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Jun 30, 2023

Agar

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13517 (2023) Diesen Artikel zitieren 231 Zugriffe Metrikdetails Biologisch abbaubare optische Wellenleiter sind bahnbrechende Technologien für die Lichtübertragung und -erfassung

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 13517 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Biologisch abbaubare optische Wellenleiter sind bahnbrechende Technologien für die Lichtübertragung und -erfassung in biomedizinischen und Umweltanwendungen. Agar erweist sich als essbare, weiche, kostengünstige und erneuerbare Alternative zu herkömmlichen Biopolymeren mit bemerkenswerten optischen und mechanischen Eigenschaften. Frühere Arbeiten führten aus Agar hergestellte optische Fasern für chemische Messungen ein, basierend auf ihrer inhärenten Reaktion auf Feuchtigkeit und Umgebungskonzentration. Daher schlagen wir zum ersten Mal einen rein optischen, biologisch abbaubaren Stromsensor vor. Während fließende Ladungen die Agarmatrix erhitzen und ihren Brechungsindex modulieren, verbinden wir das optische Gerät über Stiftleisten mit einer Gleichspannungsquelle und regen die Agarprobe mit kohärentem Licht an, um räumlich und zeitlich abweichende Speckle-Felder zu projizieren. Die Experimente wurden mit Kugeln und Fasern ohne Kern durchgeführt, die 2 Gew.-% Agar/Wasser enthielten. Sobald der zunehmende Strom die Bewegung der Flecken anregt, erfassen wir solche Bilder mit einer Kamera und werten ihre Korrelationskoeffizienten aus, wodurch exponentielle Zerfallsfunktionen entstehen, deren Zeitkonstanten die Eingangsstromstärke liefern. Darüber hinaus folgen die Leuchtkörnchen der Polarisation des angelegten Spannungsabfalls und liefern so visuelle Informationen über die Stromrichtung. Die Ergebnisse zeigen eine maximale Auflösung von \(\sim \)0,4 \(\upmu \)A für elektrische Reize \(\le \) 100 \(\upmu \)A, was die Anforderungen für die bioelektrische Signalbewertung erfüllt.

Optische Geräte, die aus abbaubaren Materialien hergestellt werden, erweisen sich als vielversprechende Kandidaten, um der wachsenden Nachfrage nach biokompatiblen und umweltfreundlichen Technologien gerecht zu werden. Implantierbare Wellenleiter ermöglichen eine lichtgesteuerte Beurteilung und Aktivierung im Gesundheitswesen, in der Bildgebung, bei der Arzneimittelverabreichung und in der Optogenetik1,2,3,4,5 und sorgen für eine allmähliche Absorption durch den Organismus nach der Verwendung. Heutzutage sind Wellenleiter aus Seidenfibroin6 und Biopolymeren wie Cellulose7, Alginat8, Citrat9, Polycaprolacton10 und Poly(d,l-milchsäure)11 erhältlich, um typische Glasfasern aus Glas und Kunststoff zu ersetzen und dabei tolerierbare Übertragungsverluste zu erzielen. Die meisten dieser Ansätze basieren jedoch auf relativ teuren Vorläufern und aufwendigen Herstellungsrouten.

In diesem Zusammenhang stellt sich aus Rotalgen gewonnenes Agar als essbare und nachwachsende Alternative für die Konzeption optischer Komponenten und Wellenleiter dar. Agar enthält in seiner Zusammensetzung die Polysaccharide Agarose und Agropektin, wobei ersteres für seine Gelierfähigkeit sorgt. Dieses Material weist einzigartige Eigenschaften wie Formbarkeit, Flexibilität, chemische Stabilität, Gelierung bei niedrigen Temperaturen und Thermoreversibilität auf12,13,14. Darüber hinaus können die mechanischen und optischen Eigenschaften von Massenproben (Steifigkeit, Brechungsindex, Transparenz usw.) durch die Wahl der chemischen Zusammensetzung der Agarlösung angepasst werden. Zu den symbolträchtigen Anwendungen dieses gelartigen Materials gehören künstliche Gewebe, Biokunststoffe und Wachstumsmedien für Mikroorganismen13,14.

Trotz seiner traditionellen Verwendung in der Lebensmittelindustrie und in der biochemischen Analyse gibt es kaum Literatur über optische Geräte aus Agar. Beispielsweise haben Oku et al. entwickelte essbare Linsen und Retroreflektoren, um Virtual-Reality-Setups in Lebensmitteln zu erstellen15,16. Manocchi et al. erstellten einen planaren Wellenleiter aus Agar- und Gelatineschichten und erwarteten eine weitere Verwendung als implantierbarer biochemischer Monitor17. Jain et al. führte einen rechteckigen Wellenleiter ein, der zur Zellimmobilisierung und Bildgebung in ein Mikrofluidsystem integriert wurde und optische Verluste von \(\le 13\) dB/cm18 erzielte. Schließlich demonstrierte unsere Gruppe eine strukturierte optische Faser aus Agar, die einen festen Kern umfasst, der von Luftlöchern umgeben ist. Die Experimente bewerteten optische Verluste (3,3 dB/cm) und untersuchten mögliche Anwendungen in der chemischen Sensorik19.

