白酒的质量控制包括乙醇含量的控制。2023年，吉林大学吴玉清教授等制备了对苯二胺的红色发射碳量子点（PPD-CQDs），将其用于白酒中乙醇的精确测定。PPD-CQDs对乙醇水溶液（Ethanol-Water solution, E-Ws; 20-80 vol%）具有良好的线性响应。在实际应用中具有测定乙醇含量的潜力。然而，将此方法进一步应用于白酒，会产生一定的偏差。在排除了大多数相关成分的干扰后，对白酒进行了简单的pH校正，使该工艺的应用变得可行。PPD-CQDs的红光发射支持了不同风味白酒的分析和乙醇浓度的监测。为此，建立了快速响应荧光法测定白酒乙醇含量的方法，这种方法可以应用于许多品种的中国白酒，未来也有可能用于其他酒精饮料。相关成果于2023年以Accurate ethanol determination in Chinese
Baijiu based on red-emitted carbon quantum dots (CQDs) and a simple pH
correction为题发表在Food Chemistry (IF = 8.5)上，第一作者为吉林大学的Duan, Xin-He。1. 背景
中国白酒，是一种著名的蒸馏酒，有2000多年的生产历史。在中国，白酒生产是最繁荣的产业之一，年产量约为500万升。它是中国消费最广泛的饮料之一，具有重要的商业价值。白酒基本上是由乙醇和水以及提供不同风味的化学成分组成的。酒精含量，即乙醇的体积百分比，不仅是地方和进出口税的法律依据，也是行业标准和质量控制的依据。特别是，在合格的白酒中，所标示的乙醇含量必须非常准确，酒精含量高会对人体有害，而酒精含量低会降低白酒的质量，进一步影响厂家的商业信誉。因此，白酒中乙醇含量的检测具有十分重要的意义。此外，随着全球酒精饮料消费量的快速增长，基于乙醇定量的食品安全变得越来越重要。应该努力开发一种有效的方法来保证白酒的质量，并避免假冒。已开发的蒸馏酒精测定技术包括蒸馏、酒精密度测定法和分光光度法，但耗时的过程和样本量大限制了它们在在线检测中的应用。早期基于荧光的酒精检测利用荧光染料，如尼罗蓝、卟啉和席夫碱。使用含有荧光分子的纳米纤维聚合物检测酒精饮料中的乙醇，具有更高的响应性，但准确性较低。除了荧光染料外，发光材料如CdS量子点（QDs）后来被用于构建酒精检测的灵敏气体传感器。然而，上述研究大多停留在酒精的检测上，需要对荧光法进行改进，以准确测定白酒中的乙醇含量。研究人员尝试使用多种原材料和方法合成不同发射的CQDs。然而，在紫外光的激发下，CQDs的发射波长大多位于蓝色或绿色区域，容易与酒精饮料中某些成分的强发射重叠，从而导致结果不准确。因此，开发一种可以消除白酒中本征荧光的干扰，具有准确测定白酒中乙醇含量的CQDs是有必要的。2. CQDs的表征
通过TEM图像（图1）测量了合成CQDs的形貌和尺寸，他们分散为均匀的球体状。经统计分析，MPD-CQDs的平均尺寸为1.64 nm，OPD-CQDs的平均尺寸为1.65 nm，PPD-CQDs的平均尺寸为2.04 nm。它们之间接近的粒径表明，粒径不是决定发射颜色的主要因素。接着用紫外-可见吸收光谱和荧光光谱验证了它们的光学性质。所有CQDs的紫外吸收峰都显示在200到300 nm之间，对应于C=C和C=N键的π-π*跃迁。此外，PPD-CQDs和OPD-CQDs在400 ~ 600 nm之间有较宽的吸收，这与C=N或C=O的n-π*跃迁相对应。此外，当激发波长在400 ~ 460 nm之间时，MPD-CQDs和OPD-CQDs的发射光谱在510 ~ 540 nm之间表现出微弱的激发依赖性。然而，PPD-CQDs在400和520 nm之间的激发下表现出恒定的红色发射，在610 nm处最大，且不依赖于激发（图1）。