CN103645144B - 一种白酒成分定量分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于白酒分析方法，利用红外光谱并结合数据处理的一种白酒成分定量分析方法。现有的白酒分析方法缺点是：测试前需要对样本做预处理；测量耗时长；无法现场快速检测；测试价格昂贵。本发明方法步骤如下：选用仪器尼高力Nexus670，衰减全反射附件；安捷伦7890‑5975c气质联用仪；设定红外光谱仪参数；检测样本红外光谱；配制成不同浓度的标准工作曲线溶液，得若干组工作曲线；测定样本的色谱；利用工作曲线求出每种物质的含量，将物质的含量信息作为特征记为C=[c1，c2，…，cn]；比对检测结果鉴别真假白酒。本发明的优点是：鉴定正确率高；鉴定速度快；能够对假酒窝点溯源，节省监管部门的人力物力。
Description
技术领域
本发明属于白酒分析方法，具体地说是利用红外光谱并结合数据处理的一种白酒成分定量分析方法。
背景技术
白酒是世界蒸馏酒中独具一格的酒类，为麦黍、高粱、玉米、红薯、米糠等粮食或其他果品发酵、曲酿、蒸馏而成的一种饮料，以优质净水酿造。白酒酒液无色透明，芳香浓郁，醇和软润，风味多样。白酒除了含有极少量的钠、铜、锌，几乎不合维生素和钙、磷、铁等物质，所含有的仅是水和乙醇。白酒具有活血通脉、助药力、增进食欲、消除疲劳，使人轻快并有御寒提神的功能。饮用少量低度白酒可以扩张血管，促进血液循环，延缓胆固醇等脂质在血管壁的沉积，对循环系统及心脑血管有利。
白酒是我国的传统产品，历史悠久，很多人喜爱饮用白酒。名优白酒价格高、利润大。一些人受到暴利的驱使白酒制假贩假日益猖獗，有的用低等酒冒充高等名优酒；更为严重的是有的造假者用甲醇含量高的工业酒精作为原料勾兑成酒，饮用这种假酒会使人中毒，致人死亡。不同品牌的白酒有着不同的化学组成。因此根据白酒的化学组成，快速定量分析样本白酒成分，准确的鉴别出假白酒是十分重要的。
现有技术白酒的鉴别方法主要有三类：一是色谱分析法；二是光谱法，三是元素分析法。
色谱分析法：色谱分析法能检测出白酒样本中的香味成分，通过对这些化学成分的含量，以及含量的多少能判断出白酒的真假。色谱法的缺点是：1.测试前需要对样本做复杂的预处理比如萃取；2.白酒中存在大量的水会损坏测试仪器；3.白酒中的化学成分比较复杂为了精确测量样本中各种物质的含量需要获取各种物质的工作曲线，工作量大；4.如果利用物质的归一化面积大小比作为物质的含量的一种度量方式就会有很大的误差，无法进行后续分析；5.测试时间长：通常测试一个样本要40分钟左右，不利于现场快速检测；6.对挥发性物质进行检测需要用专用的色谱柱。
光谱法：光谱法通过对光谱所携带的化学信息进行分析能够对物质进行鉴定。光谱法鉴定白酒的缺点是：定量分析模型的建立需要准确的参考值，参考值通常用色谱检测，所以步骤麻烦，测试时间长。
元素分析法：该方法主要是检测样本中的金属离子的含量或者同位素的比值作为特征鉴别真酒和假酒，其缺点是：1.测试前需要对样本做复杂的预处理，如用硝酸做预处理；2.精确测量样本中各种物质的含量需要获取各种物质的工作曲线，相当耗时；3.测试价格昂贵；4.无法现场快速检测。
由于现有技术定量分析白酒成分方法的上述缺点，造成鉴别真假白酒步骤多、时间长、尤其是无法在现场快速检测，使假酒难以被发现，危害社会。所以发明一种检测过程不需要设置算法参数、检测速度快、结果准确的白酒成分定量分析方法对于鉴别真酒和假酒是十分有意义的。
发明内容
