实验中共测量了63组白酒样品, 其中包括不同度数的7种瓶装品牌白酒和56种散装白酒, 瓶装品牌白酒均购于京东商城, 散装白酒均购于陕西省西安市不同区域的散装酒商店。 其中瓶装品牌白酒包括45度小郎酒, 42度洋河蓝优, 42度洋河大曲, 45度西凤酒, 42度五粮醇, 45度牛栏山百年二锅头以及52度牛栏山珍品二十年, 其瓶身都有符合国家固态法白酒相关标准的标注。

实验中所用的拉曼光谱测量装置为实验室自行搭建, 包括激发光源, 采集光路, 分光系统以及数据采集系统四部分, 如图1所示。 这里使用的激光器是波长为532 nm的激光器(Coherent, Genesis MX532-1000 MTM)。 采集光路使用背向散射方式收集拉曼光谱。 分光系统和数据采集系统分别为三级联谱仪(Omniλ -180D& Omniλ -5008i, 北京卓立汉光仪器有限公司)和半导体制冷CCD(DR-316B-LDC-DD, Andor公司)。 本次实验的拉曼光谱采集均使用G1200光栅, 采集范围为830~2 000 cm^-1, 分辨率约为~2 cm^-1, 积分时间20 s。 所有样品均采集三次光谱, 最后取其平均值作为测量结果。

图1

Fig.1

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	图1 实验室自行搭建的拉曼光谱仪Fig.1 Raman spectrometer built by the laboratory

我们测量了56种散装白酒和7种品牌白酒的拉曼光谱, 结果如图2所示, 测量范围为830~2 000 cm^-1。 从图中可知, 白酒的这一段拉曼光谱中主要包含8个谱峰, 分别位于886、 1 056、 1 093、 1 128、 1 280、 1 456、 1 486和1 630 cm^-1。 因为白酒主要是由乙醇、 水以及在酿造过程中产生的微量成分(1%~2%, 酸、 酯、 醛、 酮、 醇等)组成。 由于拉曼光谱是线性光谱, 其光谱强度与物质浓度成正比, 所以这些微量成分的信号也只占总信号的1%~2%, 从光谱上应该很难直接观察到。 因此图中这些谱峰都是白酒中的主要成分, 通过对比乙醇和乙醇水溶液, 知道这些谱峰都是来源于乙醇和水。 对比之前乙醇水溶液的拉曼光谱研究, 这8个谱峰分别是乙醇的C— C— O对称伸缩振动峰(886 cm^-1), C— C— O的反对称伸缩振动峰(1 056 cm^-1), CH₃的摇摆振动峰(1 093和1 128 cm^-1), CH₂的扭曲振动峰(1 280 cm^-1), CH₃和CH₂的弯曲振动峰(1 456 cm^-1), CH₃的弯曲振动峰(1 486 cm^-1)以及水的弯曲振动峰(1 630 cm^-1)^[15]。

图2

Fig.2

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	图2 58种散装白酒(a)和7种瓶装品牌白酒(b)的拉曼光谱Fig.2 Raman spectra of 58 bulk liquors (a) and 7 bottled brand liquors (b)

比较散装白酒和品牌白酒的拉曼光谱可以发现, 大部分的散装白酒都会有一定强度的荧光背景, 而品牌白酒则几乎没有荧光背景。 因为某些白酒会添加一些固态法白酒本身没有的成分, 如香精、 甜蜜素等来增加其香味, 而这些添加剂的纯度如果不够高就会在拉曼光谱中产生明显的荧光背景^{[16, 17]}。 由于白酒98%的成分是乙醇和水, 如果一些不合规的酒厂在食用酒精和水中添加一些呈香物质进行勾兑生产白酒, 其拉曼光谱的主要谱峰会与瓶装品牌白酒的拉曼光谱非常相似, 区别是可能会有出现明显的荧光背景。 因此可以通过测量白酒样品的拉曼光谱, 若发现其光谱有明显的荧光背景我们就可以推测该白酒的质量不合格, 有额外的添加剂。 这种方法非常简捷实用。 但这并不代表拉曼光谱中没有荧光背景的白酒一定合格的, 也有可能是添加剂纯度非常好的勾兑酒。

通过直接观察白酒样品的拉曼光谱是否有比较明显的荧光背景只可以初步对其质量好坏做出判断。 为了通过这种方法更精确地判断白酒的质量, 我们想到可以选取拉曼光谱中某一波数的荧光背景强度值与乙醇某一特征峰的强度值做关联, 通过得到这两个位置的强度比, 进而定量判断荧光背景的强弱。 因为白酒的拉曼谱峰主要是由乙醇和水的谱峰组成, 其中水的信号比较小且谱峰较宽, 因此不能选取。 比较乙醇的特征谱峰, 排除谱峰重叠和信号较小等因素, 可以选取乙醇在886 cm^-1处C— C— O伸缩振动峰, 如图3(a)和(b)所示。