激发依赖性荧光通常归因于CQDs不同发射位点的不同光子吸收机制，而PPD-CQDs的激发无关发光是由于表面均匀缺陷的发射。因此，PPD-CQDs的恒定红色发射本质上可能源于表面恒定的化学基团，与MPD-CQDs的绿色发射和OPD-CQDs的黄色发射有着本质的不同。利用FT-IR和X射线光电子能谱（XPS）（图2）来探索MPD-、OPD-和PPD-CQDs之间的表面化学差异。首先，FTIR光谱中N-H（~3129 cm-1)、C-N=（1402 cm-1）和COO-（1386 cm-1）拉伸振动的特征峰出现在每个CQDs与各自前驱体的对比中（图2A）。它们的出现表明，在CQDs形成过程中发生了原料的分子间环化和/或缩合反应，表明芳香结构和/或含O/N基团在CQDs表面共轭。值得注意的是，O-H（3328 cm-1）、C=N（1635 cm-1）、C=C（1601 cm-1）和C-N（1515 cm-1）的波段在PPD-CQDs中保持，但在OPD-CQDs和MPD-CQDs中几乎消失。PPD-CQDs的大部分峰表明其表面化学基团更丰富。特别是，PPD-CQDs中C-N（1515 cm-1）的含量明显高于OPD-CQDs和MPD-CQDs，这表明N含量可能是维持PPD-CQDs红色发射的关键，但它们在OPD-CQDs和MPD-CQDs中几乎消失。此外，XPS能谱表明，这3种CQDs都含有C、N和O，但它们的比例不同。如图2B-D所示，3个CQDs的碳含量相近（~ 66-70%），但N和O含量差异较大，其中PPD-CQDs的氮含量最高。OPD-CQDs和PPD-CQDs的C1s高分辨率XPS能谱可分为289.0、286.0、285.2、284.5 eV四个峰，分别归属于C=N、C-O、C-N或C-C/C=C。然而，MPD-CQDs的C1s谱拟合显示只有286.0、285.2和284.5 eV的三个峰，分别属于C-O、C-N或C-C/C=C键。值得注意的是，PPD-CQDs中C-N的高含量是显而易见的，这表明PPD-CQDs的红色发射与氨基N直接相关。O1s的高分辨率XPS能谱可以拟合成533.2、532.7和532.2 eV的三个峰，来自O-H、C-O-C和C=O键。此外，N1s能谱分为三部分，分别为吡啶N（~400.5 eV）、氨基N（~399.2 eV）和吡啶N（~398.7 eV）。在399.2 eV下增加氨基氮的含量是影响红色荧光发射的原因。文章认为以氨基氮为主的表面态有利于PPD-CQDs的红色发射。![]()
Fig. 1.
Characterization of CQDs. (A-C) TEM images and particle size distribution
histogram (insert), (D-F) UV–vis absorption
spectra, and (G-I) fluorescence spectra of MPD-CQDs, OPD-CQDs and PPD-CQDs in
water, respectively.
图1. CQDs的表征。(A-C) 水中MPD-CQDs、OPD-CQDs和PPD-CQDs的TEM图像和粒径分布直方图， (D-F) 紫外-可见吸收光谱，(G-I) 荧光光谱。
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Fig. 2. (A) FT-IR
spectra of MPD-CQDs, OPD-CQDs, PPD-CQDs, and XPS spectra of (B) MPD-CQDs, (C)
OPD-CQDs and (D) PPD-CQDs.
