Fiber optic sensors based on laser-induced graphene for potential application in aquaculture

Abstract

Cortisol and ammonia are key indicators for the efficient and healthy development of aquaculture cultures. With this in mind, this work proposes the application of a laser-induced graphene (LIG) based sensor for the potential quantification and monitoring of cortisol and ammonia in aquaculture waters. The developed sensors were created from the Fabry-Pérot cavity principle. The cavities were filled with polyimide and in some cases mixed with gold nanoparticles. The interferometers were tested for strain, temperature, and refractive index, being observed an increase in the sensitivity to the refractive index due to the addition of the nanoparticles. The next step was to evaluate the best laser parameters to create a layer of LIG around the interferometers. It was observed that for a power of 10% and an inscription speed of 100 mm/s, the formed LIG was quite porous, homogeneous, and had a leafy texture. Using a pulsed CO₂ laser, the polyimide was then irradiated and transformed into LIG, creating a second cavity within the interferometer. Due to this, the spectral response of the interferometers resembled the Vernier effect. The refractive index behavior was again evaluated, showing improvements in sensitivity up to 153 times due to the creation of the LIG cavity. The interferometers were then functionalized to achieve an affinity to cortisol, this being a novel approach, obtaining sensitivities of -4.1±0.2 nm/log(ng/mL) and -34±5 nm/log(ng/mL) for two interferometers without and with gold nanoparticles mixed into the polyimide, respectively. The increased sensitivity in these interferometers is justified by the presence of these gold nanoparticles in the polyimide. It was also possible to observe that the sensors are immune to interference from substances such as glucose, sucrose, fructose, and ascorbic acid. Regarding ammonia arrest, sensitivities of -80±10 nm/ppm were obtained for sensors where oxazine 170 perchlorate was mixed in the polyimide.

O cortisol e amonia são indicadores chave para o desenvolvimento eficiente e saudável de culturas para a aquacultura. Tendo isto em vista, este trabalho propõe a aplicação de um sensor baseado em grafeno induzido por laser (LIG) para a potencial quantificação e monitorização de cortisol e amonia em águas de aquacultura. Os sensores desenvolvidos foram criados a partir do princípio da cavidade de Fabry-Pérot. As cavidades foram preenchidas com poliimida e em alguns casos foi lhes misturadas nano partículas de ouro. Os interferómetros foram testados ao estiramento, temperatura e índice de refração, observando-se um aumento da sensibilidade ao índice de refração devido à adição das nanoparticulas. O próximo passo, passou por avaliar os melhores parâmetros do laser para criar uma camada de LIG à volta dos interferómetros. Observou-se que para uma potência de 10% e uma velocidade de inscrição de 100 mm/s, o LIG formado apresentava bastante porosidade, era bastante homogéneo e tinha uma textura folhosa. Com recurso a um laser de CO₂ pulsado, a poliimida foi então irradiada e transformada em LIG, criando uma segunda cavidade dentro do interferómetro. Devido a isto, a resposta espetral dos interferómetros assemelhou-se ao efeito de Vernier. O comportamento ao índice de refração foi novamente avaliado, mostrando melhorias na sensibilidade até 153 vezes devido à criação da cavidade de LIG. Os interferómetros foram então funcionalizados para terem uma afinidade ao cortisol, sendo que esta é uma abordagem inovadora, obtendo sensibilidades de -4.1±0.2 nm/log(ng/mL) e -34±5 nm/log(ng/mL) para dois interferómetros sem e com nano partículas de ouro misturadas na poliimida, respetivamente. O aumento da sensibilidade nestes interferómetros é justificada com a presença destas nano partículas de ouro na poliimida. Foi também possível observar que os sensores são imunes à interferência de substâncias como a glucose, sacarose, frutose e ácido ascórbico. No que toca à detenção de amónia, obtiveram-se sensibilidades de -80±10 nm/ppm para sensores onde foi misturada oxazina 170 perclorato na poliimida.