CN110987915B - 一种基于金纳米棒比色传感阵列快速鉴别中国白酒的方法 - Google Patents

一种基于金纳米棒比色传感阵列快速鉴别中国白酒的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于金纳米棒比色传感阵列快速鉴别中国白酒的方法，属于纳米技术及食品真实性检测领域。其公开了一种基于金纳米棒比色传感阵列鉴别中国白酒的方法，用于简便、快速、有效地对中国白酒进行可视化在线检测与鉴别。该方法包括以下步骤：A、合成金纳米棒溶液；B、基于金纳米棒溶液作为传感器，通过加入一定浓度的硝酸银、待测酒样以及还原剂构建待测酒样的比色传感检测阵列；C、获取比色传感检测阵列的比色指纹图谱；D、对比色指纹图谱采用经典模式识别方法进行区分和判别。

Description

一种基于金纳米棒比色传感阵列快速鉴别中国白酒的方法
技术领域
本发明涉及一种基于金纳米棒比色传感阵列快速鉴别中国白酒的方法，属于纳米技术及食品真实性检测领域。
背景技术
中国白酒含有多种微量成分，目前已超过1870种易挥发性化合物被鉴定，包括醇类、酸类、酯类、醛类、酮类、酚类、含氮化合物和含硫化合物等。根据其风味特征，中国白酒分为酱香、浓香、清香、米香及其衍生香型共12种香型，尤以浓香型白酒品类最为繁多，市场占有量达到70％以上。
在白酒行业中，真实性是一个非常重要的因素，尤其是对于市场上种类繁多的浓香型白酒来说。因此，实现不同类白酒的鉴别和区分不仅对产品质量监控具有重要意义，也有助于理解白酒真实性与品质评估之间的关系，更是对消费者权益的保护。
目前，已有一些常规方法用于不同品类和产地白酒的区别，如质谱技术和光谱技术；虽然光谱技术是一种简单、快速、无损的方法，但其灵敏度相对较低，容易在具有相似光谱区域的组分间产生干扰。而质谱技术成本高，操作较为复杂，很难在现场中实现实时检测。因此，开发一种简便、快速且有效的对不同白酒鉴别的方法对于白酒质量监控和真伪评价分析具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提出一种基于金纳米棒比色传感阵列鉴别中国白酒的方法，用于简便、快速、有效地对中国白酒进行可视化在线检测与识别。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：
一种基于金纳米棒比色传感阵列快速鉴别中国白酒的方法，包括以下步骤：
A、合成金纳米棒溶液；
B、基于金纳米棒溶液作为传感器，通过加入一定浓度的硝酸银、待测酒样以及还原剂构建待测酒样的比色传感检测阵列；
C、获取比色传感检测阵列的比色指纹图谱；
D、对比色指纹图谱采用经典模式识别方法进行区分和判别。
作进一步优化，步骤A中，所述合成不同形貌的金纳米棒具体包括：
A1、制备种子液：将氯金酸(HAuCl4)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)混合，然后加入硼氢化钠(NaBH4)进行搅拌，在搅拌的过程中，待溶液从亮黄色换成棕黄色后，室温下保存备用；
A2、制备生长液：将十六烷基三甲基溴化铵与助剂加热溶解于水中，待混合液冷却后，加入硝酸银(AgNO3)并在30℃条件下保存10-30min；随后加入氯金酸并搅拌10-20min分钟，然后加入抗坏血酸并搅拌30s-2min，搅拌过程中，溶液颜色逐渐褪去直至无色；
A3、将种子液加入到生长液中并搅拌30-60秒，将搅拌后的溶液在30℃下生长10-15小时即形成金纳米棒溶液。
作为进一步优化，步骤A中，通过调节制备生长液过程中所述助剂的种类以及硝酸银、种子液和抗坏血酸之间的比例合成不同长径比的多种金纳米棒。
作为进一步优化，步骤B中，在96孔板上构建待测酒样的比色传感检测阵列，所述比色传感检测阵列大小为还原剂种类*金纳米棒种类。
作为进一步优化，步骤B具体包括：
将金纳米棒溶液和一定浓度的硝酸银先后加入96孔板的孔内，然后向孔内添加一定量的不同种类的待测白酒样品，最后加入不同种类还原剂反应一定时间，即获取待测酒样的比色传感检测阵列。
作为进一步优化，步骤C中，所述获取比色传感检测阵列的比色指纹图谱的方法包括：
将96孔板置于白光上，拍照获取图像并采用图像处理软件提取每个孔的RGB值，将各个孔的RGB值与对照值之间的差值ΔRGB作为不同酒样基于此检测阵列的比色指纹。