图2. (A) MPD-CQDs、OPD-CQDs、PPD-CQDs的FT-IR光谱，以及(B) MPD-CQDs、(C) OPD-CQDs和(D) PPD-CQDs的XPS能谱。
3. CQDs对乙醇的荧光响应
测定了CQDs对不同浓度乙醇的荧光响应。如图所示，CQDs的发射强度随着乙醇浓度的增加而增加（图3A-C）。同时，这三种CQDs在乙醇中的最大增强幅度不同，MPD-CQDs为1.85倍，OPD-CQDs为9.19倍，PPD-CQDs为12.97倍。利用主峰强度建立CQDs荧光强度与乙醇浓度之间的关系，从而确定其工作范围。图3D显示，MPD-CQDs的荧光强度随乙醇浓度的增加而微弱增加，在10-40 vol%范围内呈现线性响应（R2 = 0.9990）。同时，还研究了OPD-CQDs的发射强度与乙醇浓度（0 ~ 100%）之间的关系，其中乙醇在20 ~ 60 vol%的较宽范围内建立了线性响应（R2 = 0.9960）。然而，对于PPD-CQDs，在0-100 vol%范围内，随着乙醇缩聚，荧光急剧增加。通过趋势发现在20%的地方出现了转折。因此，首先在20-100 vol%范围内进行曲线拟合分析。然而，相对较差的回归线（R2 = 0.9889）促使研究者进一步改进。考虑到白酒的乙醇含量不能超过80 vol%，为了在实际中获得更准确的测定，文章将测定范围限定在20-80 vol%。由于PPD-CQDs在610 nm处的红光发射、对乙醇浓度的线性响应较宽以及对乙醇的响应斜率比其他两种CQDs更陡，因此在实际应用中选择PPD-CQDs来测定乙醇含量。结合紫外-可见吸收（图1D-F）、荧光光谱（图3）和荧光寿命揭示了三种CQDs对乙醇的响应机理。如图1D-F所示，从纯水到乙醇，MPD-CQDs发生了从288 nm到292 nm的小红移，OPD-CQDs发生了从451 nm到423 nm的大蓝移，PPD-CQDs发生了从506 nm到500 nm的小蓝移，表明乙醇改变了CQDs的n-π*或π-π*跃迁。此外，在图3中，CQDs的发射峰随着乙醇浓度的增加发生蓝移，这可能是由于溶剂极性降低所致。此外，还记录了MPD-CQDs、OPD-CQDs和PPD-CQDs在H2O和乙醇中的光致发光衰减曲线。MPD-CQDs的荧光寿命从6.97 ns轻微变化到6.40 ns，而OPD-CQDs的荧光寿命从1.99 ns变化到4.21 ns，PPD-CQDs的荧光寿命从2.02 ns变化到5.91 ns。这些数据表明，CQDs的荧光寿命不是由溶剂极性决定的，而表面-NH2和乙醇之间的氢键可能在溶剂化过程中起着至关重要的关键作用。因此，这些CQDs对乙醇的荧光响应可以解释为随着乙醇含量的增加，CQDs与乙醇之间的氢键成为主导。CQDs通过氢键与溶剂相互作用，由于水的极性最高，氢键会逐渐减弱。这可能导致电子云的重新分配，从而影响n-π*或π-π*的共轭度，进而提高相关能级。此外，根据三种CQDs在乙醇中的增强效率不同，推测较高的氨基含量容易形成更多的氢键，从而影响n-π*或π-π*的共轭度，导致更广泛的增强。![]()
Fig. 3.
Fluorescence spectra of the (A) MPD-CQDs, (B) OPD-CQDs, and (C) PPD-CQDs in
response to different concentrations of ethanol. (D) Relationships between the
ratio of fluorescence intensity (F/F0) and the ethanol concentrations for
MPD-CQDs, OPD-CQDs, and PPD-CQDs.
