基于偏振拉曼光谱的白酒乙醇浓度定量检测方法研究

康 颖, 禚 堃, 廖玉昆, 牟 冰, 秦 平, 李 千, 栾晓宁*

1. 中国海洋大学物理与光电工程学院, 山东 青岛 266100

2. 中国海洋大学电子信息工程学院, 山东 青岛 266100

引 言

作为中国的国酒, 白酒通常是以谷物为原料, 大曲等为糖化发酵剂的传统蒸馏酒, 其中95%以上的成分是水和乙醇。 酒精度指的是每百毫升白酒中所含乙醇(酒精)的毫升数, 即乙醇的体积分数, 是衡量白酒性质的主要指标。 在白酒生产的各个环节中, 酒精度都是需要重点监测的重要指标, 也是关乎产品质量的关键因素。 在我国现行的产品质量标准中, 对白酒产品的酒精度有着严格且明确的要求[1]。 然而受生产技术和罐装工艺局限, 一些以次充好的劣质散装白酒中乙醇的实际含量与标称值存在着明显的偏差。 因此, 酒精度大批量快速抽检是实现白酒产品质量初步筛查的有效方法。 此外, 作为一种重要的化工原料和食品添加剂, 乙醇溶液在食品、 医药、 化工和新能源等行业中的应用十分广泛, 建立一种乙醇溶液浓度准确、 快速、 高通量检测技术具有十分重要的现实意义和应用价值。 我国国家标准中规定的酒精度检测方法包括密度瓶法、 酒精计法、 气相色谱法和数字密度计法等多种方法, 具有较高的检测精度。 然而上述方法的测量过程相对繁琐, 耗时长, 样品和试剂损耗大, 难以作为大批量样品高通量无损在线检测的主要手段[2-3]。

作为光与物质相互作用时产生的一种非弹性散射, 拉曼散射光与激发光之间存在一定的频率偏移, 产生的拉曼频移及相应拉曼谱带的强度与受激物质分子的振动和转动能级结构特征密切相关[4], 可据此实现待检物质种类和浓度的定性乃至定量检测, 具有快速、 高效、 无需样品预处理和非接触检测等独特优势[5-6]。 目前, 基于拉曼散射原理的乙醇定量检测方法分为峰位频移法和峰强比值法两大类: 当溶液中的浓度发生变化时, 乙醇分子C—H伸缩振动峰位会发生偏移, 可通过对峰位偏移量的测量实现乙醇浓度的反演[7-9]。 然而基于拉曼峰位频移的乙醇浓度检测方法对检测装置的光谱分辨率和测量稳定性提出了较高的要求, 导致检测成本偏高, 制约了该方法的广泛应用; 而峰强比值法则是指从乙醇拉曼谱图中选取乙醇分子的两个特征振动峰强度比值[10], 或者挑选一个乙醇特征峰强度与水分子特征峰强度比值[11], 来建立双峰强度比值与乙醇浓度之间的函数关系。 与峰位频移法相比, 峰强比值法对测量仪器的性能要求大大降低, 测量成本低, 方便快捷, 与合理高效的数据处理算法相结合, 能显著提升乙醇溶液含量在线检测的速度和精度。

