新型领结形双通道光纤传感器实时检测牛奶中福尔马林掺假研究

《Sensors and Actuators A: Physical》：Novel Bow-Tie Shaped Fiber Structure: A Dual-Channel Optical Fiber Sensor for Real-time Detection of Formalin Adulteration in Milk

本文创新性地提出一种领结形马赫-曾德尔干涉仪（MZI）双通道光纤传感器，通过优化弯曲区域直径（10mm/10.5mm）实现全脂/脱脂牛奶中福尔马林（CH2O）的同步检测。该传感器利用渐逝场增强原理，对0%-2.5%浓度范围的CH2O表现出高灵敏度（最高6.36 nm/%）和毫秒级响应速度，为乳制品安全监测提供了新型光学传感解决方案。

　　

亮点

领结形光纤传感器的制备与工作原理

图1示意性展示了基于领结形MZI的传感器结构。该结构制备需使用传统单模光纤（SMF，康宁SMF-28）和细塑料毛细管。制备时，先将50cm长SMF段去除聚合物涂层，随后将光纤自由端穿过毛细管并在两端扭转成环，形成弯曲结构。

所提结构的表征

本节通过实验研究了最佳弯曲直径（d₁和d₂）及其对领结形结构光谱响应的影响。该结构包含两个SMF弯曲段（弯曲区域A和B），分别具有独特直径d₁和d₂，由塑料毛细管分隔。我们针对不同参数单独研究了弯曲区域A和B的透射光谱。

福尔马林掺假牛奶样品的制备

为评估双通道光纤传感器检测牛奶中CH₂O掺假的性能，我们制备了六份牛奶样品（含对照样），其CH₂O浓度递增。掺假牛奶样品通过向市售牛奶添加不同浓度CH₂O（0%至2.5%（v/v），步长0.5%）制成，该范围代表掺假食品中CH₂O的实际水平。每份样品均经严格制备以确保均匀性。

传感器实验装置

图7示意性展示了使用所提领结形结构检测牛奶中CH₂O浓度的实验装置。

为保证传感测量过程中结构的平直度和观测稳定性，制备的领结形结构先被仔细放置在载玻片上并用UV胶固定。结构输入端连接宽带光源（BBS，超辐射发光二极管SLD1550S-A1，Thorlabs公司产品）。

CH₂O掺假牛奶样品的折射率（RI）测量

为评估不同CH₂O浓度对牛奶光学特性的影响，我们使用折光仪（ATAGO: RX-7000i）仔细测量了掺有CH₂O的全脂和脱脂牛奶样品的折射率。RI值总结于表2以供进一步分析。由表2可知，牛奶中CH₂O浓度增加伴随样品RI值上升。全脂牛奶在0%（对照）浓度时RI为1.35262。

结论

本工作通过实验验证了一种基于新型领结形光纤结构的双通道传感器，该结构利用毛细管两侧的两个级联弯曲区域检测全脂和脱脂牛奶中的CH₂O掺假。两个级联弯曲区域称为通道A和B，通过将弯曲区域A和B的直径分别调整为10mm和10.5mm实现。传感器结构利用两个空间分离的波长谷值（谷值A和谷值B）实现双通道传感。