乙醇的紅外光譜吸收機理及應用

2013vol32No.12128. Serial No 261China Brewingxperience EXchanges乙醇的紅外光譜吸收機理及應用周楊,劉杰,王紀元*(西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,重慶400715)摘要:為了進(jìn)行乙醇含量的快速測定近紅外光譜分析技術(shù)作為一種新興的快速檢測技術(shù)通過(guò)分析甲基、亞甲基羥基的倍頻組合頻不同濃度的乙醇對紅外光具有不同的吸收率。選擇1250m-1350mm光譜段作為乙醇濃度的分析譜段提出了一種新型的便攜式紅外光譜檢測儀控制方案建立快速測定乙醇含量的近紅外光譜法。實(shí)驗發(fā)現該檢測方法具有較好的穩定性可以對乙醇含量進(jìn)行準確、快速、便捷的檢測滿(mǎn)足食品質(zhì)量控制的要求關(guān)鍵詞:乙醇;近紅外光譜;檢測;應用中圖分類(lèi)號:O657文獻標識碼:A文章編號:02545071(2013)12-012803Absorption mechanism and application of infrared spectra of ethanolZHOU Yang, LIU Jie, WANG Jiyuan*College of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400715, China)Abstract: Near infrared spectroscopy (NiR) has been used as a new and rapid detection technology in order to rapidly determine ethanol content Byanalyzing hydroxyl frequency and frequency combinations of methyl and methylene, result showed that different ethanol concentrations had differentabsorption rates of infrared light. Spectral segment between 1250nm and 1350nm has been selected for the ethanol concentration spectral analysis, aDew type control plan of portable infrared spectroscopy detection, and rapid determination of alcohol content by near infrared spectroscopy was estab-lished. It was found that the detection method has good stability, the ethanol content can be accurately, rapidly and conveniently detected, satisfyinghe requirement of food quality controlKey words: ethanol; near infrared spectroscopy(NIR); detection; application國家對酒類(lèi)飲品中乙醇含量有嚴格規定,快速準確地羥基組成,而水中含有羥基。這3種基團在近紅外區域具有測定酒類(lèi)飲品中乙醇含量在食品工業(yè)質(zhì)量控制中十分重吸收峰,表1給出了上述幾種基團的振動(dòng)頻率岡。要近紅外光譜 near infrared spectrum,NIR)分析技術(shù)是近表1近紅外光譜區域不同基團的特征吸收譜帶年來(lái)迅猛發(fā)展起來(lái)的一種快速檢測技術(shù),近紅外光譜能提Table 1 Different groups of characteristic absorption band near供豐富的物質(zhì)結構信息而廣泛應用于幾乎所有物質(zhì)(單質(zhì)infrared spectrum region和極少量無(wú)紅外活性物質(zhì)除外的定性和定量研究中,相比于傳統的物理方法(密度瓶法、氣相色譜法、酒精計羥基(OHD甲基(CH亞甲基CH法)和化學(xué)方法(重鉻酸鉀比色法、莫爾氏鹽法、碘量滴定1210法等)具有無(wú)需預處理、速度快陰、成本低、無(wú)污染、不破三級倍頻730壞樣品化學(xué)性質(zhì)、結果重現性高綠色環(huán)保、多成分同時(shí)四級倍頻745分析、適于現場(chǎng)在線(xiàn)分析等優(yōu)點(diǎn)四。這為開(kāi)發(fā)一套新型便組合頻200022802350攜式乙醇紅外光譜檢測儀提供了可能。彎曲振動(dòng)基頻770069001乙醇的紅外光譜吸收機理伸縮振動(dòng)基頻27003250300近紅外光是介于可見(jiàn)光和中紅外之間的電磁輻射波,采用連續的近紅外光進(jìn)行照射時(shí),當紅外光頻率與基波長(cháng)范圍為780m-2526nm。近紅外光區的吸收帶主要是團振動(dòng)頻率相同時(shí)發(fā)生共振,該頻率的紅外光被吸收,而由低能電子躍遷、含氫原子的(如OHNH、CH)伸縮振紅外光頻率與基團振動(dòng)頻率不相同時(shí)則不會(huì )被吸收,吸動(dòng)的倍頻吸收等形成。