一种主流烟气真伪鉴别分析装置和分析方法与流程

本发明涉及一种分析装置，尤其是一种主流烟气真伪鉴别分析装置，还涉及利用该装置进行主流烟气真伪鉴别的方法，属于仪器分析领域。

背景技术：

我国是一个卷烟生产大国，卷烟产量高，生产牌号众多。虽然国家采取各种措施，不断加强烟草专卖管理，但仍有大量假冒卷烟流入市场，严重损害了国家、企业和消费者的利益。因此,卷烟打假既是卷烟生产企业和烟草执法监督部门所探讨和研究的重要问题之一,也是广大卷烟消费者共同关注的话题。

在卷烟打假过程中，最关键是能够即时地辨假和定假，才能把制造和销售假烟的不法分子及时绳之以法。虽然，随着卷烟工业的不断发展和进步，卷烟产品使用了各种先进的防伪技术，但大多防伪技术往往应用于卷烟包装之上，如荧光技术、激光全息图等。然而，随着现代科学技术的高度发展，制假和冒牌的技术也日益提高，出现了假冒伪劣卷烟高科技化，造成了假烟和真烟在外包装上越来越难以区分，达到了以假乱真的程度。仅仅凭借常规的手段，如通过识别外观特征或防伪标识来辨别卷烟的真假已越来越力不从心。尤其是在遇到外在包装和内在品质都很相似的伪造产品时，仅从外观防伪技术来做鉴定就显得捉襟见肘了。

进而，目前开始使用仪器鉴别检验法、评吸鉴别检验法及感观鉴别检验法来进行鉴别，在这三种鉴别方法之中，感观鉴别检验法是最常用的一种卷烟真伪鉴别方法，但是，在实际鉴别工作中，感官鉴别检验法和评吸鉴别检验法都会受到多种因素的影响，如烟丝配方的变化、检测人员的职业水平和经验等，都可能会影响卷烟真伪判定的准确性。仪器鉴别检验法虽然也被列为鉴别卷烟真伪的方法之一，但并没有具体的检验项目和内容。针对这一领域也有相关研究，例如采用近红外光谱检测技术建立定性数学模型对卷烟真伪进行判别、对主流烟气指标进行因子分析和聚类分析来辅助判别卷烟真伪(卷烟真伪鉴别的近红外定性分析方法[j].烟草科技,2008,11:5-8.)。但这些方法都存在各自的局限性，例如近红外技术虽然可以很好的建模预测卷烟中的某些宏观指标的含量，如总糖、总氮、烟碱、氯等。但受制于其灵敏度的局限，其对烟草中大多数微、痕量物质的表征和预测并不理想。同时由于“三丝”的几何结构和填充存在一定不均匀性，所以在用近红外作分析时，容易受到烟丝、梗丝、薄片漫反射光的干扰和影响，影响分析结果的准确性。

采用主流烟气指标进行评价，可以有效的克服上述的问题，但由于主流烟气的成分极为复杂，其气相部分的收集检测难度又较大，已有的捕集方法都只能收集到主流烟气中的某些稳定组分，难以捕捉活泼的中间气体产物。

因此，目前对主流烟气的研究仍停留于离线检测，只能实现烟气中的某些特定成分检测和分析，难以满足产品鉴别精准评估的需求。所以，急需研究开发一种准确性更高的卷烟真伪鉴别的装置和方法。

技术实现要素：

为解决上述难题以直接利用卷烟主流烟气特性对真伪卷烟进行分析和鉴别的问题，本发明提出一种主流烟气真伪鉴别分析装置，具体方案如下：

一种主流烟气真伪鉴别分析装置，包括依次连接的吸烟机、加热装置、过滤装置、环形光纤池、红外光入射装置和检测装置，环形光纤池包括环形池体、设于环形池体一端的进样口、设于环形池体另一端的出样口，红外入射装置设于出样口一侧，检测装置设于进样口一侧，过滤装置出口与环形池体的进样口相连，吸烟机和加热装置之间还设有缓冲气供气装置，还包括与吸烟机、加热装置、过滤装置、环形光纤池、红外光入射装置、缓冲气供气装置和检测装置连接的plc控制器。

