ES2240991T3 - Sensor optico fluorescente. - Google Patents
Sensor optico fluorescente.Info
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Abstract
SE PRESENTA UN SENSOR FLUORESCENTE (10) PARA DETECTAR LA PRESENCIA DE UNA CANTIDAD DE ANALIZADO. EL SENSOR FLUORESCENTE TIENE UN FOTODETECTOR (12), UN FILTRO DE PASO ALTO (14) SITUADO JUNTO AL FOTODETECTOR, Y UNA CAPA DE VIDRIO (80) ADYACENTE AL FILTRO DE PASO ALTO (14). UNA CAPA INDICADORA (18) SE HALLA SITUADA EN POSICION ADYACENTE A LA CAPA DE VIDRIO (80) Y UN DIODO FOTOEMISOR (20) ESTA EMBEBIDO EN LA CAPA INDICADORA. LA CAPA INDICADORA TIENE MOLECULAS INDICADORAS QUE SUMINISTRAN UNA EMISION FLUORESCENTE COMO RESULTADO DE LA LUZ PROCEDENTE DEL DIODO FOTOEMISOR (20). LA CAPA INDICADORA (18) TAMBIEN PERMITE QUE UN ANALIZADO SE DIFUNDA EN ELLA Y LA PRESENCIA DEL ANALIZADO REDUCE LA CANTIDAD DE LUZ EMITIDA POR LAS MOLECULAS INDICADORAS Y QUE ATRAVIESA DE LA CAPA DE VIDRIO (80) Y DEL FILTRO DE PASO ALTO (14) E INCIDE SOBRE EL FOTODETECTOR (12). COMO LA CANTIDAD DE CORRIENTE DEL FOTODETECTOR (12) DEPENDE DE LA LUZ INCIDENTE, ESTO SE UTILIZA PARA DETECTAR LA PRESENCIA Y CANTIDAD DE ANALIZADO. EN UNA REALIZACION TAMBIEN ESTA PRESENTE UNA GUIA DE ONDAS.
Description
Sensor óptico fluorescente.
La fluorescencia es un fenómeno fotoquímico en el
que un fotón de una longitud de onda lumínica específica (longitud
de onda de excitación) choca con una molécula indicadora, excitando
de ese modo un electrón a un estado superior de energía como
consecuencia de la colisión. Cuando este electrón "excitado"
vuelve a su estado fundamental original, se libera otro fotón de
luz a una longitud de onda mayor (longitud de onda de emisión).
Las moléculas indicadoras son específicas en sus
longitudes de onda de emisión y excitación. La emisión fluorescente
de una molécula indicadora puede atenuarse o aumentarse por la
presencia local de la molécula que se analiza. Por ejemplo, una
molécula de perclorato de
tris(4,7difenil-1,10-fenantrolin)rutenio
(II) particular para detectar oxígeno se excita por iluminación de
la sustancia a 460 nm (azul). La emisión fluorescente de las
moléculas se produce de inmediato a 620 nm
(naranja-rojo). Sin embargo, la emisión se inactiva
por la presencia local del oxígeno que interacciona con la molécula
indicadora, lo que provoca que la intensidad de la fluorescencia se
relacione con la concentración de oxígeno en el ambiente. En
consecuencia, cuanto más oxígeno esté presente, menor intensidad de
la emisión y viceversa y cuando cero o nada de oxígeno esté
presente, se presenta la máxima intensidad de fluorescencia de la
luz emitida.
Estas técnicas analíticas que usan moléculas
fluorescentes como indicadores se han usado clásicamente en
espectrofotómetros de fluorescencia. Estos instrumentos están
diseñados para medir la intensidad de fluorescencia y también el
tiempo de extinción de la fluorescencia. Estos dispositivos cuestan
típicamente de 20.000 a 50.000 dólares y generalmente se usan en
laboratorios de investigación.
Un segundo área del estado de la técnica en
sensores de fluorescencia es en dispositivos de fibra óptica. Estos
dispositivos sensores permiten la miniaturización y la detección
remota de analitos específicos. La molécula indicadora fluorescente
se inmoviliza mediante medios mecánicos o químicos a un extremo de
la fibra óptica. En el extremo contrario de la fibra se une un
acoplador de fibra (fibra en forma de Y) o un divisor de haz.