紅外吸收帶的波長(cháng)位置與吸收譜收譜帶的吸收強度與分子組成或其化學(xué)基團的含量有帶的強度,反應了分子結構的特點(diǎn)。近紅外光譜屬于分子關(guān),可以進(jìn)行定量分析和定性分析,紅外光譜用于定量分振動(dòng)光譜的倍頻和主頻吸收光譜。乙醇由甲基、亞甲基和析是以朗伯比爾( Lambert-Beer)定律為理論基礎。收稿日期:2013-1101中國煤化工基金項目:國家級大學(xué)生創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)訓練項目Q201310635052)CNMHG作者簡(jiǎn)介:周楊(1991-),男,本科,研究方向為電子技術(shù)及應用通訊作者:王紀元(1958-),男,副教授,博士,研究方向為電子技術(shù)經(jīng)驗交流中國釀造2013年第32卷第12期總第261期129分析譜段。A=∑B()cL通過(guò)對圖1中1250nm-1350nm光譜段各濃度乙醇紅式中:A為吸光度值:λ為波長(cháng),m;B()為吸光系數,是以外光譜吸收率實(shí)驗測量值分析發(fā)現,乙醇濃度(x)與紅外波長(cháng)為參數的函數:c為吸收物的濃度,mol;L為光光譜吸收率y存在一定的線(xiàn)性關(guān)系:y=0.5177x+0239程長(cháng)門(mén),cm根據市售的一些白酒的濃度,通過(guò)對其進(jìn)行紅外光譜照射由此將紅外光譜強度與乙醇濃度相聯(lián)系,這為利用近檢測發(fā)現能夠很好的滿(mǎn)足上述線(xiàn)性關(guān)系。紅外光譜法測量白酒中乙醇的濃度提供了理論上的可行性。本實(shí)驗中,首先采用移液管分別移取一定體積的乙醇于容量瓶中,用雙蒸餾水定容,配制6種乙醇標準溶液,其體積分數分別為20%、30%、40%50%60%70%采用美國珀金埃爾默傅里葉變換紅外光譜儀對這6種不同體積分數的乙醇樣品透射譜線(xiàn)進(jìn)行測量,掃描范圍為800m1400nm。不同濃度乙醇的透過(guò)率光譜見(jiàn)圖1。其中縱坐標為吸收率,橫坐標為紅外光波長(cháng),圖1曲線(xiàn)從下到上為體積分數20%、30%40%、50%60%70%乙醇。乙醇濃度ovol100圖2不同濃度乙醇與紅外光譜吸收率之間關(guān)系Fig 2 Relationship between different concentrations of ethanol and602紅外光譜在乙醇濃度檢測中的應用30通過(guò)以上對乙醇紅外光譜的分析,設計了一種新型的便攜式紅外光乙醇濃度檢測儀,檢測儀采用投射方法,以低功耗近紅外發(fā)光二極管( light emitting diode,LED)為光7508509501050115012501350波長(cháng)/nm源,用光頻轉換器TSL245將采集到的光譜數據進(jìn)行裝換,根據紅外光譜的強度轉換成不同頻率的方波進(jìn)行輸出。光圖1不同濃度乙醇的紅外光譜圖Fig. 1 Infrared spectroscopy of different concentrations of ethanol頻轉換器輸出的弱信號在幅值頻率較低的情況下會(huì )輸出較多的波形干擾和雜波,發(fā)生較大的相位偏移,而波形中的從圖1可以看出,紅外光譜的特征吸收主要位于波長(cháng)毛刺和雜波很大部分是由于諧波引起的,而噪聲主要來(lái)自910nm、98onm、1180nm處,波長(cháng)φl(shuí)0mm附近處是C-H鍵的三于高頻隨機噪聲、光散射等凹。因此在建立定量分析模型之級倍頻吸收帶,波長(cháng)980mm附近處是OH鍵的二級倍頻吸前要先對光譜作預處理,以減少噪聲影響,提高分析精度。收帶,波長(cháng)180m附近處是C-H鍵的一級倍頻吸收帶。從二代小波分析可以有效的去除采集信號的諧噪聲干擾,消除20%70%的乙醇近紅外光譜圖可以看出,隨著(zhù)乙醇體積分干擾,較完整保留光譜原始細節信息,剔除突變點(diǎn)圓,提高數的增加,在波長(cháng)1180nm處吸收強度相比于其他波長(cháng)位儀器檢測精度。選用TI公司的TMS320F2812芯片實(shí)現小波置處有較明顯的增加。在波長(cháng)φ10m和98nm處附近由于算法,滿(mǎn)足微弱信號實(shí)時(shí)處理要求。再者,選擇 CycloneⅡl受水和其他有機物的影響干擾較為復雜,不同濃度的紅外FPGA系列中的EP2C8Q208C8芯片完成較強的時(shí)序和邏光譜吸收率變化并不明顯,吸收強度小,靈敏度低,因此不輯控制,高速實(shí)時(shí)數據采集處理系統的外圍邏輯構造。做分析。相比較而言在波長(cháng)1250mm-1350nm光譜段,乙醇為消除外部溫度的干擾采用DS18B20進(jìn)行溫度補償濃度定性反應敏感度極強,故采用該譜段作為乙醇濃度的系統整體框圖見(jiàn)圖3,系統流程圖見(jiàn)圖4。度傳感器現場(chǎng)可編程數字信號處理門(mén)陣列近紅外酒精濃度信號近紅外汭精濃度信號放EP2C8Q208C8TMS320F2812大整形電路驅動(dòng)電路中國煤化工CNMHG圖3紅外光檢測系統整體框圖Fig 3 Diagram of the whole infrared detection system2013vol32No.1213Serial No 261China BrewingExperience Exchanges開(kāi)始是系統初始化是否檢測結束讀取鍵盤(pán)信息根據數學(xué)模型計算出酒精度顯示是否是檢測鍵是否是復位鍵代小波變換讀取FPGA采集頻率值計算出近似系數調用復位程序讀取DS18B20溫度值補償算法計算圖4紅外光檢測系統總體流程圖Fig. 