本发明的目的是提供一种检测过程不需要设置算法参数、检测速度快、结果准确的白酒成分定量分析方法，提供一种假酒案件的串并案方法，为公安机关打击假冒伪劣提供线索
本发明的目的是这样实现的：
一种白酒成分定量分析方法，步骤如下：
(a)选用仪器尼高力Nexus670型红外光谱仪，衰减全反射附件；安捷伦7890-5975c型气质联用仪；
(b)红外光谱仪参数设定：波数：400-3080cm-1；分辨率：8cm-1；重复扫描次数16次；气相色谱-质谱参数和条件按照前述条件设定；
(c)用一次性吸管吸取少量样本，均匀涂抹在锗化锌晶体上，将试验板放置在红外光谱仪的指定位置，进行检测；每个样本检测完之后，将试验板从仪器中取出，重复蒸馏水冲洗-无水乙醇擦拭-烘干-涂抹样本-测试步骤；
(d)配制成不同浓度的标准工作曲线溶液，得若干组工作曲线：
(e)按照步骤(c)色谱测试条件，测定样本的色谱，利用工作曲线求出每种物质的含量，将物质的含量信息作为特征记为C=[c1，c2，…，cn]；
(f)比对输出结果，鉴别真假白酒。
本发明方法的要点是：利用红外光谱仪采集白酒样本的红外光谱；利用气相色谱仪对白酒样本的有机物成分做定量分析；利用偏核最小二乘分析法建立基于白酒红外光谱的有机物成分定量分析模型，待检样本采集光谱后送入定量分析模型计算出物质的含量，从而鉴定样本是否是假酒。若是假酒，对有机物浓度特征进行聚类分析，实现假酒窝点的溯源和假酒案件的串并案，为公安等监管部门提供线索。本发明方法流程如图1所示。
本发明方法详细过程如下：
一.光谱数据的采集：
(1)选用仪器：美国尼高力仪器公司Nexus670型，衰减全反射附件；
(2)参数设置：波数：4000-650cm-1；分辨率：8cm-1；重复扫描次数16次；
(3)采集过程如下：
第一步，测试无样本时的光谱数据，这是背景噪声；需要从样本数据中减去。用重蒸馏水冲洗附件实验板上的锗化锌晶体，并用99.7％乙醇，擦拭干净，实验板置于800瓦烘干灯下。彻底干燥后并冷却后，将实验板放置到红外光谱仪测试室，点击测试软件的“采集样本”按钮，检测无样本时的红外光谱。
第二步，测试样本红外光谱：用一次性吸管吸取少量样本，均匀涂抹在锗化锌晶体上，将实验板放置在红外光谱仪的指定位置，点击测试软件的“采集样本”按钮，进行检测。仪器自带的软件会将第一步测到的背景噪声自动减去。
每个样本检测完之后，保存数据。将实验板从仪器中取出，重复蒸馏水冲洗--无水乙醇擦拭--烘干-涂抹样本--测试这几个步骤。在不更改实验参数的条件下，背景噪声的测量只需要在实验开始时检测一次即可。
二.色谱定量分析：
(1)选用仪器：美国安捷伦公司7890-5975c气质联用仪；
(2)气象色谱条件：使用HP-FFAP(30m×0.25mm，0.25μm，美国J&W公司)为一维色谱柱、HP-5(30m×0.25mm，0.25μm，美国J&W公司)为二维色谱柱，进样量1μL，分流比30∶1；进样口温度250℃；中心切割范围：7.0-9.6min，将乙醇切入二维色谱柱中；载气为高纯N2；柱流速1mL/min；升温程序：初始温度为40℃，保持4min后，以4℃/min程序升温至240℃，保持25min。
质谱条件：电子轰击离子源；电子能量70eV；离子源温度250℃；传输线温度280℃；四极杆温度为150℃；质量扫描范围m/z29-400。
在上述气相色谱-质谱条件下，对酒样本，采用直接进样法测定，并对各组分的质谱图进行解析，同时与NIST05谱库(美国安捷伦公司)进行比对，确认其结构。
