白酒拉曼光譜實(shí)驗(yàn)及其交叉物理人才的培養(yǎng)

盧考燕，付正坤，張正龍

(陜西師范大學(xué) 物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710119)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是理工科學(xué)院學(xué)生的基礎(chǔ)必修課之一，是傳授物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想的重要課程. 但是，目前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程面臨學(xué)生機(jī)械性重復(fù)教師演示的實(shí)驗(yàn)步驟，無(wú)法主動(dòng)深入地探索問(wèn)題，限制了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、實(shí)踐動(dòng)手能力、獨(dú)立思考能力、創(chuàng)新能力以及科學(xué)思維方式的培養(yǎng)[1-2]. 為了實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維和創(chuàng)新意識(shí)的教學(xué)目標(biāo)，陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院提出了跨學(xué)科X-物理人才培養(yǎng)體系，構(gòu)建交叉學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并開(kāi)展X-物理交叉實(shí)驗(yàn)課程[3]，打破了重理論、輕實(shí)踐、啟發(fā)性差的傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式. 該課程鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)更多跨專業(yè)知識(shí)并自主運(yùn)用物理學(xué)科的研究理論和方法開(kāi)展問(wèn)題探究，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維和綜合實(shí)踐能力[3].

近年來(lái)，我國(guó)十分注重傳統(tǒng)優(yōu)秀文化的傳承和發(fā)展. 酒文化作為我國(guó)傳統(tǒng)文化的代表之一，具有悠久歷史和重要地位，例如，兩千多年前就已經(jīng)有了關(guān)于溫酒的記載. 作為常見(jiàn)的日常消費(fèi)品，不同品類的白酒在釀造過(guò)程中會(huì)采用不同的原材料、工藝和流程，但都無(wú)法避免發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生甲醇. 溫酒是飲用前的最后一道工序，可以有效減少酒中甲醇等有害物質(zhì)對(duì)人體的傷害. 溫酒過(guò)程中水浴溫度、溫酒時(shí)間、溫酒器材質(zhì)等都會(huì)影響溫酒效果. 因此，利用現(xiàn)代技術(shù)對(duì)溫酒效果進(jìn)行量化和比較，更有利于溫酒工藝的優(yōu)化和文化的傳承. 目前，對(duì)酒中甲醇的測(cè)定方法主要有比色法、氣相色譜法、高效液相色譜法、酶電極法、激光拉曼光譜法、傅里葉變換紅外光譜法等[4]. 其中，激光拉曼光譜技術(shù)具有無(wú)損、非接觸、快速、操作簡(jiǎn)單等檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，可用于液體樣品的檢測(cè)和分析[5-6].

本實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量不同甲醇含量和不同溫酒過(guò)程下白酒樣品的拉曼光譜，通過(guò)光譜分析，選取甲醇和乙醇的標(biāo)定峰來(lái)研究甲醇拉曼峰與乙醇拉曼峰的相對(duì)強(qiáng)度比與甲醇含量的關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步探究溫酒過(guò)程中酒中甲醇含量的變化. 實(shí)驗(yàn)涉及到基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與探究. 基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)部分包括拉曼散射基本原理與應(yīng)用和顯微共聚焦拉曼光譜儀工作原理與操作方法，可以幫助學(xué)生鞏固相關(guān)的光學(xué)理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作技能. 實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與探究部分主要針對(duì)溫酒溫度和時(shí)間等因素設(shè)計(jì)不同的溫酒實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過(guò)樣品制備與光譜檢測(cè)、數(shù)據(jù)整合與分析、實(shí)驗(yàn)總結(jié)與討論，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)拉曼光譜的理解，發(fā)揮學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和邏輯分析能力.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣品制備

配置不同甲醇含量的白酒溶液. 選取甲醇(純度為99.5 %)和白酒(酒精度為45 %)作為實(shí)驗(yàn)樣品. 選用容量為5 mL的樣品管，將甲醇和白酒按體積比1∶9，1∶4，3∶7，2∶3，1∶1，3∶2混合，配制出甲醇體積分?jǐn)?shù)為10%，20%，30%，40%，50%，60%的白酒樣品，分別用直徑為0.5 mm的點(diǎn)樣毛細(xì)管取樣密封保存，用于拉曼光譜的測(cè)量.

