主题：【分享】应用AOTF-NIR测量白酒的酒精度、总酸、总酯

使用AOTF-NIR光谱仪
测量白酒的酒精度、总酸、总酯

I.  操作摘要

使用Brimrose Luminar 2080型多路转换式光谱仪采集白酒的光谱数据。然后利用酒精度、总酸、总酯%含量的参考数据和光谱数据创建校正模型。所得校正模型的结果很好，显示使用Brimrose光谱仪测量白酒的酒精度、总酸、总酯%含量是可行的。使用一些样品组成验证集。利用校正模型和验证集进行预测，预测的结果证实校正模型能获取很好的结果。



II. 介绍

声光可调滤波器（AOTF）的原理基于光在各向异性介质中的声折射。装置由粘在双折射晶体上的压电导层构成。当导层被应用的射频（RF）信号激发时，在晶体内产生声波。传导中的声波产生折射率的周期性调制。这提供了一个移动的相栅，在特定条件下折射入射光束的部分。对于一个固定的声频，光频的一个窄带满足相匹配条件，被累加折射。RF频率改变，光的带通中心相应改变以维持相匹配条件。

图1.  AOTF的结构
光谱的近红外范围从800nm到2500 nm延伸。在这个区域最突出的吸收谱带归因于中红外区域的基频振动的泛频和合频。是基态到第二激发态或第三激发态的能级跃迁。因为较高能级跃迁连续产生的概率较小，每个泛频的强度连续减弱。由于跃迁的第二或第三激发态所需的能量近似于第一级跃迁所需能量的二倍或三倍，吸收谱带产生在基频波长的一半和三分之一处。触简单的泛频以外，也产生合频。这些通常包括延伸加上一个或多个振动方式的伸缩。大量不同合频是可能的，因而近红外区域复杂，有许多谱带彼此部分叠加。
现在，NIRS被用作定量工具，它依赖化学计量学来发展校正组成的参照分析和近红外光谱的分析的关联。近红外数据的数学处理包括多元线性回归法（MLR）、主成分分析法（PCA）、主成分回归法（PCR）、偏最小二乘法（PLS）和识别分析。所有这些算法可以单独或联合使用来得到有价值组成的定性描述和定量预测。




III. 方法

我们得到了约50瓶不同酒精度、总酸、总酯%含量的白酒样品。以酒精度来分，其中28º样品为8瓶，38º样品为10瓶，45º样品为10瓶，50º样品为10瓶，55º样品为10瓶。使用Brimrose Luminar 2080多路转换式光谱仪采集光谱数据，单一光程透射方式操作。样品倒入专用的流体测样器中，利用仪器进行光谱扫描，每一个样品采集3张光谱。每一张光谱都是200次扫描的平均结果。波长范围从1100nm到2300nm，2nm的分辨率。光谱数据以透射方式采集并处理为一阶微分。使用化学计量学软件程序解译器把光谱数据和参考数据创建为校正模型。验证集从古井贡酒厂化验室的例检样品中选出，利用校正模型对这些验证集样品进行预测。

......

PLS 1回归模型关联白酒的酒精度、总酸、总酯%含量和使用Brimrose Luminar光谱仪采集的光谱数据。酒精度的模型使用了1个主成分，显示酒精度%含量和光谱数据间的极好相关性，光谱数据和参照数据间的关联的相关系数等于0.9995；总酸的模型使用了12个主成分，光谱数据和参照数据间的关联的相关系数等于0.9845；总酯的模型使用了7个主成分，光谱数据和参照数据间的关联的相关系数等于0.9908。。对于有限的研究，这个结果是非常好的。
回归系数指明哪个波长区域包含着用于模型的光谱信息。我们可以清楚地在图7中看到在1400nm左右有比较大的回归系数，也是一阶微分光谱显示的最大变化的波长区。在1400nm的吸收和改变的肯定与酒精度的改变有关系。
同理，可以解释图9和图11。



3. 预测
利用校正模型对验证集样品进行预测，预测值和参照值比较结果显示在下表中。
表1：酒精度预测
样品号    预测值    参考值    残差
38º瓷贡(15/3)    38.64    38.4    +0.24
50º天地(15/3)    50.35    50.4    -0.05
38º5号(15/3)    38.67    38.6    +0.07
5-22      (15/3)    50.62    50.7    -0.08
5-27      (15/3)    50.55    50.7    -0.15

表2：总酸预测
          样品号    预测值    参考值    残差
38º瓷贡(15/3)    0.89    0.74    +0.15
50º天地(15/3)    0.65    0.51    +0.14
38º5号(15/3)    0.65    0.63    +0.02
5-22      (15/3)    0.88    0.71    +0.17
5-27      (15/3)    1.00    1.08    -0.08


表3：总酯预测
          样品号    预测值    参考值    残差
38º瓷贡(15/3)    2.45    2.59    -0.14
50º天地(15/3)    1.10    0.86    +0.24
38º5号(15/3)    0.91    0.79    +0.12
5-22      (15/3)    2.83    2.91    -0.08
5-27      (15/3)    3.49    3.76    -0.27

从上面的数据表分析，预测的结果很好，证实了PLS 1回归模型关联白酒的酒精度、总酸、总酯%含量和使用Brimrose Luminar光谱仪采集的光谱数据的有效性。


V. 结论
通过这次实验，我们可以得出这样的结论，即Bimrose 公司的AOTF-NIR光谱仪利用光谱数据和校正模型确实能够预测白酒的酒精度、总酸、总酯的含量。


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