Os pesquisadores desenvolveram um sensor de fibra óptica miniaturizado extremamente sensível que poderia um dia ser usado para medir pequenas mudanças de pressão no corpo.

"Nosso novo sensor de pressão foi projetado para aplicações médicas e supera muitos dos problemas do uso de fibras à base de sílica, "disse o líder da equipe de pesquisa Hwa-Yaw Tam da Universidade Politécnica de Hong Kong." É sensível o suficiente para medir a pressão dentro dos pulmões enquanto respira, que muda em apenas alguns quilopascais. "

Os pesquisadores descrevem seu novo sensor de fibra óptica no jornal The Optical Society (OSA) Cartas de Óptica . O sensor, que é baseado em uma grade de Bragg de fibra (FBG) inscrita em uma fibra feita de um novo polímero chamado Zeonex, foi capaz de detectar mudanças de pressão de apenas 2 quilopascais.

"Nosso sensor FBG pode ser usado em várias aplicações médicas porque, além de sua biocompatibilidade, a fibra é quimicamente inerte e também não sensível à umidade, "disse Tam." Nosso objetivo final é usar esses tipos de sensores para monitorar vários parâmetros, incluindo pressão, temperatura e tensão - dentro de animais e pessoas. "

Fazendo um sensor de polímero

Muitos sensores de fibra óptica são baseados em FBGs, minúsculas microestruturas periódicas que podem ser inscritas em uma fibra. Quando a pressão aumenta, a fibra se estica ligeiramente, aumentando o período de grade de uma forma que muda seu índice de refração e desloca a saída de luz em direção à extremidade vermelha do espectro. De forma similar, uma diminuição na pressão produz um deslocamento para o azul.

Fazer um sensor FBG a partir de uma fibra óptica de sílica tradicional não é ideal para aplicações médicas, especialmente aqueles que envolvem o uso de longo prazo no corpo, porque essas fibras apresentam uma rigidez relativamente alta e podem ser quebradiças. FBGs embutidos em fibras de sílica também têm sensibilidade limitada a pequenas mudanças de pressão porque o material não estica e não contrai com muita facilidade. Embora fibras ópticas de polímero tenham sido desenvolvidas, eles tendem a absorver água - o que pode afetar as medições - e não são muito fáceis de inscrever em um FBG.

Para superar esses obstáculos, os pesquisadores se voltaram para o polímero avançado Zeonex. Este novo material não é apenas quimicamente inerte e funciona bem em ambientes aquosos como os encontrados no corpo, mas também exibe uma mudança de luz maior em resposta a uma mudança de pressão em comparação com as fibras de sílica. Embora as substâncias chamadas dopantes sejam frequentemente usadas para fazer materiais com diferentes índices de refração para o núcleo interno e revestimento externo das fibras, os pesquisadores simplificaram o processo de fabricação usando diferentes graus de Zeonex para fazer uma fibra de um único material.

“A eliminação do uso de dopantes permite que as fibras ópticas sejam fabricadas com boa reprodutibilidade, "disse Tam." Pudemos usar um excimer laser para inscrever facilmente o FBG e adicionar um orifício lateral que corre paralelo ao núcleo. O orifício lateral aumentou a sensibilidade da medição de pressão e reduziu significativamente o atraso, portanto, fornecendo melhor precisão de medição. "

Alta resolução, leituras reproduzíveis

Para demonstrar o novo sensor, os pesquisadores compararam seu desempenho com um sensor tradicional à base de polímero de design semelhante. Os sensores foram colocados dentro de uma câmara, onde a pressão foi aumentada manualmente e diminuída passo a passo acima e abaixo da pressão atmosférica. O deslocamento de luz correspondente foi monitorado em tempo real para ambos os sensores.

Eles descobriram que os sensores baseados em Zeonex com o design do orifício lateral produziram uma resposta linear, repetível e com lag ou erros insignificantes. Os testes mostraram que o sensor pode ser usado para medição de baixa pressão de até 50 quilopascais acima ou abaixo da pressão atmosférica com resolução de 2,0 quilopascais. A sensibilidade da medição de pressão é aumentada em 80% em comparação com um sensor tradicional à base de polímero.

"O sensor de pressão é mais útil em condições onde a mudança na pressão é da ordem de alguns quilopascais acima e abaixo da pressão atmosférica, "disse Tam." Pode ser útil para detecção de baixa pressão em ambientes médicos e de alta altitude, bem como para detectar mudanças de pressão em recipientes gasosos. "

Os pesquisadores agora estão trabalhando para reduzir ainda mais o tempo de resposta do sensor, que atualmente é de algumas dezenas de segundos. Eles também querem expandir o sensor para medir outros parâmetros físicos e químicos, como pH, e funcionalizar a sonda para que possa detectar a pressão de um determinado gás.