長周期光纖光柵對摻葵花籽油的橄欖油純度測定研究

卞繼城,俞文杰,孔 文,鄭 丹,施玲燕,郎婷婷

(中國計量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院,浙江 杭州 310018)

長周期光纖光柵對摻葵花籽油的橄欖油純度測定研究

卞繼城,俞文杰,孔 文,鄭 丹,施玲燕,郎婷婷

(中國計量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院,浙江 杭州 310018)

針對當(dāng)前橄欖油摻假問題,提出一種測定橄欖油純度的新方法.將純橄欖油和純葵花籽油按不同比例配置得到不同純度的待測橄欖油,用阿貝折射計測出各樣品的折射率,得到樣品純度與折射率之間的線性關(guān)系.利用長周期光纖光柵傳感器對外界折射率的敏感性特性,將不同純度的待測橄欖油分別滴加到長周期光纖光柵表面;寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過其表面進(jìn)入光譜儀后得到不同純度樣品的透射譜.實驗測得不同純度的橄欖油樣品與衰減峰的強度變化存在線性關(guān)系,靈敏度為0.007 04 dB/%,線性度較好,決定系數(shù)R2約為0.96.根據(jù)光譜儀的強度分辨率可以計算得到橄欖油純度的探測極限為1.42%.研究結(jié)果表明,利用該長周期光纖光柵傳感器可以簡單、快捷、準(zhǔn)確地測定橄欖油的純度,具有一定的應(yīng)用價值和前景.

長周期光纖光柵;橄欖油純度;折射率

當(dāng)前在我國的食用油行業(yè)當(dāng)中,橄欖油分為初榨橄欖油、精煉橄欖油、混合橄欖油三類.其中特級初榨橄欖油是最高等級的橄欖油,營養(yǎng)價值最高,但是由于提煉復(fù)雜、價格昂貴,部分不法商家為牟取暴利,在橄欖油中往往摻入葵花籽油或其他植物油.由于葵花籽油跟橄欖油在成分上有很多相似的地方,因此不容易辨別[1].摻假的橄欖油不僅廉價,也可能含有對人體有害的成分,營養(yǎng)價值也會降低.因此國內(nèi)外學(xué)者對橄欖油摻假的檢測方法進(jìn)行了廣泛的研究.橄欖油的摻假檢測是通過橄欖油的一些特征指標(biāo)來鑒定的,例如感官性質(zhì)、水分含量、紫外線吸收值、過氧化值、雜質(zhì)含量、脂肪酸成分等[2].不同指標(biāo)檢測需要不同的方法來完成.當(dāng)前研究橄欖油純度檢測方法主要有:色譜法[3]、光譜法[4-5]、核磁共振法[6]、基因檢測[7]、DNA條形碼[8]等方法技術(shù).

目前各種方法都存在不足和缺點,其中中色譜法和光譜法雖然成本較低、易操作、效率高,但是測量結(jié)果是以圖譜顯示,需要結(jié)合化學(xué)計量的分析方法處理才能得到需要的數(shù)據(jù).核磁共振法由于成本較高,難以普及,目前僅僅用于研究.基因檢測和DNA檢測技術(shù)只能進(jìn)行定性測量,還需結(jié)合其他的技術(shù),通過分析得到試驗結(jié)果[7-8].因此,研究一種成本低、操作簡單、能直接實時檢測橄欖油純度的方法是很有必要的.

光纖傳感技術(shù)是隨著低損耗光纖的誕生和光纖通信技術(shù)的發(fā)展而逐漸發(fā)展起來的,經(jīng)過多年的發(fā)展已成為傳感技術(shù)的重要內(nèi)容[9-10].其中長周期光纖光柵(long period grating,LPG)是近年來出現(xiàn)的一種無源光纖器件,由于靈敏度高、體積小、抗電磁干擾、響應(yīng)速度快等特點,能夠?qū)ν饨绛h(huán)境變化如折射率、溫度、濕度、應(yīng)變、壓力等物理量進(jìn)行測量[12],當(dāng)前在農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)等方面都得到了許多應(yīng)用.因此本文充分利LPG對周圍環(huán)境介質(zhì)折射率敏感這一特性,對不同純度的橄欖油樣品進(jìn)行測定,通過LPG透射譜中衰減峰強度的變化,驗證其與不同純度的橄欖油之間存在線性關(guān)系,從而達(dá)到測定的目的.

1 實驗流程

1.1 樣品制備

實驗選用葵花籽油按比例摻入橄欖油中來制備樣品,得到共11個樣品,橄欖油純度范圍為0%～100%,以10%為間隔.將樣品靜置后,用阿貝折射儀分別測量各樣品的折射率,如表1所示得到樣品的純度對應(yīng)的折射率大小.同時做線性回歸分析得到如圖1的曲線,可以看到隨著樣品中橄欖油純度的增大,其折射率逐漸變小,橄欖油樣品折射率與純度之間呈較好的線性關(guān)系,決定系數(shù)R2為0.989.