(3)测试过程如下：使用BP-21FFAP色谱柱(25m×0.32mm，0.5μm，澳大利亚SGE公司)；升温程序与前面叙述相同；汽化室与检测器温度均为250℃；载气为高纯氮气；柱流速1mL/min，进样量为1μL；分流比30∶1。在上述色谱条件下，采用定量测定白酒样本中微量香味成分的含量。每个待测样品平行测定4次，取平均值。
色谱定量分析的具体过程：
A.建立工作曲线：分别称取适量标准对照品于棕色封口容量瓶中，以异辛烷定容，配制成浓度1000mg/L的标准储备液。分别量取适量标准储备液，配制成浓度为0.5mg/L，1.0mg/L，2.0mg/L，5.0mg/L，10.0mg/L，20.0mg/L，25.0mg/L，30.0mg/L的标准工作曲线溶液。利用色谱检测其色谱峰，确定色谱峰面积。假定不同浓度时的峰面积为：Ai(i=1，…，8)，浓度表示为Coni(i=1，…，8)利用最小二乘法求解得到浓度和峰面积之间的线性关系：
mina，b||A-a×Con-b||2
求出a，b就建立了工作曲线。
B.样本预处理：样品前处理方法，待测样品应保证包装完好，避免破损及酒样长时间暴露在空气中。取样前应将酒样摇匀，对于含气体的样品，先采用振摇、搅拌或超声波等方式除去酒样中二氧化碳气体。
准确量取2mL酒样于塑料离心管中，加入2g氯化钠，旋涡混匀30s，再加入10mL异辛烷，旋涡混匀30s，超声振荡15min，于3000rpm/min离心10min，取上清液于棕色进样小瓶中，待气相色谱-质谱分析。
C.样本定量分析：将待检样本对应的色谱峰面积带入工作曲线就可求出该物质的浓度。
三.建立定量分析模型：
假设采集到的光谱信号为xi∈R1×n，i=1，…，m即一共采集了m个光谱，每一个光谱信号的长度为n，将这些光谱放在一起组成一个矩阵定义为X∈Rm×n，假设利用色谱分析酒样本xi∈R1×n，i=1，…，m获得了该样本的p种物质的浓度信息，写成向量形式为yi∈R1×p，i=1，…，m，将m个光谱对应的浓度信息放在一起组成一个矩阵定义为Y∈Rm×p。
(1)随机初始向量u；
(2)t=Ku，t←t/||t||2；
(3)c=YTt；
(4)u=Yc，u←u/||u||2；
(5)重复上述步骤直至收敛；
(6)K←(I-ttT)K(I-ttT)，Y←Y-tttY；
经过上述步骤可以提取出p个成分，把这p个成分组成矩阵T，U∈Rn×p；
(7)训练集的预测结果：测试集预测结果：
其中Kt中的元素为Kij=K(xi，xj)，xi，xj分别为测试样本和训练样本，K中的元素为Kij=K(xi，xj)，xi，xj为训练样本。
四.样本鉴定：模型建立后，对于需要鉴定的光谱信号送入第三部分建立好的模型，通过计算即可得到该光谱对应酒样的物质含量信息；酒样的物质含量信息与真酒物质含量信息进行对比分析。
五.输出结果分析，鉴别真假白酒：图2为根据检测结果分析方法图。
(1)根据国标GB2757-1981/XG2-2008若甲醇含量如果大于2g/L，直接判定为假酒；
(2)如果检测到的物质种类少，说明是勾兑的假酒。通常勾兑白酒使用的物质种类相对较少；
(3)能检测到我们预先指定的物质，那么将物质含量作为特征，计算与真酒特征之间的距离，距离大于一定的阈值，说明是假酒；图3为预先指定的物质乙酸、乙酸乙酯、甲醇、乙缩醛的预测结果图。
(4)对不同地方查获的假酒其物质浓度特征进行聚类分析，从而判断其是否来自同一个窝点。
首先利用主成分分析对数据进行降维，过程是这样的：
将采集到的样本对应的物质含量组成一个向量定义为：C=[c1，c2，…，cn]，其中n表示检测的物质种类数，ci(i=1，…，n)表示第i中物质的含量为ci，假设采集了m样本将得到向量组成矩阵定义为F=[C1；C2；…；Cm]，