制備溫酒實(shí)驗(yàn)所需的白酒樣品：將甲醇體積分?jǐn)?shù)為20%的白酒樣品注滿樣品管(容量5 mL)并放置于水浴鍋中，在30,35,40,45 ℃下水浴加熱20 min，并從加熱3 min開(kāi)始每隔2 min用直徑為0.5 mm的點(diǎn)樣毛細(xì)管取樣密封保存，用于測(cè)量溫酒處理后的樣品拉曼光譜.

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)采用顯微共聚焦激光拉曼光譜儀(LabRam HR evolution Raman system)，拉曼光譜測(cè)量的光路示意圖如圖1所示. 實(shí)驗(yàn)選擇波長(zhǎng)為532 nm、功率為22 mW的激光為激發(fā)光源，光譜的采集范圍設(shè)置為100～3 500 cm-1. 數(shù)據(jù)采集過(guò)程為：首先在10×(RNA=0.25)物鏡下用白光通過(guò)共聚焦顯微鏡聚焦到點(diǎn)樣毛細(xì)管中樣品的凹液面處，隨后在50×(RNA=0.5)的物鏡下進(jìn)行激光激發(fā). 樣品與激發(fā)光相互作用后產(chǎn)生的拉曼散射光譜經(jīng)過(guò)物鏡后由光譜儀及CCD探測(cè)器進(jìn)行采集處理. 在計(jì)算機(jī)中輸出樣品拉曼光譜數(shù)據(jù)，繪制樣品的拉曼光譜圖.

圖1 拉曼光譜測(cè)量光路示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 白酒樣品中甲醇和乙醇拉曼峰的標(biāo)定

甲醇的拉曼光譜有4個(gè)能夠明顯識(shí)別的特征峰. 如圖2(a)所示，4個(gè)拉曼特征峰為1 035.5，1 452.8，2 835.8和2 946.3 cm-1，分別對(duì)應(yīng)C—O的伸縮振動(dòng)、CH3的反對(duì)稱形變振動(dòng)、C—H的對(duì)稱伸縮振動(dòng)和C—H的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)[7].

(a)甲醇

乙醇的拉曼光譜有8個(gè)明顯的特征峰. 如圖2(b)所示，8個(gè)拉曼特征峰為883.8，1 050.3，1 096.4，1 276.5，1 456.0，2 880.7，2 929.3，2 973.6 cm-1，分別對(duì)應(yīng)于 C—C—O的對(duì)稱伸縮振動(dòng)、C—O伸縮振動(dòng)、C—C—O的剪式搖擺振動(dòng)、CH2形變、CH3的反對(duì)稱形變振動(dòng)、CH3的對(duì)稱伸縮振動(dòng)、CH2的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)和CH3反對(duì)稱伸縮振動(dòng)[7-8].

對(duì)比甲醇和乙醇的拉曼光譜發(fā)現(xiàn)，在光譜中甲醇和乙醇分子均存在由CH3的反對(duì)稱形變和C—O的伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的拉曼峰，且峰位非常接近，其中CH3的反對(duì)稱形變產(chǎn)生的拉曼峰的位置基本重合，故CH3的反對(duì)稱形變振動(dòng)和C—O的伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的拉曼峰不能作為甲醇或乙醇的標(biāo)定峰. 883.8，1 096.4，1 276.5 cm-1的3個(gè)乙醇拉曼峰的峰位附近無(wú)甲醇拉曼峰的干擾，但相對(duì)883.8 cm-1處的峰強(qiáng)，1 096.4和1 276.5 cm-1處的峰強(qiáng)很弱. 因此，從實(shí)驗(yàn)角度出發(fā)，可選擇峰883.8 cm-1作為光譜中乙醇的標(biāo)定峰. 此外，在2 800～3 000 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)，甲醇拉曼峰2 835.8和2 946.3 cm-1與乙醇拉曼峰分布較為集中，因此直接對(duì)比甲醇和乙醇的拉曼光譜無(wú)法確定甲醇的標(biāo)定峰，需要進(jìn)一步對(duì)甲醇和乙醇的混合樣品進(jìn)行拉曼光譜測(cè)量.

