可生物降解的光波导是生物医学和环境应用中光传输和光传感的突破性技术。琼脂作为一种可食用、柔软、低成本、可再生的传统生物聚合物的替代品，具有显著的光学和机械特性。先前的工作介绍了基于其对湿度和周围浓度的固有响应，将琼脂制成光纤以用于化学测量。
据麦姆斯咨询报道，近日，坎皮纳斯大学（University of Campinas）的研究人员开发出用于评估电流的琼脂基光学传感器，其中流过材料的电荷产生温度偏差，从而改变其折射率分布。因此，研究人员利用相干光激发光学器件，以分析输出散斑场的动态响应，获取所施加激励的大小和方向。实验验证了大块琼脂球和无芯光纤的这种传感原理，对于≤100 A的电流可获得可靠的结果。据研究人员所知，这是基于可生物降解波导的电激励全光纤电流传感器的首次演示。相关研究成果以“Agar-based optical sensors for electric current measurements”为题发表在Scientific Reports期刊上。
在这项工作中，初始实验评估了琼脂浓度为2 wt%、平均直径为4 mm的透明球在直流电作用下的光学响应。排针（pin headers）将样品连接到试验面包板上，以便在不干扰光学器件的情况下施加电激励。虽然通过减少琼脂含量可以提高可见光/近红外范围内的透射率，但是2 wt%的浓度更有利于确保室温下的机械强度和化学稳定性。
由2 wt%琼脂制成的透明球和无芯光纤
发射的多模光纤（MMF）用相干光照射球体，产生输出的斑点图案，因为琼脂作为随机散射介质工作。同时，电压源调节流过琼脂样品的直流电流i，促进散斑场分布的动态变化。在0 ≤ i ≤ 104 µA的条件下进行测试，CCD相机记录了500个连续散斑图帧（~ 33 s），用于计算零均值归一化互相关（ZNCC）系数Z。根据试验结果，Z的逐渐衰减表明，随着i的增大，散斑图的变化变得更加活跃。随后，研究人员模拟了琼脂球内的电场分布，以预测电流如何在导体之间流动。
电流激励下琼脂球的光学响应
通过排针（pin headers）直流激励琼脂球内电场分布的模拟
研究人员通过用无芯光纤（琼脂浓度为2 wt%，直径和长度分别为2.5 mm和30 mm）代替球体来研究光波导的电流传感能力。琼脂光纤的ZNCC曲线比球体的衰减更快，在i ≥ 20 µA时达到饱和水平。在线性范围（0 ≤ i ≤ 10 µA）内的灵敏度为0.664 s/µA。
琼脂波导的光学响应
总体而言，研究人员开发了一种基于琼脂波导和散斑场处理技术的全光纤电流传感器。研究人员首次利用琼脂-水样品的电导率来调制透射光，并检测输入电流的大小和方向。除了未来在生物医学分析中的应用，还可以设想用于光控应用的电驱动有源光学器件，即通过施加的电场来形成琼脂器件的折射率分布，然后探索散斑场特性，以在数据传输和空分复用系统中选择特定模式，或者作为非振动模式扰频器清洁散斑输出。在测量范围、噪声和可靠性方面仍然存在一些挑战，这激发了琼脂基光纤设计和光学探测系统的进一步发展，以获得实用的可生物降解传感器。
论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41598-023-40749-7