图3

Fig.3

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	图3 56种散酒(a)和7种瓶装品牌酒(b)中的乙醇C— C— O伸缩振动峰, 归一化后的56种散酒(c)和7种瓶装品牌酒(d)中的乙醇C— C— O伸缩振动峰Fig.3 Ethanol C— C— O stretching vibration peaks in 56 bulk liquors (a) and 7 bottled brand liquors (b), normalized ethanol C— C— O stretching vibration peaks in 56 bulk liquors (c) and 7 bottled brand liquors (d)

由于收集的63种白酒样品的酒精度数是从40度到60度不等, 也就意味着样品的乙醇浓度不一样, 所以乙醇的在886 cm^-1处C— C— O伸缩振动峰的强度也会有一定差异, 荧光背景的信号也可能会随白酒的度数的不同而变化。 为了保证结果的准确性, 需要以乙醇在886 cm^-1处C— C— O伸缩振动峰为标准对所有样品的拉曼光谱进行归一化, 结果如图3(c)和(d)所示。 归一化过程如下: 选取以886 cm^-1处C— C— O峰为中心的某一波段范围的光谱对其进行背景扣除, 得到扣除后的C— C— O谱峰并取其最高强度值, 然后用白酒样品原始的拉曼光谱除以其对应的C— C— O峰最高强度值, 从而得到归一化后的所有白酒样品的拉曼光谱。 在本次实验中我们选取的C— C— O伸缩振动峰波数范围为836~936 cm^-1(如图3), 得到的归一化后的白酒样品的拉曼光谱图如图4所示。

图4

Fig.4

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	图4 归一化后的58种散装白酒(a)和7种瓶装品牌白酒(b)的拉曼光谱Fig.4 Normalized Raman spectra of 58 bulk liquors (a) and 7 bottled brand liquors (b)

在得到所有白酒样品的归一化拉曼光谱之后, 我们选取I_k(k=1 200、 1 400、 1 600, 1 800)为所有白酒样品在1 200、 1 400、 1 600和1 800 cm^-1处的荧光背景强度值, I_CCO为所有样品在886 cm^-1处C— C— O伸缩振动峰的拉曼强度值, 这样可以得到不同波数的荧光背景强度与C— C— O峰的拉曼强度的比值Ratio=I_k/I_CCO, 结果如图5所示, 图中横轴为样品的编号(散装白酒1— 56, 品牌白酒1— 7), 纵轴为对数坐标。 从图中可以看出, 无论选取哪个位置的荧光背景强度值, 整体上都是可以对散装白酒和瓶装品牌白酒做一个很好的区分。 这里需要说明的是, 若是某种散酒或仿冒酒用来勾兑的原料纯度很高, 质量很好且生产过程没有任何问题, 则无法通过这种方法将其区别开来。 对于这种情况, 如果只是用食用酒精勾兑, 我们可以利用白酒样品的原始光谱与其对应酒精度的乙醇水溶液的拉曼光谱做差谱做进一步鉴别。 若勾兑的原料除了食用酒精还有一些其他所需要的微量物质, 我们则无法进行进一步鉴别。 但考虑到生产仿冒勾兑酒的一般都是一些小作坊或小酒厂, 厂家为了快产快销, 降低成本等因素, 能够达到这种要求的情况特别少。 因此我们提出的这种利用白酒拉曼光谱中任意荧光背景和乙醇的C— C— O伸缩振动峰强度比值的方法是可以作为一种有效的辅助检测方法来判断白酒样品是否可能为仿冒勾兑酒。

图5

Fig.5

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	图5 所有白酒拉曼光谱在1 200 cm-1(a), 1 400 cm-1(b), 1 600 cm-1(c), 1 800 cm-1(d)处的强度与886 cm-1处强度的比值 +: 散酒; ○: 品牌白酒; 图中横轴为样品的编号, 纵轴取对数坐标Fig.5 The ratio of Raman spectra of all liquors at 1 200 cm-1 (a), 1 400 cm-1 (b), 1 600 cm-1 (c), 1 800 cm-1 (d) to 886 cm-1 +: Bulk liquor; ○: Brand liquorThe horizontal axis is the sample number, and the vertical axis is the logarithmic coordinate

由于红外光谱和拉曼光谱都是线性光谱, 其光谱强度与物质浓度成正比, 因此通常用于测量酒中含量较高的物质, 其检测灵敏度大致相当。 但是荧光光谱的检测灵敏度要优于前两种光谱, 因为通常荧光物质的量子效率比拉曼散射截面高很多个数量级, 因此对于能发荧光的物质, 荧光光谱的灵敏度会很高。 因此我们认为拉曼光谱结合荧光背景能拓宽拉曼光谱的应用。

我们利用这个拉曼光谱结合荧光背景法就成功在小超市中筛选出了冒牌瓶装酒。 由于目前便携式拉曼光谱设备在食品药品检测领域的快速普及, 我们认为可以推广该方法用于白酒的市场监管。 在通常的便携式拉曼光谱检测中, 荧光背景是被视为干扰信号, 在设备配套的软件中通常会自动扣除荧光背景。 我们这个工作表明对于白酒的检测中, 保留荧光背景可能会更加有利于白酒的质量监管。 在市场上的便携式拉曼光谱仪中, 也应提供是否扣除背景功能的选项。