Agar reagiert von Natur aus auf die Konzentration, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und den pH-Wert des umgebenden Mediums und eignet sich daher für die Erkennung verschiedener physikalischer und biochemischer Parameter. Abgesehen von den üblichen Aufbauten, die aus optischen Glasfasern bestehen, die mit Hydrogelfilmen beschichtet sind20,21,22, kann ein Agar-Wellenleiter aufgrund der Quell- und Synäresemechanismen23 Wassertröpfchen absorbieren oder ausstoßen, was zu geometrischen Veränderungen führt, die das durchgelassene Licht stören19. Darüber hinaus kann man den Brechungsindex der Massenprobe anpassen, indem man der Agarlösung Zucker oder Glycerin hinzufügt, wodurch die Empfindlichkeit gegenüber Flüssigkeiten erhöht wird, die außerhalb der Faser oder intern durch die Lochstruktur fließen19.

Obwohl sich die meisten verfügbaren optischen Sensoren auf chemische Messungen konzentrieren, weist Agar auch bemerkenswerte elektrische Eigenschaften auf, wie Elektromembranen zur Phasenextraktion14, Hirngewebephantome24, impedanzbasierte Bildgebung25 und Spektroskopie26 belegen. Die elektrische Leitfähigkeit entsteht typischerweise durch den Mineralgehalt im Agarpulver und Wasser und steigt mit der Temperatur und der Menge der gelösten Salze27. Während die wässrige Phase die Leitfähigkeit der Agarmasse bestimmt, kann die Zugabe von ionischen Verbindungen (wie NaCl, NaN\(_{3}\) und in Wasser gelöstem KCl) zu der Mischung praktischerweise ihre Reaktion auf elektrische Reize erhöhen28,29,30 . Trotz der vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten von Membranen und Phantomen erschienen in der Literatur jedoch keine Studien, die die Agar-Leitfähigkeit zur Strommessung nutzten, bis zu einer kürzlich erschienenen Arbeit, in der wir die optische Modulation eines Agar-Wellenleiters über elektrische Eingaben demonstrierten31.

Daher untersucht dieser Artikel ein solches Phänomen und schlägt optische Sensoren auf Agarbasis zur Beurteilung elektrischer Ströme vor, bei denen durch das Material fließende Ladungen Temperaturabweichungen erzeugen, die seine Brechungsindexverteilung verändern. Daher erregen wir das optische Gerät mit kohärentem Licht, um die dynamische Reaktion des ausgegebenen Speckle-Felds zu analysieren und dann die Größe und Richtung der angewendeten Reize abzurufen. Experimente validieren dieses Sensorprinzip für große Agarkugeln und optische Fasern ohne Kern und liefern zuverlässige Ergebnisse für Ströme \(\le 100\) \(\upmu \)A.

Abgesehen von den typischen optischen Fasersensoren, die für den Betrieb im A- bis kA-Bereich ausgelegt sind32,33,34,35,36, inspiriert die Fähigkeit, subtile elektrische Signale zu erkennen, zu möglichen Anwendungen in biomedizinischen Einrichtungen, etwa der Beurteilung neuronaler oder muskulärer Reaktionen zur Vorhersage von Funktionsstörungen und unterstützende Mensch-Computer-Schnittstellen einzurichten37,38. Der weiche, bioresorbierbare optische Sensor kann weit verbreitete elektronische Wandler ersetzen und die Eigenschaften der Fasersensoren wie Flexibilität und Multiplexfähigkeit nutzen. Beispielsweise kann eine dielektrische Startfaser die Agarsonde vom Abfragesystem isolieren und passive, robuste Analysen gewährleisten. Nach unserem besten Wissen ist dies die erste Demonstration eines rein optischen Stromsensors, der auf der elektrischen Stimulation eines biologisch abbaubaren Wellenleiters basiert.

Erste Experimente untersuchten die optische Reaktion transparenter Kugeln mit einer Agarkonzentration von 2 Gew.-% und einem durchschnittlichen Durchmesser von 4 mm, wie in Abb. 1 dargestellt, unter Einwirkung von Gleichströmen. Stiftleisten verbinden die Proben mit einem Steckbrett, um eine elektrische Stimulation anzuwenden, ohne das optische Gerät zu stören. Obwohl sich die Transmission im sichtbaren/nahinfraroten Bereich durch Reduzierung des Agargehalts verbessert, sind Konzentrationen von 2 Gew.-% vorzuziehen, um mechanische Festigkeit und chemische Stabilität bei Raumtemperatur sicherzustellen19.

Kugel und kernlose optische Faser aus 2 Gew.-% Agar: (a) Draufsicht und (b) Seitenansicht (Einschub: Agarkugel gekoppelt mit den Stiftleistenanschlüssen). Die Durchmesser von Kugel und Faser betragen \(\sim \)4 mm bzw. \(\sim \)2,5 mm.

Eine startende Multimode-Faser (MMF) beleuchtet die Kugeln mit kohärentem Licht, um ausgegebene Speckle-Muster zu erzeugen, da der Agar als zufälliges Streumedium fungiert39. Unterdessen reguliert die Spannungsquelle den durch die Agarproben fließenden Gleichstrom i und fördert dynamische Änderungen in der Speckle-Feldverteilung. Die Tests wurden für \(0 \le i \le 104\) \(\upmu \)A fortgesetzt, wobei die CCD-Kamera 500 aufeinanderfolgende Specklegramm-Frames (\(\sim \)33 s) aufzeichnete, um den auf den Mittelwert Null normalisierten Kreuzwert zu berechnen. Korrelationskoeffizient (ZNCC) Z40.

