《Optical Fiber Technology》：Evanescent wave-based fiber optic sensing of humidity with linear fast response via hierarchically assembled porous yttrium chloride-doped carbon quantum dot films
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基于 hierarchical porous yttrium chloride-doped 碳量子点（CQDs）的 evanescent wave 光纤湿度传感器研制成功，实现0-75%RH范围内0.72%/%RH灵敏度、2.6秒快速响应（0.46秒呼气测试）及R2＞0.99的高线性度，并成功应用于呼吸模式识别和睡眠呼吸暂停实时监测。
周星晨|肖学飞|顾哲远|钱俊|何传阳|陈克文|赖敏|马燕|刘波
南京信息科学职业技术学院大气光电探测与信息融合国家重点实验室培育基地，中国南京210044
摘要
开发性能卓越的光纤湿度传感器仍然是一个挑战，需要同时优化多个参数，包括成本、灵敏度、响应/恢复时间、滞后现象、动态范围、稳定性和温度效应。本文介绍了使用分层多孔氯化钇掺杂碳量子点（CQDs）作为传感材料制备的基于衰减波的光纤湿度传感器。CQDs通过水热法制备，随后采用光驱动沉积技术将其组装在塑料光纤芯上。该传感器在相对湿度（RH）为0–75%的范围内表现出最佳平均灵敏度0.72%/%RH、快速响应时间2.6秒（呼气测试为0.46秒）以及优异的线性，决定系数R2超过0.99。此外，传感器还具有良好的长期稳定性、重复性和再现性，并且受温度干扰较小。我们使用该传感器准确识别了呼吸模式并实时监测了睡眠呼吸暂停的发生，且没有温度交叉敏感性。
引言
湿度是一个表示大气中水蒸气含量的物理量，其测量在工业和农业生产、国防、医疗保健等多个领域都非常重要[1]、[2]、[3]。例如，在制药和半导体加工行业中，精确控制湿度对于确保产品质量至关重要。近几十年来，对湿度传感器的研究涉及了多种技术，这些技术调节了不同的物理特性，包括机械结构、电容[4]、电阻[5]和光学参数[6]。与其他类型的传感器相比，光纤传感器在湿度监测方面具有许多优势[7]、[8]、[9]、[10]。光纤传感器的传感部分不依赖于电子电路，因此能够抵抗电磁干扰，并能在强电磁场环境中正常工作，从而保证测量的准确性和可靠性。此外，由于体积小、重量轻，光纤传感器还可以集成到长距离光路中，实现远程实时湿度监测。通常，光纤湿度传感器基于衰减波、干涉仪或光纤布拉格光栅（FBG）原理工作[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。
为了实现这些光纤湿度传感器的快速响应和恢复，人们付出了大量努力。Li等人[16]开发了一种基于开放式法布里-珀罗干涉仪结构的传感器，其响应时间和恢复时间分别为4秒和7秒，适用于高精度环境监测。一种经过石墨烯量子点改性的斜向FBG湿度传感器表现出3.66秒的响应时间和0.92秒的恢复时间，被应用于非接触式手势识别[17]。Ding等人[18]提出了一种涂有氧化石墨烯（GO）纳米材料的气球型光纤干涉仪传感器，在低湿度范围（35–50%RH）内实现了0.449 nm/%RH的灵敏度，响应时间和恢复时间分别为4.8秒和7.8秒。在带有染料掺杂聚合物包层的塑料光纤传感器中，检测范围扩展到0–95% RH，响应时间在22–50秒之间[19]。Wang等人[20]开发了一种用于原位检测纸张含水量的圆锥形光纤传感器，最大响应时间为150秒。该传感器通过参考单元有效减轻了环境湿度波动的干扰。
基于衰减波的光纤湿度传感器利用强度调制，具有简单的传感器结构和成本效益高的信号检测优势。其工作原理通常基于湿度敏感材料的折射率变化，这些变化在光传播过程中调制衰减场。迄今为止，这些传感器中使用了多种材料。一种光纤湿度传感器是通过涂覆甲基蓝掺杂的溶胶-凝胶二氧化硅薄膜制备的，在低湿度水平（1.1–4.1%RH）下表现出中等线性以及优异的可逆性[21]。一种由溶胶-凝胶二氧化硅和二氧化钛组成的双层复合薄膜被用于制备基于衰减波的光纤湿度传感器[22]。该传感器具有两个线性响应范围，分别为15–50%RH和50–95%RH，响应时间和恢复时间分别为25秒和50秒。最近，二氧化硅溶胶-凝胶与PMMA结合形成了用于光纤湿度传感器的复合薄膜，表现出8秒的超快响应时间以及高稳定性和重复性[23]。尽管这些基于衰减波的光纤湿度传感器在湿度测量方面表现出有效能力，但仍存在主要挑战，包括较长的响应和恢复时间以及线性不足[24]。
