Onderzoekers hebben een uiterst gevoelige geminiaturiseerde optische vezelsensor ontwikkeld die ooit zou kunnen worden gebruikt om kleine drukveranderingen in het lichaam te meten.

"Onze nieuwe druksensor is ontworpen voor medische toepassingen en overwint veel van de problemen van het gebruik van op silica gebaseerde vezels, "zei onderzoeksteamleider Hwa-Yaw Tam van de Hong Kong Polytechnic University. "Het is gevoelig genoeg om de druk in de longen te meten tijdens het ademen, die met slechts een paar kilopascal verandert."

De onderzoekers beschrijven hun nieuwe optische vezelsensor in het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Letters . de voeler, die is gebaseerd op een Bragg-vezelrooster (FBG) dat is ingeschreven in een vezel die is gemaakt van een nieuw polymeer genaamd Zeonex, kon drukveranderingen van slechts 2 kilopascal detecteren.

"Onze FBG-sensor kan in verschillende medische toepassingen worden gebruikt omdat, naast de biocompatibiliteit, de vezel is chemisch inert en ook niet gevoelig voor vocht, "zei Tam. "Ons uiteindelijke doel is om dit soort sensoren te gebruiken om verschillende parameters te bewaken, waaronder druk, temperatuur en spanning - in dieren en mensen."

Een polymeersensor maken

Veel glasvezelsensoren zijn gebaseerd op FBG's, kleine periodieke microstructuren die op een vezel kunnen worden ingeschreven. Wanneer de druk stijgt, rekt de vezel iets uit, het vergroten van de roosterperiode op een manier die de brekingsindex verandert en de lichtuitvoer naar het rode uiteinde van het spectrum verschuift. evenzo, een afname van de druk produceert een blauwverschuiving.

Het maken van een FBG-sensor van een traditionele optische vezel van silica is niet ideaal voor medische toepassingen, vooral die met langdurig gebruik in het lichaam, omdat deze vezels een relatief hoge stijfheid vertonen en bros kunnen zijn. FBG's ingebed in silicavezels hebben ook een beperkte gevoeligheid voor kleine drukveranderingen omdat het materiaal niet gemakkelijk uitrekt en samentrekt. Hoewel er optische vezels van polymeer zijn ontwikkeld, ze hebben de neiging om water te absorberen - wat de metingen kan beïnvloeden - en zijn niet erg gemakkelijk in te schrijven met een FBG.

Om deze hindernissen te overwinnen, de onderzoekers wendden zich tot het geavanceerde polymeer Zeonex. Dit nieuwe materiaal is niet alleen chemisch inert en werkt goed in de waterige omgevingen zoals die in het lichaam worden aangetroffen, maar vertoont ook een hogere lichtverschuiving als reactie op een drukverandering in vergelijking met silicavezels. Hoewel stoffen die doteerstoffen worden genoemd vaak worden gebruikt om materialen te maken met verschillende brekingsindexen voor de binnenkern en de buitenbekleding van vezels, de onderzoekers vereenvoudigden het fabricageproces door verschillende soorten Zeonex te gebruiken om een ​​vezel van één materiaal te maken.

"Door het gebruik van doteermiddelen te elimineren, kunnen de optische vezels worden vervaardigd met een goede reproduceerbaarheid, " zei Tam. "We waren in staat om een ​​excimerlaser te gebruiken om gemakkelijk de FBG te beschrijven en om een ​​zijgat toe te voegen dat evenwijdig aan de kern loopt. Het zijgat verbeterde de gevoeligheid van de drukmeting en verminderde lag aanzienlijk, daardoor betere meetnauwkeurigheid."

Hoge resolutie, reproduceerbare metingen

Om de nieuwe sensor te demonstreren, de onderzoekers vergeleken de prestaties met een traditionele op polymeer gebaseerde sensor met een vergelijkbaar ontwerp. De sensoren werden in een kamer geplaatst, waar de druk handmatig werd verhoogd en stap voor stap verlaagd boven en onder de atmosferische druk. De bijbehorende lichtverschuiving werd voor beide sensoren in realtime gemonitord.

Ze ontdekten dat de op Zeonex gebaseerde sensoren met het zijgatontwerp een lineaire respons produceerden, herhaalbaar en had een verwaarloosbare vertraging of fouten. Uit de tests bleek dat de sensor kan worden gebruikt voor lagedrukmetingen tot 50 kilopascal boven of onder atmosferische druk met een resolutie van 2,0 kilopascal. De gevoeligheid van de drukmeting wordt met 80% verhoogd in vergelijking met een traditionele op polymeer gebaseerde sensor.

"De druksensor is het meest nuttig in omstandigheden waar de drukverandering in de orde van enkele kilopascals boven en onder de atmosferische druk ligt, "zei Tam. "Het zou nuttig kunnen zijn voor het meten van lage druk in medische omgevingen en op grote hoogte, evenals voor het detecteren van drukveranderingen in gasvormige containers."

De onderzoekers werken nu aan het verder verkorten van de reactietijd van de sensor, wat momenteel enkele tientallen seconden is. Ze willen de sensor ook uitbreiden om andere fysische en chemische parameters zoals pH te meten en de sonde te functionaliseren zodat deze de druk van een bepaald gas kan detecteren.