La luz de excitación incidente se acopla a una
rama de la fibra típicamente mediante un filtro y una lente. La luz
de excitación se transporta mediante la fibra al extremo distal
donde la molécula indicadora fluorescente se fija a la punta. Tras
la excitación, la molécula indicadora irradia uniformemente la luz
fluorescente, parte de la cual se recupera por la punta de la fibra
y se propaga de vuelta a lo largo de la fibra hacia la unión Y o
"acoplador". En la unión, una porción sustancial (típicamente
la mitad) de la fluorescencia se lleva de vuelta al emisor o punto
de origen, no estando disponible por tanto para la detección de la
señal. Para contrarrestar las ineficiencias del sistema, a menudo
se usan láseres para elevar la potencia de entrada y se usan tubos
fotomultiplicadores altamente sensibles como detectores, aumentando
así los costes en miles de dólares. La otra mitad viaja hacia el
detector a lo largo de la otra rama de la Y y se registra. Una
desventaja principal del sistema son las pérdidas que ocurren en
cada unión de la fibra y mediante lentes y filtros. El sistema es
eficiente del 1-5% como máximo con pérdida
resultante en sensibilidad y alcance. Estos dispositivos se han
demostrado en laboratorio y están disponibles comercialmente muy
recientemente, para aplicaciones muy limitadas. Estos dispositivos
difieren de los espectrofotómetros de fluorescencia previamente
mencionados en que están dedicados a su aplicación específica.
El documento
EP-A-0534670 describe un sensor que
comprende una estructura de material semiconductor que se acomoda a
un elemento emisor de luz y a un elemento detector de luz; y a un
medio de fibra óptica formado in situ sobre la estructura,
acoplado ópticamente en relación a los elementos para conducir luz
desde el elemento emisor de luz al elemento detector de luz para
proporcionar una señal eléctrica que corresponde a la luz
transmitida, teniendo los medios de fibra óptica al menos una
porción que responde a la presencia de una especie biológica o
química concreta para cambiar la transmisión de luz por los medios
de fibra la óptica de modo que la señal eléctrica indica la
presencia de las especies.
La Patente de EE.UU. Nº 4.846.548 describe un
elemento de fibra óptica usado para detectar la presencia de
especies biológicas o químicas mediante la medición de los cambios
en las características de reflexión interna totales del elemento,
producidos por los cambios en el índice de refracción de un
revestimiento o capa de un material que reacciona con las especies
biológicas o químicas.
El documento
EP-A-0263805 describe un elemento
para detectar determinadas concentraciones de material en muestras
líquidas y gaseosas con una capa portadora y una capa de indicación
con al menos una sustancia de indicación, al menos una
característica de la sustancia de indicación varía por la
interacción con el material a ensayo de acuerdo con su
concentración, caracterizado porque al menos un elemento
fotosensible y su colocación de los contactos eléctricos están
presentes en el diseño planar en la capa portadora, porque la capa
de indicación que contiene la sustancia indicadora toma la forma de
una guía de onda por la radiación de excitación, la radiación de
excitación es capaz de acoplarse a la capa indicadora por medio de
un elemento óptico, y porque la sustancia indicadora excitada por la
radiación de excitación está en contacto óptico con o cada elemento
fotosensible.
El documento
EP-A-0489347 se refiere a sensores
fisiológicos que utilizan fibras ópticas y son capaces de medir una
pluralidad de analitos del suero. El sensor fisiológico comprende
una región de muestra para contener una muestra que incluye uno o
más grupos de analitos que se han de determinar, incluyendo cada
grupo de analitos uno o más analitos que se han de determinar,
medios para acoplar la energía de entrada a dicha región de muestra,
medios para acoplar la energía de entrada desde dicha muestra a un
detector, medios para provocar que al menos parte de dicha energía
de entrada se acople como energía de retorno a dichos medios para
acoplar la energía de salida después de pasar a través de dicha
muestra, siendo indicativa la cantidad de dicha energía de retorno
del primer grupo de analitos, medios para provocar la fluorescencia
en respuesta a al menos parte de dicha energía de entrada como una
función de uno o más analitos de un segundo grupo de analitos dentro
de dicha región de muestra, y medios para acoplar dicha energía de
fluorescencia en dichos medios para acoplar la energía de salida a
dicho detector.
