基于絕對拉曼差譜技術的白酒乙醇濃度測量

于 嵐， 孟森森， 林 珂, 2*， 段司琪， 王志強， 張睿挺

1. 西安電子科技大學物理與光學工程學院， 陜西 西安 710071 2. 西安電子科技大學智能傳感交叉研究中心, 陜西 西安 710071

引 言

作為人們日常生活中普遍飲用的一種酒類， 白酒的質量一直是生產者和消費者十分關心的問題。 酒精度是白酒重要的理化和安全指標之一， 也是消費者在購買白酒時主要的選擇依據之一。 作為一種合格的白酒， 其標識的酒精度數必須非常準確。 相關國家標準規定白酒的乙醇濃度實測值與標識值之差不能超過±1.0%vol。 對于白酒乙醇含量的測量可以用于白酒的質量評估。 一些假酒， 及散裝白酒， 因為其酒精度和相關標識值會存在較大的偏差， 所以可以使用乙醇含量來初步對這些白酒進行質量篩查。

目前在GB5009.225—2016的國家標準中， 規定了對白酒中乙醇濃度測量的標準方法。 這些方法包括： 密度瓶法， 酒精計法， 氣相色譜法和數字密度計法。 這些方法的測量精度雖然很高(0.5%vol)， 但是這些方法的測試過程極為繁瑣， 測試耗時長。 這些方法適合取樣后在實驗室進行分析， 不適用于現場的快速測量判斷。 鑒于快速檢查需求的增長， 近年來發展了快速測量白酒的質量安全的檢測方法。 Cleveland等發展了小型化拉曼光譜用于測量酒飲料的乙醇含量， 他們主要是利用乙醇的C—C—O伸縮振動譜峰強度和乙醇濃度的關聯進行的乙醇濃度測量[1]。 類似的， 劉文涵等也利用該譜峰強度來測量乙醇濃度， 他們采用了水的光譜作為內標來標定該譜峰的強度[2]。 這類方法是基于譜峰絕對強度， 會受到熒光背景及實際測量過程的影響， 導致其濃度測量誤差較大。 如果乙醇濃度改變， 除了強度會改變， 乙醇光譜的譜峰位置也會發生變化， 所以吳斌等人利用CH伸縮振動的拉曼位移與乙醇濃度的關系來測量乙醇濃度[3]。 但是這種方法需要對拉曼位移的測量極為準確， 其不確定性較大。 近年來， 隨著化學計量學和機器學習算法的發展， 各種模型被用來分析乙醇的拉曼光譜。 例如Ashok等發展了基于光學微流控拉曼光譜技術結合偏最小二乘法測量了伏特加和威士忌酒的乙醇濃度[4]。 Kiefer等利用拉曼光譜結合最小二乘法和偏最小二乘法測量了威士忌酒的乙醇濃度[5]。 在這些研究中， 都是使用化學計量學方法進行建模來區分不同濃度。 由于不同白酒需要建立自己的模型， 一個特定的模型不能普遍適用于所有白酒。 尤其是不同白酒有各自的熒光背景等影響。 耿響等結合近紅外拉曼光譜和神經網絡等方法分析了拉曼光譜測量白酒乙醇濃度的能力， 分析了各種光譜處理方法對結果的影響[6]。 除此之外， 在結合偏最小二乘法等方法時， 單變量模型和多變量模型的對比[7]， 拉曼光譜凈信號的提取等具體光譜處理方法都被用來分析乙醇濃度。 這些結果都顯示使用機器學習分析白酒的拉曼光譜時有很多需要考慮的因素， 包括譜峰選擇， 光譜背景處理等。

之前利用拉曼光譜揭示了不同濃度乙醇水溶液的不同微觀結構， 在不同濃度下主要區別是乙醇-乙醇相互作用， 以及乙醇和水的相互作用的區別。 因為乙醇水溶液中的相互作用主要是通過乙醇的羥基， 所以乙醇的C—C—O伸縮振動對微觀結構極為敏感。 之前的研究也顯示C—C—O伸縮振動的拉曼譜峰對乙醇濃度極為敏感[8]。 這里我們將發展絕對拉曼差譜來呈現不同濃度下的C—C—O伸縮振動拉曼譜峰差別。 進一步利用這個差別來計算瓶裝白酒和西安市散裝酒的乙醇濃度。