Abbildung 2(a) zeigt Z als Funktion der Zeit t für ausgewählte Stromwerte. Der allmähliche Abfall von Z deutet darauf hin, dass die Specklegramm-Änderungen mit zunehmender Größe von i aktiver werden. Abbildung 2b zeigt die Speckle-Feldintensitätsverteilung I(x, y) für sequentielle Erfassungsrahmen und bestätigt eine solche Prämisse. Beispielsweise bleibt I(x, y) während der ersten Sekunden für \(i = 0\) unverändert, driftet jedoch zunehmend für \(i = 30\) und 60 \(\upmu \)A, wodurch sich der Korrelationskoeffizient proportional verringert.

Unter der Annahme, dass Z(t) eine Summe exponentieller Zerfallsfunktionen ist41, kann man die ZNCC-Kurven normalisieren, um ihre Zeitkonstanten \(\tau \) bei \(Z(t = \tau ) \ungefähr 0,368\) zu berechnen. Abbildung 2c zeigt \(\tau \) über i, wobei jeder Datenpunkt den Durchschnitt von fünf Wiederholungen umfasst und die Fehlerbalken die Standardabweichung der Mittel- und Normalverteilung mit einem Wahrscheinlichkeitsgrad von 95 % angeben. Abgesehen von der Sättigung für \(i > 60\) \(\upmu \)A ist die Sensorreaktion im Wesentlichen linear für \(0 \le i \le 60\) \(\upmu \)A und weist eine maximale Abweichung auf von \(u_{\tau } \ungefähr \pm 1,425\) s bei 60 \(\upmu \)A, wie im Einschub von Abb. 2c gezeigt, was eine absolute Empfindlichkeit von \(\textrm{d}\tau ergibt /\textrm{d}i \ungefähr 0,233\) s/\(\upmu \)A mit einer praktischen Auflösung von \(\Delta {}i \ungefähr 1,425~\text {s}/0,233~\text {s. }\upmu \text {A}^{-1} \ungefähr 6,116~\upmu \) A (oder \(\Delta {}i \ungefähr 15^{-1}~\text {s}/0,233~\text {s.}\upmu \text {A}^{-1} \ungefähr 0,286\) \(\upmu \)A unter Berücksichtigung der 15-Hz-Abtastrate des Erfassungssystems).

Optische Reaktion von Agarkügelchen, stimuliert durch elektrischen Strom: (a) Korrelationskoeffizient als Funktion der Zeit für verschiedene Ströme. (b) Zeitliche Entwicklung von Specklegrammen, wobei Farben normalisierte Intensitätswerte anzeigen. Originalbilder zur besseren Anschauung auf \(60 \times 60\) Pixel (\(0,28~\textrm{mm} \times 0,28~\textrm{mm}\)) zugeschnitten. (c) Zeitkonstante von Agarkugeln als Funktion des angelegten Stroms. Die durchgezogene Linie dient als Orientierungshilfe für die Augen. Einschub: lineare Kurvenanpassung für \(0 \le i \le 60\) \(\upmu \)A (\(R^2 = 0,950\)).

Da das zeitliche Verhalten des Specklegramms mit der Stärke der angelegten Ströme variiert, können sich die Lichtkörnchen entsprechend dem aufgebauten elektrischen Feld dem Ladungsfluss folgend verschieben. Bei Validierungstests wurden die Agarkugeln einem konstanten Strompegel von 60 \(\upmu \)A ausgesetzt, während die Ausrichtung durch Vertauschen der Elektroden parallel oder senkrecht zum Lichtweg variiert und die Richtung durch Umkehren der angelegten Spannung umgekehrt wurde. Abbildung 3a simuliert die elektrische Feldverteilung innerhalb der Agarkugel, um vorherzusagen, wie sich der Strom zwischen den Leitern bewegt. Angesichts des Koordinatensystems von Abb. 3a, bei dem sich das Licht in Richtung der z-Achse bewegt, würde ein einfallender Lichtstrahl parallel zur x-Achse und auf die Kugel über den Stiftleisten auftreffen, dazu führen, dass sich die Flecken vertikal in der yz-Ebene bewegen, also weggehen abhängig von der Polarisation der Spannungsquelle oder beim Erreichen der Kameraerkennungsebene. Beispielsweise bewegen sich in den Bildrahmen eindringende Flecken nach unten zum Stiftkopf, wohingegen Körnchen, die die Kameraebene verlassen, nach oben wandern, indem sie den Stecker verlassen. Umgekehrt würde eine senkrechte Anregung eine horizontale Speckle-Bewegung erzeugen, sobald der Stromfluss die xy-Ebene kreuzt. In Abbildung 3b und c ist die Verschiebung leichter Körnchen während einer Sekunde dargestellt, um diesen Aspekt zu bestätigen. Durch Ändern der Polarisation der Spannungsquelle wird auch die Bewegung des Speckle-Musters umgekehrt, wie durch die Simulation vorhergesagt.

(a) Simulation der elektrischen Feldverteilung innerhalb der Agarkugel mit Gleichstromanregung durch die Stiftleisten. Farben geben die Intensität des elektrischen Feldes an. Raumzeitliche Variation von Specklegrammen über den (b) yz- und (c) xy-Ebenen als Reaktion auf Ströme i, die mit unterschiedlichen Ausrichtungen angelegt werden (gekennzeichnet durch rote Pfeile). Die Sternchen markieren die Übersetzung einer interessierenden Entität. Farben geben die normalisierten Intensitätswerte an. Originale Specklegram-Bilder, die zur besseren Ansicht auf \(40 \times 40\) Pixel (\(0,19~\textrm{mm} \times 0,19~\textrm{mm}\)) zugeschnitten wurden.

