鑽石舞台

最近發表在 ACS Applied Materials & Interfaces 上的一項研究解決了這個問題，提出了用於快速濕度傳感的新型光纖傳感器。這些光纖傳感器是通過在傾斜光纖光柵(ex-TFG)上沉積多功能氧化石墨烯(GO)/聚電解質納米複合層而製成的。

用於相對濕度測量的光纖傳感器

許多行業，包括污染管理、藥物儲存、精確生產和可持續農業，都需要準確的相對濕度 (RH) 測量。作為 RH 測量設備的重要組成部分，相對濕度傳感器引起了學術界和工業界的極大興趣。

最近已經研究了幾種基於電學、光學、聲學和近紅外方法的 RH 檢測器。光纖傳感器由於其優異性能而被廣泛用於檢測相對濕度，例如抗電磁作用、耐化學腐蝕、遠程功能和緊湊的尺寸。

光纖傳感器的這些特殊特性非常適合在惡劣的大氣條件下構建分散的 RH 監測框架。因此，許多實際應用迫切需要具有寬 RH 範圍、高響應性、快速響應、最小濕滯後和抗溫度干擾的光纖傳感器。

然而，這些性能標準之間總是存在不可避免的權衡，導致相對濕度傳感器的有效性下降。

提高光纖傳感器的性能

光纖結構對光纖傳感器的有效性有重大影響。使用傳統光纖（例如異芯光纖、蝕刻光纖和側面拋光光纖）會導致大量光學損耗，從而影響傳感器的彈性、操作簡便性和可重複性。

與微結構光纖相比，過度傾斜的光纖光柵（ex-TFG）有助於許多新的檢測技術，因為它與周圍介質的相互作用很容易，對外部條件的響應能力也很強。

由於其獨特的包層模式相關性和溫度無關性，過度傾斜的光纖光柵（ex-TFG）也可以方便地用於多功能檢測系統，如應變、旋光儀和生物傳感，非常適合用於 RH 測量傳感器。

氧化石墨烯：光纖傳感器的未來

吸濕性覆蓋物極大地影響了光纖傳感器的脫水質量、表面粘附性、形態和光學特性。

氧化石墨烯(GO)作為一種對水分敏感的物質，因其高的表面積體積關係和在寬波長範圍內良好的吸收特性而引起了研究人員的關注。更重要的是，石墨烯氧化層具有豐富的氧包覆基團，使水滴和石墨烯氧化層之間能夠快速相互作用。

然而，由於分子鍵合較弱，很容易從光纖接口上滑落，因此光纖傳感器的耐用性和耐久性無法得到保證。基於聚電解質的聚合物，例如聚丙烯酸 (PAA)，最近已與氧化石墨烯結合使用，以克服這一限制，實現高親水性和快速吸收和解離。

當前研究的亮點

在這項研究中，研究人員假設，將 ex-TFG 和響應性氧化石墨烯(GO)/聚丙烯酸(PAA)納米複合濕敏片材集成，可以生長出一種優秀的、平衡良好的用於濕度測量的光纖傳感器。它也為探索和說明濕敏物質的功效提供了一種獨特的可能性。

研究人員基於氧化石墨烯 (GO)/聚丙烯酸納米複合材料製造了具有高靈敏度、快速反應、低滯後和溫度干擾的光纖傳感器。

改進了氧化石墨烯(GO)/聚丙烯酸複合材料之間的界面和 ex-TFG 的塗層共振模式，用於濕度測量，而不會損害纖維。PAA被用來構建吸濕路徑，並提供對纖維基的粘附。將氧化石墨烯加入PAA中，進一步增加水分層的親水性。

該光纖傳感器的靈敏度為138.7 pm/%RH，反應時間小於2秒。此外，它們在長期連續測試中表現出優異的穩定性。

所提出的具有多功能氧化石墨烯片的光纖傳感器還具有其他優點，包括製造簡單和低成本運行。這些傳感器可用於構建一個特別有用的框架來跟蹤人類呼吸的濕度，使其成為快速檢測呼吸系統疾病的理想選擇。

文獻信息：

Xia, B. et al. (2022). Polyelectrolyte/ Graphene Oxide Nano-Film Integrated Fiber-Optic Sensors for High-Sensitive and Rapid-Response Humidity Measurement.ACS Applied Materials & Interfaces.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c08228