傳感器陣列結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法快速評(píng)估煙用包裝材料中揮發(fā)性有機(jī)物

郭偉清 孔浩輝 吳君章 甘峰

摘 要 采用傳感器陣列技術(shù)和化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，對(duì)煙用包裝材料紙中的揮發(fā)性有機(jī)化合物（Volatile organic compounds， VOCs）的相似度進(jìn)行快速評(píng)估。從傳感器陣列信號(hào)中提取出抽象氣味因子圖（Abstract odor factor maps， AOFMs）作為樣品的特征譜圖，對(duì)不同樣品的AOFMs進(jìn)行相似度計(jì)算，從而建立對(duì)樣品的VOCs整體構(gòu)成相似度評(píng)估的方法。本方法有效地從10種包裝紙中識(shí)別出8種VOCs構(gòu)成差異比較大的包裝紙樣品，以及2種VOCs構(gòu)成相近的包裝紙樣品。相比于采用主成分分析（Principal component analysis， PCA）方法只能識(shí)別出2種以及平行因子分析（Parallel factor analysis， PACARAC）方法可識(shí)別出6種包裝紙樣品，本方法具有更高的識(shí)別準(zhǔn)確率。本方法基于一個(gè)正確的傳感器陣列信號(hào)模型，采用有明確且客觀判別標(biāo)準(zhǔn)的相似度評(píng)估方法，能夠根據(jù)樣品響應(yīng)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差輔助評(píng)估，在包裝材料品質(zhì)評(píng)估鑒定中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞 傳感器陣列； 抽象氣味因子圖； 相似度計(jì)算； 揮發(fā)性有機(jī)化合物； 包裝材料

1 引 言

在煙草行業(yè)中，煙用包裝材料中的揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile organic compounds， VOCs）主要來源于制漿工序、印刷過程和粘膠劑。這些殘留的VOCs會(huì)影響卷煙產(chǎn)品吸味，甚至危害消費(fèi)者健康，因而需嚴(yán)格監(jiān)控?zé)熡冒b材料中VOCs。國(guó)家煙草專賣局先后頒布了《卷煙條與盒包裝紙中揮發(fā)性有機(jī)化合物的測(cè)定頂空-氣相色譜法》（YC/T 207-2006）[1]、《卷煙條與盒包裝紙中揮發(fā)性有機(jī)化合物的限量》（YC263-2008）、《煙用紙張中溶劑殘留的測(cè)定頂空-氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用法》（YC/T 207-2014）和《卷煙條與盒包裝紙安全衛(wèi)生要求》（YQ 69-2015）等多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。目前， 檢測(cè)VOCs的傳統(tǒng)方法主要是頂空-氣相色譜法（HS-GC）[2]和頂空-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法（HS-GC/MS）[3]，以及相關(guān)衍生方法[4～7]。這些方法一般包括提取、富集、色譜分離和檢測(cè)等步驟[8]，操作復(fù)雜，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，檢測(cè)成本高。因而， 發(fā)展簡(jiǎn)單、靈敏和快速的分析檢測(cè)技術(shù)具有良好的實(shí)用價(jià)值。

傳感器陣列是近年來發(fā)展快速的氣體分析技術(shù)，廣泛應(yīng)用于食品分析[9～13]、環(huán)境監(jiān)測(cè)[14～16]、醫(yī)學(xué)診斷[17～19]、危險(xiǎn)氣體監(jiān)測(cè)[20，21]等多個(gè)領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）氣體分析儀器相比，傳感器陣列在檢測(cè)氣體時(shí)具有靈敏度高、檢測(cè)時(shí)間短、操作簡(jiǎn)單和成本低等優(yōu)點(diǎn)[22]。目前已開發(fā)出多種性能優(yōu)異的傳感器陣列[23～29]。本研究組曾利用含18個(gè)傳感器的αFOX4000型電子鼻，根據(jù)YC263-2008標(biāo)準(zhǔn)，用判別因子分析（Discriminant factor analysis， DFA）方法和簇類獨(dú)立軟模型分析（Soft independent modeling of class analogy， SIMCA）方法對(duì)煙用包裝材料的VOCs殘留情況進(jìn)行了快速判別[30]。DFA和SIMCA均為有監(jiān)督的學(xué)習(xí)方法，建模時(shí)需要使用樣品類別的先驗(yàn)信息，其識(shí)別效果嚴(yán)重依賴于訓(xùn)練集的廣度和分類的標(biāo)準(zhǔn)，而且容易過度擬合數(shù)據(jù)。隨著行業(yè)限量標(biāo)準(zhǔn)的變更（如新標(biāo)準(zhǔn)YQ 69-2015的出臺(tái)），原來用DFA和SIMCA方法建立的模型已不適用，需要重新采集大量的訓(xùn)練集樣品數(shù)據(jù)構(gòu)建新的模型， 這樣會(huì)造成時(shí)間成本、人力成本和經(jīng)濟(jì)成本的浪費(fèi)。 因此，需要尋求適用性更強(qiáng)的分析方法。

