Los investigadores han desarrollado un sensor de fibra óptica miniaturizado extremadamente sensible que algún día podría usarse para medir pequeños cambios de presión en el cuerpo.

"Nuestro nuevo sensor de presión fue diseñado para aplicaciones médicas y supera muchos de los problemas del uso de fibras a base de sílice, ", dijo el líder del equipo de investigación Hwa-Yaw Tam de la Universidad Politécnica de Hong Kong." Es lo suficientemente sensible como para medir la presión dentro de los pulmones mientras se respira, que cambia en unos pocos kilopascales ".

Los investigadores describen su nuevo sensor de fibra óptica en la revista The Optical Society (OSA) Letras de óptica . El sensor que se basa en una rejilla de fibra de Bragg (FBG) inscrita en una fibra hecha de un nuevo polímero llamado Zeonex, pudo detectar cambios de presión de solo 2 kilopascales.

"Nuestro sensor FBG podría utilizarse en diversas aplicaciones médicas porque, además de su biocompatibilidad, la fibra es químicamente inerte y tampoco sensible a la humedad, ", dijo Tam." Nuestro objetivo final es utilizar este tipo de sensores para monitorear varios parámetros, incluida la presión, temperatura y tensión, dentro de animales y personas ".

Hacer un sensor de polímero

Muchos sensores de fibra óptica se basan en FBG, diminutas microestructuras periódicas que pueden inscribirse en una fibra. Cuando aumenta la presión, la fibra se estira ligeramente, aumentando el período de rejilla de una manera que cambia su índice de refracción y desplaza la salida de luz hacia el extremo rojo del espectro. Similar, una disminución de la presión produce un desplazamiento hacia el azul.

Hacer un sensor FBG a partir de una fibra óptica de sílice tradicional no es ideal para aplicaciones médicas, especialmente aquellos que implican un uso prolongado en el cuerpo, porque estas fibras exhiben una rigidez relativamente alta y pueden ser quebradizas. Los FBG incrustados en fibras de sílice también tienen una sensibilidad limitada a los pequeños cambios de presión porque el material no se estira ni se contrae con mucha facilidad. Aunque se han desarrollado fibras ópticas poliméricas, tienden a absorber agua, lo que puede afectar las mediciones, y no son muy fáciles de inscribir con un FBG.

Para superar estos obstáculos, los investigadores recurrieron al polímero avanzado Zeonex. Este nuevo material no solo es químicamente inerte y funciona bien en ambientes acuosos como los que se encuentran en el cuerpo, pero también exhibe un cambio de luz más alto en respuesta a un cambio de presión en comparación con las fibras de sílice. Aunque las sustancias llamadas dopantes se utilizan a menudo para fabricar materiales con diferentes índices de refracción para el núcleo interior y el revestimiento exterior de las fibras, los investigadores simplificaron el proceso de fabricación utilizando diferentes grados de Zeonex para hacer una fibra de un solo material.

"Eliminar el uso de dopantes permite que las fibras ópticas se fabriquen con buena reproducibilidad, ", dijo Tam." Pudimos usar un láser excimer para inscribir fácilmente el FBG y agregar un orificio lateral que corre paralelo al núcleo. El orificio lateral mejoró la sensibilidad de la medición de presión y redujo significativamente el retraso, por lo tanto, proporciona una mejor precisión de medición ".

Alta resolución, lecturas reproducibles

Para demostrar el nuevo sensor, los investigadores compararon su rendimiento con un sensor tradicional basado en polímeros de diseño similar. Los sensores se colocaron dentro de una cámara, donde la presión se aumentó y disminuyó manualmente paso a paso por encima y por debajo de la presión atmosférica. El correspondiente desplazamiento de luz se monitorizó en tiempo real para ambos sensores.

Descubrieron que los sensores basados ​​en Zeonex con el diseño de orificio lateral producían una respuesta lineal, repetible y tenía retrasos o errores insignificantes. Las pruebas demostraron que el sensor se puede utilizar para la medición de baja presión hasta 50 kilopascales por encima o por debajo de la presión atmosférica con una resolución de 2,0 kilopascales. La sensibilidad de la medición de presión aumenta en un 80% en comparación con un sensor tradicional basado en polímeros.

"El sensor de presión es más útil en condiciones en las que el cambio de presión es del orden de unos pocos kilopascales por encima y por debajo de la presión atmosférica, ", dijo Tam." Podría ser útil para la detección de baja presión en entornos médicos y de gran altitud, así como para detectar cambios de presión en contenedores gaseosos ".

Los investigadores ahora están trabajando para reducir aún más el tiempo de respuesta del sensor, que actualmente es de unas decenas de segundos. También quieren expandir el sensor para medir otros parámetros físicos y químicos como el pH y funcionalizar la sonda para que pueda detectar la presión de un gas en particular.