于 嵐， 孟森森， 林 珂, 2*， 段司琪， 王志強(qiáng)， 張睿挺

1. 西安電子科技大學(xué)物理與光學(xué)工程學(xué)院， 陜西 西安 710071 2. 西安電子科技大學(xué)智能傳感交叉研究中心, 陜西 西安 710071

引 言

作為人們?nèi)粘Ｉ钪衅毡轱嬘玫囊环N酒類， 白酒的質(zhì)量一直是生產(chǎn)者和消費(fèi)者十分關(guān)心的問(wèn)題。 酒精度是白酒重要的理化和安全指標(biāo)之一， 也是消費(fèi)者在購(gòu)買白酒時(shí)主要的選擇依據(jù)之一。 作為一種合格的白酒， 其標(biāo)識(shí)的酒精度數(shù)必須非常準(zhǔn)確。 相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定白酒的乙醇濃度實(shí)測(cè)值與標(biāo)識(shí)值之差不能超過(guò)±1.0%vol。 對(duì)于白酒乙醇含量的測(cè)量可以用于白酒的質(zhì)量評(píng)估。 一些假酒， 及散裝白酒， 因?yàn)槠渚凭群拖嚓P(guān)標(biāo)識(shí)值會(huì)存在較大的偏差， 所以可以使用乙醇含量來(lái)初步對(duì)這些白酒進(jìn)行質(zhì)量篩查。

目前在GB5009.225—2016的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中， 規(guī)定了對(duì)白酒中乙醇濃度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)方法。 這些方法包括： 密度瓶法， 酒精計(jì)法， 氣相色譜法和數(shù)字密度計(jì)法。 這些方法的測(cè)量精度雖然很高(0.5%vol)， 但是這些方法的測(cè)試過(guò)程極為繁瑣， 測(cè)試耗時(shí)長(zhǎng)。 這些方法適合取樣后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析， 不適用于現(xiàn)場(chǎng)的快速測(cè)量判斷。 鑒于快速檢查需求的增長(zhǎng)， 近年來(lái)發(fā)展了快速測(cè)量白酒的質(zhì)量安全的檢測(cè)方法。 Cleveland等發(fā)展了小型化拉曼光譜用于測(cè)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(dòng)譜峰強(qiáng)度和乙醇濃度的關(guān)聯(lián)進(jìn)行的乙醇濃度測(cè)量[1]。 類似的， 劉文涵等也利用該譜峰強(qiáng)度來(lái)測(cè)量乙醇濃度， 他們采用了水的光譜作為內(nèi)標(biāo)來(lái)標(biāo)定該譜峰的強(qiáng)度[2]。 這類方法是基于譜峰絕對(duì)強(qiáng)度， 會(huì)受到熒光背景及實(shí)際測(cè)量過(guò)程的影響， 導(dǎo)致其濃度測(cè)量誤差較大。 如果乙醇濃度改變， 除了強(qiáng)度會(huì)改變， 乙醇光譜的譜峰位置也會(huì)發(fā)生變化， 所以吳斌等人利用CH伸縮振動(dòng)的拉曼位移與乙醇濃度的關(guān)系來(lái)測(cè)量乙醇濃度[3]。 但是這種方法需要對(duì)拉曼位移的測(cè)量極為準(zhǔn)確， 其不確定性較大。 近年來(lái)， 隨著化學(xué)計(jì)量學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的發(fā)展， 各種模型被用來(lái)分析乙醇的拉曼光譜。 例如Ashok等發(fā)展了基于光學(xué)微流控拉曼光譜技術(shù)結(jié)合偏最小二乘法測(cè)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(jié)合最小二乘法和偏最小二乘法測(cè)量了威士忌酒的乙醇濃度[5]。 在這些研究中， 都是使用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法進(jìn)行建模來(lái)區(qū)分不同濃度。 由于不同白酒需要建立自己的模型， 一個(gè)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(jié)合近紅外拉曼光譜和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法分析了拉曼光譜測(cè)量白酒乙醇濃度的能力， 分析了各種光譜處理方法對(duì)結(jié)果的影響[6]。 除此之外， 在結(jié)合偏最小二乘法等方法時(shí)， 單變量模型和多變量模型的對(duì)比[7]， 拉曼光譜凈信號(hào)的提取等具體光譜處理方法都被用來(lái)分析乙醇濃度。 這些結(jié)果都顯示使用機(jī)器學(xué)習(xí)分析白酒的拉曼光譜時(shí)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(jié)構(gòu)， 在不同濃度下主要區(qū)別是乙醇-乙醇相互作用， 以及乙醇和水的相互作用的區(qū)別。 因?yàn)橐掖妓芤褐械南嗷プ饔弥饕峭ㄟ^(guò)乙醇的羥基， 所以乙醇的C—C—O伸縮振動(dòng)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)極為敏感。 之前的研究也顯示C—C—O伸縮振動(dòng)的拉曼譜峰對(duì)乙醇濃度極為敏感[8]。 這里我們將發(fā)展絕對(duì)拉曼差譜來(lái)呈現(xiàn)不同濃度下的C—C—O伸縮振動(dòng)拉曼譜峰差別。 進(jìn)一步利用這個(gè)差別來(lái)計(jì)算瓶裝白酒和西安市散裝酒的乙醇濃度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品