然而与乙醇水溶液不同, 在激发光的激励下, 大部分白酒饮品的光谱图中除了拉曼特征峰外, 还存在明显的荧光峰干扰。 这是因为除了水和乙醇, 白酒中还含有酯、 酸、 醛、 醇等其他有机微量成分, 恰恰是这些微量成分决定了白酒不同的香型和品质, 而这些微量成分也是导致荧光本底干扰的主要因素。 宽谱段的荧光峰与乙醇和水分子的拉曼峰相互重叠, 不可避免地给乙醇浓度的定量反演带来干扰。 可见, 基于峰强比值法实现白酒酒精度准确检测的前提之一, 是实现荧光干扰的抑制或排除。 陈斌等[12]采用近红外光源作为拉曼激发光源来最大限度避免荧光本底的产生, 但近红外光源虽然显著降低了荧光干扰, 同时也降低了仪器的通用性; 高国明等[13]尝试引入光谱极值自适应缩放技术来消除荧光本底干扰; 有研究针对基于拉曼峰强比值法实现大范围乙醇浓度反演的需求建立了非线性浓度回归模型, 有效提升了乙醇浓度反演的精度和适用范围。 然而上述光谱数据处理方法仍需手动选取荧光本底拟合的数据点, 在处理效率和检测精度方面难以充分满足大批量样品高通量快速检测的要求。 针对上述问题, 采用自主搭建的激光拉曼检测系统, 研究了不同方向线偏振光激发下白酒样品拉曼特征峰和荧光本底的偏振特性, 根据二者的偏振特征差异提出了基于偏振差分光谱剔除白酒中荧光物质干扰的方法, 通过数据拟合算法, 建立了偏振差分拉曼光谱峰强比值与乙醇浓度的回归模型, 从而为提高白酒乙醇浓度反演速度和精度提供了新的思路。

1 实验部分

1.1 样品

实验中使用的试剂为国药集团化学试剂有限公司生产的无水乙醇, 纯度大于99.7%, 蒸馏水采用4.5 L装娃哈哈饮用纯净水。 采用移液枪抽取特定体积的无水乙醇和纯净水, 分别配制了浓度为3%的低浓度和97%的高浓度标准溶液, 并以5%为浓度间隔, 分别配制了5%～95%的不同体积分数的乙醇标准水溶液。 为了检验偏振差分光谱乙醇浓度反演的精度, 从当地超市采购了四种不同酒精度的瓶装白酒, 分别为牛栏山陈酿白酒(vol 42%)、 江小白(vol 40%)、 红星二锅头(vol 40%)以及汾酒(vol 53%)。

1.2 偏振拉曼乙醇浓度检测装置

实验采用自行搭建的激光拉曼乙醇浓度检测装置, 基本结构如图1所示, 由激发光源、 偏振态发生器光路PSG(Polarization-state generator)、 光谱收集与检偏光路PSA(Polarization-state analyzor)、 光谱仪和计算机等部分组成。 激发光源采用一台最大输出功率为100 mW, 输出405 nm线偏振光的连续激光器。 其输出的线偏振激发光进入偏振态调节装置, 耦合进入p偏振方向的格兰泰勒偏振棱镜以进一步提高激发光的线偏振度后, 经过电控旋转快轴方向的零级半波片以实现激发光线偏振方向的调节; 光谱收集与检偏光路与激发光路之间约呈20°夹角, 置于石英比色皿中的乙醇溶液受激发射的光谱信号经透镜组收集准直, 小孔光阑滤除杂散光, 高截止深度长通滤光片滤除激发光散射信号后, 经过同为p偏振方向的格兰泰勒偏振棱镜检偏, 由大芯径石英光纤耦合进入光谱仪进行光谱探测。 实验中使用的小型光栅光谱仪的光谱探测范围为300～900 nm, 光谱分辨率达0.4 nm, 由计算机通过软件驱动进行光谱采集和数据存储。 实验过程中, 针对特定样品光谱信噪比和耦合效率进行参数优化, 将光谱仪积分探测时间统一设置为2 s; 针对每个梯度浓度的乙醇标准水溶液样品连续采集10组光谱数据, 在剔除异常波动数据后, 将剩余光谱数据平均后作为建立乙醇浓度反演曲线的数据集。

图1 自行搭建的激光拉曼乙醇浓度检测装置示意图

2 结果与讨论

2.1 白酒样品的拉曼光谱偏振特性

首先, 移除光谱收集与检偏光路中的格兰泰勒偏振棱镜, 分别采集了红星二锅头(56%vol)、 江小白(40%vol)、 牛栏山陈酿(42%vol)和汾酒(53%vol)四种白酒产品在405 nm激发光激励下产生的非偏振标量拉曼光谱, 如图2所示。 图中可见, 四种不同酒精度白酒的光谱主要由两个特征峰组成, 分别对应乙醇分子的非对称CH2伸缩振动拉曼特征峰(2 924.0 cm-1)和水分子的拉曼特征峰(3 350 cm-1), 两个特征峰在405 nm激发光激励下对应的峰值波长分别为459.40和468.57 nm。 受激发光线宽及探测系统光谱分辨率等因素影响, 两个特征峰之间发生了一定的光谱重叠; 与其他三种白酒相比, 江小白(40%vol)的拉曼散射光谱具有较强的荧光本底干扰, 其与乙醇分子和水分子的拉曼散射特征峰叠加在一起, 给拉曼特征峰强度测量和峰强比率计算造成一定难度。

