一种基于“颜色变化”和“光谱”的湿度测试纸

近日，中国计量大学光学与电子科技学院沈常宇教授课题组研究了一种基于“颜色变化”和“光谱”的“湿度测试纸”，研究成果以Color-changing and optical spectra based “humidity test paper”为题发表在Sensors and Actuators B: Chemical期刊上。

相对湿度（RH）监测在食品储存、卫生监测和农业生产领域发挥着重要作用。与传统的电湿度传感器相比，基于光纤的湿度传感器在的各个领域得到了广泛的研究和应用。基于光纤的RH传感主要依赖于光纤表面涂覆的湿敏感材料在吸湿解吸过程中的折射率变化。这种折射率的变化可以进一步导致光纤RH传感器的测量光谱的波长偏移或/和强度的变化。不同的湿度敏感材料在响应时间、灵敏度和稳定性方面表现出不同的性能。

本文提出了一种基于蚀刻倾斜光纤布拉格光栅（ETFBG）的湿度传感器，该传感器表面涂有结晶紫/全氟磺酸复合膜（CV/Nafion）。在10%到80%的相对湿度范围内，ETFBG表面的CV/Nafion复合涂层的颜色在黄色和绿色之间变化（当然，这些颜色及其变化与混合涂层配比以及厚度等相关），它可以作为一种光学“湿度试纸”，直接从涂层颜色变化可以估计周围环境的相对湿度。此外，环境湿度的变化会引起CV/Nafion复合薄膜折射率的变化，从而导致ETFBG光谱中包层模式强度的变化。通过跟踪包层模式谐振在1543.5 nm处的强度变化，在10% ~ 80%的相对湿度范围内获得了0.068 dB/%RH的最大相对湿度灵敏度。

图1为本研究中的湿敏薄膜变色示意图。如图所示，在不同相对湿度（RH）条件下，CV/Nafion复合膜的颜色会发生相应的变化。随着湿度的增加，复合膜的颜色从10%的黄色逐渐过渡到80%的绿色。从图1(a)中不同相对湿度条件下“湿度测试纸”的颜色中提取了RGB值，并将这些RGB值与相对湿度进行多项式拟合，得到了相应的拟合曲线。

图1 不同湿度环境下湿度敏感膜的颜色变化：从10%(黄色)到80%(绿色)

图2 湿度敏感薄膜对水溶液、人体呼吸和织物的湿度响应。（a）湿度敏感膜对水溶液的湿度响应。（b）直接用鼻子呼吸的湿度响应（c）将湿度敏感膜置于口罩外用于鼻腔呼气和吸气监控（d）用于织物的湿度敏感膜的湿度响应。

图3(a)展示了使用CV/Nafion复合膜涂层的ETFBG在相对湿度（RH）为10%和80%时的光谱。观察光谱可以发现，随着RH从10%逐渐增加到80%，光谱发生了明显的变化。如图3(b)所示，本研究选择了6个包层模式共振来研究RH灵敏性。

图3 ETFBG包覆CV/Nafion复合膜在RH分别为10%和80%条件下的光谱响应

该研究提出了一种新型的CV/Nafion复合膜的湿度材料来监测相对湿度的变化。复合膜的颜色在黄色和绿色之间变化，RH范围在10%到80%之间，作为一种光学“湿度测试纸”。它可以用于任何物体的湿度监测，无论它们是以液体、气体或固体的形式存在。此外，还提出了一种CV/Nafion复合膜涂层ETFBG传感器的梳状透射光谱来定量监测RH的变化。当RH从10%增加到80%时，所提出的ETFBG传感器具有较高的灵敏度，为0.068 dB/%RH，响应和恢复时间分别为4.4 s和4.6 s。本文所提出的光纤“湿度测试纸”不仅能直观地感知相对湿度的变化，还能定性地测量相应的变化值，对相对湿度监测具有重要的应用前景。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.snb.2023.135060

审核编辑：刘清