目前，用于分析傳感器陣列信號(hào)數(shù)據(jù)的有監(jiān)督的學(xué)習(xí)方法主要有K最近鄰（K-nearest neighbor， KNN）分類算法[31]、偏最小二乘（Partial least squares， PLS）算法[32]、支持向量機(jī)（Support vector machine， SVM）[33]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial neural network， ANN）[34]等，這些方法也存在與DFA和SIMCA方法相同的局限性。而非監(jiān)督的學(xué)習(xí)方法，如主成分分析（Principal component analysis， PCA）[35]、平行因子分析（Parallel factor analysis， PACARAC）和平行因子分析2（Parallel factor analysis 2， PACARAC2）[36，37]等，在建模時(shí)不依賴樣品類別的先驗(yàn)信息，具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。這些方法基于雙線性或三線性的數(shù)學(xué)模型，但傳感器對(duì)化學(xué)物質(zhì)的響應(yīng)通常是非線性的[38]，因此數(shù)學(xué)模型與實(shí)際響應(yīng)模型之間的差異會(huì)弱化這些方法的應(yīng)用效果。

本研究組曾根據(jù)傳感器響應(yīng)的真實(shí)原理構(gòu)建了一個(gè)信號(hào)模型，并成功地將其應(yīng)用于香水樣品的分析[39]。在此基礎(chǔ)上，本研究進(jìn)一步構(gòu)建抽象氣味因子圖（Abstract odor factor map， AOFMs）作為樣品綜合特征圖譜，并引入相似性度評(píng)價(jià)方法[40]計(jì)算不同樣本的AOFMs相似度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品相似度的評(píng)估。將本方法用于煙用包裝材料中VOCs的快速評(píng)估，并與PCA和PARAFAC的結(jié)果進(jìn)行比較。

2 理論和方法

2.1 抽象氣味因子圖提取

傳感器陣列的信號(hào)數(shù)據(jù)可用一個(gè)三維數(shù)組Rt×k×n表示，其中t為記錄的時(shí)間點(diǎn)數(shù)，k為電子鼻的傳感器數(shù)目，n為樣品數(shù)。根據(jù)傳感器陣列的信號(hào)模型，該三維矩陣的每一個(gè)切片代表一個(gè)樣品的數(shù)據(jù)，每個(gè)切片可按公式（1）進(jìn)行分解[39]：

公式（7）可轉(zhuǎn)化為POR=αLR的形式。其中， POR為后驗(yàn)概率比， α為先驗(yàn)概率，LR為似然比。 α和LR的數(shù)學(xué)表達(dá)和具體的計(jì)算方法參見文獻(xiàn)[40]。當(dāng)評(píng)估包裝材料中VOCs時(shí)，可計(jì)算目標(biāo)樣品和其它樣品的AOFMs的相似度（用POR值表示）。POR≥1時(shí)，判定兩個(gè)樣品之間的VOCs組成沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差別； POR<1時(shí)，判定兩個(gè)樣品之間的VOCs在統(tǒng)計(jì)學(xué)上存在差別。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 樣品材料

本研究使用的卷煙包裝紙樣品為10種來自不同制造商和不同型號(hào)卷煙產(chǎn)品的條盒包裝紙，樣品依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 207-2006[1]進(jìn)行制備。在包裝紙正面的中央?yún)^(qū)域裁取22.0 cm×5.5 cm的試樣，然后將所裁試樣印刷面朝里卷成筒狀，立即放入20 mL頂空樣品瓶中，加入1000 μL三乙酰甘油（色譜純，Sigma Aldrich公司）作為溶劑，密封，即作為1個(gè)樣本。每種包裝紙制備了12個(gè)平行樣本，其中2個(gè)樣本用HS-GC/FID進(jìn)行檢測(cè)，10個(gè)樣本用傳感器陣列進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 HS-GC/FID檢測(cè)條件

