沙，烟丝烘干置恒重。

1.2 实验步骤

用电子天平称取规定量的香烟（软白沙、硬白沙、芙蓉王）烟丝，依次移取25 mL蒸馏水、20 mL H2SO4、10 mL丙酮、10 mL硫酸锰、于恒温玻璃夹套反应怀中，混合成65 mL反应底液。调节恒温水浴温度为（60±0.5） ℃，在快速搅拌下，以铂电极为指示电极，甘汞电极为参比电极，记录电位E（mV）与时间t（s）的振荡曲线。反应准备600 s，当电位趋于平稳时，迅速加入溴酸钠5 mL。测定反应体系的电位随时间变化曲线，并用计算机自动跟踪并记录振荡波形获得非线性化学指纹图谱。

1.3 实验装置图

实验装置，如图1所示。

2 结果与讨论

2.1 典型非线性电化学指纹图谱

图2是按“实验步骤”测得的稳态体系“H++Mn2++BrO3-+丙酮”稳态体系与硬白沙（0.4 g）的非线性化学指纹图谱。图中各参数意义如下：诱导时间：加入溴酸钠至振荡开始所用时间；振荡寿命：从振荡开始至振荡结束所经历的时间；最高电位：振荡反应开始至结束过程中的最高电位值；最低电位：振荡反应开始至结束过程中的最低电位值；周期：两个波峰之间所经历的时间。取硬白沙烟丝0.4 g重复实验得到的指纹图谱诱导期形态一致，振荡模式一致，诱导时间、振幅、振荡寿命一致，重现性良好。

2.2 不同品牌香烟的差异性

图3所示为：分别取软白沙，硬白沙，芙蓉王各0.3 g烟丝加入振荡体系，得到指纹图谱，在同一坐标系下作图，间隔0.3 V，可以看出硬白沙的诱导期、周期、反应终点较长，其次是软白沙，最短的是芙蓉王；芙蓉王的振幅最高，其次是硬白沙，最低的是软白沙。3种不同香烟的波形也存在明显的差异，可用于品牌鉴别。

2.3 质量因素实验

如图4所示：以硬白沙烟草为底物，加入量以0.1g的梯度递增。随着烟草的加入量增加，在0.3～0.6 g这个区间内诱导期、震荡寿命减短。而整个区间随着烟草的加入量增加第一周期、第二周期、第三周期明显减短，震荡周期的个数明显增加，电位也不断下降。部分数据关系如图5所示。

图5、图6是烟草加入量相对于第一周期、诱导期、震荡寿命的数学关系。其中第一周期：y=2.442x-1.72，R=0.991；诱导期：y=4243.9x2-4557.8x+1340.3，R=0.9929；震荡寿命：y=-989.3x+1785，R=0.872。

2.4 小结

由上述研究可知，烟草的非线性化学指纹图谱重现性良好，在加入量为0.2～0.7 g区间内：诱导期、第一周期、第二周期、第三周期、震荡寿命等参数均呈现良好数学关系。此规律可以用于鉴定烟草和进行定量分析。

参考文献

[1] M.Orban，E.Koros.Chemical oscillations during the uncatalyzed reaction of aromatic compounds with bromated.I.Search for chemical oscillators[J].Physical Chemical，1978，82（14）：1672-1674.

[2] 高锦章.化学振荡现象在分析化学中的应用[J].西北师范大学学报，2002（3）：100-105.

[3] 张孟民.化学振荡技术在中药研究中的应用[J].中草药，2006，37（7）：961-965.

[4] Field R J，Burger M.Oscillating and Travelling Waves in Chemical System Willey-intenscience[M].New York，1985：45.

[5] Zhang，T.，et al.Determining method，conditional factors， traits and applications of nonlinear chemistry fingerprint by using dissipative components in samples[J].Scientia Sinica（Chi

mica），2011，41（9）：1521-1539.endprint