4 Flow chart of the whole infrared detection system3乙醇的濃度檢測《白酒分析方法》中密度瓶法嗎相比具有耗時(shí)短,便于操目前用于測定白酒酒精度的檢測分析方法GB/T作,對樣品無(wú)損壞,穩定性高,適于現場(chǎng)檢測等顯蓍優(yōu)勢。103452007《白酒分析方法》為密度瓶法嗎,為檢驗紅外光譜儀在檢測白酒中乙醇濃度的精密度,隨機選取10個(gè)不參考文獻同酒精度的白酒樣本做驗證分析,測試結果見(jiàn)表2.10個(gè)測[ ZHANG Pudun, HE Jiasu i,, ZHOU Xin. An FtiR standard addition試樣本的紅外光譜便攜式檢測儀測試值與國標法測定值method for quantification of bound styrene in its copolymers[J]. Polym的相關(guān)系數R為09888,平均絕對誤差為1439,與白酒酒Test,2008,27(2)153-157精度國家標定標準誤差相差無(wú)幾,由此說(shuō)明檢測儀有較好R2] CZAYLICKA M, KACZMARCZYK B. nfrared study of chlorophenolsand products of their photodegradation[]. Talanta, 2006, 70(5 ): 940的檢測效果。為進(jìn)一步提高檢測儀的檢測精密度可以考慮對原始光譜數據作多元散射校正和偏最小二乘法、拓撲學(xué)]張志慧周雪琴許晶等化學(xué)促進(jìn)劑與鼠角質(zhì)層脂質(zhì)相互作用的方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等模型優(yōu)化方法處理ATR-FTIR(]化學(xué)研究與應用,2005,17(1):64-65[4]虞精明,謝勤美,楊風(fēng)華酒中乙醇含量檢測方法[中國衛生檢驗雜表2不同樣品采用國標法測定值與紅外光譜儀測定值比較(20℃)志,2008(9):1930-1932Table 2 Comparison of measured values by national standard[5]邵春甫李長(cháng)文,王珊等紅外光譜技術(shù)在中國酸酒行業(yè)中的應用method and infrared spectrometer in different samples研究進(jìn)展[中國釀造,2013,32(4):1519(20℃%vol[6]SUN SQ, ZHOU Q, CHEN J B Infrared spectroscopy for complex mix樣品國標法紅外光譜絕對「樣品國標法紅外光譜絕對tures: Applications in food and traditional Chinese medicine[M]. Beijing編號測定值儀測定值誤差編號測定值儀測定值誤差Chemical Industry Press, 20116723657153648344721.14[門(mén)吳海云,劉洋,左月明近紅外光譜數據分析方法的研究進(jìn)展門(mén)農26027619163745264590.64產(chǎn)品加工學(xué)刊,2010(3):76-79358316001.6984.96442.148]高榮強,范世?，F代近紅外光譜分析技術(shù)的原理及應用分析儀4524650321693834370134器,2002(3):9-12551.8551.00.851034.373311.27[9]陸婉珍,袁洪福等現代近紅外光譜分析技術(shù)[M]北京:中國石化出版社,20064結論[10]王曉飛,劉桂禮,鮑艷妃,等.酒精含量近紅外光譜檢測的最佳分析譜段門(mén)信息技術(shù),2012(3):30-32通過(guò)乙醇紅外光譜吸收機理的分析,采用紅外光譜法,建立一套快速便攜式1劉燕德,高榮杰孫旭東便攜式水果內部品質(zhì)近紅外檢測儀研究進(jìn)展門(mén)光譜學(xué)與光譜分析,2010,30(10):28742877檢測白酒中乙醇含量的儀器,并獲得了較好的實(shí)驗結果,[2]錢(qián)玉麟.基于DSP+FGA的近紅外檢測儀關(guān)鍵技術(shù)研究[D南京可以滿(mǎn)足白酒酒精度測定要求。同時(shí)數字信號處理器南京理工大學(xué)碩土論文,2012( digital signal processor,Dsp)和現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(fed周林成,楊中基于二代小波變換的信號去噪及其鈦測量建模門(mén)計算機與應月中國煤化工programmable gata array,FPGA)相結合的控制系統能滿(mǎn)足[14]漢澤西,孫燕CNMHG07,34(2):18-21微光信號處理電路系統的高速實(shí)時(shí)性需求,設計方案成本[5]中國國家標準化官埋委負會(huì ).GH10345-白酒分析方法[S]北較低,所用芯片具有較高的性?xún)r(jià)比。與GBT10345-2007京:中國標準出版社,2007