基于锥形红外光纤传感器的茶多酚检测方法

《Optics & Laser Technology》：Detection of tea polyphenols based on a taper-in-taper infrared fiber sensor

本研究开发了一种基于GeAsSeTe玻璃的红外蒸发波光纤传感器，用于高灵敏度快速检测茶多酚。通过COMSOL模拟优化微环结构（腰径200/50μm，弯曲半径0.75mm），灵敏度提升3.26倍，检测限达0.25 mg/mL，成功应用于市售茶片及7种茶叶的定性与定量分析。

　　

崔定浩|凌雅米|徐寅生|赵永坤|徐彦涛|郭海涛|杨明红|张向华

中国武汉工业大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉430070

摘要

准确检测茶多酚对于茶叶的质量控制和真伪鉴定至关重要。传统方法需要复杂的预处理步骤、高昂的成本，并且容易受到干扰；而标准红外光谱法则受到液体样品中强吸水性的限制。本研究提出了一种基于Ge₁₅As₂₇Se₄₀Te₁₈玻璃的红外光纤衰减波传感器，能够实现高灵敏度、快速检测茶多酚的目标。通过衰减场模拟，在锥形光纤区域（腰径：200/50 μm，弯曲半径：0.75 mm）内制造了一个微环结构以增强灵敏度。该传感器表现出高灵敏度（1.52 a.u./（体积%）和低检测限（LoD = 0.18 vol%），比优化前的配置提高了3.26倍。结合红外光谱法和衰减波传感技术，该传感器成功分析了商业产品和片剂中的茶多酚，灵敏度达到0.062 a.u./（mg·mL^?1），检测限为0.25 mg/mL。这种方法实现了食品中多酚的定量分析和官能团鉴定。

引言

茶文化拥有深厚的历史底蕴，已成为中国文化身份的重要组成部分，其制作工艺和饮用哲学共同构成了独特的文化象征。通过丝绸之路、茶马古道等古代贸易路线，茶跨越了时间和地理界限，成为全球珍视的文化遗产。茶叶中含有多种生物活性化合物，尤其是多酚，研究表明它们具有抗氧化[1]、抗炎[2]和调节细胞凋亡[3][4]的作用。最新证据表明，多酚可能通过作用于能量调节的细胞内途径[3][4]影响衰老过程。作为主要的生物活性成分，茶多酚（主要包括儿茶素类（如表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）、表儿茶素没食子酸酯（ECG）[5]）、黄酮类和酚酸）展现出显著的生物活性，包括抗氧化、抗炎、抗癌和心血管保护作用。因此，准确量化茶多酚不仅对现代食品科学至关重要，也对茶文化的保护和创新具有重要意义。

目前，茶多酚的定量分析主要依赖于气相色谱（GC）[6]、高效液相色谱（HPLC）[7]、分光光度法[8]和三维荧光光谱法[9]等方法。然而，这些方法通常需要复杂的样品预处理步骤（如衍生化或固相萃取），分析时间较长，并且依赖昂贵的仪器设备。此外，某些方法（如分光光度法）容易受到还原性物质（如糖和抗坏血酸）的干扰，而显色试剂的稳定性也限制了其应用范围。这些限制严重阻碍了关于茶多酚生物活性和机制的深入研究。

红外（IR）光谱法是一种广泛用于探测分子振动和化学键特性的分析方法，在食品成分分析中表现出高效[10][11]。与分光光度法不同，它可以通过官能团特征（如酚基O–H伸缩振动、芳香C=C振动）实现茶多酚的结构鉴定，并能快速进行定量评估，为茶叶生产中的实时监测提供了可能性。然而，传统红外技术在直接液相分析中面临强吸水干扰的挑战[12]。

为了解决这些问题，本研究开发了一种利用红外光纤的衰减波传感方法。该方法利用Ge₁₅As₂₇Se₄₀Te₁₈玻璃光纤中光传播时产生的衰减波来选择性地激发茶多酚的振动模式（如O–H和C=C振动），同时通过疏水光纤表面和衰减场限制最小化水的干扰[13]。为此，制造了一种带有微环结构的锥形光纤传感器，用于茶叶成分的定性和定量分析。使用COMSOL Multiphysics 6.0建立了三维电磁模型，优化了结构参数（腰径200 μm、100 μm和50 μm，弯曲半径0.75 mm），从而增强了衰减场强度。该传感器在1131–1170 cm^?1波段的灵敏度达到0.062 a.u./（mg·mL^?1），比传统设计提高了3.26倍，检测限为0.25 mg/mL。成功鉴定并量化了五种商业茶片和七种茶叶中的多酚。通过将官能团特征鉴定与定量分析相结合，该方法为食品工业应用提供了可靠的工具，推动了茶叶生产的标准化。

光纤传感器的制备与结构优化

本研究使用的是未包覆的GeAsSeTe硫属玻璃光纤，其成分和元素分布详见图S1和表S1。该光纤在2–12 μm光谱范围内具有优异的传输性能，最小损耗为2.1 dB/m（图S2）。制备过程遵循了我们之前的研究[14][15]。

使用两个Thorlabs NRT150/M高精度步进平台及光纤夹具固定了一段5 cm长的光纤。

理论分析

如图2所示，当光从光学密度较大的介质以大于临界角的角度传播到光学密度较小的介质时，会发生全内反射（TIR）。在光纤中传输红外光时，当光从高折射率的光纤芯（n_core）传递到低折射率的外部介质（n_sur，例如溶液或空气）时，会触发TIR。在光学较薄的介质界面处，会产生衰减波。

结论

本研究开发了一种基于Ge₁₅As₂₇Se₄₀Te₁₈光纤的红外衰减波传感器，用于检测茶多酚。通过COMSOL仿真分析发现，减小腰径和弯曲光纤可以增强衰减波强度。采用锥形光纤和弯曲光纤的组合结构提高了传感器的灵敏度。实验结果表明，当参数为d₁ = 200 μm、d₂ = 50 μm时，传感器性能最佳。

作者贡献声明

崔定浩：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、方法学设计、实验研究。凌雅米：撰写 – 审稿与编辑、实验研究。徐寅生：指导、资源协调、项目管理、实验研究、资金申请、概念构思。赵永坤：方法学设计、实验研究、数据管理。徐彦涛：验证、指导、软件开发、概念构思。郭海涛：验证、指导、项目管理、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（62475201、61975156）、陕西省自然科学基金（2023-JC-JQ-31）以及中央高校基本科研业务费（104972025YJS0166）的支持。