圖3為不同甲醇含量下白酒樣品的拉曼光譜圖，其中拉曼峰的強(qiáng)度隨著甲醇含量的增加而變化. 白酒的最高成分是乙醇和水，因此未添加甲醇的白酒樣品的拉曼光譜表現(xiàn)出了乙醇的拉曼光譜的特征. 從圖3(a)可以看出，在混合液中，甲醇峰1 035.5 cm-1與乙醇峰1 050.3 cm-1在光譜中相互疊加. 隨著甲醇含量增加，883.8，1 096.4，1 276.5 cm-1的3個(gè)乙醇峰的峰強(qiáng)會(huì)逐漸減弱，但1 096.4和1 276.5 cm-1的2個(gè)乙醇峰在光譜中的強(qiáng)度小，變化不明顯. 如圖3(b)所示，甲醇峰2 835.8 cm-1的強(qiáng)度隨著甲醇含量的增加而逐漸增強(qiáng)，2 880.7,2 929.3和2 973.6 cm-1的3個(gè)乙醇拉曼峰隨著甲醇含量的增加而逐漸退化成甲醇峰2 946.3 cm-1. 因此，在本實(shí)驗(yàn)區(qū)分白酒樣品拉曼光譜中的甲醇和乙醇，可選擇甲醇的C—H對(duì)稱伸縮振動(dòng)特征峰2 835.8 cm-1和乙醇的C—C—O面內(nèi)伸縮振動(dòng)峰883.8 cm-1作為標(biāo)定峰，用于研究甲醇、乙醇拉曼峰相對(duì)強(qiáng)度比與甲醇含量之間的關(guān)聯(lián).

(a)750～1 550 cm-1波數(shù)段區(qū)間

2.2 相對(duì)強(qiáng)度比與甲醇含量的關(guān)系

為了研究甲醇和乙醇拉曼峰相對(duì)強(qiáng)度比與甲醇含量之間的關(guān)聯(lián)，計(jì)算了甲醇的2 835.8 cm-1特征峰強(qiáng)度I1和乙醇的883.8 cm-1特征峰強(qiáng)度I2的比值β=I1/I2. 從圖4中可以看出β的變化與甲醇含量呈良好的線性關(guān)系. 因此甲醇峰強(qiáng)度與乙醇峰強(qiáng)度的比值可作為分析白酒中甲醇含量的依據(jù)，本實(shí)驗(yàn)可根據(jù)甲醇峰(835.8cm-1)與乙醇峰(883.8 cm-1)的相對(duì)強(qiáng)度比的數(shù)值變化探究溫酒對(duì)酒中甲醇含量的影響規(guī)律.

圖4 特征峰相對(duì)強(qiáng)度比和甲醇體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系圖

2.3 溫酒對(duì)酒中甲醇含量的影響

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了含有甲醇的白酒樣品在30,35,40,45 ℃下溫酒處理3～19 min后的拉曼光譜，并計(jì)算光譜中甲醇的2 835.8 cm-1特征峰和乙醇的883.8 cm-1特征峰相對(duì)強(qiáng)度比，進(jìn)而分析溫酒過(guò)程中酒中甲醇含量的變化. 圖5所示為白酒樣品拉曼光譜的甲醇、乙醇峰相對(duì)強(qiáng)度比β在30,35,40,45 ℃的溫酒過(guò)程中的變化，可以看出隨著溫酒溫度的升高，β逐漸減小. 由于樣品中甲醇的揮發(fā)量大于乙醇的揮發(fā)量，溫酒過(guò)程中酒中甲醇的含量逐步降低. 對(duì)于溫酒時(shí)間相同的情況下，在上述的幾個(gè)溫度中,β的減小量隨著溫度的上升而增大. 由此可以得出，在一定的溫度范圍內(nèi)溫酒，酒中的甲醇含量將會(huì)持續(xù)減少. 經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，白酒樣品在45 ℃溫酒19 min后，其甲醇含量降低了14%.

圖5 溫酒過(guò)程中特征峰相對(duì)強(qiáng)度比的變化圖

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

跨學(xué)科-X物理人才培養(yǎng)體系的建設(shè)分為理論課程建設(shè)和實(shí)踐環(huán)節(jié)建設(shè). 實(shí)踐環(huán)節(jié)建設(shè)包括基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程、近代物理實(shí)驗(yàn)課程、交叉實(shí)驗(yàn)課程、多學(xué)科研究型實(shí)驗(yàn)課程[9]. 旨在結(jié)合學(xué)院的科研方向培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)技能，鍛煉學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，激勵(lì)學(xué)生結(jié)合物理學(xué)科的理論和方法開(kāi)展開(kāi)放性科研訓(xùn)練. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以分成演示實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)等模塊[10-11]. 本實(shí)驗(yàn)以拉曼光譜實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，分別將甲醇和乙醇拉曼光譜測(cè)量、白酒中甲醇含量的定量測(cè)量分析、溫酒對(duì)白酒中甲醇含量的影響設(shè)為演示實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容.

