Спектрограф отличил разные сорта виски без вскрытия бутылки

Физики смогли отличить дорогие сорта виски друг от друга с помощью обратной рамановской спектроскопии с пространственным сдвигом, не открывая бутылки. Исключить влияние стекла на наблюдения ученым удалось с помощью аксиконуса — линзы, придающей лучу лазера кольцеобразную форму. Исследователи продемонстрировали преимущество такого метода над стандартной рамановской спектроскопией с пространственным сдвигом и показали, что с его помощью можно с высокой точностью идентифицировать различные марки дорогих спиртных напитков. Как пишут авторы статьи, опубликованной в журнале Analytical Methods, спектроскопические системы с аксиконусами могут стать простым и дешевым способом проверки подлинности алкоголя.

Комбинационное рассеяние света (оно же рамановское рассеяние, или эффект Рамана) — это эффект изменения частоты падающего на материю света в процессе его неупругого рассеяния. В отличие от упругого рэлеевского рассеяния, в этом явлении происходит обмен энергией между молекулой вещества и падающим на нее квантом света, а величина переданной энергии зависит от молекулярного строения материи. В результате в спектре рассеянного излучения появляются новые спектральные линии, по положению которых можно судить о химическом составе облучаемого вещества. Такой метод химического анализа, изучения состава и строения вещества называется рамановской спектроскопией.

Обычно в рамановских спектрографах пробный луч лазера и рассеянный изучаемым объектом свет перекрываются, то есть для подачи и сбора излучения используется один и тот же участок оптической схемы. Такой способ ведет к высокой эффективности захвата рассеянного света, но в нем неизбежно регистрируются спектры материалов, которые окружают исследуемое вещество или находятся на пути к нему. Чтобы избежать такого эффекта, физики используют метод рамановской спектроскопии с пространственным сдвигом (Spatially offset Raman spectroscopy, она же SORS). В ней фокальные плоскости подаваемого и собираемого излучения немного смещены друг от друга, что уменьшает нежелательный сигнал от побочных материалов, однако с ним падает и интенсивность излучения от изучаемого объекта.

Альтернатива SORS — так называемая обратная (inverse) SORS или iSORS — использует в качестве источника излучения луч лазера кольцеобразной формы. Такой метод позволяет увеличить интенсивность падающего света и частично разграничить области подачи и регистрации излучения. Именно iSORS в своем исследовании использовал Кишан Дхолакия (Kishan Dholakia) из Сент-Эндрюсского университета для определения спектров рамановского рассеяния виски прямо в бутылке. 

Физики использовали аксиконус — линзу, преобразующую падающий на нее прямой луч в кольцо, в фокусе которой формируется луч Бесселя с хорошим сокращением дифракции. В результате на стенки бутылки падал кольцеобразный луч, который фокусировался в точку уже только внутри емкости и возвращался в оптическую схему через неосвещенное лазером стекло. Диафрагма перед спектрометром, в свою очередь, позволяла исключить из наблюдений рассеяние на стекле и изучать спектральные линии рамановского рассеяния луча лазера только на алкоголе.

Чтобы показать эффективность iSORS по сравнению с SORS при анализе химического состава алкоголя в бутылках, ученые проверили и второй метод. Оказалось, что в случае SORS спектральные линии стекла из-за своей высокой интенсивности сильно мешают регистрации спектра, соответствующего этанолу и другим примесям в крепком алкоголе. iSORS же, напротив, позволяла разделить все присущие виски спектральные линии за счет существенно меньшего вклада стекла в измерения.

Чтобы разделить разные сорта крепкого алкоголя, ученые использовали метод главных компонент. Физики показали, что с помощью iSORS друг от друга можно с высокой точностью отделять не только водку, джин, но и даже виски разной выдержки от одного и того же производителя. Это возможно благодаря тому, что в виски присутствуют тысячи различных по химическому составу добавок, отвечающих за вкус, цвет и аромат, а их концентрация как раз сильно зависит от времени выдержки в бочках.

Хоть и в исследовании были задействованы только доступные в продаже крепкие напитки, полученная точность идентификации виски разных марок и годов выдержки дает надежду на то, что рамановскую спектроскопию в будущем можно будет использовать для проверки алкоголя на подлинность без вскрытия бутылки. Более того, по мнению авторов iSORS может оказаться не только эффективнее, но и гораздо дешевле и проще SORS, так что вполне реально использование этой технологии в алкогольной промышленности и в повсеместном тестировании.

Ранее мы уже рассказывали о том, как химики научились опознавать виски по следам на дне стакана. А до этого химики с помощью искусственных «языков» отличили настоящий виски от контрафакта.

Никита Козырев