I ricercatori hanno sviluppato un sensore in fibra ottica miniaturizzato estremamente sensibile che un giorno potrebbe essere utilizzato per misurare piccoli cambiamenti di pressione nel corpo.

"Il nostro nuovo sensore di pressione è stato progettato per applicazioni mediche e supera molti dei problemi legati all'utilizzo di fibre a base di silice, " ha affermato il leader del gruppo di ricerca Hwa-Yaw Tam della Hong Kong Polytechnic University. "È abbastanza sensibile da misurare la pressione all'interno dei polmoni durante la respirazione, che cambia di pochi kilopascal."

I ricercatori descrivono il loro nuovo sensore in fibra ottica sulla rivista The Optical Society (OSA) Lettere di ottica . Il sensore, che si basa su un reticolo di fibra di Bragg (FBG) inscritto in una fibra costituita da un nuovo polimero chiamato Zeonex, è stato in grado di rilevare variazioni di pressione di soli 2 kilopascal.

"Il nostro sensore FBG potrebbe essere utilizzato in varie applicazioni mediche perché, oltre alla sua biocompatibilità, la fibra è chimicamente inerte e inoltre non è sensibile all'umidità, " ha detto Tam. "Il nostro obiettivo finale è utilizzare questi tipi di sensori per monitorare vari parametri, tra cui pressione, temperatura e tensione, all'interno di animali e persone."

Realizzare un sensore polimerico

Molti sensori in fibra ottica sono basati su FBG, minuscole microstrutture periodiche che possono essere iscritte su una fibra. Quando la pressione aumenta, la fibra si allunga leggermente, aumentando il periodo del reticolo in modo tale da cambiare il suo indice di rifrazione e spostare l'emissione di luce verso l'estremità rossa dello spettro. Allo stesso modo, una diminuzione della pressione produce uno spostamento verso il blu.

Realizzare un sensore FBG da una tradizionale fibra ottica in silice non è l'ideale per le applicazioni mediche, specialmente quelli che comportano un uso a lungo termine nel corpo, perché queste fibre mostrano una rigidità relativamente elevata e possono essere fragili. Gli FBG incorporati nelle fibre di silice hanno anche una sensibilità limitata a piccoli cambiamenti di pressione perché il materiale non si allunga e si contrae molto facilmente. Sebbene siano state sviluppate fibre ottiche polimeriche, tendono ad assorbire l'acqua, che può influenzare le misurazioni, e non sono molto facili da inscrivere con un FBG.

Per superare questi ostacoli, i ricercatori si sono rivolti al polimero avanzato Zeonex. Questo nuovo materiale non è solo chimicamente inerte e funziona bene negli ambienti acquosi come quelli che si trovano nel corpo, ma mostra anche uno spostamento della luce più elevato in risposta a una variazione di pressione rispetto alle fibre di silice. Sebbene le sostanze chiamate droganti siano spesso utilizzate per realizzare materiali con diversi indici di rifrazione per il nucleo interno e il rivestimento esterno delle fibre, i ricercatori hanno semplificato il processo di fabbricazione utilizzando diversi gradi di Zeonex per realizzare una fibra monomateriale.

"L'eliminazione dell'uso di droganti consente di fabbricare le fibre ottiche con una buona riproducibilità, " ha detto Tam. "Siamo stati in grado di utilizzare un laser ad eccimeri per incidere facilmente l'FBG e aggiungere un foro laterale che corre parallelo al nucleo. Il foro laterale ha migliorato la sensibilità di misurazione della pressione e ha ridotto significativamente il ritardo, fornendo quindi una migliore precisione di misurazione."

Alta risoluzione, letture riproducibili

Per dimostrare il nuovo sensore, i ricercatori hanno confrontato le sue prestazioni con un sensore tradizionale a base di polimeri di design simile. I sensori sono stati collocati all'interno di una camera, dove la pressione veniva aumentata e diminuita manualmente passo dopo passo sopra e sotto la pressione atmosferica. Il corrispondente spostamento di luce è stato monitorato in tempo reale per entrambi i sensori.

Hanno scoperto che i sensori basati su Zeonex con il design a foro laterale producevano una risposta lineare, ripetibile e presentava ritardi o errori trascurabili. I test hanno dimostrato che il sensore può essere utilizzato per misurazioni a bassa pressione fino a 50 kilopascal sopra o sotto la pressione atmosferica con una risoluzione di 2,0 kilopascal. La sensibilità della misurazione della pressione è aumentata dell'80% rispetto a un sensore tradizionale a base di polimeri.

"Il sensore di pressione è molto utile in condizioni in cui la variazione di pressione è dell'ordine di pochi kilopascal sopra e sotto la pressione atmosferica, " ha detto Tam. "Potrebbe essere utile per il rilevamento della bassa pressione in ambienti medici e ad alta quota, nonché per rilevare le variazioni di pressione nei contenitori gassosi".

I ricercatori stanno ora lavorando per ridurre ulteriormente il tempo di risposta del sensore, che attualmente è di poche decine di secondi. Vogliono anche espandere il sensore per misurare altri parametri fisici e chimici come il pH e per funzionalizzare la sonda in modo che possa rilevare la pressione di un particolare gas.