基于马赫-曾德尔干涉的高灵敏度光纤传感器在丙酮气体浓度监测中的应用及其生物医学潜力

本刊推荐：本研究创新性地构建了基于马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的无芯光纤（NCF）传感器，通过热拉锥技术制备SMS（单模-无芯-单模）结构，实现了对丙酮蒸气的高灵敏度检测（最高灵敏度达1.287×10-5 nm/ppm）。该传感器具备优异的重复性、快速响应特性和38 ppm检测限，在挥发性有机化合物（VOC）监测和疾病生物标志物检测领域展现重要应用价值。

　　

Section snippets

Fabrication of SMS sensor structure

图1展示了拉锥前后SMS传感器结构示意图。该结构由两段单模光纤（SMF）中间熔接无芯光纤（NCF）段构成。为优化VOC气体传感器参数，研究选取了5种不同长度（2-6 cm）的NCF作为传感区域，使用富士通FSM-60S熔接机将其分别熔接于两段SMF之间。通过精准的热拉锥工艺调控NCF直径，增强了光与待测物的相互作用。

Results and discussion

在密闭腔室内对丙酮蒸气（浓度35%-95%）的检测实验中，最佳响应结构的传输光谱如图4所示。随着丙酮浓度升高，波长吸收峰出现红移现象。波长偏移量与蒸气浓度变化呈正相关，其中3 cm长度、30 μm直径的NCF结构表现出最高灵敏度（0.116 nm/%），检测限低至38 ppm。传感器同时展现出卓越的重复性和稳定性，在生物医学应用中具备识别多种生物元件的潜力。

Conclusion

本研究证实基于SMS结构的光纤传感器是丙酮蒸气检测的理想解决方案。通过优化NCF尺寸参数，实现了超高灵敏度检测性能。该传感器兼具低成本、易制备和可重复性等优势，为疾病早期诊断提供了新型技术路径。