(1)将F中心化得到
(2)计算协方差矩阵：
(3)计算矩阵Co的特征向量V1，…，Vm；
(4)计算特征C在V1，…，Vm上的投影，实现降维，为便于观察将C投影到V1，V2降到两维；对降维数据进行聚类分析，聚类方法有很多，这里使用K均值聚类，步骤为：
A.假设有m个样本，随机初始k个聚类中心：μ1，…，μk；
B.计算每一个样本到k个中的距离，将样本聚类到最近的中心；
C.计算每个聚类中所有点的平均值作为新的聚类中心；
D.重复步骤B、C、直到收敛。
本发明与国内外现有同类产品的相比，其创造性在于以下几点：
1.提出了一种红外光谱鉴定假酒的方法；
2.利用红外光谱和定量模型求出光谱对应的酒样中的物质含量；
3.将物质含量作为特征进行分析，对比得到鉴定结果；
4.实现了造假窝点的溯源，为公安机关打击假冒伪劣提供线索。
本发明与国内外现有技术的不同点在于：
1.利用中红外光谱做分析；
2.利用核偏最小二乘建立定量模型；
3.红外光谱结合定量分析模型得到物质含量信息作为特征，进行聚类分析。
本发明的优点是：
1.鉴定正确率高；
2.鉴定速度快；
3.能够对假酒窝点溯源，使假酒案件并案处理，节省监管、办案部门的人力物力。
附图说明
图1为本发明白酒成分定量分析方法流程图。
图2为检测结果分析方法图。
图3为乙酸、乙酸乙酯、甲醇、乙缩醛的预测结果图。
图4为物质含量特征聚类的结果图，说明B，E地的假酒是来自同一个窝点。
图5为物质含量特征聚类的结果图，说明六种假酒来自不同的窝点。
图6为能检测到预先指定的物质图，但差别大，说明是假酒；
图7为物质含量特征聚类的结果图，说明A地和D地的假酒是来自同一个窝点；B地和C地的假酒是来自同一个窝点。
图8为物质含量特征聚类的结果图，说明C地和F地的假酒是来自同一个窝点。
图9为物质含量特征聚类的结果图，说明A，B，C三地的假酒是来自同一个窝点。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明。
实例1：
样本为白云边12年陈酿，不同批次真酒共50个，不同类型的假酒900个。表1假酒样本采集信息。
表1：假酒样本采集信息
检测步骤：
1.选用仪器美国尼高力仪器公司Nexus670型红外光谱仪，衰减全反射附件；美国安捷伦公司7890-5975c气质联用仪；
2.红外光谱仪参数设定：波数：4000-650cm-1；分辨率：8cm-1；重复扫描次数16次；气相色谱-质谱参数和条件按照前述条件设定。
3.用一次性吸管吸取少量样本，均匀涂抹在锗化锌晶体上，将实验板放置在红外光谱仪的指定位置，进行检测。一个样本检测完之后，将实验板从仪器中取出，重复蒸馏水冲洗-无水乙醇擦拭-烘干-涂抹样本-测试这几个步骤，共采集到样本50个。
4.配制成浓度为2.5mg/L，5.0mg/L，7.5mg/L，10.0mg/L，12.5mg/L，15.0mg/L，25.0mg/L，30.0mg/L的标准工作曲线溶液，得到如表2所示的若干组工作曲线：
表2：工作曲线
| 序号 | 名称 | 回归方程 | 相关系数 |
| 1 | 乙酸 | y＝0.0056x-2.0131 | 0.9999 |
| 2 | 丙酸 | y＝0.0352x-0.6936 | 0.9995 |
| 3 | 异丁酸 | y=0.1858x-0.0375 | 0.9630 |
| 4 | 丁酸 | y=0.0278x-0.2185 | 0.9927 |