無(wú)水乙醇購(gòu)買于國(guó)藥集團(tuán)公司， 純度大于99.7%。 蒸餾水購(gòu)買于上海穗天環(huán)?？萍加邢薰?。 無(wú)水乙醇和蒸餾水是直接使用， 沒(méi)有進(jìn)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(zhì)量濃度與體積濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)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(gòu)買于超市。 21種散裝白酒購(gòu)買于西安市各地區(qū)的小賣部， 購(gòu)買地點(diǎn)分布在西安市的二環(huán)， 三環(huán)附近。

1.2 拉曼光譜實(shí)驗(yàn)

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

2 結(jié)果與討論

2.1 絕對(duì)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(qū)別。 因?yàn)殡S著乙醇的濃度減小， 乙醇的拉曼光譜譜峰強(qiáng)度也減小， 所以之前有利用乙醇的拉曼光譜強(qiáng)度進(jìn)行濃度測(cè)量[1-2]。 除了強(qiáng)度的明顯改變， 譜峰位置也有明顯改變， 這是因?yàn)椴煌瑵舛认乱掖妓芤旱奈⒂^結(jié)構(gòu)有差別[8]。 拉曼光譜譜峰位移和乙醇濃度的關(guān)系也被用來(lái)進(jìn)行濃度的測(cè)量[3]。 雖然利用拉曼光譜譜峰強(qiáng)度和譜峰位置可以測(cè)量乙醇濃度， 但是這需要測(cè)量光譜系統(tǒng)以及測(cè)量本身保持極高的穩(wěn)定性， 還需要處理數(shù)據(jù)時(shí)熒光背景扣除和譜峰位置提取都極為準(zhǔn)確。 例如拉曼光譜譜峰的絕對(duì)強(qiáng)度和光路有直接關(guān)聯(lián)， 當(dāng)測(cè)量光路稍有變動(dòng)時(shí)， 其絕對(duì)強(qiáng)度就有改變。 對(duì)于光譜譜峰位置的提取如果采用不同譜形擬合時(shí)會(huì)得到不同的數(shù)值。 所以這些方法的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都不會(huì)特別高， 這就最終影響了使用這些方法測(cè)量乙醇的濃度的結(jié)果。 為了避開(kāi)光譜強(qiáng)度和譜峰位置信息的提取， 所以大家又使用基于機(jī)器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)處理方法來(lái)對(duì)光譜進(jìn)行建模分析。 這些建模雖然有效， 但是其處理過(guò)程忽略了不同濃度下光譜差別的具體物理化學(xué)起因。

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

不同乙醇濃度下， 乙醇水溶液的微觀結(jié)構(gòu)有區(qū)別。 在高濃度下有更多的乙醇-乙醇?xì)滏I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(dǎo)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(qū)別。 由于這些氫鍵相互作用都是通過(guò)乙醇的羥基實(shí)現(xiàn)的， 所以乙醇的C—C—O伸縮振動(dòng)對(duì)這些氫鍵相互作用極為敏感。 基于此， 我們認(rèn)為使用C—C—O伸縮振動(dòng)的拉曼譜峰進(jìn)行乙醇濃度的識(shí)別將會(huì)更好。 我們測(cè)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(duì)C—C—O伸縮振動(dòng)， 我們利用譜峰高度進(jìn)行了歸一化， 結(jié)果見(jiàn)圖1(a)。 可以看出隨著乙醇濃度下降， C—C—O伸縮振動(dòng)譜峰逐漸紅移。 除了譜峰位置會(huì)發(fā)生變化外， 其光譜的譜峰寬度也在發(fā)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(dòng)力學(xué)不一致[8]。 無(wú)論是譜峰位置改變， 還是譜峰寬度改變， 都可以歸結(jié)為譜形的改變。