作为进一步优化，步骤D中，所述经典模式识别方法包括：主成分分析(PCA)、分层聚类分析(HCA)和线性判别(LDA)。
本发明的有益效果是：
本发明基于金纳米棒比色传感鉴别白酒的方法具有操作简便、快速高效且可视化、成本低、易实现在线检测的特点，可用于不同香型白酒的鉴别，对中国白酒质量监控和市场管理具有非常重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明基于金纳米棒比色传感阵列快速鉴别中国白酒的方法流程图；
图2为实施例1中三种阵列及组合阵列对不同浓香型白酒比色响应模式的主成分分析二维得分图；
图3为实施例1中的组合阵列对浓香型白酒的分层聚类分析图；
图4为实施例2中组合阵列对不同香型代表性产品主成分分析、聚类分析图；
图5为实施例2中组合阵列对不同香型产品线性判别分析图。
具体实施方式
本发明旨在提出一种基于金纳米棒比色传感阵列快速鉴别中国白酒的方法，用于快速、有效且简便地对中国白酒进行在线检测。金纳米晶体很大的特性是它们的局域表面等离子体共振(LSPRs)，它是电磁模式与限制在纳米尺度的自由电子的集体振荡有关的一种光学性质，这种LSPRs效应可以通过调整大小和形状来调节，与其他金纳米粒相比，金纳米棒在这方面具有明显的光学优势。金纳米棒有两个局域表面等离子体共振吸收峰(LSPR)，即沿纳米棒纵向和横向的LSPR，纵向等离子体波长覆盖可见光和近红外区域，其对长径比的微小变化极其敏感。银纳米壳生长于金纳米棒表面会引起其长径比变化从而导致多种颜色的变化。本发明就是利用这一现象，通过合成不同形貌大小的金纳米棒(AuNRs)作为传感元件，在不同还原剂条件下还原银离子为银沉积到金纳米棒表面改变金纳米棒长径比，导致不同的LSPR效应伴随不同颜色变化。由于不同白酒中所含成分的差异，使得这一银沉积过程属于不同白酒的微环境下时会受到不同程度影响，从而显示不同白酒不同的颜色变化。因此，只要获取不同白酒的色差指纹，便可对不同白酒进行快速鉴别，色差指纹可以采用如主成分分析、分层聚类分析、线性判别等进行分析。
如图1所示，本发明中的一种基于金纳米棒比色传感阵列快速鉴别中国白酒的方法，包括以下实施步骤：
(1)不同形貌金纳米棒合成：
本发明所用金纳米棒采用经典种子生长法进行合成，该方法分为以下3个步骤：
首先制备种子生长液，将HAuCl4和CTAB混合，然后加入冰冷的NaBH4进行快速搅拌。在搅拌的过程中，待溶液从亮黄色换成棕黄色后，室温下保存30min备用；其次是制备生长液，将CTAB与不同助剂加热溶解于水中，待混合液冷却后，加入AgNO3并在30℃条件下保存10-30min。随后加入HAuCl4并缓慢搅拌10-20min分钟，然后加入抗坏血酸并缓慢搅拌30s-2min，搅拌过程中，溶液颜色逐渐褪去直至无色；最后将种子液加入到生长液当中并搅拌30-60秒，将溶液在30℃下生长10-15小时即形成金纳米棒胶体溶液。
(2)比色传感阵列构建：将以上所合成不同形貌的金纳米棒(纳米棒种类为A)与一定浓度的硝酸银混合，加入待测酒样，然后加入不同携带氨基或羟基的芳香还原剂(还原剂种类计为B)，即可形成A×B的阵列，此传感阵列检测实验可在96孔板上实施。
(3)比色指纹图谱获取：加入还原剂后5～10min后将96孔板置于白光灯上用手机、数码相机或图像扫描仪获取反应图像，利用图像处理软件提取每个反应孔的RGB值，与对照之间的差值ΔRGB作为不同酒样基于此阵列的比色指纹。
(4)数据分析：不同种白酒的ΔRGB可通过经典主成分分析(PCA)、分层聚类分析(HCA)和线性判别(LDA)进行区分和判别。
实施例1：
本实施例为基于金纳米棒银沉积机理区分不同浓香型白酒的实例，具体实现如下：
(1)金纳米棒的合成：
首先制备种子液：将HAuCl4(5mL,0.5mM)和CTAB(5mL,0.2M)混合，然后将稀释至1mL冰冷的NaBH4(0.6mL,0.01M)，加入到上述混合溶液中，1200r/min搅拌2分钟。在搅拌的过程中，溶液从亮黄色换成棕黄色。搅拌完成后，将种子液在室温下保存2小时备用。
其次是制备生长液：将9g CTAB与添加剂加热溶解于250mL水中。混合液冷却后，将AgNO3(4mM)加入到混合液中并在30℃条件下保存15分钟。随后加入HAuCl4(250mL,1mM)并缓慢搅拌15分钟(约400r/min)，然后加入AA(0.064M)并缓慢搅拌30秒，搅拌过程中，溶液颜色逐渐褪去直至无色。下表1体现了合成不同长径比金纳米棒的不同试剂添加量。