表1 樣品純度與測得的折射率

Table 1 Purity and measured refractive indexes of different samples

橄欖油純度/%折射率01.4766101.4757201.4752301.4745401.4742501.4734601.4727701.4724801.4717901.47151001.4702

圖1 樣品的純度與折射率的關(guān)系Figure 1 Relationship between the purity and the refractive index

1.2 實驗平臺的搭建

利用二氧化碳激光器制作完成周期為498 μm,周期數(shù)為40,光柵長度為19.92 mm的LPG傳感器.圖2為該LPG的光譜圖,在1 535.6 nm處得到最大消光比為25.2 dB.

圖2 長周期光纖光柵傳輸譜Figure 2 Transmission spectrum of the long period fiber grating

實驗平臺如圖3所示.將兩個固定臺水平放置在光學(xué)平臺上,將LPG的兩端分別固定在固定臺上,使光纖光柵部分自然水平懸空,不受應(yīng)力、應(yīng)變影響.在光柵部分下方放置一個升降臺,在升降臺上放置一片載玻片用于盛放樣品,也可以承放用于樣品清洗的溶液.從光源(型號HOYATEK,工作波長范圍650 nm～1 650 nm)發(fā)出的光經(jīng)過LPG傳輸后,由光譜儀(型號YOKOGAWA,AQ6370C,工作波長范600～1 700 nm,強度分辨率0.01 dB,波長分辨率0.01 nm)接收.當(dāng)載玻片上的樣品不同時,在光譜儀上可以觀察到LPG透射譜的變化.

圖3 實驗平臺Figure 3 Experimental setup

1.3 實驗具體操作要求

將不同純度的樣品依次滴加到載玻片上,將升降臺升到合適高度使LPG表面能充分接觸到樣品,從光譜儀上能探測到對應(yīng)的透射譜,記錄數(shù)據(jù)后降下升降臺,用異丙醇反復(fù)清洗LPG表面除去殘留的油漬并干燥,確保在光譜儀上讀到的透射譜回到初始狀態(tài)后,再重復(fù)上述步驟就能依次得到11個樣品對應(yīng)的LPG透射譜數(shù)據(jù),用Excel軟件進(jìn)行初步處理,再用OriginPro軟件繪制出光譜圖,觀察不同純度下光譜的變化,分析其諧振波長偏移情況或衰減峰強度變化情況,得出其與純度的關(guān)系和有關(guān)結(jié)論.

2 實驗結(jié)果討論和分析

當(dāng)測量橄欖油樣品時,LPG的透射譜的消光比變得較小,僅為3 dB左右,與空氣中測量得到的25 dB左右的消光比差異較大.從圖4可以看到,當(dāng)樣品純度從100%減少到0%,即對應(yīng)圖1得到環(huán)境折射率從1.470 2變化到1.476 6,發(fā)現(xiàn)透射光譜圖像變化最明顯的是1 530 nm至1 540 nm波長區(qū)間.選擇該區(qū)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析.從圖中可以看出,除了純度為70%的樣品有明顯誤差外,其余諧振波長偏移量較小,這是由于外界的環(huán)境物質(zhì)覆蓋在光纖包層上時,部分能量會在包層與介質(zhì)的交界面處發(fā)生反射,由于菲涅耳反射和全反射的性質(zhì)的不同,相比在空氣環(huán)境中的測量,會產(chǎn)生較小的波長位移[12-13].而衰減峰強度變化比較明顯,這是由于橄欖油樣品的折射率都略高于LPG包層的折射率(1.45),此時包層模式的光在LPG包層和樣品分界面處的變化可以用菲涅耳反射的原理來進(jìn)行分析[1，14],其表達(dá)式為

圖4 橄欖油樣品的LPG透射譜 Figure 4 Transmission spetra of the olive oilsamples

(1)

其中:R—反射率,n1和n2—表示LPG包層和樣品的折射率,隨著樣品折射率的增大,反射率R逐漸變小,諧振波長處的透射光強就隨之減小,即對應(yīng)的衰減峰的深度就會逐漸增大,并且由于R值很小,數(shù)量級只有10-5,這導(dǎo)致包層模式的光信號會變得很微弱,使與纖芯導(dǎo)模的耦合率不高,從而使衰減峰深度不明顯,這也正解釋了添加橄欖油樣品前后透射譜的消光比差異如此大的原因.下一步將考慮采用細(xì)芯光纖[15]或光子晶體光纖結(jié)構(gòu)[16]來提高其靈敏度.

圖5 長周期光纖光柵衰減峰強度與樣品的橄欖油純度的變化關(guān)系Figure 5 Power of the LPG’s resonance peak versus the purity of olive oil samples

將橄欖油純度與LPG的衰減峰強度進(jìn)行線性分析,作出散點圖如圖5所示.從圖中可以看到透射諧振峰強度與樣品純度基本呈線性,決定系數(shù)R2約為0.96.當(dāng)橄欖油純度從0%變化到100%,即在1.470 2至1.476 6折射率范圍內(nèi)得到0.704 dB的強度變化.線性擬合直線的斜率為0.007 04,即該長周期光纖光柵對樣品純度的測量靈敏度為0.007 04 dB/%.根據(jù)光譜儀的強度分辨率為0.01 dB,可知橄欖油樣品純度的探測極限為1.42%.并且如圖5中的小圖所示,橄欖油樣品當(dāng)中除了純度為70%和80%時強度相對誤差百分比高于0.14%外,剩余大部分樣品純度相對測量誤差都低于0.1%,說明對樣品純度測量和計算值誤差相對較小,保證了實驗數(shù)據(jù)的精確性和可靠性.