雖然通過(guò)高斯或者洛倫茲線型進(jìn)行譜峰擬合， 可以獲得譜峰的位置和寬度， 但是由于其中復(fù)雜的相互作用和微觀結(jié)構(gòu)， 這種擬合結(jié)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(guò)擬合獲取譜峰位置和寬度來(lái)測(cè)量乙醇的濃度并不是很理想。 這里我們引入絕對(duì)差譜的方法來(lái)分析光譜的譜形差別。 當(dāng)譜峰通過(guò)高度歸一化后， 如果兩個(gè)條件下的光譜譜峰完全一樣， 那么其光譜的差譜將會(huì)是縱坐標(biāo)為0的一條直線。 如果兩個(gè)條件下光譜的譜形有差別， 那么其光譜的相減將會(huì)偏離直線。 偏離直線越遠(yuǎn)， 則表明兩個(gè)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(huì)出現(xiàn)正峰和負(fù)峰。 為了定量地分析正負(fù)峰偏離直線的程度， 我們將差譜取了絕對(duì)值， 得到了絕對(duì)拉曼差譜， 見(jiàn)圖1(b)。 從絕對(duì)拉曼差譜中可以看出， 隨著乙醇濃度下降， 相對(duì)應(yīng)的差譜強(qiáng)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(dòng)譜峰譜形愈加偏離純乙醇的C—C—O伸縮振動(dòng)譜峰譜形。

圖2 乙醇體積濃度與光譜偏離量的關(guān)系, 及直線擬合結(jié)果

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

為了定量的表達(dá)絕對(duì)拉曼差譜偏離0的情況， 我們將絕對(duì)拉曼差譜進(jìn)行了積分。 通過(guò)積分可以獲得圖1(b)中的譜峰強(qiáng)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(shí)驗(yàn)裝置的差異， 我們將絕對(duì)積分值除以純乙醇的C—C—O伸縮振動(dòng)歸一化拉曼光譜的積分值。 我們將除法獲得的這個(gè)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(guān)系。 我們通過(guò)直線擬合了各濃度下的光譜偏離量， 擬合的決定系數(shù)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(guān)系， 這表明可以直接利用該直線關(guān)系和白酒的光譜偏離量來(lái)測(cè)量白酒的度數(shù)。 通過(guò)測(cè)量白酒的絕對(duì)拉曼差譜， 進(jìn)一步獲得對(duì)應(yīng)的光譜偏離量。 由于使用了光譜強(qiáng)度歸一化， 這就避免了對(duì)測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量過(guò)程穩(wěn)定性的高要求。 由于使用了光譜偏離量， 避免了進(jìn)行譜峰擬合帶來(lái)的不確定性。 同時(shí)比起之前的各種拉曼光譜方法而言， 該方法更加簡(jiǎn)捷實(shí)用。

2.2 瓶裝酒酒精度的檢測(cè)結(jié)果

為了驗(yàn)證該方法是否可以準(zhǔn)確的測(cè)量白酒的酒精度， 我們測(cè)量了一系列瓶裝白酒的拉曼光譜， 用上述方法來(lái)測(cè)量其度數(shù)。 以瓶裝小郎酒為例， 測(cè)量了其拉曼光譜， 見(jiàn)圖3。 光譜和乙醇水溶液光譜一致， 光譜中呈現(xiàn)的譜峰都是乙醇的振動(dòng)譜峰。 其中～882 cm-1的譜峰歸屬為C—C—O伸縮振動(dòng)， 其譜峰最強(qiáng)， 且對(duì)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(jì)算了其光譜偏離量， 再利用光譜偏離量與濃度的關(guān)系計(jì)算了小郎酒的度數(shù)。 我們獨(dú)立測(cè)量其度數(shù)幾次， 平均結(jié)果為(44.6±1)度。 該小郎酒的瓶裝標(biāo)識(shí)值為45度， 與我們利用該絕對(duì)拉曼差譜獲得的度數(shù)吻合得非常好。 這表明該技術(shù)可以很準(zhǔn)確地測(cè)量白酒的度數(shù)。 我們利用該方法測(cè)量度數(shù)的誤差為1度， 這也符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)誤差要求。 之前利用拉曼光譜強(qiáng)度對(duì)酒的乙醇含量測(cè)量的方法誤差可達(dá)2度甚至更大[1-2]。 除此之外， 我們還測(cè)量了江小白， 太白酒， 牛欄山， 西鳳酒， 五糧液酒， 測(cè)量值和這些酒的標(biāo)識(shí)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(cè)結(jié)果

