聶 磊，別振英，朱 友，劉 敏，陳玉松，任呼博，紀立順*，田進國*

1. 山東大學藥學院，濟南市文化西路44 號 250012

2. 中國煙草總公司山東省公司，濟南市高新區(qū)龍奧北路1067 號 250098

目前，卷煙真?zhèn)舞b別方法主要有感觀鑒別法、評吸鑒別法和儀器鑒別法等[1]。在實際工作中，一般選用感觀鑒別法[2]，但由于該方法對檢驗人員的技術水平和熟練程度要求較高，且以描述性語言為主，因此主觀性和經(jīng)驗依賴性強。儀器鑒別法主要包括氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術（GC-MS）[3-5]、電子鼻[6-8]和近紅外光譜法等[9-11]。但這些方法均以卷煙煙絲為目標測試物，需要對樣品進行前處理，圖譜和數(shù)據(jù)也需要分析處理，因此方法的推廣應用受到一定制約。

20 世紀60 年代，隨著衰減全反射（ATR）紅外附件的問世，衰減全反射-傅里葉變換紅外光譜（ATR-FTIR）技術的應用領域得到了廣泛拓展[12]。對于一些難以通過溴化鉀壓片或涂膜進行測試的特殊樣品，可以通過樣品表面的反射信號獲取反映樣品表層有機成分組成信息的紅外光譜圖；并且無需制樣，對樣品形狀及含水率也無特殊要求，可實現(xiàn)原位測試，因此該方法具有檢測準確度較高、快速及檢測區(qū)域?。ㄖ睆郊s2 mm）等特點。

煙用材料是卷煙生產(chǎn)加工不可或缺的重要輔助材料，包括條與盒包裝紙、包裝膜、拉線、內(nèi)襯紙、框架紙、封簽紙、接裝紙以及卷煙紙等。除卷煙紙屬煙草專賣品并按國家有關規(guī)定進行嚴格管理外，其他材料如包裝紙、內(nèi)襯紙、封簽紙、接裝紙等也必須在定點單位進行加工生產(chǎn)。假冒卷煙雖然在外觀上可能會達到以假亂真的效果，但是它們所使用的基礎材料（如包裝紙原紙等）和物料配方（如涂料和印刷油墨等）難以與真品卷煙完全一致，煙用材料表層上的化學成分與真品卷煙會存在較大差異。衰減全反射紅外光譜可以反映這種層面的差異，從而呈現(xiàn)較好的真?zhèn)舞b別能力[13]。本研究中基于煙用材料的化學成分組成，采用ATR-FTIR 技術建立一種無損、快速鑒別真假卷煙的方法，旨在為卷煙真?zhèn)舞b別提供另一種科學準確的方法。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

本研究中使用的卷煙樣品由中國煙草總公司山東省公司提供并鑒定，樣品信息見表1。

表1 卷煙樣品信息①Tab.1 Information on cigarette samples

Thermo Nicolet 6700 FT-IR 光譜儀、DTGS KBr檢測器、金剛石衰減全反射附件、SMART iTXDiamond（美國Thermo Nicolet 儀器公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品光譜數(shù)據(jù)采集

基于金剛石衰減全反射附件，采用FT-IR 光譜儀對卷煙煙用材料進行光譜采集。采集條件為：掃描范圍4 000～500 cm-1，分辨率8 cm-1，樣品掃描次數(shù)32 次，背景掃描次數(shù)32 次，測試區(qū)域直徑2 mm，檢測時間1 min。

1.2.2 相似度判別模型構建

用金剛石衰減全反射附件采集每個真品卷煙多批次樣品煙用材料的紅外光譜圖，從10 多個鑒別點中找出至少一個分辨力較強的鑒別點，得到每個樣品的參考對照圖譜并輸入圖譜庫；然后進行直觀圖譜比較及相似度分析，確定卷煙真?zhèn)舞b別的閾值，從而建立用于真?zhèn)尉頍熻b別的相似度分析判別模型。

本研究中相似度分析采用兩種計算方法，分別是相關系數(shù)法和QC 比較法。相關系數(shù)法就是采用相關系數(shù)（即皮爾遜相關系數(shù)）的大小來評價圖譜的相似度[3]。相關系數(shù)值越大，表明圖譜的相關程度越高，相似度越高。相關系數(shù)最大值為1，表示完全正相關；為0，表示不相關。一般情況下，圖譜比較時相關系數(shù)很少出現(xiàn)負值，若是負值，表示圖譜強度的變化趨勢不一致。該方法的評價結果與觀察效果較為相近，側重于圖譜整體輪廓比較，圖譜越相似，相關系數(shù)值越高。該方法在中藥指紋圖譜的相似度評價中應用廣泛。QC比較法是由紅外光譜儀標配軟件提供的一種相似度分析方法，該方法基于QC 值的大小來評價相似度，一般以%表示。QC 值越大，圖譜的相似度越高，為100%時表示完全吻合。該方法對圖譜的特征（如特征峰的缺失）具有較強的鑒別力。

