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Capítulo 4
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4.1 Reflexión inicial En las últimas dos décadas se han hecho enormes esfuerzos para desarrollar un
sensor óptico de pH capaz de ofrecer resultados in vivo suficientemente
satisfactorios como para sustituir por completo la utilización del tradicional
electrodo de vidrio, respecto al que presenta, en teoría, grandes ventajas.
En las publicaciones científicas se pueden encontrar varias vías de investigación y
una gran cantidad de diseños pero, lamentablemente, ninguna de las soluciones
propuestas hasta la fecha ha conseguido desterrar por completo al bien
establecido electrodo de vidrio.
Para el investigador que desea iniciarse en este campo puede resultar abrumadora
la increíble variedad de intentos de desarrollar el sensor óptico definitivo que han
existido. Numerosos autores han publicado su prototipo propio y los resultados de
una serie de pruebas, tras lo cual han seguido trabajando en mejorar este diseño
inicial. Para ilustrar esta situación se realiza, en el siguiente apartado, un recorrido
por los diferentes trabajos del físico investigador italiano Francesco Baldini. El
análisis de los diseños puede servir como fuente de inspiración para desarrollar un
diseño propio a partir del que poder empezar a trabajar experimentalmente.
Antes de presentar los diseños de este autor es necesario apuntar que la línea de
investigación que desarrolla es ligeramente diferente a la descrita en este
proyecto, o sea, la medida de pH mediante la absorción de campo evanescente (se
modifica una determinada longitud de la corteza de la fibra para interactuar con el
medio). En los diseños de Baldini se coloca el indicador en un soporte al final de la
fibra seguido de un elemento reflectante, este indicador varía su absorbancia en
función del valor de pH del medio, se ilumina con una señal conocida y se recoge la
luz reflejada en una fibra distinta para ser conducida hasta el fotodetector.
Esta diferencia, sin embargo, no resta interés al análisis de estos diseños previos
puesto que, aún siendo distinto el mecanismo de medida, está estrechamente
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ligado con el mecanismo de interés en este proyecto, aportando por tanto, valiosa
información en cuanto a la elección del indicador, el método de deposición, los
elementos optoelectrónicos empleados, etc.
4.1.1 Diseños previos (Baldini et al.)
4.1.1.1 Primer sensor (1993) En esta fecha se presenta el sensor (patentado en 1990) de la figura 10 [Baldini,
1993]. Se inmoviliza al final de la fibra un indicador que cambia sus propiedades
ópticas en función del valor de pH. Para inmovilizar el colorante se utiliza una
matriz porosa (CPG) y un procedimiento químico de sililación (introducción de un
grupo sililo en la molécula [Cromlab]).
Figura 10: Diseño del sensor de Baldini et al. de 1993 [Baldini, 1990]
Una fibra ilumina el colorante y otra fibra, en el mismo catéter, recoge la radiación
modificada que se refleja en un espejo colocado en el extremo del sensor. El
material sensible está rodeado por un capilar de acero inoxidable perforado que
permite al líquido bañar la matriz porosa, interactuando con el colorante.
Puntos a remarcar:
Solo se realizan medidas in vitro
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Se realizan pruebas con los indicadores siguientes: azul de bromofenol (BPB:
Bromophenol Blue), púrpura de bromocresol (BCP: Bromocresol Purple), azul de
timol (TB: Thymol Blue) y azul de xilenol (XB: Xylenol Blue). Se concluye que el
thymol blue es el colorante más indicado para cubrir el rango de interés en pH
gástrico (limitando este rango entre 1 y 6).
Inmovilizando los colorantes mediante el procedimiento de sililación en un
CPG se observa un desplazamiento en longitud de onda del pico de absorción y
un aumento del rango de pH medible respecto a los valores que se obtienen al
disolver los indicadores en agua. El procedimiento de sililación también reduce
la degradación del indicador.