进一步地，环形池体为环形空芯毛细管柱，内径为0.2mm，长10m，其内壁涂覆有ag/agi复合涂层，ag和agi的物质的量之比为1：1，涂层厚度为0.15μm。

进一步地，环形池体两端设有三通阀，进样端的三通阀一端与环形池体连接，另一端与检测装置连接，剩余一端为进样口，出样端的三通阀一端与环形池体连接，另一端与红外入射装置连接，剩余一端为出样口，出样口与真空泵相连。

进一步地，所述加热装置包括管体、设于管体中的烟气通道、设于烟气管道与管体之间的导热材料、设于烟气通道周围的加热元件和若干温度传感器。

进一步地，所述管体为空芯矩形塑料体，烟气通道为薄层铜管，加热元件为设于烟气通道周围的加热电阻丝，所述加热电阻丝为包围所述烟气通道的矩形框架，所述导热材料为纤维状硅酸铝棉，若干温度传感器设于加热电阻丝附近，加热电阻丝和若干温度传感器与plc控制器连接。

进一步地，所述过滤装置滤片孔径为2μm。

进一步地，所述检测装置为二极管阵列检测器，所述红外光入射装置为二维相关红外光谱仪。

本发明涉及的使用上述的装置进行主流烟气真伪鉴别的方法，包括如下步骤：

（1）红外入射装置的开机及预处理：打开红外入射装置进行预热，中红外光谱一前一后发射，用缓冲气吹扫加热装置、过滤装置和环形光纤池中残留的空气，然后关闭进样口处的阀门，关闭缓冲气供气装置，打开出样口处的阀门，并抽真空，然后关闭出样口的阀门；

（2）背景采集：打开环形光纤池进样口阀门，收集实验环境中的惰性气体作为背景，进样至压力表示数稳定时，关闭进气阀；采集二维中红外光谱信号，并以此信号作为背景信号，信号测定两个平行样，直至信号稳定为止；

（3）烟气的产生和前处理：打开高压气瓶控制阀，调节缓冲气的流量为1-10ml/min，通过吸烟机分别抽吸待测卷烟，产生的烟气依次经过加热装置和过滤装置，准备进入气体池，产生的烟气与缓冲气的体积比为1：5-10；

（4）采集光谱：吸烟机开始抽吸卷烟5s左右，打开出样口的阀门，并再次快速抽真空，关闭出样口阀门，打开进样口阀门，使产生的烟气进入到气体池中，待进样口压力表示数稳定后，关闭进气阀，采集样品的红外光谱，描次数至少24次；

（5）数据分析：以自适应背景扣除算法对步骤（4）所得红外光谱进行预处理，以提升信号的信噪比；再按常规计算滤波后信号的主成分得分，该得分即为该样品卷烟的主流烟气的整体特征。

进一步地，步骤（1）中，吹扫时间为2min，真空度抽到-100.00kpa；步骤（3）中，一共收集10次，每次35ml；步骤（4）中，真空度抽到-100.00kpa。

进一步地，所述卷烟烟气抽吸装置每次抽吸为一口，容量为35ml，每只卷烟收集第2～7口，共6口的主流烟气。

与现有技术相比，本发明具备的优点及效果如下：

本发明的环形光纤气体池为空芯光纤结构，其内壁涂覆有ag/agi复合涂层，使得入射光源在空芯光纤内形成多次反射而延长光与物质交互作用的光程，能够更高效地提升待测体系的红外吸收强度，从而降低检出限，提高分析的精密度和准确性。

本发明加热装置结构具有优良的传热性能，立方体状的加热电阻丝便于更好的传热，设置温度传感器便于调节加热丝的加热效率。

本发明设计并应用空芯光纤波导二维红外光谱，红外入射装置为二维相关红外光谱仪，具备高灵敏度（ppm级别），检测装置采用二极管阵列检测器，带有一个20hz的高速二极管保证数据采集更加迅速，使窄峰获得更精确的重现；带一个20位a/d转换器提供了更好的基线噪音数字分辨率，减少定量错误；光束使用数百个二极管阵列，并且在整个光谱波段上有响应，且数字分辨率可达到1.2nm，可实现对主流烟气气相物的动态实时检测和在线监控，可以突破卷烟真假鉴别的技术瓶颈。在光谱数据积累的基础上，应用数理统计分析技术，从光谱数据中准确提取出真烟（标杆烟）主流烟气的整体特征信息，并构建有效、简便、快速的仪器鉴别方法。适用于卷烟主流烟气的整体特征的分析检测，无需放置剑桥滤片对粒相部分单独捕集，能直接收集主流烟气的整体光谱信息，通过背景扣除和数据预处理，可以增强仪器分析的灵敏度，结合计量学计算方法可以方便的计算样品的主成分（pca）得分，得分即表征了该样品的主流烟气整体特征，可用该得分对不同品牌的卷烟进行真伪的鉴别。整个鉴别过程快速、准确、灵敏度高，对卷烟产品提质增效和新产品研发提供有效的技术支撑。可推广应用于云烟（软珍品）、玉溪（软）、云烟（大重九）等云产卷烟主力规格品牌的真伪鉴别中，为规范卷烟销售市场、保护消费者的合法权益提供有效的技术支撑和前沿技术解决方案。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的加热装置的结构示意图；