El documento
US-A-4.755.667 se refiere a un
sensor tipo de fluorescencia para su uso en la determinación de las
concentraciones de sustancias contenidas en muestras líquidas y
gaseosas. El sensor incluye una capa portadora y una capa indicadora
que contiene una o más sustancias indicadoras, cuyas propiedades
ópticas cambian dependiendo de la concentración de las sustancias
que se han de medir. La capa portadora se proporciona con al menos
un elemento fotosensible con contactos eléctricos en disposición
plana y la capa indicadora actúa como una guía de onda para la
radiación de excitación acoplada en ella por un elemento óptico.
En vista de lo anterior, se hace fácilmente
evidente que existen limitaciones concretas asociadas con tales
dispositivos de fluorescencia de la técnica anterior que incluyen
ineficiencia en el coste y limitaciones relaciones con el uso.
Además, tales dispositivos de fluorescencia de la técnica anterior
son complejos, con muchas piezas separadas y son voluminosos.
La invención supera estos problemas asociados a
los dispositivos de fluorescencia anteriores y proporciona un
dispositivo de fluorescencia con costes y complejidad muy reducidas
así como eficiencia muy mejorada. Esta invención proporciona una
nueva plataforma que extiende enormemente el uso de moléculas
indicadoras fluorescentes como sensor que permite una utilización,
sensibilidad y análisis de coste no disponibles anteriormente. La
invención también ha aumentado los usos y es más fácil de usar así
como es más fiable que los dispositivos de fluorescencia de la
técnica anterior.
Esta invención se refiere a los dispositivos de
fluorescencia y más en particular a sensores de fluorescencia.
Por consiguiente, es un objeto de la invención
proporcionar un sensor de fluorescencia mejorado.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia altamente eficiente.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia con una eficiencia óptica mejorada.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que tenga una sensibilidad incrementada.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que tenga pocas piezas.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que sea fácil de fabricar.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que tenga unos costes de fabricación muy
reducidos.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que se fabrique con técnicas de fabricación
estándares.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que sea fácil de emsamblar.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que sea de bajo coste.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que tenga un número de usos
incrementado.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que pueda usarse en entornos arduos.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que tenga una tolerancia térmica
incrementada.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que esté miniaturizado.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia de volumen reducido.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que proporcione un incremento de la
funcionalidad con volumen reducido.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia con una densidad funcional incrementada.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que sea muy adecuado para el uso en lugares
donde el volumen disponible es limitado.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que sea muy adecuado para el uso en una
variedad de situaciones difíciles.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que incluya un elemento emisor que se embebe
dentro de un elemento químicamente activo.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que incluya un elemento emisor que se embebe
dentro de un polímero (orgánico o inorgánico) dentro del cual se
inmoviliza la molécula indicadora.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que pueda usarse como una plataforma para
moléculas indicadoras fluorescentes, luminiscentes, fosforescentes,
absorbentes o de diferencia refractiva inmovilizadas en o dentro
del polímero en el que se embebe el emisor.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia con un emisor embebido mediante el cual la
técnica de consulta de la molécula indicadora es mediante
emisión/excitación directa, excitación evanescente, o excitación de
tipo resonancia en plasmón de superficie o excitación indirecta
mediante una molécula fluorescente secundaria.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia donde el elemento de emisión que se embebe
es integral con filtros ópticos de paso alto y de paso bajo.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que tenga un elemento de detección óptico
integral o diodo.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que esté construido en un módulo de una
pieza sustancialmente sobre un único chip o paquete integral.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia en el que todo el procesamiento óptico esté
contenido dentro del componente integral y sólo los cables de la
señal y alimentación entran y salen del dispositivo o unidad
activa.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia donde el emisor encerrado es una pastilla de
un diodo de emisión de luz (LED) para proporcionar una emisión
radial óptima de la radiación de excitación de la fuente.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia donde el eje principal de la radiación de
excitación de un diodo de emisión de luz es perpendicular al eje
principal de la fotodetección de la emisión del fotodetector.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que elimine la necesidad de las fibras
ópticas.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia con una estructura unitaria donde toda la
radiación de la fuente de luz se libera inicialmente y se propaga a
través de la capa indicadora, bien dentro de la capa o bien
inmovilizada a la superficie de la capa.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que se pueda usar en el análisis de estados
líquidos o gaseosos.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que se pueda usar integrado con su
electrónica de procesamiento de la señal o como dispositivo
remoto.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia donde el espesor de la capa indicadora o
membrana se controla vertiendo los contenidos formulados por
gravedad o presión alrededor de la pastilla emisora.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia donde el espesor de la capa indicadora está
limitada ópticamente sólo por el espesor de la unión P/N de emisión
radial.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que tenga un filtro de paso bajo que es un
revestimiento o película.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que tenga un filtro de paso alto que es un
revestimiento, una película o una oblea.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que puede usarse para una multitud de
analitos por la inmovilización de una molécula indicadora específica
en o dentro de la capa indicadora del sensor y la calibración de la
electrónica del proceso de la señal.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia cuya electrónica de procesamiento de la
señal puede incluir procedimientos de interpretación de datos de la
intensidad relativa, intensidad, vida útil o modulación de
fase.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que pueda tener cualquier longitud de onda
de emisión y cualquier longitud de onda de detección.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia donde los filtros de paso alto y bajo pueden
ser de cualquier perfil adecuado de entrada/exclusión adecuado a las
moléculas indicadoras elegidas.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia donde el sensor es un sensor de estado
sólido.
