不同仪器测定烟草近红外光谱的标准化研究

李 跑， 马雁军， 马 莉， 周 骏， 王金明， 杜国荣

(1.湖南农业大学食品科学技术学院/食品科学与生物技术湖南省重点实验室，湖南长沙 410128； 2.上海烟草集团有限责任公司技术中心北京工作站，北京 101121；3.山东京鲁烟叶复烤有限公司技术中心，山东诸城 261000)

卷烟行业是各国重要的利税来源，在国民经济中占有极其重要的地位。烟叶原料的品质对卷烟产品质量有极其重要的影响[1]，例如，卷烟中的还原糖与游离氨基酸可发生美拉德反应从而影响卷烟的香气和刺激性；氯和钾影响卷烟的燃烧性；糠醛和酚类物质影响烟气的香气和吸味[2]。流动分析方法是测定烟草原料中常规化学成分的主要方法。但是该方法中烟叶的前处理、溶液配制、仪器操作等比较复杂，因此流动分析实验需要有经验的工作者来完成，且需要较长的分析时间，产品的检验速度远远大于产品的生产速度，严重制约了产品质量控制的实施。

近红外光谱法因具有分析速度快、对样品无损、前处理简单等优点而在烟草行业中得到了广泛的应用[3]。近红外光谱法利用烟草原料中被测物质含氢基团在近红外区的吸收，以实现定性定量分析[4]。但是由于近红外光谱的谱带宽、吸收强度弱、特征吸收带不明显等缺点，用近红外光谱法进行定性定量分析时需要借助化学计量学方法[5]。烟草原料常规指标近红外光谱法测定的一般流程如下：采集样品的近红外光谱图，并且用流动分析等方法测定其常规指标含量；利用化学计量学方法建立近红外光谱和常规指标含量值之间的校正模型；最后利用校正模型直接对未知样品进行定量分析[6]。其中建立稳健准确的近红外光谱校正模型是关键。一旦完成模型建立即可实现对未知样品的快速分析。近红外光谱已经被运用至烟草原料常规指标的在线分析、调制过程稳定性实时评价等领域[7]。

由于不同仪器的光源强度、光程长度、电源稳定性、软件参数、所处温湿度等条件不同，同一样品在不同仪器上采集的光谱具有一定的差异，因此近红外光谱法的校正模型是和仪器相对应的，否则会引入较大的预测误差[8]。由于重新建立校正模型需要很大的人力、物力投入，所以很多研究者开展了模型转移方法研究，以期实现不同仪器间光谱模型的共享。本研究探讨了烟沫样品总烟碱近红外光谱模型在布鲁克PA型、热电Antaris Ⅱ型光谱仪之间转移的可行性，并且对常用模型转移方法作了比较。通过分析发现，使用合适的模型转移方法可以降低预测误差，实现不同型号仪器间的模型共享。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验收集从湖北恩施采集的20个白肋烟样品、从湖北五峰采集的25个马里兰烟样品共45个近红外烟叶样品作为标准样品(用于2台仪器偏差校正的样品)，将烟叶样品放入 60 ℃ 烘箱中烘干并平衡至含水率小于10%后，用高速粉碎机制成40目筛粉末用于光谱扫描。

1.2 光谱采集

使用带漫反射积分球和样品旋转器采样附件的傅里叶变换近红外光谱仪(MPA，Bruker，Germany)采集近红外光谱，波数范围为12 000～3 500 cm-1，间隔约为4 cm-1，分辨率为 8 cm-1，扫描次数为64次。使用带漫反射积分球和样品旋转器采样附件的傅里叶变换近红外光谱仪(Antaris Ⅱ，Thermo Scientific，America)采集光谱，波数范围为10 001～3 799 cm-1，间隔约为4 cm-1，分辨率为8 cm-1，扫描次数为60次。