4.1.1.2 Segundo sensor (1995)
Fue uno de los primeros sensores de pH in vivo para medidas gastroesofágicas. Era
capaz de detectar un rango de pH entre 1 y 8 utilizando dos indicadores diferentes,
bromophenol blue y thymol blue, unidos covalentemente en vidrios de poro
controlado (CPG) y fijados en fibras de plástico de 0,5 mm de diámetro de núcleo.
En el extremo del sensor se sujeta un reflector de teflón mediante cable de acero.
Con este diseño se usaba menor cantidad de material sensible, lo que favorece la
biocompatibilidad. Se constató cierta degradación en el colorante TB y ninguna
degradación en BPB [Baldini, 1995].
Figura 11: Diseño del sensor de Baldini et al. de 1995 [Baldini, 1995]
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La unidad optomecánica del sensor consistía en dos canales para la detección del
pH en dos rangos diferentes: entre 1 y 3,5 y entre 3,5 y 8 unidades de pH. Cada
canal usaba dos diodos emisores de luz (LEDs: Light Emitting Diodes) como fuente
(uno para la señal y otro para la referencia) y un fotodiodo simple como receptor.
Las señales procedentes del sensor se amplificaban y procesaban por un
microprocesador interno. Los LEDs para los dos rangos de pH (pH 1‐3,5 y pH 3,5‐
8) fueron elegidos teniendo en cuenta las diferencias en las propiedades ópticas
que poseen los indicadores: BPB y TB. Para el canal 1 se utiliza TB como indicador
y los dos LEDs se caracterizan por una emisión centrada en 565 y 830 nm para la
señal y para la referencia respectivamente. En el canal 2 (rango de pH entre 3,5 y
8) se utiliza BPB como indicador y los dos LEDs centran su emisión en 605 y 830
nm para la señal y la referencia respectivamente.
Se realizaron pruebas in vitro y también medidas in vivo. Para estas últimas se
contó con la colaboración de diferentes pacientes y los resultados se compararon
con otra medida simultánea que usaba un electrodo de vidrio para medir el pH. Los
dos sensores se montaron en el mismo catéter y se introdujeron por el mismo
orificio de la nariz hasta el esófago. Los extremos de las sondas se fijaron juntos
para colocarlas exactamente en la misma posición.
La precisión de las medidas in vitro fue de 0,05 unidades de pH, mientras que en
las medidas in vivo los resultados no fueron lo suficientemente satisfactorios ya
que se encontraron variaciones de varias décimas entre la medida del sensor de
fibra óptica y el sensor basado en electrodo de vidrio usado como referencia
[Baldini, 1996].
4.1.1.3 Tercer sensor (2000)
Más tarde se modificó el diseño anterior depositando el colorante sobre el espejo,
en lugar de al final de las fibras y, lo que es más importante, se consiguió cubrir
todo el rango de pH de interés (1 a 8) con un solo indicador: methyl red. Gracias a
este hecho se usan tan solo 2 fibras en lugar de 4, lo que simplifica mucho el
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montaje. También es de remarcar que con este diseño se podría sustituir el cable
de acero y el reflector plástico con el indicador en caso de necesidad, sin afectar a
las demás partes del sensor [Baldini, 2000].
Figura 12: Diseño del sensor de Baldini et al. de 2000 [Baldini, 2000]
Sin embargo, este dispositivo no fue probado en pacientes, sino que únicamente se
han llevado a cabo una serie de ensayos de laboratorio. El propio autor se refiere a
este diseño en un trabajo posterior para decir que no cumple los requisitos
técnicos ni de biocompatibilidad [Baldini, 2003].
4.1.1.4 Cuarto sensor (2011)
En 2011, presentan otra configuración más (patente de diciembre de 2010 que no
ha sido hecha pública a fecha de la finalización de este proyecto). En esta ocasión el
diseño es totalmente distinto. Se cortan a bisel dos fibras de plástico como se
muestra en la figura 13, de manera que la luz enviada por una de ellas se refleja
totalmente y vuelve por la otra para ser analizada por un espectrofotómetro. El
colorante (methyl red) se ha depositado sobre los extremos de las fibras (usando
CPGs) para modificar las propiedades ópticas de la luz en función del valor del pH.