我們還利用上述絕對(duì)拉曼差譜技術(shù)檢測(cè)了西安市收集到的21款散酒。 拉曼光譜結(jié)果顯示多數(shù)散酒的度數(shù)都比標(biāo)識(shí)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(cè)量了其拉曼光譜， 再結(jié)合純乙醇的拉曼光譜， 計(jì)算了其C—C—O伸縮振動(dòng)絕對(duì)拉曼差譜， 見(jiàn)圖4(a)。 可以直接觀察到這兩個(gè)散酒的絕對(duì)拉曼差譜的譜峰強(qiáng)度有明顯的不同。 通過(guò)計(jì)算這個(gè)絕對(duì)拉曼差譜的積分面積， 進(jìn)一步計(jì)算光譜偏移量， 就可以獲得其酒精度數(shù)。 在圖4(a)中光譜強(qiáng)度較小的散酒對(duì)應(yīng)的度數(shù)測(cè)量值為(58±1)度， 光譜強(qiáng)度較大的散酒對(duì)應(yīng)的度數(shù)測(cè)量值為(52±1)度。 而這兩款白酒的標(biāo)識(shí)值都是60度， 可以看出散酒的實(shí)際度數(shù)比標(biāo)識(shí)值明顯偏低。 圖4(b)列出了我們利用該方法測(cè)量的西安市各地區(qū)21款散酒的度數(shù)， 可以看出所有散裝白酒的酒精度普遍偏低， 輕者比標(biāo)識(shí)值低2度， 嚴(yán)重者比標(biāo)識(shí)值低8度。 這些散酒的測(cè)量值相對(duì)標(biāo)識(shí)值平均偏低了5度。 這個(gè)拉曼光譜測(cè)量結(jié)果直接表明了西安市散裝白酒的質(zhì)量有待提高。

圖4 不同商家標(biāo)示值為60度的散酒絕對(duì)拉曼差譜(a)， 西安市散裝白酒的乙醇濃度標(biāo)識(shí)值與基于絕對(duì)拉曼差譜的測(cè)量結(jié)果對(duì)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(jié) 論

這里介紹了一種基于絕對(duì)拉曼差譜分析的乙醇含量的測(cè)量方法。 比較了乙醇水溶液光譜相對(duì)純乙醇光譜的差別， 這個(gè)光譜差別與乙醇濃度有很好的相關(guān)性。 首先將光譜歸一化， 再用待測(cè)溶液的光譜減去純乙醇的光譜， 然后對(duì)差譜取絕對(duì)值， 最后對(duì)絕對(duì)拉曼差譜進(jìn)行積分后計(jì)算光譜偏移量。 利用這個(gè)光譜偏移量和乙醇濃度的關(guān)系來(lái)確定待測(cè)溶液的乙醇含量。 我們利用該方法測(cè)量了幾款瓶裝白酒的酒精度數(shù)， 測(cè)量值和標(biāo)識(shí)值吻合得非常好。 進(jìn)而利用該方法測(cè)量了西安市21款散裝白酒的酒精度數(shù)， 發(fā)現(xiàn)散酒的酒精度普遍較標(biāo)識(shí)值偏低。 這些散酒平均偏低了5度， 偏離最高可以達(dá)到8度。 我們的測(cè)量結(jié)果表明散裝白酒需要加強(qiáng)監(jiān)管。 實(shí)驗(yàn)證明絕對(duì)拉曼差譜是一種快速測(cè)量白酒乙醇濃度的有效方法。