表1：不同长径比金纳米棒合成条件
金纳米棒AuNRs 助剂 种子液(mL) 硝酸银AgNO<sub>3</sub>(mL) 抗坏血酸AA(mL)
AuNRs-a 水杨酸钠,1.1g 0.8 6.0 1.0
AuNRs-b 5-溴水杨酸,1.1g 0.2 12.0 2.0
AuNRs-c 5-溴水杨酸,1.1g 0.8 24 2.0
AuNRs-d 5-溴水杨酸,1.1g 0.8 12.0 2.0
最后将种子液加入到生长液当中并搅拌30秒，将溶液在30℃下生长12小时。将得到的金纳米棒8500r/min离心两次，每次25min，离心后用水重悬。
(2)比色传感阵列构建：
实验所用比色传感阵列由以上合成的四种不同长径比的金纳米棒AuNRs(a～d)在三种带氨基或羟基的还原剂(邻苯二酚oDHB，邻苯二胺oPD，邻氨基苯酚oAP)条件下构成三种阵列，分别用Array1、Array2、Array3表示。为了保证金纳米棒的浓度一致，将其吸光度调至1-1.2Abs之间。具体的加样顺序为金纳米棒(50μL),硝酸银(15μL,5mM),白酒(5μL),还原剂(25μL,5mM)，以水为对照。图像在反应5min时通过数码相机获取。所有的实验均在已经消毒的96孔板中进行。
(3)RGB提取：
所有比色图像RGB值均通过Adobe Photoshop软件获取，平均色差值通过酒样和对照反应中心点的3次重复实验的平均RGB值(225个像素)差值获取，重复3次实验并获取差值平均值，3次试验和平均值共构成4组数据，即构成ΔRGB×3还原剂×4金纳米棒×4组数据×12酒样的阵列。色差图由4组数据的平均值获取，颜色从6位(0～63)扩展到8位(0～255)。
(4)对不同浓香型白酒进行模式识别分析：
以四川、安徽、江苏三个产地浓香型白酒为代表，其中四川产地以泸州、宜宾、成都、绵竹为地表，前6种为泸州老窖不同等级产品，这六种具有非常相似的风味特征。所选浓香型白酒酒样信息见表2所示。
表2：12种不同产地和品牌的浓香型白酒
Figure BDA0002300815380000051
采用以上3种阵列分别对12种代表性浓香型白酒进行比色响应，将所得图像的ΔRGB通过PCA和HCA进行分析。数据分析时仍使用原始色差值ΔRGB，通过MATLAB R2018b进行主成分分析PCA和分层聚类分析HCA，LDA通过SYSTAT13.2进行分析。
图2A和图2C显示Array 1和Array 3都可以将泸州浓香酒和其它品牌浓香白酒区分开，但是不能将属于同一制造商的6种不同等级的产品区分开。对于Array 2，这两种区分情况均不能得到很好实行(图2B)。当这三种阵列两两组合后，Array 1+2和Array 2+3对12种浓香型白酒的区分能力明显增加(图2D、F)，尤其是Array 2和Array 3的组合，基本能够把所有浓香型白酒可以区分开来(图2D),而Array 1+3与单独Array 3对这些酒样的区分效果类似，并没有得到更好区分(图2E)。当我们把Array 123组合后去识别所有浓香型白酒，从图2G中可以看到，三种阵列组合后能够更好地区分浓香型白酒。
为了更加直观准确地比较Array 2+3和Array 1+2+3的分类性能，我们通过分层聚类HCA(一种无监督模型的方法)进行了分析，见图3，结果显示，对于3阵列组合，所有的浓香型白酒能够准确分类，并且对于同一品牌不同等级的浓香型白酒也能够聚成一类，而Array23组合后阵列虽然可以把所有浓香型白酒进行区分，但是并不能把泸州老窖白酒全部聚到一起。泸州老窖产品与其他品牌浓香白酒之间具有较为明显的区别，但对于他们本身不同产品来说具有非常相似的风味特征，为了评价该传感方法的区分效果，我们单独对6种泸州老窖产品进行了PCA分析，根据图2H，显示该阵列对这6种产品之间也可以得到较好区分。
实施例2：
本实施例为基于金纳米棒银沉积机理区分不同香型白酒的实例，为了验证本方法对不同香型白酒的区分和判别效果，我们选择了4种代表性酱香型白酒、4种清香型白酒，米香型、凤香、兼香、药香各1种，其中酱香、清香和浓香是最主要的香型，占据90％以上的市场。米香作为一种基本香型，以及其他三种作为以上四种香型的衍生香型代表被选择。具体所选酒样信息见表3。