图3为实施例的烟气样本的原始红外光谱；

图4为实施例的烟气样本经预处理后的红外光谱；

图5为实施例的烟气样本红外光谱的主成分得分图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是对本发明一部分实例，而不是全部的实例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例的主流烟气真伪鉴别分析装置，包括依次连接的吸烟机1、加热装置2、过滤装置3、环形光纤池4、红外光入射装置5和检测装置6，环形光纤池4包括环形池体4.1、设于环形池体4.2一端的进样口、设于环形池体4.2另一端的出样口，红外入射装置5设于出样口一侧，检测装置6设于进样口一侧，过滤装置3出口与环形池体4的进样口相连，还包括与吸烟机1、加热装置2、过滤装置3、环形光纤池4、红外光入射装置5和检测装置6连接的plc控制器。吸烟机1和加热装置2之间还设有提供缓冲气的高压气瓶8，高压气瓶8口设有控制阀，控制阀与plc控制器连接。出样口连接真空泵。

环形池体4.1为环形空芯毛细管柱，内径为0.2mm，长10m，其内壁涂覆有ag/agi复合涂层，ag和agi的物质的量之比为1：1，涂层厚度为0.15μm。

环形池体两端设有三通阀，进样端的三通阀4.2一端与环形池体连接，另一端与检测装置连接，剩余一端为进样口，进样口上设有第一阀门4.3，检测装置连接口设有第二阀门4.4，出样端的三通阀4.7一端与环形池体4.1连接，另一端与红外入射装置5连接，该连接口设有第三阀门4.5，剩余一端为出样口，出样口上设有第四阀门，出样口与真空泵相连，第一、二、三、四阀门由plc控制器控制，三通阀为不锈钢。

加热装置2包括管体2.2、设于管体2.2中的烟气通道2.1、设于烟气通道2.1与管体2.2之间的导热材料2.5、设于烟气通道2.1周围的加热元件2.3和若干温度传感器2.4。作为优选，管体2.2为空芯矩形塑料体，烟气通道2.1为薄层铜管，加热元件2.3为设于烟气通道2.1周围的加热电阻丝，加热电阻丝为包围所述烟气通道的矩形框架，导热材料2.5为纤维状硅酸铝棉，若干温度传感器2.4设于加热电阻丝附近，加热电阻丝和若干温度传感器与plc控制器连接。管体2.2材质为采用耐热性和耐磨性优良且市场价格适中的热塑性聚酯pbt/pet工程塑料。加热电阻丝材质为cr/ni合金，外层包裹无碱玻璃纤维绝缘材料。

过滤装置为可采用sm450（英国cerulin公司）吸烟机专用的烟支夹持装置作为过滤装置，其中放置一个2μm孔径的专用滤片，当主流烟气经过夹持装置滤片时可以过滤掉碳颗粒等较大粒径的杂质。

检测装置可采用model6000型（美国supersystemsinc公司）二极管阵列检测器，红外光入射装置可采用spectrum100二维相关红外光谱仪，spectrumv6.3.5操作软件（美国perkinelmer公司），光谱仪可以发射快慢不同的两束红外光谱，红外光谱的测定范围为3500~400cm^-1，光谱间相位差范围为（-π、π）。吸烟机1、加热装置2、过滤装置3与环形光纤池4之间通过韧性优良且具有一定耐压性的铜管连通。

吸烟机采用rm1/puls单孔道吸烟机（德国borgwaldtkc公司）；用于抽吸卷烟并生成主流烟气。

缓冲气采用性质稳定的惰性气体，例如n2、he等，气体由高压气瓶供气，气体流量控制在1-10ml/min以内，气体可以对主流烟气起到缓冲和稳定的作用，防止主流烟气中的高活性分子之间产生弹性碰撞而淬灭。真空泵可采用d60c德国莱宝公司的机械泵。烟气和惰性气体的体积比始终在1:5-10。