图2 四种不同白酒样品的激光拉曼光谱图

将p偏振方向的格兰泰勒偏振棱镜重新安装回光谱收集与检偏光路中, 并通过电控旋转镜架将PSG中半波片的快轴依次旋转0°、 15°、 30°和45°, 从而将线偏振激发光的偏振方向依次调节到与散射平面呈0°、 30°、 60°和90°夹角, 四种白酒样品在不同偏振方向线偏振光激发下产生的散射光经收集准直和偏振棱镜检偏后, 耦合进入光谱仪进行光谱采集, 如图3所示。 从图中可见, 随着激发光与检偏器线偏振方向夹角的逐渐增大, 四种白酒样品的拉曼光谱强度逐渐降低。 当激发光与检偏器PSA的线偏振方向平行时(半波片快轴与散射平面夹角为0°), 拉曼光谱强度最高; 而当二者偏振方向相互垂直时(半波片快轴与散射平面夹角为45°), 拉曼光谱强度最低; 这意味着当激发光线偏振方向与检偏器夹角介于0°～90°之间时, 拉曼光谱强度介于最高和最低强度值之间。 此外, 在激发光偏振方向的旋转过程中, 拉曼散射光谱强度虽然呈现明显的强度变化, 但并未出现拉曼散射峰消失的情况, 说明当采用线偏振光激发白酒样品时, 白酒中乙醇分子和水分子的拉曼散射信号均为部分偏振光。

图3 四种白酒在不同方向线偏振光激发下的偏振光谱图

虽然四种白酒样品的激光拉曼光谱都存在不同程度的荧光本底干扰, 但当激发光的偏振方向与散射面的夹角在0°～90°范围内变化时, 荧光本底的强度没有发生明显的波动和变化, 表明荧光本底没有表现出显著的偏振性质。

2.2 乙醇标准溶液的拉曼光谱偏振特性

为了对乙醇水溶液拉曼光谱及荧光本底的偏振性质进行研究, 针对采用纯净水和无水乙醇自行配制的浓度为25%vol的乙醇标准溶液样品, 以5°为角度间隔, 分别采集了激发光与检偏器(散射面)线偏振方向夹角0°～180°范围内的偏振光谱, 其中0°、 30°、 60°和90°方向的偏振光谱如图4所示。 与四种白酒样品相同偏振方向的光谱图相比, 自行配制的乙醇标准溶液荧光本底强度虽相对较低, 但乙醇和水分子拉曼特征峰强度随激光偏振方向改变时的变化率与白酒品质保持一致。 设定光谱采集波长范围(440～490 nm)为x轴, 激发光线偏振方向与散射面夹角变化范围为y轴, 光谱发射强度为z轴, 将5°角度间隔采集的偏振散射光谱排列叠加, 最终合成三维偏振拉曼散射光谱图, 如图5所示。 叠加后生成偏振拉曼三维光谱图。 其中,x轴为光谱波长范围(440～490 nm),y轴为激发光与检偏器偏振方向的夹角,z轴为偏振光谱强度。

图4 25%vol乙醇标准溶液的激光拉曼偏振光谱图(激发光与检偏器偏振方向呈0°、 30°、 60°和90°夹角)

图5 25%vol乙醇标准溶液的三维偏振拉曼光谱(激发光与检偏器偏振方向夹角改变范围0°～180°)