Es un objeto de la invención proporcionar un
sensor de fluorescencia que se diseña para extremos de temperatura,
presión y condiciones ambientales.
Según una forma de realización, la presente
invención proporciona un sensor de fluorescencia para detectar un
analito, comprendiendo el sensor una capa fotodetectora para generar
una señal eléctrica como consecuencia de exponerse a la luz
incidente, una capa indicadora para proporcionar una emisión
fluorescente como consecuencia de la luz de excitación, y medios de
emisión de luz para emitir luz de excitación, en los que la capa
indicadora comprende un material que permite al analito difundirse
en el mismo y que tiene moléculas indicadoras emisoras de luz
específicas para el analito, de modo que las moléculas indicadoras
interaccionan con el analito para alterar la cantidad de luz
incidente sobre la capa fotodetectora desde la luz emitida desde
las moléculas indica-
doras;
doras;
caracterizado porque:
(i) la capa fotodetectora, la capa indicadora y
los medios de emisión de luz están todos localizados en una
estructura unitaria miniaturizada;
(ii) al menos una porción de los medios de
emisión de luz se localizan dentro de la capa indicadora, y en la
que la luz de excitación de los medios de emisión de luz se libera
inicialmente y se propaga a través de la capa indicadora; y
(iii) la capa fotodetectora y los medios de
emisión de luz tienen respectivamente un eje principal de detección
o emisión de luz, localizándose la capa fotodetectora y los medios
de emisión de luz de manera que el eje principal de emisión de luz
desde los medios de emisión de luz es sustancialmente perpendicular
al eje principal de detección de luz desde la capa
fotodetectora.
Según otra forma de realización, la presente
invención proporciona un sensor de fluorescencia para detectar un
analito, comprendiendo el sensor una capa fotodetectora para generar
una señal eléctrica como consecuencia de exponerse a luz incidente,
una capa indicadora para proporcionar una emisión fluorescente como
consecuencia de luz de excitación, y medios de emisión de luz para
emitir luz de excitación, en los que la capa indicadora comprende un
material que permite al analito difundirse en el mismo y que tiene
moléculas indicadoras emisoras de luz específicas para el analito de
modo que las moléculas indicadoras interaccionan con el analito
para alterar la cantidad de luz incidente sobre la capa
fotodetectora desde la luz emitida desde las moléculas
indicadoras;
caracterizado porque:
(i) la capa fotodetectora, la capa indicadora,
una capa de guía de onda y los medios de emisión de luz están todos
localizados en una estructura unitaria miniaturizada;
(ii) una capa de guía de onda se localiza
adyacente a la capa indicadora y al menos una porción de los medios
de emisión está rodeada por la capa de guía de onda, y en la que la
luz de excitación de los medios de emisión de luz se libera
inicialmente y se propaga a través de la capa de guía de onda; y
(iii) la capa fotodetectora y los medios de
emisión de luz tienen respectivamente un eje principal de detección
o emisión de luz, localizándose la capa fotodetectora y los medios
de emisión de luz de manera que el eje principal de la emisión de
luz de los medios de emisión de luz (C) es sustancialmente
perpendicular al eje principal de la detección de luz de la capa
fotodetectora (D).