图3. (A) MPD-CQDs、(B) OPD-CQDs和(C) PPD-CQDs对不同浓度乙醇的荧光光谱响应。(D) MPD-CQDs、OPD-CQDs和PPD-CQDs的荧光强度比值（F/F0）与乙醇浓度的关系。
4. PPD-CQDs荧光测定白酒中乙醇含量
考虑到PPD-CQDs合成过程绿色、发射红光、对乙醇的线性响应高灵敏度和吸引力等优点，开发了一种新型荧光探针，用于检测E-Ws中的乙醇含量，为进一步检测白酒等真实白酒中的乙醇度奠定了基础。首先，测量含有53 vol%乙醇的清香型白酒，以及用水稀释或用无水乙醇的荧光强度，作为对PPD-CQDs的代表性响应（图4A）。然后，比较不同浓度白酒对PPD-CQDs荧光强度比（F/F0）与scE-Ws（same concentration
of E-W solution, scE-Ws, 20-80 vol%，图4B）的荧光强度。其中，F0和F分别表示PPD-CQDs在水中和不同乙醇浓度下的荧光强度。然后，对乙醇含量分别为42%和65.8%的其他清香型白酒进行相同的处理。在图4B中，随着乙醇浓度的增加，F/F0在整个测试范围内呈增加趋势。同时，与E-Ws模型相似，在不同乙醇含量下，PPD-CQDs对真实白酒存在线性响应。scE-Ws与所选白酒之间存在较大的强度差距。所选白酒的斜率明显低于scE-Ws （0.13）。因此，PPD-CQDs荧光探针不能直接用于检测真实白酒中的乙醇含量。需要发现干扰因素，并进行相应的校正。有机酸是白酒中最重要的物质，其种类和水平与白酒发酵过程和微生物类型密切相关。在白酒中，总酸主要由乳酸、苹果酸、乙酸、正辛酸、丙酸、己酸、庚酸和柠檬酸组成。在接下来的实验中，测试了它们对PPD-CQDs反应的影响。结果表明，它们都可以淬灭PPD-CQDs的荧光强度。这表明白酒中这些酸可能是PPD-CQDs猝灭响应的来源。因此，通过改变体系的pH值来测试pH值对乙醇中PPD-CQDs发射响应的影响，结果表明，PPD-CQDs的荧光响应显著增强但随pH值呈非线性增加。这是由于PPD-CQDs表面的胺基在酸性环境中更容易质子化，这反过来又导致PPD-CQDs聚集。同时，随着pH的降低，胺（-NH2）在表面状态的质子化会抑制PPD-CQDs与乙醇的络合，从而引起轻微的蓝移和荧光猝灭，如图5a所示。此外，研究发现不同浓度的E-Ws和白酒都是酸性的。而白酒的pH值明显低于scE-Ws。因此，酸度是白酒中PPD-CQDs荧光猝灭的直接原因。因此，应对白酒的pH值进行校正，以消除其对白酒中乙醇含量测定的干扰。从图4C-F中可以看出，在NaOH滴定后，各白酒中PPD-CQDs的荧光强度逐渐增加，最终趋近scE-Ws的荧光强度。特别是，从图4G可以看出，当NaOH浓度大于10 mM时，PPD-CQDs的荧光强度不随NaOH加入量的增加而变化。这些现象表明，在所制备的PPD-CQDs中，加入一定量的NaOH来补偿白酒中相对较低的pH值，可以用于检测白酒中乙醇含量。因此，检测白酒中乙醇含量的方法如下：在1 mL白酒中加入10 μL NaOH（1.0 M），滴入10 μL PPD-CQDs，立即测定其主峰处的发射强度。据此，可以根据图4H所示的线型图计算白酒中的乙醇含量。因此，建立了一套快速、简便的白酒乙醇检测方案，可方便地用于实验室、市场或在线产品检测。该方法的主要优点是检测速度快，预处理简单，设备便宜，检测系统简单，可以直接显示荧光信号和乙醇浓度。特别是PPD-CQDs的红光发射可以排除白酒中其他成分和E-Ws本身的荧光干扰，保证白酒中乙醇含量测定的准确性。![]()
Fig. 4.
Fluorescence spectra of the (A) PPD-CQDs upon dilution and concentration of 53%
Baijiu. (B) The fluorescence intensity ratios (F/F0) of PPD-CQDs
responding to different concentrations of ethanol in E-Ws (0–100%; red) and in
real Baijiu (yellow, green and blue). (C-F) Fluorescence spectra of PPD-CQDs
responding to NaOH concentrations in four different kinds of Light aroma
Baijiu. (G) Diagrams of the changes in PPD-CQDs fluorescence intensity with
NaOH concentration in four representative Light aroma Baijiu samples. (H) A
linear relationship between the F/F0 of PPD-CQDs and the ethanol
concentration in EWs, which will be used as a working plot to evaluate the
ethanol contents in Baijiu.