包裝紙樣品中揮發(fā)性有機(jī)物的HS-GC/FID檢測(cè)條件參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 207-2006[1]，使用Agilent7697A頂空-氣相色譜儀（美國(guó)Agilent Technologies公司）進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)條件和參數(shù)如下：

頂空進(jìn)樣條件：樣品在80℃下平衡45 min； 樣品瓶加壓138 kPa，0.2 min； 樣品環(huán)容量3 mL，溫度100℃； 高純氦氣作為載氣； 進(jìn)樣口溫度150℃； 恒流模式，柱流量為3.8 mL/min，分流比為10∶1。

GC參數(shù)：Supelcov VOCOL色譜柱（60 m×0.32 mm×1.80 μm），程序升溫：初始溫度40℃，保持2 min， 然后以 4℃/min 的速度升溫至 180℃，保持 15 min。

FID檢測(cè)器參數(shù)：空氣450 mL/min，氫氣40 mL/min，溫度250℃，補(bǔ)充氣（He）30 mL/min。

3.3 傳感器陣列檢測(cè)條件

本研究中樣品的傳感器陣列數(shù)據(jù)同αFOX4000型電子鼻（法國(guó)Alpha M.O.S公司），包含18個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器組成的陣列，包括12個(gè)Pd摻雜SnO2傳感器和6個(gè)Ti摻雜Cr2O3傳感器，每個(gè)傳感器對(duì)不同VOCs的靈敏度各不相同。每個(gè)煙用包裝紙樣品在60℃的頂空條件下，以500 r/min振蕩600 s，然后通過自動(dòng)進(jìn)樣器采集1800 μL頂空氣體注射進(jìn)傳感器陣列； 載氣為高純空氣，流速為350 mL/min； 每秒采集1個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)樣品采集100 s的數(shù)據(jù)。

3.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)采集到傳感器陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，方法如下：

HSG-GC/FID的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算采用Agilent公司的OpenLAB CDS ChemStation 和 MassHunter軟件。數(shù)據(jù)預(yù)處理PCA、PARAFAC和AOFMs相似度計(jì)算采用Matlab R2016軟件。

4 結(jié)果與討論

4.1 HS-GC/FID法檢測(cè)煙用包裝紙樣品中的VOCs含量

根據(jù)煙草行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)YC/T 207-2006[1]，可用HS-GC/FID法對(duì)煙用包裝紙樣品中VOCs組分進(jìn)行定量分析。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定需檢測(cè)的VOCs包括3種醇類（乙醇、異丙醇和正丁醇）、4種酮類（丙酮、丁酮、4-甲基-2-戊酮和環(huán)己酮）、 4種酯類（乙酸乙酯、乙酸異丙酯、乙酸丙酯和乙酸正丁酯）、 1種醚類（丙二醇甲醚）和4種芳香化合物（苯、甲苯、乙苯和二甲苯），檢測(cè)結(jié)果如表1所示。這10種包裝紙樣品中的主要揮發(fā)性成分為醇類、酮類、酯類、醚類和芳香族化合物。醇類為包裝紙中普遍存在的揮發(fā)性物質(zhì)，在這10個(gè)包裝紙樣品中均檢測(cè)到一定量的乙醇、異丙醇和正丁醇，但在每個(gè)樣品中的含量存在差異。其中P01、P04、P05、P07和P10中的醇類含量，尤其是乙醇，遠(yuǎn)高于另外5種包裝紙樣品。P04的醇類含量最高。酮類也為包裝材料中的VOCs的重要組成之一，在這10種樣品中最主要的酮類為丙酮，其含量在10種樣品中比較相近。在P02樣品中還檢測(cè)到環(huán)己酮。在這10個(gè)包裝紙中檢測(cè)到的酯類有乙酸乙酯、乙酸丙酯和乙酸正丁酯。從表1可知，P05中的酯類含量非常高，這是P05與其它樣品VOCs組成的顯著差別。在這10種樣品中都檢測(cè)出了二甲苯，其中P02中的檢測(cè)值遠(yuǎn)高于其它樣品。而甲苯僅在P08中檢測(cè)到。此外，在P01和P08中檢測(cè)到一定量的醚類（丙二醇單甲醚），而其它樣品未檢出。檢測(cè)結(jié)果表明，這10種包裝紙樣品的VOCs構(gòu)成存在差異，其中P01、P02、P04、P05和P08的VOCs構(gòu)成差異更大。