1.2.3 待測樣品真?zhèn)舞b別

采集待測樣品相應鑒別點的紅外光譜，在真品卷煙參考對照圖譜數(shù)據(jù)庫中對待測卷煙樣品紅外光譜數(shù)據(jù)進行檢索，計算兩者之間對應每個鑒別點的相似度值，并與相關閾值比較，進而判定樣品的真?zhèn)?。卷煙真?zhèn)舞b別檢驗流程圖如圖1 所示。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

采用相關系數(shù)法和QC 比較法進行相似度分析。相關系數(shù)采用Matlab 2015B 軟件（美國Mathworks 公司）計算。QC 值為紅外光譜質(zhì)量比較的吻合率值，采用儀器自帶軟件EZ OMNIC 7.3軟件（美國Thermo Nicolet 儀器公司）計算。

圖1 卷煙真?zhèn)舞b別檢驗流程圖Fig.1 Flow chart of cigarette authenticity identification test

2 結果與討論

2.1 鑒別點的確定

一般情況下，大多數(shù)卷煙生產(chǎn)企業(yè)會根據(jù)自身產(chǎn)品的定位和特點，選擇2～3 家煙用材料生產(chǎn)廠商以保證材料供應的穩(wěn)定性，因此同一品牌卷煙（尤其是行業(yè)內(nèi)合作生產(chǎn)品牌）相應的鑒別點可能會有所不同。對于某一品牌卷煙，采集真品和假冒卷煙煙用材料不同鑒別點的衰減全反射紅外光譜圖，通過直觀比較和相似度分析，確定分辨力較強的鑒別點并用于卷煙真?zhèn)舞b別。表2 為不同品牌卷煙的鑒別點及鑒別效果。

表2 不同品牌卷煙煙用材料鑒別點、鑒別效果及閾值Tab.2 Identification point, discrimination capability and threshold of cigarette packaging materials of different cigarette brands

表2（續(xù)）

由表2 可見，在同一品牌卷煙所使用的煙用材料上一般會有多個鑒別點。不同品牌卷煙之間，有的鑒別點（如接裝紙）相同，有的鑒別點不同。直觀比較結果是根據(jù)通過直接觀察相應鑒別點的紅外光譜圖差異得到。同時，為使圖譜比較具有客觀量化的依據(jù)，分別采用相關系數(shù)和QC 比較進行了相似度評價。采用相關系數(shù)評價相似度時，真品卷煙之間的相關系數(shù)值（以%表示，下同）的范圍是98.829 2～99.985 3，而真品卷煙與假冒卷煙之間的相關系數(shù)值為57.187 6～98.681 0。真品卷煙之間（相關系數(shù)最低值98.829 2）與真?zhèn)尉頍熤g的相似度值（相關系數(shù)最高值98.681 0）差異較小，因此區(qū)分能力較弱。基于QC比較評價相似度時，真品卷煙之間的QC 值范圍是89.672 3～99.838 6，而真品與假冒卷煙之間的QC 值為28.594 2～87.170 0。真品卷煙之間（最低值為89.672 3）與真?zhèn)尉頍熤g的QC 值（最高值為87.170 0）差異較大，因此區(qū)分能力強。綜上可知，QC 比較法的鑒別結果優(yōu)于相關系數(shù)法。

以“雄獅（硬黑）”小盒為例，本研究中嘗試研究了不同鑒別點的鑒別效果。通過各鑒別點衰減全反射紅外光譜的直觀對比，發(fā)現(xiàn)6 個鑒別點均具有較好的鑒別效果（表2）。以小盒蓋內(nèi)邊條鑒別點為例，硬盒蓋內(nèi)邊條鑒別點及相應的紅外光譜圖分別見圖2 和圖3。