在改变激发光偏振方向的过程中, 乙醇分子中CH2非对称伸缩振动峰和水分子的拉曼峰均呈现“先降后升”的变化趋势。 当激发光与检偏器偏振方向平行时, 乙醇分子与水分子两个拉曼特征峰强度均达到极大值; 旋转PSG单元中半波片快轴角度使激发光与检偏器偏振方向夹角从0°逐渐增大时, 乙醇和水分子的偏振拉曼特征峰强度开始逐渐降低, 并在二者偏振方向相互垂直时达到强度极小值; 与拉曼特征峰强度相比, 乙醇溶液的本底荧光强度却没有跟随激发光偏振方向的变化表现出明显的强度波动, 表明乙醇溶液中本底荧光干扰的偏振状态与激发光的偏振方向无关。

实验结果表明, 无论是白酒样品还是乙醇标准溶液, 线偏振光的激发下乙醇分子和水分子的拉曼特征峰都表现出非常显著的偏振性质, 且偏振拉曼峰强度与激发光与检偏器偏振方向夹角表现出明显的相关性, 但本底荧光干扰则没有随激发光偏振方向的变化表现出明显的波动, 与激发光的偏振状态不显著相关。

2.3 偏振拉曼辅助的乙醇浓度反演方法

基于乙醇溶液拉曼特征峰和本底荧光偏振特性的显著差异, 将激发光与检偏器偏振方向平行和垂直时采集到的偏振光谱进行差减, 可获取显著抑制本底荧光干扰后的正交差分偏振拉曼光谱, 从而提升拉曼光谱数据和峰强比率的测量精度和稳定性。 基于上述思路, 以5%vol为浓度间隔, 分别采集了5%～100%vol不同体积浓度乙醇标准溶液的差分偏振拉曼光谱, 如图6所示。

图6 不同体积浓度乙醇标准溶液的差分偏振拉曼光谱图

从图6中可见, 由于拉曼光谱信号和本底荧光信号具有迥异的偏振性质, 经过正交偏振差减, 无明显偏振性质的本底荧光干扰信号被成功剔除, 而偏振性质显著的乙醇和水分子的拉曼光谱信号, 依然可以在差减后的光谱中清晰地观察到, 且二者峰值强度比值随乙醇标准溶液浓度变化呈现明显的正相关变化趋势, 表明差分偏振拉曼光谱在抑制荧光背景干扰的同时, 能够显著提升拉曼峰强度比率的检测精度和效率。 然而, 由于乙醇和水分子拉曼特征峰间距较小, 二者存在一定重叠。 因此, 采用分峰拟合算法分别以459.40和468.57 nm为中心波长, 对不同浓度乙醇水溶液的差分拉曼光谱进行高斯线型拟合分峰处理, 并建立分峰后乙醇/水分子拉曼峰强比值与乙醇体积浓度间的函数关系曲线, 如图7所示。

图7 不同体积浓度乙醇标准溶液的拉曼特征峰强度比拟合效果图

由图7可见, 随着标准溶液中乙醇体积浓度的增加, 乙醇/水分子拉曼特征峰的强度比值呈同步增高的变化趋势。 图中圆圈数据点为偏振差分处理前采用分峰算法建立的标量拉曼峰强度比值, 黑色空心方块数据点则对应进行偏振差分处理后采用分峰算法分别获取的乙醇与水分子的偏振拉曼特征峰强度比值。 从图中的拟合效果看, 在低浓度下, 偏振差分前后拉曼特征峰比值的吻合度较高, 说明低浓度乙醇标准溶液中荧光成分浓度较低, 本底荧光对乙醇浓度的反演精度影响有限; 当乙醇溶液浓度超过50%vol后, 随着溶液本底荧光的增强, 圆圈数据点对应的强度比值变化率逐渐降低, 数值上逐渐低于空心方块数据点, 数据变化的趋势表现出一定的波动性; 反观空心方块数据点对应的经偏振差分处理后的拉曼特征峰比率, 其随样品浓度变化表现出的演化趋势较为一致。 说明在差分偏振拉曼光谱的辅助下, 荧光本底干扰对乙醇拉曼特征峰比值测量产生的负面影响得到了有效的抑止。 偏振差分前后样品的典型光谱数据如表1所示。