1 實驗部分

1.1 樣品

無水乙醇購買于國藥集團公司， 純度大于99.7%。 蒸餾水購買于上海穗天環?？萍加邢薰?。 無水乙醇和蒸餾水是直接使用， 沒有進一步純化。 我們采用稱重法配置了一系列不同濃度的乙醇水溶液。 利用乙醇質量濃度與體積濃度的對應關系換算出乙醇的體積濃度。 瓶裝酒， 包括小郎酒， 江小白， 太白酒， 牛欄山， 西鳳酒， 五糧液酒等均購買于超市。 21種散裝白酒購買于西安市各地區的小賣部， 購買地點分布在西安市的二環， 三環附近。

1.2 拉曼光譜實驗

我們采用自己搭建的拉曼光譜儀， 裝置詳細描述見我們之前發表的文章[9-10]。 這里使用了波長為532 nm的激光(Coherent, Genesis MX532-1000 MTM)， 激光的偏振使用格蘭棱鏡進行純化， 使用半波片進行偏振控制。 我們采用背向散射方式來采集拉曼光譜。 拉曼散射光經過三級聯譜儀(卓立漢光, Omni λ-180D & Omni λ-5008i)進行色散， 色散后的拉曼散射光由電制冷CCD (Andor, DR-316B-LDC-DD)進行采集。 光譜采集范圍800～1 600 cm-1， 光譜分辨率～2 cm-1。 每個待測樣品采集5次光譜， 每次采集積分時間8 s， 采集五次后取平均值。 拉曼位移使用汞燈標準譜線進行校準。

2 結果與討論

2.1 絕對拉曼差譜定量分析乙醇濃度方法

不同濃度下的乙醇溶液其拉曼光譜有明顯區別。 因為隨著乙醇的濃度減小， 乙醇的拉曼光譜譜峰強度也減小， 所以之前有利用乙醇的拉曼光譜強度進行濃度測量[1-2]。 除了強度的明顯改變， 譜峰位置也有明顯改變， 這是因為不同濃度下乙醇水溶液的微觀結構有差別[8]。 拉曼光譜譜峰位移和乙醇濃度的關系也被用來進行濃度的測量[3]。 雖然利用拉曼光譜譜峰強度和譜峰位置可以測量乙醇濃度， 但是這需要測量光譜系統以及測量本身保持極高的穩定性， 還需要處理數據時熒光背景扣除和譜峰位置提取都極為準確。 例如拉曼光譜譜峰的絕對強度和光路有直接關聯， 當測量光路稍有變動時， 其絕對強度就有改變。 對于光譜譜峰位置的提取如果采用不同譜形擬合時會得到不同的數值。 所以這些方法的穩定性和準確性都不會特別高， 這就最終影響了使用這些方法測量乙醇的濃度的結果。 為了避開光譜強度和譜峰位置信息的提取， 所以大家又使用基于機器學習等數據處理方法來對光譜進行建模分析。 這些建模雖然有效， 但是其處理過程忽略了不同濃度下光譜差別的具體物理化學起因。

圖1 各濃度乙醇水溶液的歸一化C—C—O伸縮振動拉曼光譜(a)及絕對拉曼差譜(b)