由于2台仪器之间的光谱采集范围不同，在建模时都使用10 001～3 799 cm-1波段建模，便于后续分析。

1.3 算法部分

模型转移方法较多，比较经典的有单波长校正、直接校正、分段校正、斜率截距校正等[9]。

(1)单波长校正[12]。利用最小二乘原理按顺序计算主仪器和从仪器每个波长处的拟合系数，并且利用该系数来校正主仪器和从仪器的差别。(2)直接校正[13-14]。收集主、从仪器上的标准光谱，利用标准光谱得出主从仪器光谱之间的转换系数，利用转换系数校正从仪器上的光谱为主仪器光谱。(3)分段校正[15]。分段校正和直接校正的原理相似，不同的是分段校正从光谱上分出连续的窗口，在每段窗口进行直接校正操作。(4)斜率截距校正[16]。计算标准样品在主仪器和从仪器的预测值，得出两者预测值的最小二乘拟合斜率和截距，利用得到的斜率和截距校正从仪器的预测值。(5)计算参数。在本研究中，烟沫样品总烟碱近红外光谱模型为已经建立好的MPA仪器光谱模型，建模光谱使用连续小波变换处理[10]，所用小波基为Haar，尺度参数为20。用Kennard-Stone法选择25个标准样品来进行分析，剩余的20个样品作模型验证，样品的参考值按行业方法测定。进行分段校正时，窗口参数为40。在本研究中使用主成分分析[11]方法进行数据降维，以使结果显示更加直观。使用预测均方根误差(RMSEP)来表示模型的预测误差，RMSEP越小，模型的预测误差越小，模型的预测精度越高。

2 结果与分析

2.1 仪器之间的差别

由图1可以看出，MPA和Antaris Ⅱ这2种型号的傅里叶变换近红外光谱仪的外观具有较大差异，反映了2个厂家不同的设计理念。由于设计理念不同，MPA和Antaris Ⅱ的光斑大小、光源强度、转速等测量参数不同，必然给样品的光谱测量带来差异，如何校正这种差异，是实现模型转移的关键。

2.2 光谱之间的差别

由图2-A可以看出，相同样品在2台仪器上采集的光谱具有一定的差别，Antaris Ⅱ的光谱强度高。图2-B为光谱经过主成分分析后，2台仪器的数据在第1、2主成分上的得分，其中椭圆为99%置信椭圆。可以看出，相比于MPA仪器，Antaris Ⅱ仪器的得分图向负方向有偏移，二者的光谱图有差异，这种差异很有可能给后续的定量分析带来影响。

2.3 预测结果的差别

图3显示了用MPA和Antaris Ⅱ采集光谱的预测结果。可以发现，MPA的预测结果优于Antaris Ⅱ。Antaris Ⅱ的预测结果相对偏高，结合图2-A进行分析，这很可能是由于Antaris Ⅱ采集的光谱吸光度偏大的原因。

2.4 模型转移方法的比较

由于主仪器上的模型采用了连续小波变换预处理方法，所以在后续研究中，采用直接校正预处理以后的光谱。为了便于比较，图4列出了几种光谱校正方法前后仪器MPA和Antaris Ⅱ得到的光谱、光谱数据主成分的变化。

Antaris Ⅱ的光谱图以及经过单波长校正、直接校正、分段校正的光谱图分别见图4-A、图4-C、图4-E、图4-G(蓝色虚线)，为了便于比较，在图4中标示了MPA的谱图(黑色实线)。从图4中大略可以看出，使用直接校正法，Antaris Ⅱ和MPA的谱图很相似，两者几乎重合。为了比较几种方法的校正效果，图4-B、图4-D、图4-F、图4-H显示了未经校正，以及经过单波长校正、直接校正、分段校正后仪器光谱数据的得分图，其中黑色实线表示MPA，蓝色虚线表示Antaris Ⅱ。通过比较可以看出，直接校正法可以使仪器MPA和Antaris Ⅱ的主成分空间大致一致，分段校正法效果也较好，单波长校正法较差。由于斜率截距法只校正预测结果，所以该结果未在此段讨论。

表1列出了Antaris Ⅱ、MPA以及经过模型转移后验证样品集的预测结果，可以看出，经过直接校正后MPA的预测误差和Antaris Ⅱ的很接近，表明该方法的优越性。而斜率截距校正法、分段校正法效果稍差，单波长校正法最差。图5是直接校正后Antaris Ⅱ、MPA的结果，可以看出2台仪器的预测结果基本一致。

表1 不同模型转移方法对仪器Antaris Ⅱ、MPA验证集预测结果的影响

3 结论

研究表明，通过使用模型转移，可以实现布鲁克MPA型、热电Antaris Ⅱ型光谱仪之间的烟沫样品近红外光谱模型共享。模型传递会引入一定的误差，分析其来源可能是2台仪器的噪声水平不同、测试时样品填装程度不同、测试时温度或湿度不同等。通过以上研究，表明今后的工作中可以借鉴模型转移技术，整合不同实验室的资源，实现不同实验室仪器数据的共享，节约人力、物力。