La invención se describirá más completamente en
lo sucesivo con referencias a los dibujos adjuntos en los que:
La figura 1 es una vista en despiece ordenado
parcialmente en perspectiva del sensor de fluorescencia de la
invención que ilustra sus componentes y como se fabrica;
La figura 2 es una vista en planta desde arriba
del sensor de fluorescencia de la invención expuesto en la figura
1;
La figura 3 es una vista seccional agrandada del
sensor de fluorescencia de la invención expuesto en las figuras 1 y
2 tomadas sustancialmente en la línea 3-3 de la
figura 2;
La figura 4 es una vista en planta desde arriba
de una segunda forma de realización del sensor de fluorescencia de
la invención;
La figura 5 es una vista seccional agrandada del
sensor de fluorescencia de la invención expuesto en la figura 4
tomada sustancialmente en la línea 5-5 de la figura
4; y
La figura 6 es una vista en perspectiva de las
formas de realización del sensor de fluorescencia de la invención
en uso con un indicador.
En referencia primero a las figuras 1, 2 y 3, el
sensor de fluorescencia de la invención se ilustra y se designa
generalmente por el número 10. El sensor 10 comprende medios
fotodetectores para detectar la luz que comprenden un fotodetector
sustancialmente plano delgado u oblea 12, medios de filtrado para
filtrar la luz que comprenden una delgada capa de filtro de paso
alto 14 sustancialmente plana que tiene un perímetro generalmente
circular que se localiza adyacente a, y está acoplada ópticamente
a, los medios fotodetectores que comprenden la oblea fotodetectora
12 y la oblea de vidrio 16 sustancialmente plana delgada que tiene
un perímetro generalmente circular que se localiza adyacente a, y
que está acoplado ópticamente, a los medios de filtrado que
comprenden la capa de filtrado de paso alto 14. El sensor 10
también comprende medios indicadores para proporcionar una emisión
fluorescente como consecuencia de la luz de excitación que
comprenden una capa de membrana indicadora 18 delgada
sustancialmente plana que tiene un perímetro generalmente circular
que se localiza adyacente a, y que está ópticamente acoplada a la
capa de vidrio 16, medios de emisión de luz para emitir luz de
excitación que comprenden un diodo de emisión de luz 20 (LED) que se
localiza dentro de la porción central de la capa indicadora 18 y un
disco metálico reflector 22 eléctricamente conductor delgado que
se localiza entre el diodo de emisión de luz 20 y la oblea de
vidrio 16 además de medios de filtrado para filtrar la luz que
comprenden un revestimiento de filtro de paso bajo 24 que rodea la
porción superior del diodo de emisión de luz 20. Como se indica en
la figura 1, la capa indicadora 18 se moldea in situ.
Los detalles de la construcción del sensor 10
pueden entenderse mejor en referencia a la figura 3 así como la
figura 1. Como se ilustra en las figuras 1 y 3, la capa
fotodetectora 12 se conecta a un borne positivo 26 y a un borne
negativo 28 cuyas respectivas porciones del extremo superior 30 y 32
están conectadas eléctricamente a la capa fotodetectora 12. Un cable
40 tiene un extremo soldado o fijado por adhesivo conductor a la
porción del extremo superior 30 del borne 26 y el otro extremo se
sujeta o se fija de una manera convencional a la superficie superior
38 de la capa fotodetectora 12. De igual manera, un cable 36 tiene
un extremo fijado a la porción del extremo superior 32 del borne 28
por soldadura o por un adhesivo conductor y el otro extremo se fija
o se sujeta a la superficie inferior 34 del fotodetector 12 de una
manera convencional.
La capa de filtro de paso alto 14 tiene su
superficie inferior 42 fijada a la superficie o lado superior 38 de
la capa fotodetectora 12 por una capa muy delgada de un adhesivo
óptico 44 y la superficie superior 46 de la capa de filtro de paso
alto 14 se fija la superficie inferior 48 de la capa de vidrio 16
por otra capa muy delgada de adhesivo óptico 50. La lámina
reflectora 22 se sujeta la superficie superior 52 de la capa de
vidrio 16 por un adhesivo 53 adecuado conocido en la materia y el
diodo emisión de luz 20 se sujeta a la superficie superior de la
lámina reflectora 22 por una capa adhesiva conductora eléctricamente
54. El revestimiento de filtro de paso bajo 24 se fija a la porción
exterior superior del diodo de emisión de luz 20 por un adhesivo
fotoconductor 56.
