可生物降解的光波導(dǎo)是生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境應(yīng)用中光傳輸和光傳感的突破性技術(shù)。瓊脂作為一種可食用、柔軟、低成本、可再生的傳統(tǒng)生物聚合物的替代品，具有顯著的光學(xué)和機械特性。先前的工作介紹了基于其對濕度和周圍濃度的固有響應(yīng)，將瓊脂制成光纖以用于化學(xué)測量。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，坎皮納斯大學(xué)（University of Campinas）的研究人員開發(fā)出用于評估電流的瓊脂基光學(xué)傳感器，其中流過材料的電荷產(chǎn)生溫度偏差，從而改變其折射率分布。因此，研究人員利用相干光激發(fā)光學(xué)器件，以分析輸出散斑場的動態(tài)響應(yīng)，獲取所施加激勵的大小和方向。實驗驗證了大塊瓊脂球和無芯光纖的這種傳感原理，對于≤100 A的電流可獲得可靠的結(jié)果。據(jù)研究人員所知，這是基于可生物降解波導(dǎo)的電激勵全光纖電流傳感器的首次演示。相關(guān)研究成果以“Agar-based optical sensors for electric current measurements”為題發(fā)表在Scientific Reports期刊上。

在這項工作中，初始實驗評估了瓊脂濃度為2 wt%、平均直徑為4 mm的透明球在直流電作用下的光學(xué)響應(yīng)。排針（pin headers）將樣品連接到試驗面包板上，以便在不干擾光學(xué)器件的情況下施加電激勵。雖然通過減少瓊脂含量可以提高可見光/近紅外范圍內(nèi)的透射率，但是2 wt%的濃度更有利于確保室溫下的機械強度和化學(xué)穩(wěn)定性。

由2 wt%瓊脂制成的透明球和無芯光纖

發(fā)射的多模光纖（MMF）用相干光照射球體，產(chǎn)生輸出的斑點圖案，因為瓊脂作為隨機散射介質(zhì)工作。同時，電壓源調(diào)節(jié)流過瓊脂樣品的直流電流i，促進散斑場分布的動態(tài)變化。在0 ≤ i ≤ 104 μA的條件下進行測試，CCD相機記錄了500個連續(xù)散斑圖幀（~ 33 s），用于計算零均值歸一化互相關(guān)（ZNCC）系數(shù)Z。根據(jù)試驗結(jié)果，Z的逐漸衰減表明，隨著i的增大，散斑圖的變化變得更加活躍。隨后，研究人員模擬了瓊脂球內(nèi)的電場分布，以預(yù)測電流如何在導(dǎo)體之間流動。

電流激勵下瓊脂球的光學(xué)響應(yīng)

通過排針（pin headers）直流激勵瓊脂球內(nèi)電場分布的模擬

研究人員通過用無芯光纖（瓊脂濃度為2 wt%，直徑和長度分別為2.5 mm和30 mm）代替球體來研究光波導(dǎo)的電流傳感能力。瓊脂光纖的ZNCC曲線比球體的衰減更快，在i ≥ 20 μA時達到飽和水平。在線性范圍（0 ≤ i ≤ 10 μA）內(nèi)的靈敏度為0.664 s/μA。

瓊脂波導(dǎo)的光學(xué)響應(yīng)

總體而言，研究人員開發(fā)了一種基于瓊脂波導(dǎo)和散斑場處理技術(shù)的全光纖電流傳感器。研究人員首次利用瓊脂-水樣品的電導(dǎo)率來調(diào)制透射光，并檢測輸入電流的大小和方向。除了未來在生物醫(yī)學(xué)分析中的應(yīng)用，還可以設(shè)想用于光控應(yīng)用的電驅(qū)動有源光學(xué)器件，即通過施加的電場來形成瓊脂器件的折射率分布，然后探索散斑場特性，以在數(shù)據(jù)傳輸和空分復(fù)用系統(tǒng)中選擇特定模式，或者作為非振動模式擾頻器清潔散斑輸出。在測量范圍、噪聲和可靠性方面仍然存在一些挑戰(zhàn)，這激發(fā)了瓊脂基光纖設(shè)計和光學(xué)探測系統(tǒng)的進一步發(fā)展，以獲得實用的可生物降解傳感器。

論文信息：

https://www.nature.com/articles/s41598-023-40749-7