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Figura 13: Diseño del sensor de Baldini et al. de 2011 [Baldini, 2011]
Solo se realizaron pruebas in vitro, consiguiéndose un amplio rango de pH (1 a 8)
y una respuesta temporal bastante rápida, del orden de los 10 segundos. Sin
embargo el nivel de precisión sigue estando por debajo de lo requerido [Baldini,
2011].
4.1.2 Finalizando la reflexión inicial Tras recorrer los diferentes trabajos de Baldini et al., que empezaron a presentarse
nada menos que hace 20 años, cabe preguntarse: ¿Hay que esperar a tener un
“diseño teórico perfecto” para construir un prototipo y realizar pruebas? La
respuesta que se da en este proyecto a esta pregunta es: Obviamente no.
Un prototipo rudimentario que no alcanza los requisitos de diseño pero que
permite realizar las primeras pruebas de laboratorio tiene un gran valor, puesto
que de la experimentación realizada se obtendrá información con la que
perfeccionar el diseño y construir un nuevo prototipo.
Tal y como se citó en la introducción, Vaughn Koen dice que el método del
ingeniero consiste en “producir el mejor cambio en una situación, dado un
conocimiento incompleto y unos recursos limitados”. Podemos decir que ese
“mejor cambio” es el primer prototipo y que el segundo prototipo será mejor que
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el primero gracias a que el conocimiento previo del problema será mayor. Esto es
lo que se conoce como realimentación.
Después de esta reflexión estamos en disposición de proponer un diseño teórico
para un sensor de pH mediante fibra óptica. En concreto vamos a utilizar la técnica
de medida basada en el campo evanescente, es decir, en la que se modifica la
corteza en un tramo de fibra para albergar el indicador. La razón fundamental de la
elección de esta técnica es que permite la utilización de una sola fibra para efectuar
la medida, lo que da lugar a un montaje sencillo y a la mínima incomodidad para el
paciente.
Para diseñar nuestro sensor vamos a tratar de favorecer la penetración de la onda
evanescente en la corteza mediante uno de los mecanismos que se describen en el
siguiente apartado.
4.2 Métodos para favorecer el campo evanescente
Una vez descritos algunos trabajos que basan la medida de pH en la interacción de
la luz con un indicador sensible y habiendo profundizado en el capítulo anterior la
técnica que mide pH mediante la absorción de la onda evanescente, se dirigen
ahora los esfuerzos a buscar una solución basada en esta línea de investigación que
aporte algunas ventajas respecto a los sensores ya descritos. En primer lugar,
analicemos qué mecanismos se pueden poner en práctica para favorecer la
penetración de esta onda evanescente en el volumen en el que se encuentra el
indicador. En la literatura se pueden encontrar algunos ejemplos de diferentes
configuraciones físicas que persiguen este fin.
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4.2.1 Fibra afilada
Una opción [Golden][Gupta, 1994] es modificar la forma del núcleo de manera que
se favorezca una incidencia más perpendicular de los rayos en la interfaz núcleo‐
corteza, lo que conlleva una mayor energía transmitida al exterior del núcleo en
forma de onda evanescente como se muestra en la figura 14.
Figura 14: Fibra afilada [Golden]
Como ya se explicó en el apartado 3.2.3, una incidencia más perpendicular de los
rayos sobre la interfaz (siempre por encima del ángulo crítico) aumentará la
presencia de onda evanescente en la corteza.
Un trabajo digno de mención es el de Grant et al. [Grant, 2001] que presenta un
sensor del pH para tejido cerebral en el que se afila el final de la fibra con la
intención de favorecer el campo evanescente y también para acentuar la reflexión
(ver apartado 4.3.3). La técnica de deposición empleada en este trabajo es la ya
descrita técnica Sol‐Gel.