| 5 | 异戊酸 | y=0.2294x-2.0441 | 0.9840 |
| 6 | 戊酸 | y=0.1047x-1.2741 | 0.9963 |
| 7 | 已酸 | y=0.0083x+1.671 | 0.9809 |
| 8 | 庚酸 | y=0.4786x-1.682 | 0.9953 |
| 9 | 甲酸甲酯 | y=0.5233x-1.177 | 0.9966 |
| 10 | 乙酸乙酯 | y=0.0027x-38.95 | 0.9983 |
| 11 | 丁酸乙酯 | y＝0.0152x-1.969 | 0.9832 |
| 12 | 乙酸异戊酯 | y=9.014x-1.852 | 0.9810 |
| 13 | 戊酸乙酯 | y=0.0445x-0.2792 | 0.9851 |
| 14 | 已酸乙酯 | y＝0.0016x-15.23 | 0.9708 |
| 15 | 庚酸乙酯 | y=0.1481x-0.582 | 0.9932 |
| 16 | 辛酸乙酯 | y=0.2245x-0.8735 | 0.9661 |
| 17 | 乳酸乙酯 | y=0.3258x-11.84 | 0.9768 |
| 18 | 甲醇 | y=0.0272x-1.451 | 0.9978 |
| 19 | 仲丁醇 | y=0.0758x-0.4795 | 0.9948 |
| 20 | 正丙醇 | y=0.0053x-5.317 | 0.9981 |
| 21 | 异丁醇 | y=0.0019x+0.5635 | 0.9756 |
| 22 | 2-戊醇 | y=0.2667x-57.39 | 0.9984 |
| 23 | 正丁醇 | y＝0.0312x-1.586 | 0.9988 |
| 24 | 异戊醇 | y＝0.0129x-2.111 | 0.9988 |
| 25 | 正戊醇 | y=0.1542x-0.6159 | 0.9983 |
| 26 | 正已醇 | y=0.0657x-0.655 | 0.9995 |
| 27 | 乙醛 | y=0.0107x-1.255 | 0.9991 |
| 28 | 乙缩醛 | y=0.0134x-2.169 | 0.9992 |
| 29 | 异丁醛 | y=0.4259x-0.3352 | 0.9982 |
| 30 | 异戊醛 | y=0.6413x-0.4169 | 0.9972 |
5.按照前面的色谱测试条件，测定样本的色谱，利用工作曲线求出每种物质的含量，将物质的含量信息作为特征记为C=[c1，c2，…，cn]；
6.比对输出结果：
(1)甲醇超标的假酒分析结果，如图4所示，根据物质含量特征聚类的结果分析，B，E地的假酒是来自同一个窝点。
(2)假酒物质种类少，如图5所示，物质含量特征聚类的结果分析，六种假酒来自不同的窝点。
(3)能检测到预先制定的物质，如图6所示，说明是假酒。
实例2：
样本为白云边9年陈酿，不同批次真酒共50个，不同类型的假酒900个。表3为本实施例假酒样本采集信息，表3样本和实例1采集的地方不同。
表3：本实施例假酒样本采集信息
检测步骤：
1.选用仪器美国尼高力仪器公司Nexus670型红外光谱仪，衰减全反射附件；美国安捷伦公司7890-5975c气质联用仪；
2.红外光谱仪参数设定：波数：4000-650cm-1；分辨率：8cm-1；重复扫描次数16次；气相色谱-质谱参数和条件按照前述条件设定。
3.用一次性吸管吸取少量样本，均匀涂抹在锗化锌晶体上，将实验板放置在红外光谱仪的指定位置，进行检测。一个样本检测完之后，将实验板从仪器中取出，重复蒸馏水冲洗-无水乙醇擦拭-烘干-涂抹样本-测试这几个步骤，共采集到样本50个。