不同乙醇濃度下， 乙醇水溶液的微觀結構有區別。 在高濃度下有更多的乙醇-乙醇氫鍵相互作用， 在較低濃度下有更多的乙醇-水的氫鍵相互作用。 這些不同的分子間相互作用就導致了乙醇的拉曼光譜在不同濃度下的譜峰位置和譜峰寬度的區別。 由于這些氫鍵相互作用都是通過乙醇的羥基實現的， 所以乙醇的C—C—O伸縮振動對這些氫鍵相互作用極為敏感。 基于此， 我們認為使用C—C—O伸縮振動的拉曼譜峰進行乙醇濃度的識別將會更好。 我們測量了各濃度下的拉曼光譜， 將背景扣除后， 獲得了乙醇的光譜。 針對C—C—O伸縮振動， 我們利用譜峰高度進行了歸一化， 結果見圖1(a)。 可以看出隨著乙醇濃度下降， C—C—O伸縮振動譜峰逐漸紅移。 除了譜峰位置會發生變化外， 其光譜的譜峰寬度也在發生變化。 這種譜峰寬度的改變主要是由于不同濃度下乙醇在水溶液中再取向動力學不一致[8]。 無論是譜峰位置改變， 還是譜峰寬度改變， 都可以歸結為譜形的改變。

雖然通過高斯或者洛倫茲線型進行譜峰擬合， 可以獲得譜峰的位置和寬度， 但是由于其中復雜的相互作用和微觀結構， 這種擬合結果并不是很好。 在不同的濃度下其擬合的效果也不一致。 所以通過擬合獲取譜峰位置和寬度來測量乙醇的濃度并不是很理想。 這里我們引入絕對差譜的方法來分析光譜的譜形差別。 當譜峰通過高度歸一化后， 如果兩個條件下的光譜譜峰完全一樣， 那么其光譜的差譜將會是縱坐標為0的一條直線。 如果兩個條件下光譜的譜形有差別， 那么其光譜的相減將會偏離直線。 偏離直線越遠， 則表明兩個光譜的譜形差別越大。 將不同濃度乙醇水溶液的拉曼光譜減去純乙醇的拉曼光譜， 即得到差譜。 由于譜峰的紅移， 則差譜會出現正峰和負峰。 為了定量地分析正負峰偏離直線的程度， 我們將差譜取了絕對值， 得到了絕對拉曼差譜， 見圖1(b)。 從絕對拉曼差譜中可以看出， 隨著乙醇濃度下降， 相對應的差譜強度在提升。 這表明隨著乙醇濃度下降， 乙醇的C—C—O伸縮振動譜峰譜形愈加偏離純乙醇的C—C—O伸縮振動譜峰譜形。

圖2 乙醇體積濃度與光譜偏離量的關系, 及直線擬合結果

Fig.2 The relationship between ethanol volume concentration and spectral deviation， and the line fitting results

為了定量的表達絕對拉曼差譜偏離0的情況， 我們將絕對拉曼差譜進行了積分。 通過積分可以獲得圖1(b)中的譜峰強度， 這種積分就避免了譜峰擬合的繁瑣操作。 為了避免不同實驗裝置的差異， 我們將絕對積分值除以純乙醇的C—C—O伸縮振動歸一化拉曼光譜的積分值。 我們將除法獲得的這個值定義為光譜偏離量。 圖2給出了各乙醇濃度下的光譜偏離量， 可以看出隨著乙醇濃度減小， 光譜偏離量在逐漸增大。 由圖可以看出光譜偏離量和乙醇的體積濃度有很好的直線關系。 我們通過直線擬合了各濃度下的光譜偏離量， 擬合的決定系數為0.971， 這表明使用直線擬合非常好。

由于光譜偏離量和乙醇濃度有很好的線性關系， 這表明可以直接利用該直線關系和白酒的光譜偏離量來測量白酒的度數。 通過測量白酒的絕對拉曼差譜， 進一步獲得對應的光譜偏離量。 由于使用了光譜強度歸一化， 這就避免了對測量系統和測量過程穩定性的高要求。 由于使用了光譜偏離量， 避免了進行譜峰擬合帶來的不確定性。 同時比起之前的各種拉曼光譜方法而言， 該方法更加簡捷實用。