由圖3 可知，通過直觀比較可以發(fā)現(xiàn)真品卷煙之間的圖譜輪廓特征一致性較好。假冒卷煙與真品卷煙的紅外光譜圖區(qū)別明顯，特別是在500～2 000 cm-1范圍內(nèi)，差異最明顯。1 725、1 391、1 006、872.6 和537.1 cm-1等一些特征峰的差異非常顯著。表2 表明，該鑒別點真品卷煙與假冒卷煙的相似度值差異較大，QC 值為28.594 2%，與直觀比較結果一致，因此該鑒別點的鑒別力強，能夠用于卷煙真?zhèn)舞b別。在假冒卷煙樣品中，XS-SF1 和XS-SF2 之間的圖譜輪廓較為相似，但與XS-SF3 的圖譜差異較大，總體上假冒卷煙樣品的圖譜一致性較差，原因可能是造假者所用煙用材料來源不同所致。

圖2 “雄獅（硬黑）”硬盒蓋內(nèi)邊條鑒別點（圖中黃色箭頭所示）Fig.2 Inner edge identification point on packet lid of cigarette brand“Lion（hard black）”（The yellow arrow shown in the figure）

圖3 “雄獅（硬黑）”小盒鑒別點蓋內(nèi)邊條的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectra of inner edge identification point on packet lid of cigarette brand“Lion（hard black）”

有的鑒別點通過直接觀察真品卷煙和假冒卷煙的紅外圖譜即可發(fā)現(xiàn)存在較顯著的差異，但相似度值（如相關系數(shù)值）可能差別并不大。圖4 和圖5 為“中華（大中華）”內(nèi)襯紙鑒別點和相應的紅外光譜圖。通過直觀比較該鑒別點的紅外光譜圖發(fā)現(xiàn)，真品卷煙的紅外光譜圖輪廓特征非常一致，假冒與真品卷煙則存在明顯區(qū)別。例如，圖5 中虛線所示的兩個矩形框區(qū)域1 337～1 571 和2 780～3 074 cm-1及波數(shù)為1 036 和1 647 cm-1的特征峰。雖然相關系數(shù)值差別不大，但QC 值有較大差異，分別為97.778 3%和61.363 4%（表2）。因此，在進行鑒別點鑒別效果評價時，應將直觀比較結果與相似度評價相結合，通過綜合分析確定鑒別結果。由于相關系數(shù)區(qū)分能力較差，在后續(xù)相似度分析時，只采用QC 比較法。

圖4 “中華（大中華）”內(nèi)襯紙鑒別點（圖中黃色箭頭所示）Fig.4 Inner liner identification point of cigarette brand“Zhonghua（Great Zhonghua）”（The yellow arrow shown in the figure）

圖5 “中華（大中華）”小盒內(nèi)襯紙鑒別點紅外光譜圖Fig.5 Infrared spectra of identification point on inner liner of cigarette brand“Zhonghua（Great Zhonghua）”

2.2 相似度閾值的確定及鑒別模型的建立

相似度閾值是指一類樣品的紅外光譜相似度的下限。閾值的確定可以采用經(jīng)驗方法，但經(jīng)驗方法具有一定的主觀性。通過統(tǒng)計學方法確定閾值多采用區(qū)間估計方法，但該方法要求數(shù)據(jù)的總體分布已知或近似為經(jīng)驗分布，而后者要求數(shù)據(jù)必須為大樣本數(shù)據(jù)。本研究中的實際樣品數(shù)量較少，很難達到大樣本的要求。Bootstrap 方法是一種以原始數(shù)據(jù)為基礎[14]、按放回抽樣擴增樣本系統(tǒng)統(tǒng)計推斷方法。因此，根據(jù)多批次卷煙的相似度評價結果，采用Bootstrap 方法確定真品卷煙的鑒別閾值（抽取容量為10 000，α=0.05）。如果待測樣品與真品卷煙的平均譜圖的相似度值高于或等于閾值，則可判別為真品卷煙；否則，判定為假冒卷煙或非模型卷煙。不同品牌卷煙的相似度閾值（表2）顯示，不同鑒別點的閾值并不相同。實驗中將得到的每一個品牌真品卷煙的紅外光譜平均譜圖作為對照圖譜輸入計算機系統(tǒng)，以確定的閾值作為判別標準，建立卷煙真?zhèn)舞b別模型。

2.3 方法學考察

在相同儀器條件下，取同一批次“雄獅（硬黑）”小盒樣品，測試同一樣品同一鑒別點部位的紅外反射光譜10 次，計算精密度；在2、4、6、8、10、12 及16 h 時進行穩(wěn)定性實驗；取同一批次卷煙樣品，在同一區(qū)域選擇7 個鑒別點部位測定其紅外光譜，進行重現(xiàn)性實驗；方法學考察結果見表3。可見，測試精密度、樣品穩(wěn)定性和實驗方法的重現(xiàn)性均較好。本研究中也使用Thermo Nicolet iS10 FT-IR 光譜儀進行了重現(xiàn)性實驗，結果良好。