4.2 傳感器陣列檢測(cè)VOCs含量

用傳感器陣列檢測(cè)10種煙用包裝紙材料，每種樣品進(jìn)行10次平行測(cè)定。獲得的數(shù)據(jù)分別用PCA、PARAFAC和AOFMs相似度計(jì)算3種方法進(jìn)行分析，分析結(jié)果與HS-GC/FID法檢測(cè)的結(jié)果（表 1）比較，從而判斷方法的有效性。

4.2.1 PCA分析結(jié)果 PCA為一種傳統(tǒng)模式識(shí)別方法，是基于二維數(shù)據(jù)陣列的雙線性模型。當(dāng)PCA用于分析傳感器陣列信號(hào)數(shù)據(jù)時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行降維處理。本研究使用每個(gè)傳感器吸附曲線中最大斜率值作為PCA分析的原始數(shù)據(jù)，構(gòu)成二維數(shù)據(jù)陣列。圖1的PCA得分圖中，兩個(gè)主成分（PC）分別解釋89.40%和3.59%的方差。總累積方差為92.99%，表明前兩個(gè)分量可解釋樣本間92.99%的信息。從PCA結(jié)果可見，只有2種包裝紙樣品P06和P08能完全與其它樣品分離。然而，其它8種的包裝紙樣品雖具有非常不同的VOCs構(gòu)成，卻不能很好地區(qū)分。重疊主要存在P01和P03之間、P04和P05之間以及P02、P07、P09和P10之間。從表1可見，P01中揮發(fā)性成分的含量遠(yuǎn)高于P03，表明兩種包裝紙的氣味物質(zhì)似乎應(yīng)該有較大的差異，然而使用PCA方法得到的結(jié)果與此不相符。同樣，P04具有較高的醇含量，而P05具有更高的酯含量，兩者的VOCs構(gòu)成也存在明顯差異。P02、P07、P09和P10之間情況則比較復(fù)雜。P07和P10之間的VOCs構(gòu)成比較相似，但與P02和P09之間存在明顯差異。綜上，PCA方無法區(qū)分VOCs成分差別較大的包裝材料樣品。因此PCA應(yīng)用于氣體傳感器陣列的信號(hào)數(shù)據(jù)分析，無法進(jìn)行快速分析包裝材料中VOCs的組成。

4.2.2 平行因子分析結(jié)果 PARAFAC是一種基于三線性模型的分解方法，近年來被應(yīng)用于三維的傳感器陣列信號(hào)數(shù)據(jù)的分解[35]。同樣使用PARAFAC方法對(duì)10種包裝紙的VOCs成分進(jìn)行分析，結(jié)果見圖2，其中6種包裝紙樣品（P01、P03、P04、P05、P06和P08）可有效地與其它樣品區(qū)分，此結(jié)果優(yōu)于PCA方法的結(jié)果。由于PCA中的降維會(huì)導(dǎo)致信息丟失，并最終影響其識(shí)別效果。這些結(jié)果說明，基于三維數(shù)據(jù)的分析方法更適用于處理傳感器陣列的信號(hào)數(shù)據(jù)。然而，P02、P07、P09和P10無法通過PARAFAC方法和其它樣品進(jìn)行有效的區(qū)分。從表1可見，P07和P10的醇類含量遠(yuǎn)高于P02和P09； 此外，P02為唯一檢測(cè)到環(huán)己酮的樣品，而且二甲苯的含量明顯高于其它樣品。因此，這4種包裝紙的VOCs組分存在顯著性差異，而PARAFAC的結(jié)果與此并不相符。綜合考慮，對(duì)于傳感器陣列信號(hào)數(shù)據(jù)，PARAFACA為一種優(yōu)于PCA的分析方法，但仍然不能有效評(píng)估包裝材料中的VOCs組成。