4.2.2 Fibra doblada Otros autores [Gupta, 2002][Nath][Surre] han apuntado la posibilidad de doblar la
fibra para favorecer, también mediante una incidencia más perpendicular de los
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rayos, la penetración de la onda evanescente. En la figura 15 se muestra la llamada
fibra en forma de U (Ushaped fibre o Ubend fibre).
Figura 15: Fibra en forma de U [Nath]
4.2 Diseño propuesto
La solución que se propone en este documento pretende explotar el fenómeno
observado al curvar la fibra mediante el diseño mostrado en la siguiente página. La
parte sensible del sensor es la región de la fibra modificada mediante la deposición
del indicador, que da vueltas en torno a un eje, favoreciendo la penetración de la
onda evanescente e incrementándose la interacción entre analito y reactivo (los
iones de hidrógeno y el indicador sensible). Se emplea una fibra de plástico debido
a su flexibilidad.
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Como puede observarse, la fibra de plástico es conducida por el interior de un
catéter para salir al exterior a través de un orificio y así exponer al medio su
superficie sensible al pH. Tras dar algunas vueltas en torno al catéter vuelve al
interior a través de otro orificio e incide perpendicularmente en un espejo
adherido al final de la fibra (también se puede modificar el final de la fibra para
que sea reflectante). La luz reflejada en el espejo hace el camino inverso por la
fibra interactuando una vez más con el medio al volver a atravesar la parte
sensible de la misma, incrementándose así la información obtenida en la medida.
Se trata de un diseño meramente teórico. Con toda seguridad serán necesarias
sucesivas modificaciones a medida que se vayan presentando dificultades tanto en
su realización física como en la adquisición de las medidas.
4.3 Puntos a analizar de cara a la construcción del dispositivo Como se ha dicho en el apartado anterior, el diseño propuesto es meramente
teórico y será necesario un concienzudo análisis antes de estar en disposición de
construir el dispositivo. Este análisis detallado, que excede el alcance de este
proyecto, debe ser realizado por un ingeniero químico preferentemente, o por otro
ingeniero que pueda obtener apoyo por parte de un químico. Se exponen a
continuación algunos puntos a tener en cuenta.
4.3.1 Elección del indicador y del método de deposición
El rango a cubrir es de 8 unidades de pH, lo que resulta difícil de conseguir con un
solo indicador, ya que suele ser capaz de medir únicamente un rango de 2 a 3
unidades. Este problema se ha tratado de resolver de dos formas diferentes:
utilizando una mezcla de indicadores o mediante varios optodos ensamblados cada
uno con un indicador diferente y utilizando la misma unidad optoelectrónica. Las
dos soluciones han resultado ser insatisfactorias. Para mezclar indicadores es
necesario que estos posean propiedades espectrales similares si se pretende usar
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un arreglo óptico sencillo, pero en cualquier caso se necesitaría un algoritmo de
calibración muy complicado para obtener la relación entre absorbancia y valor de
pH. La otra opción, el ensamblaje de varios optodos, da lugar a un enlace óptico
menos manejable y compacto que el que se precisa para una inserción por vía
nasogástrica [Baldini, 2011].
No obstante la experimentación ha demostrado que el rango de pH que los
indicadores son capaces de medir puede ampliarse bastante en función del método
escogido para su inmovilización [Gupta, 1997]. Se debe escoger un método de
inmovilización y un indicador que ofrezca buenos resultados con ese método
concreto en función de las limitaciones de instrumentación disponible. El
indicador methyl red inmovilizado en vidrios de poro controlado parece ofrecer un
amplio rango de medida según los trabajos de Baldini et al. descritos en el
apartado 4.1.1.
También es de remarcar que el interés de la medida gastroesofágica de pH reside
en poder determinar si el reflujo en cuestión es de carácter ácido (pH < 4) o
débilmente ácido (pH ≥ 4). Este umbral se debe a que la mayor parte de los
síntomas debidos a la ERGE sólo se detectan en los episodios de reflujo ácido
[Dolder]. Esto podría relajar un poco el requisito del rango de pH medible.
