2. 浙江大学 生物系统工程与食品科学学院, 浙江 杭州 310058
2. College of Biosystems Engineering and Food Science, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
烟叶是一种重要的经济作物，也是研究得最多的植物之一，但直到近几十年国内外对烟叶香味成分的研究才取得了一定的突破.研究认为，精油、树脂、蜡和色素等包含致香物质，这些物质能被有机溶剂所提取，而烟叶的腺毛是产生致香物质的前体物质的重要来源.烟叶香气成分非常复杂，按照致香基团的不同，一般可以把香烟分为酸类、醇类、酮类、醛类、酯类、内酯类、酚类、氮杂环类、呋喃类、酰胺类、醚类及烃类[1-3].目前，外观质量、评吸质量和香型是评价烟叶质量的重要指标.其中烟叶外观质量主要依据分级因素来衡量；烟叶评吸质量和香型则靠评吸确定[4].因此总体的评判基本上停留于人工主观判定的水平.通常，通过感官评吸可将烟叶分为浓香型、中间型和清香型[5].浓香型烤烟香气浓馥，香气沉溢，丰浓而优美；清香型烤烟香气飘逸清雅，优雅而愉快，吸味醇和；中间香型介于浓香型与清香型之间，具有清香气味，同时有比较浓郁的香气[6].但是感官评吸鉴定经验性和技术性强，难免存在主观性和随意性，并且烟叶中的有害成分对评吸员的健康也会造成威胁，所以，利用光学等技术探究并实现客观公正的机器分级方法是目前人们的迫切需求[7].
太赫兹射线是指位于微波与红外光波之间的频率范围为0.1~10 THz (1 THz = 1012 Hz)的电磁射线.许多有机分子由于偶极子的旋转和振动跃迁在太赫兹频段有很强的吸收，因此可以利用物质对太赫兹射线不同的吸收或反射对物质的成分、结构和功能进行探究.目前，太赫兹时域光谱技术，即通过太赫兹时域光谱系统(Terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS)获得物质太赫兹波段的透射或反射谱信息，并进一步对光谱进行分析比较，已被广泛的应用于医疗和生物研究领域[8-9].尤其鉴于太赫兹指纹谱特性，太赫兹光谱技术已成为未来物质鉴别、分级及探测最有潜力的技术之一[10-14].
本文旨在探究使用太赫兹时域光谱技术对不同香型的烟叶进行分类的可能性.通过利用太赫兹时域光谱系统对烟叶样本在太赫兹波段的透射谱进行分析比较，以期通过不同香型烟叶的吸收系数和折射率太赫兹相应曲线，对其进行客观的分类.
1 实验部分 1.1 实验装置实验中采用的太赫兹时域光谱系统是美国Zomega公司生产的，原理图如图 1所示，该系统利用重频80 MHz，脉宽56 fs的钛宝石激光脉冲作为激励，光电导天线和光电晶体分别作为太赫兹发射源和探测器，可实现0.1~3.0 THz的太赫兹光谱输出，且系统的频率分辨率为10 GHz，信噪比为60 dB.实验中为了避免空气中水蒸气的影响，整个实验在氮气保护的环境下进行，相对湿度低于1 %，温度298 K.
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图 1 太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统原理图 Fig. 1 Schematic diagram of Terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) system |
选取市售烟丝黄鹤楼(浓香型)、云烟(中间型)、玉溪(清香型)为实验样本材料进行检测样品的制备，具体过程如下：首先将烟叶切丝后放置在80 ℃的烘箱中进行干燥出水，3 h后取出；然后使用研磨机(型号Tissuelyser-24)对烟丝进行粉碎研磨，并过200目筛；随后将烟丝粉末和聚乙烯粉末(PE, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO.)分别按照5%、15%、30%、60%的烟丝质量占比(w)在玛瑙研钵中进一步研磨混合，在16 MPa条件下压制成直径13 mm的薄片，厚度d分别为1.23 mm、1.22 mm、1.14 mm、1.03 mm.用3种不同的烟叶样品，分别制作以上4种厚度的样本，并且每种烟叶样品每个厚度样本重复制作4组，共计48个样本(样本数用N表示).从图 2中可以看出，不同质量分数的烟叶样本，均呈现出颜色上的深浅差异.然而，在同一个质量分数下，3种烟叶样本的外观颜色基本无差别，且混合均匀样本之间差异小.
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图 2 不同质量分数3种香型的烟叶样本(从左到右为黄鹤楼、云烟、玉溪) Fig. 2 Tobacco samples with different mass fractions (from left to right: cigarettes Yellow Pagoda, Yunyan and Yuxi) |
光谱测试过程中，所制备的样本，利用特定夹具，被放置于太赫兹光波焦点处.为了减小随机噪声干扰以及样品不均匀性对采集光谱的影响，对于每个样本，通过调整样品在焦面上的位置，采集4个不同区域的透射光谱信息，且每个位置采集10次光谱数据.每个样本取测量得到的40组光谱的平均值，作为样本的透射光谱.类似地，最终，每种烟叶样品每个厚度样本的透射谱光谱，由其4组样本的光谱取平均得到.取不放置样品时得到的时域谱作为参考光谱.
通过傅里叶变换可以得到样本光谱和参考光谱在频域的振幅比和相位差信息，通过以下公式[15]可以计算出样本在太赫兹波段的折射率n(ω)和吸收系数α(ω)分布曲线：
| $ n\left( \omega \right) = \frac{{c\varphi \left( \omega \right)}}{{fd}} + 1, $ | (1) |
| $ \alpha \left( \omega \right) = \frac{2}{d}{\rm{ln}}\frac{{4n\left( \omega \right)}}{{A\left( \omega \right){{\left( {n\left( \omega \right) + 1} \right)}^2}}}. $ | (2) |
式中：ω为角频率，d为样本厚度，c为真空中光速，A(ω)为样本的透射系数，φ(ω)为相位信息.