Nachfolgende Experimente untersuchten die Stromerfassungsfähigkeit optischer Wellenleiter, indem die Kugeln durch Fasern ohne Kern ersetzt wurden (Agarkonzentration von 2 Gew.-% mit Durchmesser und Länge von 2,5 mm bzw. 30 mm), wie in Abb. 1 dargestellt. Licht von a Das Starten von MMF koppelt den Agar-Wellenleiter und erzeugt das Ausgangs-Speckle-Muster I(x, y). Nach der Auswertung des ZNCC für 500 Erfassungsrahmen normalisiert die Datenverarbeitungsroutine die Z(t)-Kurven und berechnet ihre Zeitkonstanten \(\tau \), was zu den Ergebnissen von Abb. 4a führt, wobei die Datenpunkte den Durchschnitt von fünf Wiederholungen umfassen Die Fehlerbalken gehen von der Standardabweichung des Mittelwerts mit einer Wahrscheinlichkeit von 95 % aus. Die ZNCC-Kurven für Agarfasern zerfallen schneller als die für Kugeln beobachteten, wie im Einschub von Abb. 4a gezeigt, und erreichen den Sättigungsgrad für \(i \ge 20\) \(\upmu \)A. Die Empfindlichkeit im linearen Bereich (\(0 \le i \le 10\) \(\upmu \)A) beträgt \(\textrm{d}\tau /\textrm{d}i \ca. 0,664\) s/ \(\upmu \)A, entsprechend einer praktischen Auflösung von \(\Delta {}i \ungefähr 0,671~\text {s}/0,664~\text {s.}\upmu \text {A}^{-1 } \ungefähr 1,011\) \(\upmu \)A angesichts der maximalen Unsicherheit von \(u_\tau \ungefähr \pm 0,671\) s bei 0 \(\upmu \)A.

Eine Alternative zur Umgehung der intrinsischen Sättigung der Korrelationsfunktion besteht darin, den erweiterten EZNCC-Score (Extended Zero-Mean Normalized Cross-Correlation) EZ auszuwerten, um das Referenzbild \(I_0\) automatisch zurückzusetzen, wenn der Ausgabewert einen Schwellenwert erreicht42. Der Einschub in Abb. 4b zeigt die zeitliche Entwicklung des EZNCC für 10 und 40 \(\upmu \)A, um zu veranschaulichen, wie die erweiterte Korrelation die Speckle-Feldänderungen in ein nahezu lineares Verhalten übersetzt. Daher kann man die Ableitung von EZNCC \(\kappa = |\textrm{d}EZ/\textrm{d}t|\) verwenden, um die Specklegrammabweichungen zu quantifizieren und ihre Reaktion auf den Eingangsstrom zu berechnen. Abbildung 4b schlägt einen Bereich niedriger Empfindlichkeit für \(0 \le i \le 70\) \(\upmu \) A mit \(\textrm{d}\kappa /\textrm{d}i \ungefähr 0,015\) vor. sA)\(^{-1}\), gefolgt von einer verstärkungsverbesserten Charakteristik für \(70 \le i \le 100\) \(\upmu \)A. Letzteres bietet eine absolute Empfindlichkeit von \(\textrm{d}\kappa /\textrm{d}i \ungefähr 0,043\) (sA)\(^{-1}\), was zu einer praktischen Auflösung von \(\ Delta {}i \ungefähr 0,017~\text {s}^{-1}/0,043~\text {(s.}\upmu \text {A)}^{-1} \ungefähr 0,395\) \(\upmu \)A für eine maximale Unsicherheit von \(u_\kappa \ungefähr \pm 0,017\) s\(^{-1}\) bei 100 \(\upmu \)A.

Optische Reaktion von Agar-Wellenleitern. (a) Zeitkonstante \(\tau \) als Funktion des angelegten Stroms i. Einschub: ZNCC-Zeitentwicklung für \(i = 10\) und 40 \(\upmu \)A. (b) EZNCC-Verhältnis \(\kappa \) als Funktion von i. Einschub: EZNCC-Zeitentwicklung für \(i = 10\) und 40 \(\upmu \)A. Die durchgezogenen Linien sind Orientierungshilfen für das Auge.

Massenagarproben wirken aufgrund ihrer porösen Struktur und des Vorhandenseins mikroskopischer Bläschen als Streumedien, was die Entstehung von Speckle-Mustern durch Kugeln trotz ihrer scheinbaren Transparenz im sichtbaren Bereich erklärt. Man kann versuchen, die Streuzentren zu minimieren, indem man die Agarkonzentration erhöht und Ultraschall-/Vakuumbehandlungen anwendet, um die durchschnittliche Porengröße zu verringern bzw. die Luftblasen zum Kollabieren zu bringen43,44. Außerdem manifestieren sich Specklegramme in kernlosen Fasern unterschiedlich, sobald die Wellenleiter das Eingangslicht begrenzen und die Interferenz zwischen mehreren geführten Moden fördern. In diesem Fall bestimmen die Brechungsindexverteilung der Faser, die Kerngröße und die Laserwellenlänge die Eigenschaften der Lichtkörnchen45.