4.3.2 Estudio de la biocompatibilidad
Los materiales a emplear en la construcción del sensor deben ser escogidos
cuidadosamente para poder trabajar en un entorno muy agresivo (jugo gástrico)
durante largos periodos de tiempo (24 horas) y a su vez deben satisfacer todos los
requisitos de biocompatibilidad. Grandes esfuerzos se han llevado a cabo en temas
de biocompatibilidad en los estudios del sensor óptico de pH en sangre para
medidas intravasculares. Sin embargo este tipo de sensores no pueden aguantar
las condiciones del entorno que nos ocupa [Baldini, 2003]. Como ya se apuntó en el
apartado 3.4.1 se deben respetar las normas ISO 10993 [Medisil] y la norma IEC
60601 [MedEco] entre otras.
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4.3.3 Diseño del elemento reflector
En el extremo de la fibra debe reflejarse la onda para volver hacia la posición del
emisor donde también se encuentra el receptor y así poder analizar las
modificaciones sufridas.
En el trabajo de Pabrita Nath [Nath], que utiliza la fibra en forma de U se muestra
un ejemplo sencillo de reflector. Se prepara el extremo con un pulido de alta
precisión hasta darle la forma que se muestra en la figura 17. Debido a las
diferencias de índice de refracción entre la superficie final de la fibra y el medio
exterior se consigue la reflexión total buscada.
Figura 17: Reflexión total al final de la fibra [Nath]
Ya se ha apuntado la utilización de este reflector en el trabajo de Grant et al. [Grant,
2001] y algo similar pero utilizando dos fibras en el trabajo de Baldini et al.
[Baldini, 2011].
4.3.4 Análisis de la señal
La sonda es interrogada en reflectancia, lo que quiere decir que con un emisor se
envía por la fibra una señal de características bien conocidas y se analiza la onda
que vuelve por la misma fibra. Puesto que las variaciones de pH dan lugar a
variaciones de la onda evanescente, que equivale a pérdidas de energía mayores o
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menores, se podría pensar en principio que el aparato idóneo sería un reflector
óptico en el dominio del tiempo (OTDR: Optical TimeDomain Reflectometer). Sin
embargo, se ha observado que los indicadores no sólo varían su capacidad de
absorción, sino que modifican las propiedades espectrales de la radiación reflejada
y, por tanto, se hace pertinente la utilización de un analizador de espectros óptico
(OSA: Optical Spectrum Analyzer) en recepción.
4.3.5 Disoluciones patrón
Es necesario disponer de líquidos de diferentes valores de pH para realizar
medidas. El procedimiento más habitual que puede encontrarse en la literatura es
el de añadir HCl en agua para disminuir su pH y NaOH para aumentarlo [Surre]. Es
necesario valerse también de un sensor de pH comercial para conocer el pH de la
disolución de prueba.
4.3.6 Simulación por ordenador
Mediante algún software de análisis matemático como Matlab pueden realizarse
numerosos experimentos antes de pasar a la construcción del prototipo, para lo
que se precisa un desembolso económico. El capítulo final de esta memoria se
dedica a esta labor, analizando la influencia de la longitud de onda de trabajo o el
diámetro del núcleo en la potencia del campo evanescente.
4.4 Conclusión del capítulo La motivación de la propuesta de diseño es la constatación de que hasta la fecha no
se ha logrado un sensor óptico totalmente satisfactorio a pesar de la enorme
cantidad de configuraciones propuestas. Muchos autores han conseguido mejorar
ciertas características trabajando con su diseño propio, variándolo a lo largo de los
años. La solución que se propone en este documento no pretende convertirse tal
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cual en esa solución “perfecta” pero sí que nos permitirá enfrentarnos de primera
mano a los problemas para poder darles una respuesta diferente.
Esperamos que, el sensor así diseñado, se convierta en un futuro en el punto de
partida de la siguiente etapa del trabajo de investigación, en la que se haga uso de
la experimentación de laboratorio y que, por falta de tiempo, no ha podido
acometerse antes de la finalización del presente proyecto.
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