2.2 瓶裝酒酒精度的檢測結果

為了驗證該方法是否可以準確的測量白酒的酒精度， 我們測量了一系列瓶裝白酒的拉曼光譜， 用上述方法來測量其度數。 以瓶裝小郎酒為例， 測量了其拉曼光譜， 見圖3。 光譜和乙醇水溶液光譜一致， 光譜中呈現的譜峰都是乙醇的振動譜峰。 其中～882 cm-1的譜峰歸屬為C—C—O伸縮振動， 其譜峰最強， 且對乙醇濃度最為敏感。 利用小郎酒的拉曼光譜和純乙醇的拉曼光譜， 計算了其光譜偏離量， 再利用光譜偏離量與濃度的關系計算了小郎酒的度數。 我們獨立測量其度數幾次， 平均結果為(44.6±1)度。 該小郎酒的瓶裝標識值為45度， 與我們利用該絕對拉曼差譜獲得的度數吻合得非常好。 這表明該技術可以很準確地測量白酒的度數。 我們利用該方法測量度數的誤差為1度， 這也符合國家標準誤差要求。 之前利用拉曼光譜強度對酒的乙醇含量測量的方法誤差可達2度甚至更大[1-2]。 除此之外， 我們還測量了江小白， 太白酒， 牛欄山， 西鳳酒， 五糧液酒， 測量值和這些酒的標識值都吻合得非常好。

圖3 小郎酒的拉曼光譜圖

2.3 西安市散裝酒酒精度的檢測結果

我們還利用上述絕對拉曼差譜技術檢測了西安市收集到的21款散酒。 拉曼光譜結果顯示多數散酒的度數都比標識值偏低很多。 以取自不同零售商的60度的散裝白酒為例， 我們測量了其拉曼光譜， 再結合純乙醇的拉曼光譜， 計算了其C—C—O伸縮振動絕對拉曼差譜， 見圖4(a)。 可以直接觀察到這兩個散酒的絕對拉曼差譜的譜峰強度有明顯的不同。 通過計算這個絕對拉曼差譜的積分面積， 進一步計算光譜偏移量， 就可以獲得其酒精度數。 在圖4(a)中光譜強度較小的散酒對應的度數測量值為(58±1)度， 光譜強度較大的散酒對應的度數測量值為(52±1)度。 而這兩款白酒的標識值都是60度， 可以看出散酒的實際度數比標識值明顯偏低。 圖4(b)列出了我們利用該方法測量的西安市各地區21款散酒的度數， 可以看出所有散裝白酒的酒精度普遍偏低， 輕者比標識值低2度， 嚴重者比標識值低8度。 這些散酒的測量值相對標識值平均偏低了5度。 這個拉曼光譜測量結果直接表明了西安市散裝白酒的質量有待提高。

圖4 不同商家標示值為60度的散酒絕對拉曼差譜(a)， 西安市散裝白酒的乙醇濃度標識值與基于絕對拉曼差譜的測量結果對比(b)

Fig.4 Absolute Raman difference spectra of different bulk liquors marked with 60 degrees (a), the identification ethanol concentration of bulk liquors marked in the shop in Xi’an and that was measured through absolute Raman difference spectra (b)

3 結 論

這里介紹了一種基于絕對拉曼差譜分析的乙醇含量的測量方法。 比較了乙醇水溶液光譜相對純乙醇光譜的差別， 這個光譜差別與乙醇濃度有很好的相關性。 首先將光譜歸一化， 再用待測溶液的光譜減去純乙醇的光譜， 然后對差譜取絕對值， 最后對絕對拉曼差譜進行積分后計算光譜偏移量。 利用這個光譜偏移量和乙醇濃度的關系來確定待測溶液的乙醇含量。 我們利用該方法測量了幾款瓶裝白酒的酒精度數， 測量值和標識值吻合得非常好。 進而利用該方法測量了西安市21款散裝白酒的酒精度數， 發現散酒的酒精度普遍較標識值偏低。 這些散酒平均偏低了5度， 偏離最高可以達到8度。 我們的測量結果表明散裝白酒需要加強監管。 實驗證明絕對拉曼差譜是一種快速測量白酒乙醇濃度的有效方法。