表3：12种其他代表性香型白酒
Figure BDA0002300815380000061
各个实施步骤类似实施例1中的对应步骤，这里不再赘述；
采用以上组合阵列对12种代表性香型白酒进行比色响应，所得图像的ΔRGB进行PCA分析(PC1和PC2代表了主成分因子86.06％的贡献率)结果显示(图4A)，对不同香型白酒之间的区别非常明显，并且对同一香型的酒样也可以较好区分。但对于清香型白酒之间的区分相对较弱，可能与清香型白酒所含组分相对较低有关。为更准确地显示分类结果，进行了HCA分析，可以将不同的香型以及每一种酒样完全区分开(图4B)。
线性判别是一种有监督的分类方法，这种方法事先对样品类别做了界定，它选择变量的标准是使得类间差别最大化，类内差别最小化。包括浓香型白酒在内的七种香型共24种代表性产品通过LDA进行类别间区分和判别。如图5所示，所有产品能够按香型各自归类，刀切法交叉判别正确率100％，见表4。
表4：七种香型白酒刀切分类判别矩阵
浓香 酱香 清香 兼香 米香 凤香 药香 正确率
浓香 48 0 0 0 0 0 0 100％
酱香 0 16 0 0 0 0 0 100％
清香 0 0 16 0 0 0 0 100％
兼香 0 0 0 4 0 0 0 100％
米香 0 0 0 0 4 0 0 100％
凤香 0 0 0 0 0 4 0 100％
药香 0 0 0 0 0 0 4 100％
总计 48 16 16 4 4 4 4 100％
需要说明的是，上述实施例仅用于对本发明的实施方案举例说明，并非作为限定，本领域技术人员根据上述描述对本发明方案所作出的等同修改/替换均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于金纳米棒比色传感阵列快速鉴别中国白酒的方法，其特征在于，
包括以下步骤：
A、合成金纳米棒溶液；
B、基于金纳米棒溶液作为传感器，通过加入一定浓度的硝酸银、待测酒样以及还原剂构建待测酒样的比色传感检测阵列；
C、获取比色传感检测阵列的比色指纹图谱；
D、对比色指纹图谱采用经典模式识别方法进行区分和判别。
2.如权利要求1所述的一种基于金纳米棒比色传感阵列快速鉴别中国白酒的方法，
其特征在于，步骤A中，所述合成金纳米棒溶液具体包括：
A1、制备种子液：将氯金酸和十六烷基三甲基溴化铵混合，然后加入硼氢化钠进行搅拌，在搅拌的过程中，待溶液从亮黄色换成棕黄色后，室温下保存备用；
A2、制备生长液：将十六烷基三甲基溴化铵与助剂加热溶解于水中，待混合液冷却后，加入硝酸银并在30℃条件下保存10-30min；随后加入氯金酸并搅拌10-20min分钟，然后加入抗坏血酸并搅拌30s-2min，搅拌过程中，溶液颜色逐渐褪去直至无色；
A3、将种子液加入到生长液中并搅拌30-60秒，将搅拌后的溶液在30℃下生长10-15小时即形成金纳米棒溶液。
3.如权利要求2所述的一种基于金纳米棒比色传感阵列快速鉴别中国白酒的方法，
其特征在于，步骤A中，通过调节制备生长液过程中所述助剂的种类以及硝酸银、种子液和抗坏血酸之间的比例合成不同长径比的多种金纳米棒。
4.如权利要求1所述的一种基于金纳米棒比色传感阵列快速鉴别中国白酒的方法，其特征在于，步骤B中，在96孔板上构建待测酒样的比色传感检测阵列，所述比色传感检测阵列大小为还原剂种类*金纳米棒种类。
5.如权利要求4所述的一种基于金纳米棒比色传感阵列快速鉴别中国白酒的方法，其特征在于，步骤B具体包括：将金纳米棒溶液和一定浓度的硝酸银先后加入96孔板的孔内，然后向孔内添加一定量的不同种类的待测白酒样品，最后加入不同种类还原剂反应一定时间，即获取待测酒样的比色传感检测阵列。
6.如权利要求5所述的一种基于金纳米棒比色传感阵列快速鉴别中国白酒的方法，其特征在于，步骤C中，所述获取比色传感检测阵列的比色指纹图谱的方法包括：
将96孔板置于白光上，拍照获取图像并采用图像处理软件提取每个孔的RGB值，将各个孔的RGB值与对照值之间的差值ΔRGB作为不同酒样基于此检测阵列的比色指纹。
7.如权利要求1-6任意一项所述的一种基于金纳米棒比色传感阵列快速鉴别中国白酒的方法，其特征在于，步骤D中，所述经典模式识别方法包括：主成分分析、分层聚类分析和线性判别。
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