Ströme, die durch die agarbasierten Geräte fließen, fördern räumlich verteilte Temperaturänderungen durch Joulesche Erwärmung und erzeugen Brechungsindexabweichungen über den Lichtweg. Folglich modulieren Eingangsströme Phasenkomponenten mehrerer geführter Moden und driften die Ausgangs-Speklegramme. Die optischen Geräte blieben während der Experimente stabil, da dieser thermische Anstieg das feste Agar nicht a priori schmelzen kann. Bei den ersten Entwicklungen wurden Kugeln statt optischer Fasern in Betracht gezogen, da erstere einfacher zu handhaben sind, sobald sie an die Stiftleisten-Anschlüsse angeschlossen sind. Dennoch deuten die Ergebnisse auf ein gleichwertiges Verhalten für Wellenleiter ohne Kern hin, mit Ausnahme von Unterschieden im Dynamikbereich, die wahrscheinlich auf Unterschiede in den Abmessungen von Fasern und Kugeln zurückzuführen sind.

Was die elektrische Leitfähigkeit \(\sigma \) von Agar-Wasser-Proben betrifft, so variieren die tatsächlichen Werte, abgesehen von früheren Studien, die \(0,05 \le \sigma \le 0,2\) S/m24,28 nahelegen, bei verschiedenen Agar-Herstellern erheblich, weil der mineralischen Verunreinigungen27. Eine Erhöhung des Agargehalts gewährleistet die chemische Stabilität und erhöht geringfügig \(\sigma \), obwohl Konzentrationen \(\le 2\) Gew.-% vorzuziehen sind, um die optische Transmission im sichtbaren Bereich zu verbessern19. Alternativ kann man Glycerin hinzufügen, um die Transparenz und mechanische Festigkeit der Agargeräte zu verbessern und gleichzeitig mäßig zu ihrer elektrischen Reaktion beizutragen46,47. Darüber hinaus erhöht die Dotierung der Agar-Wasser-Lösungen mit Salzen die Leitfähigkeit proportional zu ihrer Konzentration24,28,48, was vermutlich die Empfindlichkeit des Specklegramms gegenüber Eingangsströmen erhöht.

Was den Faserdurchmesser und die Faserlänge betrifft, so beeinflussen diese Parameter zwar den elektrischen Widerstand und damit den Spannungsabfall, der zum Treiben von Ladungen durch die Agarprobe erforderlich ist, die Speckle-Feld-Reaktion auf angelegte Ströme war jedoch unabhängig von Abweichungen in der Fasergeometrie konsistent. Experimente gingen von relativ kurzen Fasern aus, da die optischen Verluste (\(\sim \)3 dB/cm bei 633 nm für Agar-Wasser-Proben) ihre praktische Länge einschränken19, jedoch verbesserte Übertragungseigenschaften (\(\sim \)0,8 dB/cm) sind durch die Zugabe von Glycerin31 oder die Beseitigung mikroskopisch kleiner Luftblasen44 immer noch erreichbar.

Die relative Position der Stiftleistenanschlüsse beeinflusst den Stromfluss und kann die Dynamik des Speckle-Musters verändern, je nachdem, wie die elektrischen Ladungen den Lichtweg stören. Der 2,5-mm-Abstand zwischen den Anschlüssen (Steckplatinen-Leiterabstand) reicht aus, um eine ungebogene \(\sim \)30-mm-Agarfaser aufrechtzuerhalten und das optische System während der elektrischen Erregung ausgerichtet zu halten, außerdem wird der Strom auf ein kleines Volumen beschränkt. Man könnte versuchen, diesen Spalt zu vergrößern, um Ströme über die gesamte Wellenleiterausdehnung fließen zu lassen und dann die optische Modulation zu verstärken. Allerdings erfordert die begrenzte Leitfähigkeit von Agar-Wasser-Proben eine hohe Schwellenspannung zum Aufbau des elektrischen Potentials, was zu unerwünschten Stromspitzen führen kann. Der aktuelle Bereich (0 bis 100 \(\upmu \)A) berücksichtigte Sicherheitswerte, um die Kugel/Faser nicht durch Überhitzung zu beschädigen, nachdem vorläufige Tests mit \(i \le 300\) \(\upmu \)A eine schnelle Verschlechterung der Sonde anzeigten als die Masse des Agars schmolz.

Die Verfolgung der Bewegung der Speckle-Granulatpartikel aufgrund von Wechselströmen ist plausibel, hängt jedoch von den Fähigkeiten des Datenerfassungssystems ab. Beispielsweise erreichen Versuchsaufbauten zur Erfassung mechanischer Schwingungen eine zeitliche Auflösung von wenigen \(\upmu \)s durch den Einsatz einer Hochgeschwindigkeitskamera und einer schnellen Speckle-Musterverarbeitung49. Unter der Annahme von Wechselstromsignalen von \(< 100\) Hz können moderate Video-Abtastraten (\(\le 30\) Hz) die alternierenden Speckles nicht verfolgen, reagieren aber möglicherweise empfindlich auf den Effektivwert der Eingangsströme. Darüber hinaus können 2D-Bildabgleichstechniken, wie etwa die Nur-Phasen-Korrelation40, gleichzeitig die Größe und Richtung der angewendeten Reize ermitteln.

