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实验仪器:英国Edinburgh FLS920P型稳态和时间分辨荧光光谱仪、移液器、酒精计。
实验样品:某酒厂提供的某浓香型年份白酒样品,分别为1999年、2004年、2009年、2011年、2012年生产。乙酸由国家标准物质研究中心提供的分析纯,乙醇为SIGEMA公司购买的分析纯,水为超纯水。
参量设置:激发波长的测量范围为460nm~500nm,步长2nm。发射波长的测量范围为514nm~550nm,步长为2nm,激发和发射狭缝宽度分别设置为5nm,积分时间设置为0.1s。
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使用酒精计测得白酒年份酒样品酒精度为68°,使用乙酸和体积分数为0.68的乙醇水溶液配制成乙酸乙醇水溶液,乙酸的体积分数范围为0.0000~0.005,体积分数间隔为0.0005,共计11个样本作为校正集,编号为1~11,如表 1所示。扫描其3维荧光光谱,使用AFR算法结合留一交互验证法预测乙酸体积分数来检验算法的有效性与校正集的可靠性。
calibration sample volume fraction of acetic acid 1 0.0050 2 0.0045 3 0.0040 4 0.0035 5 0.0030 6 0.0025 7 0.0020 8 0.0015 9 0.0010 10 0.0005 11 0.0000 Table 1. The concentration of calibration
将5个年份的酒样作为预测集,不做任何预处理, 按照年份由高到低编号为1~5。使用FLS920P荧光光谱仪测定上述样本的3维荧光光谱并使用AFR算法预测其乙酸的体积分数。
最后使用标准添加法来验证预测结果的准确性。
2.1. 实验仪器与样品
2.2. 实验方法
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使用AFR算法分解得到乙酸在乙醇水溶液中的激发光谱与发射光谱,如图 1所示。对校正集进行留一交互验证的结果如表 2所示。表中,RMSEP为预测均方根误差(root mean square erroor of prediction)。
Figure 1. The spectra of acetic acid in ethanol aqueous solution obtained by AFR algorithm and experiment
samplenumber the realvolume fraction the predicted volume fraction recoverypercentage/% 1 0.00500 0.00496 99.20 2 0.00450 0.00467 103.78 3 0.00400 0.00405 101.25 4 0.00350 0.00334 95.43 5 0.00300 0.00278 92.67 6 0.00250 0.00254 101.60 7 0.00200 0.00212 106.00 8 0.00150 0.00155 103.33 9 0.00100 0.00099 99.00 10 0.00050 0.00059 118.00 11 0.00000 -0.00009 — RMSEP 0.00162 average recovery percentage 102.03% correlation coefficient 0.9974 Table 2. Analysis of calibration set by using AFR algorithm and leave-one-out cross-validation method
可以看出, 通过AFR算法分解出的乙酸在乙醇水溶液中的荧光激发与发射光谱与实验得到的乙酸在乙醇水溶液中的荧光光谱基本吻合,如图 1所示;同时使用AFR算法对校正集样本进行留一交互验证,预测体积分数与真实体积分数的相关系数为0.9974,预测均方根误差值为0.00162,平均回收率为102.03%,说明AFR算法可以有效地预测乙醇水溶液中乙酸的体积分数,并且配制的校正集是可靠且稳定的。
从上述结果可以看出,使用3维荧光光谱结合AFR算法可以对乙醇水溶液中乙酸的体积分数得到较好的预测结果,也对下一步预测白酒年份酒中乙酸的体积分数提供了技术帮助。
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测定5个不同年份的白酒的3维荧光光谱,样品编号为1~5,将它们做为预测集,11个不同体积分数的乙酸乙醇水溶液作为校正集,再使用AFR算法进行解析,解析出的荧光激发与发射光谱如图 2所示。预测的白酒年份酒中己酸体积分数如表 3所示。
Figure 2. The spectra of acetic acid in Chinese aged liquor obtained by AFR algorithm and in ethanol aqueous solution obtained by experiment
sample number the predicted volume fraction 1 0.00089 2 0.00119 3 0.00186 4 0.00276 5 0.00383 Table 3. The predicted concentration of acetic acid in Chinese aged liquor by using AFR
由图 2可以看出,AFR算法分解出的白酒中乙酸的荧光激发与发射光谱与实验得到的乙酸在乙醇水溶液中的激发与发射光谱基本吻合,AFR算法预测白酒中乙酸的体积分数是可靠的,由表 3中得到预测的体积分数从编号1~5分别为0.00089,0.00119,0.00186,0.00276,0.00383。
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以2009年的样品白酒为例,向其中添加不同体积分数的乙酸,使用FLS920光谱仪测量其3维荧光光谱,将其作为预测集并结合AFR算法进行光谱分解,预测体积分数及回收率见表 4。
sample number the real volume fraction the predictedvolume fraction recovery percentage/% Ⅰ 0.00165 0.00155 93.94 Ⅱ 0.00184 0.00182 98.91 Ⅲ 0.00205 0.00217 105.85 Ⅳ 0.00246 0.00252 102.44 Ⅴ 0.00264 0.00287 108.71 RMSEP 0.00045 average recovery percentage 101.97% correlation coefficient 0.9926 Table 4. Analysis of the predicted set by using AFR
根据表 3得知, 2009年白酒样品中乙酸体积分数为0.00119。向Ⅰ~Ⅴ号样品分别加入不同体积分数的乙酸, 使酒中乙酸体积分数变为0.00165,0.00184,0.00205,0.00246,0.00264,将1~5号样品作为预测集,使用AFR算法进行解析,得到预测体积分数为0.00155,0.00182,0.00217,0.00252,0.00287,得到预测体积分数与真实体积分数的相关系数为0.9926,平均回收率为101.97%,RMSEP为0.00045。同时对其它4个年份酒样本进行标准添加法并使用AFR算法预测体积分数,得到1号、3号、4号、5号年份酒样本的平均回收率分别为103.82%, 103.72%, 102.59%, 102.08%,预测体积分数与真实体积分数的相关系数分别为0.9891, 0.9971, 0.9964, 0.9978。以上结果表明:使用AFR算法预测的白酒年份酒中乙酸体积分数是准确有效的。