如圖6,以橄欖油樣品純度為100%時測量得到的LPG衰減峰中心波長為基準(zhǔn),得到其它純度的橄欖油樣品的相對波長偏移量.從圖中可以得出,不同純度的橄欖油樣品與波長位移值之間沒有明確的線性關(guān)系.引起該波長偏移的原因可能是實驗環(huán)境的溫度變化或是LPG受到的外界應(yīng)力、應(yīng)變影響等.下一步我們考慮利用聚二甲基硅氧烷對LPG進(jìn)行封裝,并加入微流通道,利用微流通道對LPG注入橄欖油樣品,從而降低外界其他因素的影響,以保證僅有橄欖油純度這個外界參數(shù)對LPG衰減峰產(chǎn)生作用.同時,兩根細(xì)導(dǎo)管分別插在聚二甲基硅氧烷的兩側(cè),并作為溶液的輸入、輸出導(dǎo)管,當(dāng)每一組溶液檢測完,通過輸入、輸出導(dǎo)管注射異丙醇溶液進(jìn)行反復(fù)清洗.

圖6 LPG諧振波長偏移量與橄欖油純度的關(guān)系曲線Figure 6 Wavelength shift of the LPG’s resonance peak versus the purity of olive oil samples

本實驗在每次測量不同的純度橄欖油樣品前,都使用異丙醇溶液對長周期光纖光柵表面進(jìn)行反復(fù)清洗,清洗之后得到的衰減峰強度光譜圖與在空氣當(dāng)中的基本重合,說明清洗效果良好,從而減少了樣品的殘留對后續(xù)測量的影響,保證了實驗的可靠性.

在室溫下,其他食用油如純花生油的折射率為1.471 6,純大豆油的折射率為1.475 1,純菜籽油的折射率為1.472 9,則當(dāng)其它的油類與橄欖油混合時得到的混合油的折射率一定與純橄欖油的折射率不同,在不同的折射率條件下,對應(yīng)的LPG透射譜衰減峰強度是不同的.因此對于其它摻雜種類的油類,同樣可以通過分析樣品的LPG透射譜峰衰減的變化,建立透射譜衰減峰強度變化與橄欖油含量的回歸方程,通過與純橄欖油透射譜衰減峰強度變化對比,從而實現(xiàn)橄欖油純度的檢測.

3 結(jié) 語

本文提出一種測定橄欖油純度的新方法,利用LPG對外界折射率的敏感特性,實現(xiàn)對橄欖油純度進(jìn)行快速、準(zhǔn)確測量.實驗對11種純度分別為0%到100%,間隔為10%的橄欖油樣品進(jìn)行了測量,驗證橄欖油純度與LPG衰減峰的強度變化存在線性關(guān)系,靈敏度為0.007 04 dB/%,線性度較好,決定系數(shù)R2約為0.96,橄欖油純度的探測極限為1.42%.本檢測系統(tǒng)具有簡單、體積小、成本低、不受電磁干擾、響應(yīng)速度快、無需用其他試劑等優(yōu)勢，因此本法在橄欖油摻假測定方面具有很好的應(yīng)用價值和發(fā)展前景.

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Purity measurement of olive oil mixtured with sunflower oil based on a long period fiber grating sensor

BIAN Jicheng, YU Wenjie, KONG Wen, ZHENG Dan, SHI Lingyan, LANG Tingting

(College of Optical and Electronic Technology, China JiliangUniversity, Hangzhou 310018, China)

In concern of the current olive oil adulteration, a new method of purity determination of olive oil was proposed. Olive oil samples of different purity were prepared by adding a certain amount of sunflower seed oil. The refractive index of each sample was measured using the Abbe refractometer. A linear relationship between the refractive index and the purity of the samples was established. By dripping the oil onto the surface of the long period fiber grating (LPG) sensor, we collected the spectra of the oil by the optical spectrum analyzer (OSA). A linear relationship between the purity of the olive oil samples and the power of the resonance peak of the LPG was obtained with a coefficient of determinationR2of 0.96. The sensitivity was 0.007 04 dB/%, and the limit of detection of the olive oil purity was 1.42%, according to the OSA’s power resolution. The research results show that it is possible to determine the purity of olive oil rapidly and accurately by using a simple long period fiber grating sensor.

long period fiber grating; purity of olive oil; refractive index

1004-1540(2015)02-0156-05

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.02.006

2014-12-04 《中國計量學(xué)院學(xué)報》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

國家自然科學(xué)基金資助項目(No.61205029).

TN253

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