Der EZNCC-Algorithmus verhindert eine Sättigung des Korrelationskoeffizienten, wodurch der Messbereich praktisch über 100 \(\upmu \)A hinaus erweitert wird. Der Wärmefluss durch die optische Faser wird jedoch kritisch, da die elektrische Leitfähigkeit des Agars mit der Temperatur zunimmt27, wodurch die Wellenleiterstruktur weicher wird und optische Verluste entstehen. Die Agarkügelchen zeigten als Reaktion auf einen übermäßigen Spannungsabfall auch einen dunklen Bereich zwischen den Stiftleisten. Alternativ könnte eine Vergrößerung des Faserdurchmessers oder der Lücke zwischen den Leitern die Wärmeverteilung verbessern und den Agarabbau verzögern.

Man kann feststellen, dass die Agar-Geräte unter Raumbedingungen aufgrund der Synärese23 allmählich schrumpfen, was selbst bei ungestörten Bedingungen zu Specklegramm-Veränderungen führt, wie in Abb. 2a zu sehen ist. Die Konservierung der Wellenleiter mit Plastikfolie vor den Experimenten verhindert, dass das Agar Wassertröpfchen ausstößt und bewahrt seine Struktur. Die Vermeidung von Schwankungen der Umgebungstemperatur und des pH-Werts gewährleistet außerdem die chemische Stabilität13,23. Dennoch ist dieser Effekt in Agar-Glycerin-Wasser-Zusammensetzungen weniger ausgeprägt, wenn auch nicht vernachlässigbar, und führt zu biologisch abbaubaren Fasern, die wochenlang haltbar sind46. Was die Luftfeuchtigkeit betrifft, diffundiert Wasser durch die Agar-Massenstruktur und vergrößert deren Volumen23. Neben der Quellung verringern Veränderungen des Wassergehalts auch die elektrische Leitfähigkeit durch Verdünnung der mineralischen Verunreinigungen. Daher kann man den gleichzeitigen Beitrag von Feuchtigkeit und Strom im Ausgangs-Specklegramm erwarten. Obwohl es nicht einfach ist, beide Effekte zu erkennen, legt Abb. 3 nahe, dass die Speckle-Granula konsequent dem Stromfluss folgen, d. h. die Verfolgung ihrer Verschiebungsrate durch Bildregistrierung und aktive Konturierungsalgorithmen50 ergibt eine Schätzung des elektrischen Reizes unabhängig von den volumetrischen Änderungen des Agars.

Was das Abfragesystem betrifft, ist die Einführung von Silica- oder Polymerfasern vorzuziehen, um die Agarsonde mit den Messgeräten zu verbinden, sobald die kritischen optischen Verluste die Implementierung eines vollständig biologisch abbaubaren Faseraufbaus verhindern2. Beispielsweise kann man ein Paar emittierender und sammelnder Wellenleiter verwenden, um das Licht durch die Agarkugel oder -faser zu leiten und so eine Einpfadkonfiguration zu schaffen. Allerdings sind Speckle-Muster, die durch das Einleiten und Erfassen von Wellenleitern erzeugt werden, anfällig für Fremdvariablen wie Vibration und Temperatur, was für den praktischen Betrieb Referenzfasern oder softwarebasierte Korrekturen erfordert51. Einige Anwendungen erfordern auch eine Reflexionssonde, um die Kamera von der Stromquelle zu isolieren und nicht-invasive Beurteilungen zu ermöglichen, z. B. die Anbringung eines Spiegels an der Faserendfläche und die Ableitung des reflektierten Speckles mit einem Multimode-Faserkoppler52. Darüber hinaus ist die Perforation der Agar-Wellenleiter für reale Anwendungen möglicherweise nicht durchführbar, da dort die Ströme erfasst werden müssen, die durch die Oberfläche und nicht innerhalb des Massenagars fließen. Fasern ohne Kern reagieren empfindlich auf Umgebungsreize und können die durch die äußeren elektrischen Ladungen verursachten Änderungen des Brechungsindex a priori wahrnehmen. Dennoch ist die Erdung der Agarstruktur von grundlegender Bedeutung für die Etablierung von Strömen zur Modulation des Ausgangs-Specklegramms.

Ungeachtet seiner Vorzüge weist der vorgeschlagene Sensor einen begrenzten Dynamikbereich im Vergleich zu typischen optischen Fasersensoren auf, die auf Dehnungsmessstreifen mit magnetostriktiven Beschichtungen34,36, mit Ferrofluiden gefüllten Lochfasern33 und Faraday-Rotationswandlern vom Polarisationstyp35 basieren. Die derzeitige Beschränkung von 100 \(\upmu \)A vereitelt Anwendungen in Hochleistungssystemen, unterstützt jedoch die Fähigkeit, bioelektrische Signale zu erkennen37,38. Darüber hinaus eignen sich Agar-Wellenleiter als Ersatz für biologisch abbaubare Elektroden, die auf teuren Materialien und komplexen Strukturen basieren53.

Zusammenfassend wurde in diesem Artikel ein vollständig optischer Stromsensor vorgeschlagen, der Wellenleiter auf Agarbasis und Speckle-Feld-Verarbeitung verwendet. Zum ersten Mal in der Literatur haben wir die elektrische Leitfähigkeit von Agarwasserproben genutzt, um das durchgelassene Licht zu modulieren und die Größe und Richtung von Eingangsströmen zu ermitteln. Neben seiner zukünftigen Verwendung in biomedizinischen Analysen könnte man sich elektrisch angetriebene, aktive optische Geräte für Lichtkontrollanwendungen vorstellen, d Datenübertragungs- und Raummultiplexsysteme oder reinigen Sie den gesprenkelten Ausgang als Scrambler im nicht vibrierenden Modus54,55. Hinsichtlich des Messbereichs, des Rauschens und der Zuverlässigkeit bestehen weiterhin einige Herausforderungen, die weitere Entwicklungen für das Agar-basierte Faserdesign und das optische Abfragesystem anregen, um praktische biologisch abbaubare Sensoren zu erhalten.