表1 不同浓度乙醇溶液偏振差分前后乙醇与水分子拉曼特征峰强度比值

从图7中还可以看出, 当溶液浓度超过50%vol后, 空心方块数据点随浓度的变化率逐渐增高, 逐渐偏离低浓度下与乙醇体积浓度间的近似线性关系。 该现象表明, 随着乙醇体积浓度的增加, 拉曼散射截面随之增大, 特定激发光强度下产生的拉曼光谱散射强度显著增强; 此外, 随着乙醇分子在溶液中所占比例的提升, 分子间距显著减小, 分子间作用力愈发显著, 分子的振动能级结构也会随之产生一定的变化, 溶液自身对拉曼散射信号产生一定的自吸收效应, 从而导致拉曼特征峰的散射强度比值与乙醇体积浓度明显偏离线性关系。 针对这一情况, 采用式(1)所示的三次多项式模型对拉曼特征峰强度比值随乙醇浓度的曲线关系进行最小二乘法拟合, 结果如图8所示。

图8 不同浓度乙醇标准溶液差分拉曼峰强度比三次多项式拟合效果图

R=-0.205+3.915c-6.921c2+10.984c3

(1)

拟合结果的相关系数r=0.999 3, 残差均方根S=0.047 9, 表明采用该模型得到的乙醇溶液实际浓度的反演精度较为理想, 计算误差较低。

2.4 偏振拉曼光谱辅助下白酒酒精度检测对比

在偏振拉曼光谱辅助下, 对红星二锅头(56%vol)、 江小白(40%vol)、 牛栏山陈酿(42%vol)和汾酒(53%vol)四种白酒产品的实际酒精度进行了检测, 并将反演得到的酒精度实测值与其标称的度数进行了比较。 为了对比偏振拉曼光谱的差减对白酒酒精度检测带来的影响和效果, 采用同一装置, 基于传统标量拉曼特征峰比值法对上述四种样品的酒精度开展了平行实验, 并将酒精度反演值与产品铭牌上标注的标称值进行对比, 相关结果如图9(a, b)和图10(a, b)所示。

图9 四种样品标称度数与差分偏振拉曼特征峰比值法反演乙醇浓度结果对比

图10 四种样品标称度数与传统荧光去基线拉曼特征峰比值法反演乙醇浓度结果对比

通过对比图9和图10可见, 相较传统光谱处理方法, 在偏振拉曼光谱辅助下采用拉曼峰强比值法获得的四种白酒样品的酒精度与样品铭牌标注的酒精度标称值的偏差更小, 且多组重复反演结果的相对偏差更低, 反演精度得到明显提升。 其中, 红星二锅头(56%vol)、 牛栏山陈酿(42%vol)和汾酒(53%vol)三种样品酒精度反演结果与标称值的差距较小, 反演结果的数据离散度较低, 而江小白(40%vol)酒精度反演结果的数据离散度虽然稍大, 但仍显著低于传统方法, 而且反演结果平均值与标称值比较接近。 结果表明, 在强本底荧光干扰下, 基于差分偏振拉曼峰强比值的酒精度反演方法的检测精度更高, 在高速偏振态调制硬件的辅助下, 更加符合大批量白酒样品高通量在线检测的技术需求。

3 结 论

基于自主搭建的激光偏振拉曼光谱检测系统, 对不同偏振方向线偏振光激发下四种白酒样品的拉曼特征峰和荧光本底干扰的偏振特性开展了详细研究, 并根据二者的偏振特性差异建立了偏振拉曼光谱辅助的白酒乙醇浓度快速检测方法。 实验结果表明: 在差分偏振拉曼光谱的辅助下, 三次多项式拟合的相关系数超过0.993, 残差均方根约为0.047 9, 基于差分偏振拉曼特征峰比值法的反演结果误差小于1.95%, 可实现3%～97%vol范围内乙醇浓度的准确反演, 且四种白酒样品乙醇浓度的反演精度明显高于传统方法, 从而为提升白酒酒精度检测效率和精度提供了新的思路。