Los cables eléctricos 58 y 60 se proporcionan
para el diodo de emisión de luz 20 y se extienden respectivamente
desde el diodo de emisión de luz 20 y el disco de lámina conductora
conectado eléctricamente 22 a las respectivas porciones del extremo
superior 66 y 68 de los bornes 62 y 64 cuyas respectivas porciones
del extremo superior 66 y 68 se localizan por debajo de la porción
exterior de la superficie inferior 42 de la capa de filtrado 14. La
capa de la membrana indicadora 18 contiene moléculas indicadoras
designadas por el número 71 y se montan sobre la superficie superior
52 de la capa de vidrio 16 al igual que alrededor del diodo de
emisión de luz 20 y su revestimiento de filtro de paso bajo 24 y las
porciones de sus cables 58 y 60.
También se proporciona una carcasa metálica 70
mecanizada en forma de anillo circular para que envuelva los bordes
exteriores de la capa fotodetectora 12, la capa de filtrado 14, la
capa de vidrio 16 y la capa de la membrana 18. La porción inferior
de la carcasa 70 mecanizada se cierra o precinta con una pieza
cerámica u otro material de encapsulado 72 conocido en la materia
que también fija los bornes 26, 28, 62 y 64 en su lugar. Por
consiguiente, el sensor 10 es una estructura unitaria con todos sus
componentes operacionales localizados dentro de la carcasa 70 y sólo
los bornes de señal negativo y positivo 26 y 28 y los bornes de
alimentación eléctrica 62 y 64 se extienden desde la estructura
unitaria rodeada por y contenida dentro de la carcasa 70. Es
importante advertir, como se indica la figura 3, que el diodo de
emisión de luz 20 y el fotodetector 12 se localizan de tal manera
que el eje fundamental o principal, designado por la letra A, es
sustancialmente perpendicular al eje fundamental o principal,
designado por la letra B, de la detección de luz del fotodetector
12. Ésto es muy importante para el sensor de fluorescencia 10 puesto
que da lugar a una alta eficiencia y una alta sensibilidad.
Otra forma de realización del sensor de
fluorescencia de la invención se muestra las figuras 4 y 5 y se
designa generalmente por el número 74. El sensor 74 comprende medios
fotodetectores para detectar luz que comprenden una capa
fotodetectora 76 delgada que es sustancialmente idéntica a la oblea
fotodetectora previamente descrita o capa 12, medios de filtrado
para filtrar la luz que comprenden una capa de filtrado de paso alto
78 que es sustancialmente idéntica a la capa de filtrado de paso
alto 14 previamente descrita y una capa de vidrio 80 que es
sustancialmente idéntica a la capa de vidrio 16 previamente
descrita. La capa de filtrado de paso alto 78 se localiza adyacente
a, y está acoplada ópticamente a, los medios fotodetectores que
comprenden la capa foto detectora u oblea 76. La capa de vidrio 80
se localizan adyacente a, y está ópticamente acoplada a, los medios
de filtrado que comprenden la capa de filtrado 78. Sin embargo, el
sensor 74 también tiene medios de guía de onda para funcionar como
guía de onda que comprenden una delgada capa de guía de onda 82
sustancialmente plana cuya superficie inferior 84 se localiza
adyacente a, y está en contacto óptico con, la superficie superior
86 de la capa de vidrio 80 como consecuencia del adhesivo óptico 88.
La superficie superior 90 de la capa de guía de onda 82 se localiza
adyacente a, y está en contacto óptico con, la superficie inferior
92 de la capa indicadora 94. Esta capa de membrana indicadora 94
tiene moléculas indicadoras designadas por el número 95 y puede
montarse sobre la superficie superior 90 de la capa de guía de onda
82. El sensor 74 también tiene medios de emisión de luz para emitir
luz de excitación que comprenden un diodo de emisión de luz 96 que
es similar al diodo 20 previamente descrito, medios de filtrado para
filtrar la luz que comprenden un revestimiento de filtrado de paso
bajo 98 que rodea las porciones superiores del diodo 96, que es
similar a la capa de filtrado de paso bajo 24 previamente descrita y
el diodo de emisión de luz 96 tiene su superficie inferior en
contacto con un delgado disco de lámina metálica reflector 100
conductor eléctricamente que es similar al disco de lámina metálica
reflectora previamente descrito.
