使用拉曼光譜分析威士忌
使用拉曼光譜分析威士忌
威士忌是一種蒸餾酒，源自蓋爾語“uisge beatha”，意為“生命之水”。這種飲料由發酵的穀物混合物製成，不同的穀物用於提供各種威士忌的多樣性。當威士忌瓶子出售時，它們會包含一定的酒精度數（% abv），這與瓶子中含有多少乙醇有關。通常情況下，威士忌的酒精度數為40% abv，因此瓶子中的40%應該是乙醇。威士忌是一種越來越受歡迎的飲料，蘇格蘭威士忌協會表示每秒出口44瓶蘇格蘭威士忌，2021年的出口總額達45億英鎊。
非法銷售飲用酒精，特別是烈酒，是一種令人擔憂且潛在危險的銷售手段，商家試圖通過這種方式增加他們的利潤。酒精的非法銷售通常有兩種常見方式，第一種是稀釋酒精的銷售。這種情況通常是批量銷售，以欺詐性的酒精度數打印在瓶子上進行出售，或在酒吧中，從批發採購後稀釋烈酒。在酒精欺詐中看到的第二個問題更加嚴重，即在烈酒中使用甲醇代替乙醇。
乙醇通過酒精脫氫酶在肝臟中代謝，最終被分解成無害的二氧化碳和水。而甲醇對人體有毒，常見於防凍液中。這兩種分子僅在一個碳和兩個氫原子上有所不同，但在攝入甲醇後，酒精脫氫酶酶將甲醇轉化為甲醛，隨後迅速代謝成甲酸。根據英國公共衛生署的毒理學概述，攝入、吸入和經皮暴露後，甲醇都是有毒的。甲醇中毒的潛在影響範圍包括但不限於中樞神經系統抑制、噁心、失明、昏迷和死亡。
測定威士忌瓶中乙醇的百分比是確保產品正品銷售的必要手段，並且檢查瓶中是否含有甲醇對於確保產品安全食用至關重要。本文詳細介紹了拉曼光譜如何對威士忌樣品進行定量和定性分析。
材料和方法
本研究使用一台配備了785 nm激發雷射和比色皿架的RM5拉曼顯微鏡進行分析。標準溶液使用來自Merck的純乙醇和甲醇，而威士忌樣品則是在當地採購的。為了創建校準曲線，製備了20％、40％、60％、80％和100％乙醇的水溶液，並對每種溶液和樣品採用了相同的測量條件進行拉曼光譜分析：100％激光功率、0.5秒曝光時間、300 gr/mm 光柵、100 µm 狹縫和 2 mm針孔。
圖 2：比色皿架（左），RM5 拉曼顯微鏡（右）
使用 300 gr/mm 光柵進行全譜範圍的快照比較了未添加雜質的威士忌、添加了10%甲醇的威士忌以及甲醇。使用1200 gr/mm 光柵觀察光譜的指紋區域（300 cm-1 至 1800 cm-1），以獲得更高的光譜分辨率。
驗證乙醇含量
在分析化學中，校準曲線（或標準曲線）是一種通過比較未知樣品與一系列已知濃度樣品來確定未知樣品濃度的方法。對於乙醇而言，選擇一個已知峰位於約 880 cm-1 的C-C-O對稱伸縮振動。峰面積將隨乙醇濃度的增加而線性增加，並使用這些數據點可以創建校準曲線，如圖3所示。
圖3：乙醇校準曲線（酒紅色）和威士忌樣品（綠色）
在獲得校準曲線後，使用該曲線的方程式，可以確定威士忌樣品的乙醇含量，並將其繪製在校準曲線上，如圖3所示。兩個威士忌樣品都有其瓶子上註明的乙醇含量，見表1。為了進一步展示拉曼光譜如何定量測定乙醇含量，一份樣品被稀釋到加水後再次進行拉曼光譜測試。預期地，乙醇帶的面積減小，通過校準曲線，可以計算出其乙醇含量為32.6％。
識別威士忌中的甲醇
儘管甲醇和乙醇在化學上如此接近，但它們的拉曼光譜不同，如圖4所示。當使用拉曼光譜檢測甲醇是否存在時，通常使用兩個帶子，分別位於約 1035 cm-1 和約 2845 cm-1 。
圖4：威士忌和10%甲醇添加的威士忌的拉曼光譜圖（插圖為擴展的高波數區域）。
在知道了所關注的峰值後，獲取了威士忌和加入10%甲醇的威士忌樣品的光譜圖，如圖5所示。可以清楚地看到兩個樣品之間存在譜線差異，這可以歸因於甲醇的添加。
圖5：威士忌未加入和加入樣品的標準化拉曼光譜，重點關注兩個感興趣的光譜區域。
圖5中的光譜是使用 300 gr/mm 光柵獲取的，導致 1000 cm-1 至 1200 cm-1 之間的峰合併為一個峰，有兩個肩峰。當麥芬酒樣品中摻入甲醇後，1050 cm-1 左右的峰向 1042 cm-1 偏移，由於 1035 cm-1 的甲醇峰的影響。雖然這表明樣品中含有甲醇，但預期的三個峰無法分辨；這是由於 300 gr/mm 光柵可實現的光譜分辨率水平所致。可以通過使用更高密度的光柵來提高光譜分辨率，在這種情況下使用 1200 gr/mm 光柵。圖6顯示隨著光柵線數的增加，光譜分辨率增加，可以觀察到所有3個峰，提供了甲醇存在的確鑿證據。
圖6：使用1200 gr/mm光柵的乙醇（burgundy）、甲醇（green）、威士忌（orange）和加入甲醇的威士忌（purple）的偏移歸一化拉曼光譜圖。
我們已經展示了拉曼光譜的定性和定量應用。使用拉曼光譜中的帶信息可以輕鬆創建校準曲線，從而定量評估威士忌中的乙醇含量以進行真偽檢測。在定性方面，拉曼的優異化學區分能力被用於識別威士忌樣品中非法存在的甲醇。所有樣品都可以快速分析，使拉曼光譜成為確保威士忌銷售安全合法的理想技術。
文章來源: https://www.novuslight.com/analyzing-whiskey-with-raman-spectroscopy_N12448.html#atop