Lösungen, die Agar in Lebensmittelqualität (unsteril, Aschegehalt \(\le 6,5\) %) und destilliertes Wasser enthalten, werden unter ständigem Rühren auf einer Heizplatte mit Magnetrührer erhitzt. Nach Erreichen des Siedepunkts setzt sich die Mischung für \(\sim \)2 Minuten bei Raumtemperatur ab, um Luftblasen zu zerfallen. Als Form zur Herstellung zylindrischer Wellenleiter dient ein Silikonschlauch (Innendurchmesser 2,5 mm). Sobald eine Spritze den Schlauch mit geschmolzenem Agar vervollständigt, verfestigt sich die Lösung im Kühlschrank für \(\sim \)15 Minuten. Schließlich drückt der Experimentator die Faser aus der Form und spaltet die Endflächen mit einer Rasierklinge31.

Bei den Kügelchen tropft eine Transferpipette das geschmolzene Agar auf Sojaöl in Lebensmittelqualität, das einer langsamen Zirkulation bei Raumtemperatur ausgesetzt wird. Die Agartropfen verfestigen sich zu Kugeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 4 mm. Anschließend werden die Proben mit destilliertem Wasser gewaschen, gesiebt und im Ultraschallbad gereinigt, um in der Agaroberfläche imprägnierte Öltröpfchen zu entfernen.

Abbildung 5a und b fassen die Herstellungsverfahren für optische Fasern bzw. Kugeln auf Agarbasis zusammen.

Herstellung von (a) kernlosen Fasern auf Agarbasis und (b) Kugeln zur Messung des elektrischen Stroms.

Die Experimente finden in einer dunklen Umgebung bei Raumtemperatur statt, wobei die in Abb. 6 dargestellten Geräte auf einem vibrationsfreien Tisch montiert sind. Ein HeNe-Laser (Wellenlänge 633 nm mit 1 mW Leistung) beleuchtet eine startende Silica-Multimode-Faser (MMF, Stufenindex, Kern- und Manteldurchmesser von 62,5 \(\upmu \)m bzw. 125 \(\upmu \)m ) durch ein \(20\times \)-Objektiv. Nach dem Passieren eines Modenscramblers (MS) zum Ausgleich der modalen Leistungsverteilung koppelt der MMF das biologisch abbaubare optische Gerät, indem er die MMF-Spitze vorsichtig über einen mikrometrischen Tisch in die Agarprobe einführt. Dann erfasst eine linsenlose CCD-Kamera (\(1024\times 768\) Pixel Auflösung, Pixelgröße von 4,65 \(\upmu \)m und Detektorgröße von 4,8 mm\(\times \)3,6 mm) die ausgegebenen Speckle-Muster durch ein \(10\times)-Objektiv mit einer Abtastrate von 15 Hz vergrößert und liefert die Daten an den Computer zur weiteren Verarbeitung durch MATLAB-Routinen (Mathworks).

Eine Gleichspannungsquelle \(V_s\) (Ausgangsbereich von 0 bis 32 V, 10 mV Auflösung), verbunden mit einem \(R = 510 \Omega \) Referenz-/Schutzwiderstand, erzeugt kontrollierte Ströme zur Störung des optischen Signals. Das Agar-Gerät wird mit einem Paar standardmäßiger Stiftleisten, die auf einem Steckbrett montiert sind, in Reihe an den Stromkreis angeschlossen. Die Stiftleisten perforieren den Wellenleiter teilweise, ohne den Lichtweg zu verdecken, wodurch ein Spalt von \(\sim \)2,5 mm zwischen den Leitern entsteht. Schließlich überwacht ein digitales Multimeter (Spannungs- und Stromauflösungen von 0,01 mV bzw. 0,1 \(\upmu \)A) den Spannungsabfall \(V_R\) über R, um den durch die Agarprobe fließenden Strom abzuschätzen.

Die Tests umfassten fünf Kugeln/Fasern, die mit steigenden Spannungen angeregt wurden, was zu fünf Specklegramm-Videos pro Eingangsstrombedingung führte. Die Proben blieben in destilliertem Wasser, um ihre Struktur zu bewahren, und der Experimentator trocknete die Agargeräte sorgfältig mit einem Papiertuch, um die überschüssige Flüssigkeit vor den Messungen zu entfernen, und entsorgte die perforierten Materialien nach ihrer Anwendung. Es ist erwähnenswert, dass die Agarproben mehr als eine Woche lang stabil blieben.

Messaufbau. Der HeNe-Laser beleuchtet das zu testende Agargerät (DUT) und erzeugt ein von der CCD-Kamera erkennbares Speckle-Muster I(x, y). Währenddessen erregt die Gleichspannungsquelle \(V_s\) den Schaltkreis und treibt einen Strom entlang des DUT, um I(x, y) elektrisch zu modulieren.