4.2.3 抽象氣味因子圖提取 AOFMs相似度計(jì)算方法中使用的傳感器陣列信號(hào)模型也針對(duì)三維數(shù)據(jù)陣列，但在信號(hào)分解方面充分考慮了傳感器表面吸附產(chǎn)生信號(hào)的原理[39]。每個(gè)樣品采集100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，陣列中含18個(gè)傳感器，因此每個(gè)樣品的信號(hào)數(shù)據(jù)可用一個(gè)100×18的二維矩陣R100×18表示?？偣灿?0種包裝紙樣品，每種樣品含有10個(gè)平行樣品，即有100個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)，因此可得到一個(gè)100×18×100的三維數(shù)據(jù)R100×18×100。此三維數(shù)據(jù)通過公式（1）的傳感器陣列信號(hào)模型進(jìn)行分解。信號(hào)模型中的參數(shù)c和p需要進(jìn)行優(yōu)化。考察了c和p設(shè)置為1～6時(shí)，模型分解的殘差平方和（Residual sum of squares，SSR）。圖3為SSR隨c和p的變化曲線，結(jié)果表明，當(dāng)c=2，p=5時(shí)，SSR達(dá)到最小值，數(shù)據(jù)得到最優(yōu)的分解結(jié)果。根據(jù)公式（1），c=2，p=5時(shí)，每個(gè)樣品的平行樣品通過模型分解得到矩陣C100×5，N5×36和Γ36×18。

根據(jù)公式（2），通過矩陣C、N和Γ可提取出每個(gè)樣品的氣味圖（Rj），而且氣味圖的數(shù)量取決于模型參數(shù)p的值。因此，將每個(gè)包裝紙的信號(hào)數(shù)據(jù)分解成5個(gè)氣味圖。每個(gè)樣品的5個(gè)氣味圖（Rj）按照公式（3）能夠構(gòu)建樣品的綜合特征譜圖AOFMs， 如圖4所示。這10種包裝紙的AOFMs非常相似，難以通過視覺觀察區(qū)分。因此，通過引入二維數(shù)據(jù)的相似度方法計(jì)算它們的異同，客觀地評(píng)估樣品之間VOCs的相似度。

4.2.4 抽象氣味因子圖的 相似度計(jì)算 公式（7）中的POR值為樣品間相似度的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。將每種包裝紙樣品的AOFMs逐一設(shè)置為訓(xùn)練集，并將其它樣品的AOFMs設(shè)置為預(yù)測(cè)集，計(jì)算所有情況下的POR值，具體結(jié)果見電子版文后支持信息表S1，可作為評(píng)估在訓(xùn)練集和預(yù)測(cè)集樣品之間的VOCs相似或差異的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)表S1中POR的值，10種包裝紙樣品兩兩間的相似度分為兩種情況：（1）POR>1，此時(shí)兩個(gè)樣品被判斷為統(tǒng)計(jì)學(xué)上相似（-）； （2）0

當(dāng)P01作為訓(xùn)練集樣品，其它9種包裝紙樣品中的1種作為預(yù)測(cè)集樣品時(shí)，相似度計(jì)算的結(jié)果均為0

樣品P02的相似度計(jì)算結(jié)果與上述4種樣品的結(jié)果稍有不同。當(dāng)其作為訓(xùn)練集樣品時(shí)，其它9種包裝紙樣品相似度計(jì)算的結(jié)果均顯示與P02有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差異（*）。但當(dāng)P02為預(yù)測(cè)樣本， P09作為訓(xùn)練集時(shí)，結(jié)果顯示兩個(gè)樣品在統(tǒng)計(jì)學(xué)上相似（-）。推測(cè)樣品P02與P09之間VOCs構(gòu)成既有相似之處也有差別，但兩者之間的差異大于P02自身平行樣品之間的差異。因此，判斷P02和P09之間統(tǒng)計(jì)學(xué)上有差異。HS-GC/FID的結(jié)果（表1）顯示，P02和P09同樣檢測(cè)到低含量的醇類、酮類、酯類和芳香化合物，沒有檢測(cè)到醚類； 但P02的酯類含量約為P09的3倍，而二甲苯的含量則為P09的11倍。兩種煙用包裝材料的VOCs確實(shí)存在差異，同時(shí)從圖5中也可見，P02的標(biāo)準(zhǔn)差較小，這也驗(yàn)證了上面推測(cè)。除P09外的8種樣品則與P02之間的VOCs構(gòu)成有明顯差異，因?yàn)槠湎嗨贫扔?jì)算的結(jié)果均為0