表3 方法學考察結果Tab.3 Results of method validation

2.4 鑒別模型的應用

在實際應用中，只有各個鑒別點的相似度全部達到要求（大于或等于閾值，見圖1）才能判定待測樣品為包裝材料與真品卷煙一致的樣品；否則為包裝材料與真品卷煙不一致的假冒卷煙或非模型卷煙樣品。隨機選擇每個品牌卷煙2 個（共10個）樣品作為待測樣品（見表1 注）進行真?zhèn)舞b別?！靶郦{（硬黑）”小盒2 個待測樣品的相似度值如圖6 所示。以“雄獅（硬黑）”小盒對照圖譜為參考，待測樣品1 所有鑒別點的相似度值均大于對應閾值，因此判別為該樣品煙用包裝材料與真品卷煙一致；而待測樣品2 所有鑒別點的相似度值均小于對應閾值，因此判別為假冒卷煙。其他樣品的鑒別結果見表4。

圖6 “雄獅（硬黑）”2 個待測樣品的相似度評價結果Fig.6 Similarity evaluation results of two test samples of cigarette brand“Lion（hard black）”

表4 待測樣品的鑒別結果Tab.4 Identification results of test samples

由表4 可知，對于待測樣品為真品卷煙的比較，所有鑒別點QC 比較值的范圍是94.620 7～99.934 3；對于真品卷煙與假冒卷煙的比較，所有鑒別點QC 比較值的范圍是28.567 3～89.152 5?？梢?，所有真品樣品之間的QC 值均大于94.620 7，而真品與假冒卷煙的最大QC 值為89.152 5，因此QC比較法仍有較強的區(qū)分能力。表4 所列鑒別結果與樣品實際情況一致，鑒別正確率為100%。

同時，為了驗證該鑒別模型的有效性和可靠性，測試了多批次真品“黃鶴樓（硬1916）”小盒內(nèi)襯紙鑒別點和“七匹狼（豪情）”小盒框架紙鑒別點的紅外光譜，這2 個品牌卷煙并未包含在鑒別模型內(nèi)，屬于非模型卷煙樣品。由表2 可知，鑒別模型數(shù)據(jù)庫中鑒別點為內(nèi)襯紙的卷煙品牌只有“中華”和“熊貓”，鑒別點為框架紙的卷煙品牌僅有“雄獅”。因此，通過搜索這些卷煙品牌數(shù)據(jù)庫進行相似度評價并與閾值比較，即可確定鑒別結果（表5）。

表5 非模型卷煙樣品的鑒別結果①Tab.5 Identification results of non-model cigarette samples

由表5 可見，非模型卷煙樣品QC 比較值的范圍是35.379 2 ～79.156 9。通過圖譜庫搜索和相似度計算，待測樣品的QC 值均小于表2 所列閾值，鑒別結果為非模型卷煙或假冒卷煙，與實際樣品類別一致（正確率為100%）。從上述鑒別結果可以發(fā)現(xiàn)，雖然表5 所列待測樣品并未包含在鑒別模型內(nèi)，但也能得出正確的鑒別結果，說明鑒別點的選擇和確定具有較強的品牌特征性，同時也進一步驗證了所建鑒別模型的有效性和可靠性。

在實際應用中，卷煙包裝材料常會發(fā)生更替變化，判別模型也應隨之進行更新，補充新樣品，同時優(yōu)化模型。如果煙用包裝材料變化較大，可能需要重新建模，以提高判別模型的適用性。開展本研究的主要目的是展示衰減全反射紅外光譜的鑒別效果，因此若在實際工作中推廣應用該方法，則標準圖譜應建立在更大的樣本基礎上，使結果更符合統(tǒng)計學意義。

3 結論

采用衰減全反射-傅里葉變換紅外光譜法建立了一種基于煙用材料進行假冒偽劣卷煙無損、快速、簡便鑒別的方法。通過對多個鑒別點的光譜測試和比較，建立了多個品牌卷煙的鑒別模型，實現(xiàn)了對假冒卷煙樣品的定性鑒別，鑒別結果準確、可靠。與相關系數(shù)法相比，QC 比較法的分辨能力較高。本方法適用于批量樣品的鑒別檢驗。本研究結果為卷煙真?zhèn)舞b別提供了一種準確、可靠的參考方法。