实施例2

利用实施例1的装置进行主流烟气真伪鉴别分析。

1、试剂与材料：

除另有规定外，所用试剂均为分析纯。

氮气：n2（纯度≥99.99%）。

材料：玉溪品牌正品卷烟、玉溪品牌假冒卷烟。

本实施例的主流烟气真伪鉴别的方法，包括如下步骤：

（1）二维红外光谱的开机及预处理：打开二维红外光谱，二维光谱信号为一前一后发射的中红外光谱，设置其前后两条光谱间相差5秒，并进行预热，用惰性气体吹扫加热装置、过滤装置和环形光纤池中残留的空气，其中，惰性气体为氮气，吹扫时间为2min，然后关闭进样口处的进气阀，关闭高压气瓶控制阀，打开与机械泵相连接的光纤出口处的出气阀门，并用外接的机械泵将气体池的真空度抽到-100.00kpa，关闭机械泵及与样品池连接的阀门；

（2）背景采集：打开环形光纤池的进样口阀门和高压气瓶控制阀，并通入氮气，以收集实验环境中的惰性气体作为背景，进样至压力表示数稳定时，关闭进气阀，一共收集10次，每次35ml空气；检测装置采集中红外光谱信号，并以此信号作为背景信号，信号可测定两个平行样，直至信号稳定为止；

（3）烟气的产生和前处理：通过单通道吸烟机分别抽吸待测卷烟（玉溪品牌正品卷烟、玉溪品牌假冒卷烟），产生的烟气依次经过加热装置和过滤装置，准备进入气体池，打开高压气瓶控制阀，调节惰性气体的流量为10ml/min，使所产生的烟气与惰性气体的体积比为1:10；不收集燃烧不完全的第一口主流烟气，每只卷烟收集第2～7口，共6口的主流烟气。玉溪品牌正品卷烟和玉溪品牌假冒卷烟各生成5个主流烟气样本，编号前1～5为玉溪品牌正品卷烟的主流烟气样本，编号6～10为玉溪品牌假冒卷烟的主流烟气样本。

（4）采集光谱：在步骤（3）单通道吸烟机开始抽吸卷烟5s左右，打开出样口处的阀门，并打开机械泵重新快速将气体池真空度抽至-100.00kpa，关闭机械泵及其与气体池相连接的阀门，打开进样口处的阀门，使步骤（3）产生的烟气进入到气体池中，待进样口压力表示数稳定后，关闭进气阀，分别采集样品的红外光谱。仪器扫描次数25次，以加大扫描次数以提升信噪比，光谱分辨率为1cm^-1；如图3所示；

（5）数据分析：采用chempattern软件（科迈恩科技有限公司，中国）的红外光谱法解决模块，以自适应背景扣除算法对光谱数据进行预处理，以提升信号的信噪比，如图4所示；再按常规计算滤波后信号的主成分得分（pc1和pc2），两个主成分得分对原始变量的方差解释率分别为：81.74%和16.45%。见下表1，该得分即为该样品卷烟的主流烟气的整体特征：

表1不同样品的主成分得分

（6）验证：通过两个主成分得分（pc1和pc2）在坐标轴所围成的模式空间里的分布情况可以观察两类烟草样品的区分度，并予以分类。

图3显示了烟气样本的原始红外光谱，由图可见，两类烟气样本的区分度较低，但从重现性而言，高灵敏红外气体光谱技术具备良好的重现性。对图3中的光谱进行了自动扣除背景操作，如图4所示，为了进一步验证图4中的烟气特征的细微差别，对图4中的光谱进行了主成分分析，所得结果如图5所示。由图5可见，本发明的方法准确提取了两类不同烟气样本的细微特征差别，借助化学计量学技术，有望进一步应用于不同品类烟气的准确区分。

编号1～10的样品通过计算获得各自的主成分得分，主成分得分在坐标轴围成的模式空间中处于不同的位置，其中1～5号样品为圆球形，处于模式平面的第三象限，围成一个圆圈，是玉溪品牌正品卷烟；而6～10号样品处于一、四象限，为绿色方块，也聚成为一类，是玉溪品牌假冒卷烟。可见，本发明应用于真伪卷烟主流烟气的鉴别，具备良好的应用潜力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。