樣本P09相似度計(jì)算結(jié)果與前兩類樣品不同。當(dāng)它被設(shè)置為訓(xùn)練樣本時(shí)，有5種其它的樣本（P02，P03，P06，P07和P10）計(jì)算得到POR>1.00，其VOCs構(gòu)成被判斷為與P09在統(tǒng)計(jì)學(xué)上沒有差別（-）。然而，當(dāng)這5種樣品中的任何一種樣品作為訓(xùn)練集，P09為預(yù)測(cè)集樣品時(shí)，計(jì)算結(jié)果則顯示其VOCs構(gòu)成與P09有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差異。推測(cè)目標(biāo)樣品P09自身平行樣本之間差異較大，與P09和另外5種樣品之間VOCs構(gòu)成的差異沒有顯著性差別，因此這5種樣品被認(rèn)為與P09相似。由圖5可見，P09的標(biāo)準(zhǔn)偏差較大。針對(duì)此種情況，可通過目標(biāo)樣品P09作為預(yù)測(cè)集樣品時(shí)的相似度計(jì)算結(jié)果，判斷其VOCs構(gòu)成與其它樣品之間的相似度，從而避免因?yàn)槠叫袠悠分g的離散度大引起的誤判。此外，當(dāng)P09被設(shè)置為訓(xùn)練樣本時(shí)，P01、P04、P05和P08可被正確區(qū)分，而P02、P03、P06、P07和P10不能被正確區(qū)分。這表明P09與P02、P03、P06、P07、P10這5種樣品中VOCs的構(gòu)成比P01、P04、P05和P08更為相似。

此外，樣品P07的計(jì)算結(jié)果也比較特別。當(dāng)P07被設(shè)為訓(xùn)練樣本時(shí)，P10不能與P07區(qū)分； 而當(dāng)P07被設(shè)置為預(yù)測(cè)集樣本，P09為訓(xùn)練樣本時(shí)，P07不能與P09區(qū)分。根據(jù)上述分析，當(dāng)P09作為訓(xùn)練集時(shí)，P07被誤判為與P09有相近的VOCs構(gòu)成，是P09平行樣品之間的離散度大所導(dǎo)致。對(duì)于樣品P07與P10，當(dāng)P07作為訓(xùn)練集時(shí)，P10被判定為與P07相似； 而當(dāng)P10作為訓(xùn)練集時(shí)，結(jié)果顯示P07與P10之間存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差異。這說明，P07和P10之間的差異小于P07自身平行樣品之間的差異，而大于P10自身平行樣品之間的差異。由圖5可知，P07和P10自身平行樣品之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差都較小，結(jié)果不是因?yàn)橛?xùn)練集離散度大引起的誤判。由表1可知，P07和P10之間的VOCs構(gòu)成雖然存在一定差異，但相似度比較高。在P07和P10中都檢出了高含量的醇類（4.82和6.21 mg/m2），3種酯類的含量和比例相近（P07和P10的乙酸乙酯、乙酸丙酯和乙酸正丁酯含量分別為0.60、0.00和3.2 mg/m2； 0.56、0.06和4.48 mg/m2）。兩者的丙酮和二甲苯檢測(cè)量也差別較小，分別為0.17、0.11 mg/m2和0.25、0.06 mg/m2。 兩種樣品均未檢出丙二醇單甲醚、環(huán)己酮和甲苯。