CQDs因其独特的物理和化学性质及潜在应用而被认为是化学和湿度传感材料的理想候选者[25]。与传统传感材料（如金属氧化物和聚合物材料）相比，CQDs具有更大的比表面积、更多的含氧基团和更优异的稳定性[26]、[27]。近年来，CQDs也被用作湿度传感器的湿度敏感材料。Morsy等人[28]制备了一种基于CQDs和碳氮化物复合材料的电阻湿度传感器，适用于7–97%RH的宽湿度范围。一种基于CQDs@纳米纤维簇的柔性电湿度传感器在7–59%RH范围内灵敏度提高了4.3倍，适用于高精度湿度检测[29]。聚乙烯醇CQDs纳米复合材料填充在非匹配超细光纤的空芯中用于湿度传感，基于水凝胶芯和包层中的光干涉作用，表现出0.1721 nm/%RH的灵敏度[30]。通过掺杂过渡金属进一步调整了CQDs的性质[31]。例如，将氯化钇掺入CQDs中以增强其吸水性[32]。
在这项研究中，我们提出了一种基于多孔氯化钇掺杂CQD薄膜的快速响应衰减波光纤湿度传感器，用于检测呼吸模式和睡眠呼吸暂停的发生。在CQDs的制备过程中，采用了两步水热法来提高其亲水性。制备好的氯化钇掺杂CQDs通过光驱动沉积过程均匀涂覆在塑料光纤的芯表面上。研究了沉积参数（包括沉积时间和CQD溶液浓度）以优化湿度传感器的传感性能。传感器在0–75%RH范围内表现出最佳灵敏度0.72%/%RH和2.6秒的优异响应时间。此外，传感器具有优异的线性，决定系数R2超过0.99。最后，该传感器被应用于呼吸模式的识别和睡眠呼吸暂停的检测。
部分摘录
传感原理
CQDs的表面富含亲水基团，包括羟基和氨基功能团。当湿度增加时，水分子通过氢键与这些亲水基团相互作用[33]。氢键的建立促进了水分子与CQDs表面电子之间的极性吸引。这种相互作用由于水分子的影响导致电子云的局部移动，从而产生载流子
材料
本研究中使用了包括六水合氯化钇（YCl?，EP，99.99%，Macklin）、对苯二胺（p-PDA，AR，97%，Aladdin）、乙二胺四乙酸（EDTA，AR，99.5%，Sinopharm）、N,N-二甲基乙酰胺（AR，99.0%，Sinopharm）和无水乙醇（AR，99.7%，Sinopharm）等化学品。
CQDs的制备
采用水热合成技术制备CQDs，随后在其表面修饰亲水性羧基。最初，使用30毫克p-PDA和6毫克YCl?
材料表征
通过SEM图像研究了涂覆在光纤芯上的CQD薄膜的表面形态，如图2a和2b所示。通过水热过程在光纤上形成了厚度为670 ± 33纳米的均匀CQD薄膜。涂层后的光纤整体直径为481.6 ± 0.9微米。CQD薄膜具有142 ± 16纳米的孔径多孔结构。在光驱动沉积过程中，一层薄水吸附在CQDs的超亲水表面上
结论
在这项研究中，我们开发了一种基于分层多孔氯化钇掺杂CQD薄膜的衰减波光纤湿度传感器。CQDs通过水热法合成，随后采用光驱动沉积技术沉积在塑料光纤芯上。评估了传感器的性能，包括灵敏度、响应时间、线性、稳定性和温度效应。传感器S6-30和S6-15表现出不同的优势
CRediT作者贡献声明
周星晨：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究，正式分析。肖学飞：研究。顾哲远：研究。钱俊：研究。何传阳：正式分析。陈克文：正式分析。赖敏：撰写 – 审稿与编辑，正式分析，概念化。马燕：监督。刘波：监督。
资助
国家自然科学基金（62275126, 41975172, 42275116）
利益冲突声明
作者声明以下可能的财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：赖敏报告称获得了国家自然科学基金的财政支持。马燕报告称获得了国家自然科学基金的财政支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本研究
致谢
作者感谢国家自然科学基金对本项目的支持和资助。
