Sensor Fiber Optik Untuk Mengukur Bidang Magnet Terlemah

Teknologi baru yang sangat sensitif sedang dikembangkan untuk mendeteksi bidang magnet di dalam otak dan jantung. Teknik berbasis cahaya ini ditujukan untuk mengukur pancaran magnet yang sangat lemah, seperti yang dihasilkan neuron dalam otak. Sensor terjangkau dan kecil dianggap mampu menawarkan alternatif selain sistem Pencitraan Pancaran Magnet (MRI) yang kini luas digunakan untuk pemetaan aktivitas otak namun membutuhkan pendinginan atau pelindung magnet.

“Sistem pencitraan otak yang portabel dan terjangkau yang dapat berfungsi dalam ruangan bersuhu kamar dan lingkungan tidak terlindungi akan menghasilkan pemetaan aktivitas otak real-time setelah benturan potensial dalam olahraga dan zona konflik dimana dampak ledakan terhadap otak dapat berbahaya,” jelas anggota peneliti Babak Amirsolaimani dari University of Arizona, Tucson.

Tim merakit sensor magnetik menggunakan fiber optic dan komposit nanopartikel polimer yang sensitif terhadap bidang magnet. Sensor ini dapat mendeteksi bidang magnet pada otak, yang 100 juta kali lebih lemah daripada bidang magnet bumi.

Tim juga menunjukkan sensor baru ini dapat mendeteksi pola magnetik lemah dalam detak jantung manusia dan mampu mendeteksi fluktuasi magnet yang berubah tiap mikrosekon dalam area sekecil 100 mikron persegi.

“Rancangan sensor yang seluruhnya optikal memungkinkan biaya perakitan yang murah dalam chip fotonik silikon, dan membuatnya mampu beroperasi dalam sensor fiber optik berdiameter sekecil 10 mikron ” ujar Amirsolaimani. “Sensor berangkai kemudian dapat digunakan bersamaan untuk menyediakan pemetaan otak dengan resolusi spasial tinggi.”

Sensor terbaru ini dapat membantu lebih memahami aktivitas otak dan penanganan penyakit seperti dementia dan Alzheimer. Perangkat ini juga berguna untuk mengukur bidang magnet yang digunakan untuk memprediksi letusan volkanik dan gempabumi, mencari minyak dan mineral untuk penggalian, serta melacak kapal selam militer.

Deteksi optik dalam bidang magnet

Metode optik untuk mendeteksi bidang magnet lemah dimungkinkan berkat polarisasi perputaran cahaya yang disebabkan oleh bidang magnet, yang sudut rotasinya bergantung pada benda yang dilewati cahaya. Tim mengembangkan material komposit baru yang terbuat dari nanopartikel yang tersebar dalam polimer yang menyebarkan rotasi polarisasi dalam cahaya saat bidang magnetik yang sangat lemah terdeteksi.

Tim memilih nanopartikel berdasarkan kandungan magnetite dan kobaltnya karena kedua material ini memiliki sensitivitas tinggi terhadap magnet. Mereka kemudian mengotimalkan ukurannya, ruang, dan lapisan pada nanopartikel untuk menciptakan material komposit yang sangat sensitif terhadap bidang magnet.

Sedangkan tim mendeteksi rotasi polarisasi menggunakan interferometer optik. Cara kerjanya dengan memisahkan pancaran sinar laser ke dua jalur, yang pertama melewati material yang sangat sensitif dan dan yang satunya tidak. Polarisasi dari kedua jalur cahaya ini dideteksi dan dibandingkan dengan fluktuasi pengukuran pada tiap bidang magnet terkecil.

Saat mendeteksi bidang magnet terlemah, kebisingan dapat menutupi sinyal yang terdeteksi. Untuk mengantisipasinya, tim mengatur inferometer agar dapat menghilangkan efek dari lingkungan sekitar seperti getaran dan fluktuasi suhu udara. Pengaturan ini menjaga tingkat suara pada batas teoritis desain optik, yang merupakan kunci untuk mendeteksi bidang magnet yang sangat lemah.

Tim menggunakan sensor untuk mengukur bidang magnet yang dihasilkan denyut elektrik dari denyut jantung manusia. Sensor kemudian akan mendeteksi sinyal magnetik yang jelas dengan kontras tinggi, membuktikan potensi teknologi sebagai pengganti elektrokardiografi, atau ECG, sistem pengujian yang umum digunakan untuk mendeteksi masalah jantung.

Tim peneliti selanjutnya berencana mempelajari stabilitas jangka panjang dan ketahanannya terhadap perubahan lingkungan. Mereka juga akan merakit ratusan sensor lain untuk mengevaluasi dan mencitrakan seluruh bidang magnet dalam otak manusia.