綜上，根據(jù)AOFMs相似度計(jì)算的結(jié)果，可判斷P01、P02、P03、P04、P05、P06、P08和P09這8種包裝材料的VOCs構(gòu)成存在顯著差異，其中P01、P04、P05和P08的之間的VOCs構(gòu)成差異更顯著。P07和P10兩種包裝材料之間的VOCs構(gòu)成雖然存在一定差異，但兩者構(gòu)成在統(tǒng)計(jì)學(xué)上相似度較高。此結(jié)果與HS-GC/FID方法的檢測(cè)結(jié)果（表1）相符，說明AOFMs相似度計(jì)算方法是可用于處理傳感器陣列響應(yīng)數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)有效快速評(píng)估煙用包裝材料VOCs的新方法。與PCA和PARAFAC方法相比，本方法具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）本方法基于正確的傳感器陣列信號(hào)模型，相對(duì)于使用雙線性或三線性的數(shù)學(xué)模型更具合理性； （2）本方法使用的相似度計(jì)算方法為樣品VOCs 組成的相似度評(píng)估給出了明確、客觀的判斷依據(jù)，而不是采用以往依靠主觀的視覺判斷的做法； （3）根據(jù)使用不同樣品作為訓(xùn)練集和預(yù)測(cè)集得到的相似度計(jì)算結(jié)果，可得到更詳細(xì)的信息輔助評(píng)估樣品VOCs的相似度。

References

1 YC/T 207-2006 Determination of Volatile Organic Compounds in Cigarette Carton and Packet Packaging Papers-Headspace-Gas Chromatography. Standard for Cigarette Industry

卷煙條與盒包裝紙中揮發(fā)性有機(jī)化合物的測(cè)定 頂空-氣相色譜法. 煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). YC/T 207-2006

2 XIE Yan， LU Yi-Feng， SUN Wen-Liang， LIU Bai-Zhan. Acta Tabacaria Sinica， 2007， 13（6）： 13-19

謝 焰， 陸怡峰， 孫文梁， 劉百戰(zhàn). 中國(guó)煙草學(xué)報(bào)， 2007， 13（6）： 13-19

3 HUANG Hui-Zhen， LIANG Hui， LIU Xiu-Cai， YU Yu-Mei. Acta Tabacaria Sinica， 2014， 20（1）： 15-20

黃惠貞， 梁 暉， 劉秀彩， 余玉梅. 中國(guó)煙草學(xué)報(bào)， 2014， 20（1）： 15-20

4 JIN Yong-Can， CUI Zhu-Wen， KONG Wei-Song， HE Bing， LIU Wei， YANG Guang-Yu. Physical Testing & Chemical Analysis（Part B：Chemical Analysis）， 2011， 47（12）： 1424-1426

金永燦， 崔柱文， 孔維松， 賀 兵， 劉 蔚， 楊光宇. 理化檢驗(yàn)（化學(xué)分冊(cè)）， 2011， 47（12）： 1424-1426

5 LI Yong， YANG Ke， YUAN Hui. Chinese Journal of Analysis Laboratory， 2010， s1： 1-3

李 勇， 楊 珂， 袁 輝. 分析試驗(yàn)室， 2010， s1： 1-3

6 XIE Cheng-Ping， LI Yong， LAN Min-Jian. Chinese J. Anal. Chem.， 2011， 39（2）： 265-268

謝成屏， 李 勇， 藍(lán)敏劍. 分析化學(xué)， 2011， 39（2）： 265-268

7 HUO Jiang-Bo， WANG Xiao-Yi， SUN Dong-Ling， ZHANG Jing-Qiang， LIN Xing-Tao. Chinese J. Anal. Chem.， 2014， 42（4）： 531-535

霍江波， 王小逸， 孫東玲， 趙靖強(qiáng)， 林興桃. 分析化學(xué)， 2014， 42（4）： 531-535

8 Biedermann M， Grob K. J. Chromatogr. A， 2013， 1272（1）： 106-115

9 Matindoust S， Baghaei-Nejad M， Abadi M H S， Zou Z， Zheng L R. Sensor Rev.， 2016， 36（2）： 169-183

10 Qiu S， Wang J. Food Chem.， 2017， 230： 208-214

11 Wu H， Yue T L， Xu Z， Zhang C. Anal. Methods， 2017， 9（6）： 921-928

12 GU Xin-Zhe， WU Zhen-Chuan， LIU Rui-Yu， YIN Tao， HE Shu-Wen， TU Kang， PAN Lei-Qing. Food Science， 2016， 37（24）： 142-148

顧欣哲， 吳振川， 劉芮瑜， 尹 濤， 何淑文， 屠 康， 潘磊慶. 食品科學(xué)， 2016， 37（24）： 142-148

13 WANG Xiao-Dan， XU Li-Ping， WANG Hong-Mei， CAI Ying-Ming， JIN Jia-Hui， ZHU Ling-Tao. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2017， 48（7）： 332-338