图4. (A) PPD-CQDs在53%白酒稀释和浓度下的荧光光谱。(B) E-Ws中不同浓度乙醇对PPD-CQDs的荧光强度比值（F/F0）（0 ~ 100%；红色）和真正的白酒（黄色、绿色和蓝色）。(C-F) 4种清香型白酒中PPD-CQDs对NaOH浓度响应的荧光光谱。(G) 4种代表性清香型白酒样品PPD-CQDs荧光强度随NaOH浓度的变化示意图。(H) PPD-CQDs的F/F0与E-Ws中乙醇浓度呈线性关系，可作为评价白酒中乙醇含量的线型图。
5. 白酒中乙醇含量的测定。
在实际传感应用中，只需在1 mL白酒中加入10 μL NaOH（1.0 M）进行pH校正，就可以用PPD-CQDs作为荧光探针对真实白酒样品进行乙醇定量。Scheme 1展示了实验室和实际乙醇定量的过程。首先，采用PPD-CQDs荧光探针，以国内超市购买的乙醇含量分别为39.9、42、52、53、56和65.8 vol%的9种淡香型白酒为代表，对白酒的乙醇含量进行了评价。准确率在95.0% ~ 100.7%之间，5次重复计算的RSD均小于1.5%，表明所设计的方法可用于淡香型商品白酒中乙醇含量的检测。在中国白酒中，清香型比浓香型和酱香型口味相对清淡，添加剂含量较少。因此，与其他白酒相比，乙醇的检测相对简单和容易。为了验证所开发方法的生物重复性，还测试了白酒样品的浓香气和酱香气以及其他香气。由表1可知，白酒中烈性、酱性和其他香气的回收率在93.0 ~ 102.8%之间，相应的RSD（n = 5）在0.4 ~ 1.7%之间，表明该方法可用于白酒中各种香气类型中乙醇含量的测定。同时，对每个白酒样品的初始pH值和校正后的pH值进行了测试。如表1所示，加入10 μL 1.0 M NaOH进行pH校正后，所有白酒样品的pH值基本都在5.0 ~ 6.2之间。虽然它们对白酒初始pH值的依赖性很强，但它们与E-Ws的接近，确实验证了pH校正对白酒中乙醇准确测定的巨大贡献。遗憾的是，另一种酱香型白酒（茅台迎宾和贵州迎宾）的乙醇评价体系可信度相对较低，这可能与酱香白酒中糠醛和缩醛含量较高有关，因为糠醛和缩醛对PPD-CQDs荧光确实表现出一定的猝灭作用。因此，有必要进一步研究消除醛类化合物对酱香型白酒中乙醇检测的影响的策略。最后，利用PPD-CQDs对从在线蒸馏产品中随意采集的白酒样品进行测试。值得注意的是，除pH校正外，未对样品进行其他预处理，测定乙醇含量后用HPLC平行验证。高回收率（98.8% ~ 101.8%）和低RSD（RSD < 1.7%）验证了PPD-CQDs在简单pH校正后在线检测乙醇含量的稳定性。Table 1 The ethanol content
(vol%) in different degrees of Baijiu samples collected from the market using
PPD-CQDs as fluorescent probes.
表1.以PPD-CQDs作为荧光探针，对市场上不同程度白酒样品的乙醇含量（vol%）进行测定。
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5. 总结
综上所述，所建立并验证的方法基于回收的PPD-CQDs和简单的pH校正，可以快速准确地测定白酒中的乙醇含量。PPD-CQDs可以根据乙醇在20-80 vol%范围内的线性响应来测定E-Ws中的乙醇。然而，在实际白酒中，即使在相同的乙醇浓度下，由于相对于E-Ws的pH值相对较低，得到的结果与实际白酒的结果存在偏差。然而，这种偏差可以在使用NaOH溶液进行简单的pH校正后恢复到正确的位置。因此，PPD-CQDs可以准确测定实际白酒中的乙醇含量。特别是PPD-CQDs的红光发射消除了白酒中常出现在550 nm以下光谱范围内的本征荧光的干扰。此外，PPD-CQDs在线测定乙醇含量与HPLC数据吻合度较高，表明该方法可准确测定中国白酒中的乙醇含量，在世界其他酒精饮料中具有很大的应用潜力。根据GB 5009.225-2023显示，目前检测食用酒精中乙醇浓度的测定的主要方法有密度瓶法、酒精计法、气相色谱法及U形振荡管数字密度计法。但上述方法操作往往繁琐，在线检测能力低的缺点，所以本文章开发的CQDs能直观的通过颜色进行检测乙醇含量，这样的检测能力是值得关注的。
个人简介：
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刘俨漫，24岁，四川广安人；
邮箱：xhu.lym@foxmail.com
