用于高灵敏度和快速响应湿度测量的聚电解质/氧化石墨烯纳米薄膜集成光纤传感器

最近发表在 ACS Applied Materials & Interfaces 上的一项研究解决了这个问题,提出了用于快速湿度传感的新型光纤传感器。这些光纤传感器是通过在倾斜光纤光栅(ex-TFG)上沉积多功能氧化石墨烯(GO)/聚电解质纳米复合层而制成的。

用于准确和快速湿度监测的光纤传感器由于其卓越的特性在许多领域引起了极大的兴趣。然而,平衡现实系统中这些光纤传感器的湿度响应性、选择性、温度干扰和湿滞后仍然是一个重要的问题。

最近发表在 ACS Applied Materials & Interfaces 上的一项研究解决了这个问题,提出了用于快速湿度传感的新型光纤传感器。这些光纤传感器是通过在倾斜光纤光栅(ex-TFG)上沉积多功能氧化石墨烯(GO)/聚电解质纳米复合层而制成的。

用于高灵敏度和快速响应湿度测量的聚电解质/氧化石墨烯纳米薄膜集成光纤传感器

用于相对湿度测量的光纤传感器

许多行业,包括污染管理、药物储存、精确生产和可持续农业,都需要准确的相对湿度 (RH) 测量。作为 RH 测量设备的重要组成部分,相对湿度传感器引起了学术界和工业界的极大兴趣。

最近已经研究了几种基于电学、光学、声学和近红外方法的 RH 检测器。光纤传感器由于其优异性能而被广泛用于检测相对湿度,例如抗电磁作用、耐化学腐蚀、远程功能和紧凑的尺寸。

光纤传感器的这些特殊特性非常适合在恶劣的大气条件下构建分散的 RH 监测框架。因此,许多实际应用迫切需要具有宽 RH 范围、高响应性、快速响应、最小湿滞后和抗温度干扰的光纤传感器。

然而,这些性能标准之间总是存在不可避免的权衡,导致相对湿度传感器的有效性下降。

提高光纤传感器的性能

光纤结构对光纤传感器的有效性有重大影响。使用传统光纤(例如异芯光纤、蚀刻光纤和侧面抛光光纤)会导致大量光学损耗,从而影响传感器的弹性、操作简便性和可重复性。

与微结构光纤相比,过度倾斜的光纤光栅(ex-TFG)有助于许多新的检测技术,因为它与周围介质的相互作用很容易,对外部条件的响应能力也很强。

由于其独特的包层模式相关性和温度无关性,过度倾斜的光纤光栅(ex-TFG)也可以方便地用于多功能检测系统,如应变、旋光仪和生物传感,非常适合用于 RH 测量传感器。

氧化石墨烯:光纤传感器的未来

吸湿性覆盖物极大地影响了光纤传感器的脱水质量、表面粘附性、形态和光学特性。

氧化石墨烯(GO)作为一种对水分敏感的物质,因其高的表面积体积关系和在宽波长范围内良好的吸收特性而引起了研究人员的关注。更重要的是,石墨烯氧化层具有丰富的氧包覆基团,使水滴和石墨烯氧化层之间能够快速相互作用。

然而,由于分子键合较弱,很容易从光纤接口上滑落,因此光纤传感器的耐用性和耐久性无法得到保证。基于聚电解质的聚合物,例如聚丙烯酸 (PAA),最近已与氧化石墨烯结合使用,以克服这一限制,实现高亲水性和快速吸收和解离。

当前研究的亮点

在这项研究中,研究人员假设,将 ex-TFG 和响应性氧化石墨烯(GO)/聚丙烯酸(PAA)纳米复合湿敏片材集成,可以生长出一种优秀的、平衡良好的用于湿度测量的光纤传感器。它也为探索和说明湿敏物质的功效提供了一种独特的可能性。

研究人员基于氧化石墨烯 (GO)/聚丙烯酸纳米复合材料制造了具有高灵敏度、快速反应、低滞后和温度干扰的光纤传感器。

改进了氧化石墨烯(GO)/聚丙烯酸复合材料之间的界面和 ex-TFG 的涂层共振模式,用于湿度测量,而不会损害纤维。PAA被用来构建吸湿路径,并提供对纤维基的粘附。将氧化石墨烯加入PAA中,进一步增加水分层的亲水性。

该光纤传感器的灵敏度为138.7 pm/%RH,反应时间小于2秒。此外,它们在长期连续测试中表现出优异的稳定性。

所提出的具有多功能氧化石墨烯片的光纤传感器还具有其他优点,包括制造简单和低成本运行。这些传感器可用于构建一个特别有用的框架来跟踪人类呼吸的湿度,使其成为快速检测呼吸系统疾病的理想选择。

文献信息:

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

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