4.配制成浓度为2.5mg/L，5.0mg/L，7.5mg/L，10.0mg/L，12.5mg/L，15.0mg/L，25.0mg/L，30.0mg/L的标准工作曲线溶液，得到如表2所示的若干组工作曲线。
5.按照步骤3的色谱测试条件，测定样本色谱，利用工作曲线求出每种物质的含量，将物质的含量信息作为特征记为C=[c1，c2，…，cn]。
6.比对输出结果：
(1)甲醇超标的假酒分析结果：如图7所示，根据物质含量特征聚类的结果分析，A地和D地的假酒是来自同一个窝点；B地和C地的假酒是来自同一个窝点。
(2)假酒物质种类少：如图8所示，根据物质含量特征聚类的结果分析，C地和F地的假酒是来自同一个窝点。
(3)能检测到预先制定的物质，如图9所示，根据物质含量特征聚类的结果分析，A，B，C三地的假酒是来自同一个窝点。
上述仅为本发明的部分优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明方法范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。
Claims (1)
1.一种白酒成分定量分析方法,步骤如下：
(1)利用气相色谱仪对白酒样本的有机物成分做定量分析:
(a)选用仪器Nexus 670,衰减全反射附件；安捷伦7890-5975c型气质联用仪；
(b)红外光谱仪参数设定：波数：400-3080cm-1；分辨率：8cm-1；重复扫描次数16次；GC条件：使用HP-FFAP为一维色谱柱、HP-5为二维色谱柱，进样量1μL，分流比30:1；进样口温度250℃；中心切割范围：7.0-9.6min，将乙醇切入二维色谱柱中；载气为高纯N2；柱流速1mL/min；升温程序：初始温度为40℃，保持4min后，以4℃/min程序升温至240℃，保持25min；MS条件：电子轰击离子源；电子能量70eV；离子源温度250℃；传输线温度280℃；四极杆温度为150℃；质量扫描范围m/z 29-400；
(c)用一次性吸管吸取少量样本，均匀涂抹在锗化锌晶体上，将试验板放置在红外光谱仪的指定位置，进行检测；每个样本检测完之后，将试验板从仪器中取出，重复蒸馏水冲洗-无水乙醇擦拭-烘干-涂抹样本-测试步骤；
(d)配制成不同浓度的标准工作曲线溶液，得若干组工作曲线；
(e)按照步骤(b)色谱测试条件，测定样本的色谱，利用工作曲线求出每种物质的含量，将物质的含量信息作为特征记为C＝[c1，c2，…，cn]；
(2)建立定量分析模型：
将采集的m个光谱对应的浓度信息放在一起组成矩阵定义Y∈Rm×p；
(a)随机初始向量u；
(b)t＝Ku,t＝t/||t||；
(c)c＝YTt；
(d)u＝Yc,u＝t/||u||；
(e)重复上述(b)、(c)、(d)步骤直至收敛；
(f)K←(I-ttT)K(I-ttT)，Y←Y-tttY；
将上述步骤提取出的p个成分，组成矩阵T，U∈Rn×p；
(g)训练集的预测结果：测试预测结果；
(3)比对输出结果，进行聚类分析：
(a)甲醇含量如果大于2g/L，为假酒；
(b)检测到物质种类少于一定阈值，为勾兑假酒；
(c)检测到的物质，计算与真酒特征之间的距离，距离大于一定阈值是假酒；
(d)对查获的假酒物质浓度进行聚类分析，判断是否来自同一个窝点。
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