2 结果与讨论 2.1 烟叶样本的时域谱与频域谱图 3是3种烟叶不同质量分数样本以及参考光波的太赫兹时域信号谱.图中，t为时间，A为太赫兹振幅.从图 3中可以看出：对于参考信号而言，样本的加入势必引起太赫兹信号光程的增加，不同的烟叶样本均呈现出一定程度的信号延迟.同时，样本对太赫兹光波存在一定的吸收，因此太赫兹光波振幅存在一定程度的衰减，且定性的可以看出，随着烟丝质量分数的增大样本吸收增大，光谱信号逐渐减小.进一步，将这些样品以及参考光波的时域谱进行快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)，我们得到相应的频域谱，如图 4所示.从图中可以看出，烟叶质量分数越大，太赫兹频域信号振幅越小，且信号截止频率蓝移，衰减呈现出明显的频率相关性.
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图 3 3种烟叶不同质量分数样品与参考光波的时域信号谱 Fig. 3 Time-domain spectra of reference Terahertz wave and tobacco samples with different mass fractions |
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图 4 3种烟叶不同质量分数样品与参考光波的频域信号谱 Fig. 4 Frequency-domain spectra of reference Terahertz wave and tobacco samples with different masses fraction |
根据式(1)和(2)，通过计算，我们得到了不同烟叶样本在0.5~2.0 THz和0.5~1.5 THz频段的吸收系数和折射率谱线，分别如图 5和6所示.其中，α为吸收系数，n为折射率. 图 5中，质量分数为5 %时3种烟叶样品的吸收系数曲线较为粗糙，随着烟叶质量分数增加，吸收系数曲线变得光滑，其原因可能是因为药草质量分数太低时，与聚乙烯粉末混合过程中会存在难以避免的不均匀情况.由图 5(b)~(d)可以看出，随着烟叶质量分数的增大，3种烟叶样本的吸收系数差别也逐渐变大.其中，黄鹤楼烟叶样本吸收系数最大，其次是云烟烟叶样本，玉溪烟叶样本最小.换句话说，烟叶样本的吸收系数与其香型浓郁程度呈正相关性.值得注意的是，在烟叶样本的吸收系数谱线中没有出现明显的吸收峰(参看图 5)，原因在于实验中使用的是未经提纯的烟丝，而一般烟丝中有3 800个成分，其主要化学成分有烟碱、总氮、总糖、钾、总挥发碱、蛋白质、淀粉等[16]，相应物质的太赫兹吸收峰因为含量较低的原因被淹没在背景的吸收中.也就是说图 5中的吸收系数实际上是多种致香物质对太赫兹光波吸收的整体反映.不同烟叶样本所表现出来的吸收系数差别，也是烟叶中致香物质整体含量差异的宏观表现.
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图 5 3种烟叶不同质量分数样品的吸收系数谱线 Fig. 5 Absorption coefficient spectra of tobacco samples with different mass fractions |
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图 6 3种烟叶不同质量分数样品的折射率谱线 Fig. 6 Terahertz refractive index spectra of tobacco samples with different mass fractions |
从图 6可以看出，在5%和15%两种质量分数下，浓香型、中间型、清香型3种不同香型的烟叶样本折射率差别并不明显，可能是因为烟草质量分数过低造成的差异化程度不高.而质量分数为30%和60%时，可以明显看出3种烟叶样本的折射率有明显的差别：其中，玉溪烟叶样本的折射率最大，然后依次是云烟烟叶样本和黄鹤楼烟叶样本，即3种烟叶样本在太赫兹波段的折射率与香型浓郁程度呈负相关性.
不难看出，烟叶质量分数越高，其吸收系数和折射率差越明显，但是因为质量分数太高，对太赫兹波的吸收过大，有效的太赫兹波段范围也会因此减小，即截止频率会蓝移，这就会限制今后用单波长太赫兹光源进行检测的选择范围.因此实际测量时候需要折中考虑两者，选取质量分数30%~60%较为适宜.需要强调的是，利用太赫兹时域技术，可以同时得到烟叶样品的吸收系数和折射率，这也为我们提供了很好的双重建模双重确认手段，即通过吸收系数和折射率2个模型的比对，对样品进行更客观的分级，提高准确性.
3 结语本文通过探测不同香型烟叶样品的太赫兹时域光谱，计算得到其在太赫兹波段的吸收系数曲线和折射率曲线进行比较，探索利用太赫兹技术进行烟叶等级自动分级的可行性.实验中选取3种香型的烟叶样品进行探究与验证，结果表明3种烟叶样本在太赫兹波段的吸收系数与烟叶香型浓郁程度呈正相关性，折射率与香型浓郁程度呈负相关性，并且两者都存在着明显的频率相关性.同时，烟叶质量分数越高，不同香型之间的区分越明显，但过高的样品质量分数会使得太赫兹信号衰减过大，导致信号有效频率范围减小.根据实验结果，选取30%~60%烟叶质量分数的样本较为适宜.研究表明，使用太赫兹时域光谱技术进行烟叶分级监测具有一定可行性，且简单易操作，绿色环保，能有效避免了烟叶质量评价中主观性的影响，为太赫兹技术在烟叶分级中的研究探索了道路.
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