Die MATLAB-Routine extrahiert die Eingabevideobilder, wandelt die Speckle-Feldbilder vom RGB-Raum in Graustufen um und schneidet quadratische Bereiche von Interesse zu, die \(201 \times 201\) Pixel umfassen. Sei I(t) die Specklegrammverteilung über der xy-Ebene zum Zeitpunkt t und \(I(0) = I_0\) der Referenzzustand. Durch den elektrischen Reiz induzierte Abweichungen des Speckle-Musters können durch Berechnung des ZNCC-Koeffizienten (ZNCC) Z(t) mit mittlerem Mittelwert quantifiziert werden.

die Überstriche bezeichnen die Durchschnittswerte von I und \(I_0\)40.

\(Z(t) = 1\) wenn \(I = I_0\) und sein Wert nimmt allmählich ab, wenn der Faserzustand von der Referenzbedingung abweicht, so dass die Dekorrelation abrupter wird, wenn die Speckle-Änderungen heftiger werden56,57. Angesichts der heterogenen Natur sich bewegender Speckle-Körner kann man die zeitliche ZNCC-Entwicklung einer Summe von N exponentiellen Zerfallsfunktionen nähern \(Z(t) = A + \sum _{n=1}^{N} B_n \exp (- t/\tau _n)\) werden durch ihre Koeffizienten A und \(B_n\) bezeichnet und nehmen den ersten (langsamsten) Term \(\tau _1\) als die durchschnittliche Zerfallsrate \({\bar{\tau }} \) der N Exponentialfunktionen41. In diesem Sinne normalisiert der Algorithmus die Z(t)-Kurven und berechnet die Zeitkonstante \(\tau = {\bar{\tau }}\) relativ zu \( Z(\tau ) = e^{-1} \ ca. 0,37\).

Sobald der ZNCC mit zunehmenden Differenzen zwischen I und \(I_0\) gesättigt ist, wertet die MATLAB-Routine auch den erweiterten EZNCC-Koeffizienten (Zero-Mean Normalized Cross-Correlation) EZ(t) aus.

wobei \(EZ_0\) ein kumulativer Offset ist, Z(t) der ZNCC ist, der als Funktion der Intensitäten I und \(I_0\) ausgewertet wird, und \(\alpha = 0,8\) ein empirisch gewählter Schwellenwert ist. Dieses Verfahren beginnt mit \(EZ(t) = Z(t)\) und folgt der Korrelationskurve bis \(Z(t) < \alpha \). In diesem Zustand setzt der Algorithmus den Referenzzustand zurück, indem er \(I_0 = I(t)\) und \(EZ_0 = EZ(t)\) herstellt, wodurch die EZNCC-Sättigung verhindert und das exponentielle Abfallverhalten von Z(t) umgewandelt wird. in einen praktisch linearen Rückgang umwandeln42. Folglich kann man die zeitlichen Änderungen des Specklegramms als Ableitung von EZNCC \(\kappa = \textrm{d}EZ/\textrm{d}t\) als Gegenstück zur ZNCC-Zeitkonstante quantifizieren.

Die Simulationen wurden mit der kostenlosen Software FEMM (Finite Element Method Magnetics)58 durchgeführt und gingen von einem elektrostatischen Problem aus, um die Feldlinien entlang der xz-Ebene der Agarkugel zu verfolgen. Die Messingelektroden bestehen aus 0,5 mm\(\times \)0,5 mm großen Quadraten mit einem Abstand von 2 mm und einer elektrischen Permittivität von \(\epsilon = 1\) F/m. Die Kugel hat einen Durchmesser von 4 mm und \(\epsilon = 80,4\) F/m (ungefähr der \(\epsilon \)-Wert von 2 Gew.-% Agar zum Wasserwert). Somit berechnet die Software die Verteilung der elektrischen Felddichte für einen Gleichspannungsabfall von 30 mV und eine Maschenweite von 0,1 mm.

Datensätze und Originalbilder sind auf Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Diese Forschung wurde von der Sao Paulo Research Foundation (FAPESP) im Rahmen des Zuschusses 2023/04201-2 unterstützt; Nationaler Rat für wissenschaftliche und technologische Entwicklung (CNPq) im Rahmen der Zuschüsse 403418/2021-6, 302094/2022-9 und 309989/2021-3; Koordination zur Verbesserung des Hochschulpersonals (CAPES) im Rahmen von Zuschuss 001; Zuschüsse der Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) für wissenschaftliche Forschung JP21H03458, JP20K20626; und Gunma University zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung.

Fakultät für Maschinenbau, Universität Campinas, Campinas, 13083-860, Brasilien

Eric Fujiwara und Lidia O. Rosa

Fakultät für Informatik, Gunma University, Kiryu, 376-8518, Japan

Hiromasa Oku

Institut für Physik, Universität Campinas, Campinas, 13083-859, Brasilien

Cristiano MB Cordeiro

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EF, HO und CMBC konzipierten die ursprüngliche Idee und die Experimente. EF und LOR stellten die Proben her und führten die Experimente durch. EF und CMBC analysierten die Ergebnisse. EF hat die Arbeit geschrieben. Alle Autoren diskutierten die Ergebnisse und überprüften das Manuskript.

Korrespondenz mit Eric Fujiwara.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Fujiwara, E., Rosa, LO, Oku, H. et al. Agarbasierte optische Sensoren zur Messung des elektrischen Stroms. Sci Rep 13, 13517 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40749-7

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Eingegangen: 09. Juni 2023

Angenommen: 16. August 2023

Veröffentlicht: 19. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40749-7

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