王笑丹， 徐麗萍， 王洪美， 才英明， 金佳慧， 朱靈濤. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2017， 48（7）： 332-338

14 Tit A， Tsuruta A， Shin W. Sensors， 2017， 17（7）： 1662

15 Ahuja K K， Jani N N. IJETTCS， 2017， 44（1）： 29-32

16 Ami H， Lu Y， Li J， Meyyappa M. Sensors， 2016， 16（8）： 1163

17 Saidi T， Zaim O， Moufid M， El Bari N. Ionescu R， Bouchikhi B. Sens. Actuators B， 2018， 257： 178-188

18 Dragonieri S， Annema J T， Schot R， van der Schee M P C， Spanevello A. Carratú P， Resta O， Rabe K F， Sterk P J. Lung Cancer， 2009， 64（2）： 166-170

19 Cellini A， Blasioli S， Biondi E， Bertaccini A， Braschi I， Spinelli F. Sensors， 2017， 17（11）： 2596

20 Li F A， Zou J， Zhang X， Zhang D X， Jin H， Wang J X， Jian J W. Ionics， 2018， 24（5）： 1-6

21 LIU Wei-Ling， YANG Cai-Shuang， RAN Duo-Gang， KANG Lei. Instrument Technique and Sensor， 2017， 2： 66-69

劉偉玲， 楊彩雙， 冉多鋼， 康 磊. 儀表技術(shù)與傳感器， 2017， 2： 66-69

22 Janzen M C， Ponder J B， Bailey D P， Ingison C K， Suslick K S. Anal. Chem.， 2006， 78（11）： 3591-3600

23 Zheng L， Zhang J， Yu Y， Zhao G， Hui G. J. Food Meas. Charact.， 2016， 10（2）： 247-252

24 Tiggemann L， Ballen S C， Bocalon C M， Graboski A M， Manzoli A， Steffens J， Valduga E， Steffens C. Innov. Food Sci. Emerg.， 2017， 43： 112-116

25 Lin H， Man Z X， Kang W C， Guan B B， Chen Q S， Xue Z L. Food Chem.， 2018， 268： 300-306

26 Feng F， Zheng J， Qin P， Han T， Zhao D. Talanta， 2017， 167： 94-102

27 Pirsa S， Nejad F M. Sensor Rev.， 2017， 37（2）： 155-164

28 Aernecke M J， Guo J， Sonkusale S， Walt D R. Anal. Chem.， 2009， 81（13）： 5281-5290

29 Graf M， Frey U， Taschini S. Hierlemann A. Anal. Chem.， 2006， 78（19）： 6801-6808

30 WU Jun-Zhang， KONG Hao-Hui， GUO Wei-Qing， OU Zhou， GAN Feng. Tobacco Science & Technology， 2016， 49（8）： 72-75

吳君章， 孔浩輝， 郭偉清， 歐 舟， 甘 峰. 煙草科技， 2016， 49（8）： 72-75

31 Zhu P， Du J， Xu B， Lu M. Anal. Methods， 2017， 9（15）： 1806-1815

32 Men H， Fu S， Yang J， Cheng M， Shi Y， Liu J. Sensors， 2018， 18（1）： 285

33 Ordukaya E， Karlik B. J. Food Qual.， 2017， 2017： 9272404

34 Tan J， Kerr W L. J. Sci. Food Agr.， 2018， 98（10）： 3851-3859

35 Gancarz K， Wawrzyniak J， Gawrysiak-Witulska M， Wi-cek D， Nawrocka A， Tadla M， Rusinek R. Measurement， 2017， 103： 227-234

36 Skov T， Bro R. Sens. Actuators B， 2005， 106（2）： 719-729

37 Padilla M， Montoliu， I， Pardo A， Perera A， Marco S. Sens. Actuators B， 2006， 116（1-2）： 145-150

38 Wen T， Yan J， Huang D， Lu K， Deng C， Zeng T， Yu S， He Z. Sensors， 2018， 18（2）： 388

39 Guo W Q， Gan F， Kong H H， Wu J Z. Chemometr. Intell. Lab. Sys.， 2015， 143： 130-135

40 Bai W， Ren M， Hopke P K， Gan F. Appl. Spectrosc.， 2009， 63（7）： 810-814