3.1 通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)鞏固基礎(chǔ)知識(shí)

在演示實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，教師通過(guò)演示甲醇和乙醇拉曼光譜的測(cè)量過(guò)程，講解顯微共聚焦拉曼光譜儀工作原理和操作方法. 學(xué)生根據(jù)教師演示的操作步驟，動(dòng)手操作儀器，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并根據(jù)甲醇和乙醇的拉曼光譜，理解拉曼特征峰的產(chǎn)生原理，總結(jié)儀器的設(shè)置參量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響. 該環(huán)節(jié)通過(guò)教師演示和學(xué)生講解實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使學(xué)生掌握拉曼光譜儀原理和使用方法，幫助學(xué)生鞏固拉曼散射基礎(chǔ)理論知識(shí).

3.2 通過(guò)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)基本實(shí)驗(yàn)技能

根據(jù)設(shè)置的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師講解拉曼光譜檢測(cè)白酒中甲醇含量的實(shí)驗(yàn)步驟. 學(xué)生以小組合作的方式根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開(kāi)展基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，完成樣品配置、樣品檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果討論的實(shí)驗(yàn)任務(wù). 教師在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中主要起到指導(dǎo)作用. 各學(xué)生小組獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，從數(shù)據(jù)中找出白酒中甲醇和乙醇的標(biāo)定峰，總結(jié)甲醇特征峰和乙醇特征峰與甲醇含量之間的變化規(guī)律. 該環(huán)節(jié)可以讓學(xué)生了解現(xiàn)代物理的實(shí)驗(yàn)方法，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、數(shù)據(jù)分析能力和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能.

3.3 綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)提高綜合研究能力

從溫酒工藝和溫酒效果量化切入，引導(dǎo)學(xué)生探討溫酒對(duì)酒中甲醇含量的影響因素. 各小組根據(jù)教師提出的問(wèn)題展開(kāi)討論，得出溫酒效果與水浴溫度、溫酒時(shí)間、溫酒器口徑等因素有關(guān). 學(xué)生小組分別針對(duì)其中1個(gè)因素，根據(jù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)得出的規(guī)律和實(shí)驗(yàn)條件獨(dú)立設(shè)計(jì)完整的實(shí)驗(yàn)方案. 最后各小組之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享整合，分析溫酒對(duì)白酒中甲醇含量的影響，討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果在溫酒器設(shè)計(jì)等方面的應(yīng)用. 該環(huán)節(jié)鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揮主觀能動(dòng)性，運(yùn)用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)學(xué)到的理論和實(shí)驗(yàn)技能，開(kāi)展開(kāi)放性科研訓(xùn)練. 通過(guò)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生拓展基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合物理規(guī)律和實(shí)際應(yīng)用來(lái)發(fā)現(xiàn)、解決和分析問(wèn)題，全面提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力.

4 結(jié)束語(yǔ)

利用激光拉曼光譜技術(shù)對(duì)不同甲醇含量的白酒樣品進(jìn)行光譜測(cè)量，發(fā)現(xiàn)光譜中甲醇特征峰2 835.8 cm-1和乙醇特征峰883.8 cm-1之間的相對(duì)強(qiáng)度比可用于分析樣品中甲醇含量的變化. 在溫酒實(shí)驗(yàn)中，甲醇峰2 835.8 cm-1和乙醇峰883.8 cm-1的強(qiáng)度隨著溫度和時(shí)間發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)相對(duì)強(qiáng)度比分析，發(fā)現(xiàn)溫酒可以降低酒中的甲醇含量. 本實(shí)驗(yàn)的樣品制備過(guò)程與光譜測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單，易于學(xué)生動(dòng)手操作. 學(xué)生可根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，針對(duì)溫度、時(shí)間、溫酒器口徑等變量配制實(shí)驗(yàn)所需的溫酒樣品，探究溫酒對(duì)酒中甲醇含量的影響，并且通過(guò)數(shù)據(jù)的共享和整合，討論分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果在溫酒器設(shè)計(jì)等方面的應(yīng)用價(jià)值. 通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的自主創(chuàng)新和探究，加深學(xué)生對(duì)拉曼光譜的理解，鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)技能，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和邏輯分析能力. 綜合運(yùn)用現(xiàn)代智能科技和信息技術(shù)平臺(tái)，開(kāi)展多層次、多方位、高效靈活的交叉物理人才培養(yǎng)模式探究.