使用光谱传感器解码危险酒精饮料

在美国禁酒时代，危险的并不是来自自家酿的酒。为了增加利润，廉价和有毒的工业酒精被添加到烈性酒中，经常导致饮用者的失明和死亡。目前依然存在类似的做法，世界上约三成的酒精饮料依然是非法伪造的，这对于制造商的品牌和消费者的健康将造成莫大伤害。

我们在工业中随处可见假冒、掺假或仿冒产品的问题。烈酒行业也不例外。掺杂物包括用于除色的廉价溶剂和与酒精饮料(乙醇)具有相同致醉成分的外用酒精，使其含有的污染物（变性剂）对人类造成危害，这些变性醇中常见的添加剂是甲醇，甲基乙基酮和异丙醇。根据浓度的不同，变性剂不受质量程序和昂贵税收的限制，这使得它们对造假者很有吸引力。

实验概述

为了协助烈酒经销商和酿酒商，已经开发出可靠的光谱传感技术来识别假冒酒。Ocean Optics先前的研究表明，威士忌和烈酒的品牌产生特定的紫外 - 可见范围光谱，但紫外 - 可见范围不能用于区分具有必要精度的不同醇。在这里，我们研究使用中红外光谱传感器检测液体中少量变性醇的可行性。Ocean Optics的新型MZ5是一款移动式现场检测设备，无需样品制备即可提供实时结果。Ocean MZ5是一款微型ATR光谱仪，测量能力为1818-909 cm-1（5.5-11μm）。这种完全独立的仪器 - 包括样品接口，光源和检测器 - 为传统的FTIR光谱提供了紧凑，快速和可扩展的替代方案。

实验设置

对于该概念验证阶段，将甲醇（MeOH）和异丙醇（IPA）加入“液体”样品中。这些“液体”样品是合成的乙醇 - 水混合物，类似于伏特加（40％乙醇，60％水）。小心地创建0、1、2、3、4(%vol)值的每种变性剂污染的“烈酒”浓度。在几分钟内，对每个样品拍摄数百个光谱并取平均值，然后绘制在一起以产生下面的光谱。您可以看到IPA和MeOH都有光谱区域并显示所有浓度梯度。

图1：掺杂甲醇校准光谱

图2：掺杂IPA校准光谱

为了进一步揭示光谱的真实潜力并提高视觉分辨率，从所有污染浓度的平均值中减去每种浓度的光谱以放大方差区域。这些图突出了MZ5区分样品的能力。在第一组图中，难以用眼睛区分的东西现在看来是完全不同了。

图3：掺杂甲醇浓度差异的中心光谱

图4：掺杂IPA浓度差异的中心光谱

使用皮尔森相关系数 （数学处理方法）对其进行研究,以确定感兴趣的并有用的光谱区域，推断光谱趋势的可行性。蓝色的相关系数线达到1或接近1是可以使用化学计量学进行开发的重要选择项，因为该相关性与浓度相关。低于零的区域是信号与已知浓度负相关的区域。红色光谱线用于视觉参考。

图5：掺杂甲醇浓度和光谱之间的相关性

图6：掺杂IPA浓度和光谱之间的相关性

以下是基于上述区域使用偏最小二乘法“PLS”化学计量学编写的模型，从而进行的预测浓度趋势验证。需要选择那些变化多样的不同复杂程度（组件数量）的样本;另外也需要选择那些对贡献值偏差最小的样本。这些图正面证明了这项研究的可行性。结果趋势显示误差低于0.13％（体积百分比），这足以识别被工业级乙醇污染的烈酒。

图7：使用校准光谱预测甲醇浓度

图8：使用校准光谱预测IPA浓度

讨论

一般来说，纯乙醇中变性剂的浓度在5%左右，才符合免税变性乙醇的标准，而且只适用于工业用途。掺假液体通常含有2％变性剂，是安全性的最大耐受浓度，这是政府建议的0.5％的4倍。虽然这项初步研究仅限于合成伏特加作为“酒”，但0.13％的准确度结果非常令人鼓舞，是鉴定所需最低限的5倍。

与使用带有ATR附件的FTIR光谱仪的传统方法相比，MZ5更加紧凑，它可以放在一个小巧的便携箱中随身携带;另外，MZ5更牢固，他内部没有任何移动部件，而且也更实惠。此外，例如，MZ5可提供定制，定制的设备可用于零售商或分销商进行酒类认证，从而保证制造商的声誉，消费者的安全和政府应得的税收。