Como se ilustra en la Figura 5, el sensor 74
tiene respectivamente bornes positivos y negativos 102 y 104, que
son similares a los bornes 26 y 28 previamente descritos, y están
conectados respectivamente de forma eléctrica a la superficie
superior 105 y a la superficie inferior 106 de la capa fotodetectora
76 de una manera convencional mediante los respectivos cables
eléctricos 107 y 109. La capa de filtrado de paso alto 78 tiene su
superficie inferior 114 fijada a la superficie superior 112 de la
capa fotodetectora 76 por una capa muy delgada de adhesivo óptico
116 similar al adhesivo 44 previamente descrito. La superficie
superior 118 de la capa de filtrado de paso alto 78 también se fija
a la superficie inferior 120 de la capa de vidrio 80 por una capa
delgada 122 de adhesivo óptico similar al adhesivo 50 previamente
descrito. El disco de la lámina reflectora 100 se conecta la
superficie superior 86 de la capa de vidrio 80 por un adhesivo
adecuado conocido en la materia y el diodo de emisión de luz 96 se
sujeta a la superficie superior de la lámina reflectora 100 por una
capa de adhesivo eléctricamente conductora 124 y una capa de
filtrado de paso bajo 98 se fija el diodo 96 por un revestimiento de
adhesivo fotoconductor (no mostrado).
El diodo de emisión de luz 96 tiene asociado
cables eléctricos 128 y 130 que se extienden respectivamente desde
el diodo 96 y la lámina de metal 100 localizada bajo, y en contacto
eléctrico con, el diodo 96 hasta los respectivos bornes 132 y 134
que se localizan debajo de la superficie inferior externa 114 de la
capa de filtrado de paso alto 78 de una manera similar a la de los
cables 58 y 60 y los respectivos bornes 62 y 64 de la forma de
realización mostrada en las figuras 1 a 3. Nótese que el diodo
emisión de luz 96 y su revestimiento o capa 98 de filtrado de paso
bajo está rodeada por la capa de guía de onda 82 que se monta
alrededor del diodo de emisión de luz 96 y su capa de filtrado de
paso bajo 98 que se localiza en posición central encima de la
porción central de la capa de vidrio 78.
También se proporciona una carcasa metálica 139
mecanizada en forma de anillo circular, que es sustancialmente
idéntica a la carcasa metálica 70 de la forma de realización 10,
para que rodee los bordes exteriores de la capa fotodetectora 74, la
capa de filtrado 78, la capa de vidrio 80, la capa de onda de guía
82 y la capa indicadora 94. La porción inferior de la carcasa
mecanizada 70 se cierra o precinta con una pieza cerámica u otro
material de encapsulado 141 conocido en la materia que es idéntico
al material 72 de la forma de realización 10. Este material 141
también fija los bornes 102, 104, 132 y 134 en su lugar. Por
consiguiente, el sensor 74 es una estructura unitaria, lo mismo que
la forma de realización del sensor 10, con todos sus componentes
operacionales localizados dentro de la carcasa 139 y sólo los bornes
de señal positivos y negativos 102 y 104 y los bornes de
alimentación 132 y 134 que se extienden desde la estructura unitaria
rodeados por y contenidos dentro de la carcasa 139. Es importante
notar, como se indica en la figura 5, que el diodo de emisión de luz
96 y el fotodetector 76 se localizan de tal manera que el eje
principal o fundamental de la emisión de luz desde el diodo de
emisión de luz 96, designado por la letra C, es sustancialmente
perpendicular al eje principal o fundamental, designado por la letra
D, de la detección de luz del fotodetector 76. Esto es muy
importante para el sensor de fluorescencia 74 puesto que da lugar a
una alta eficiencia y una alta sensibilidad.
Como se ilustra en la figura 6, el borne positivo
26 del sensor 10 se conecta eléctricamente a la entrada positiva 140
de un indicador de intensidad luminosa 142 mediante el conductor
144, el interruptor 146 y el conductor 148. De una manera similar,
el borne negativo 28 se conecta eléctricamente a la entrada negativa
150 del indicador de intensidad luminosa 142 mediante el conductor
152, el interruptor 154 y el conductor 156. Alternativamente, el
sensor 74 puede conectarse eléctricamente al indicador de intensidad
luminosa 142 por el borne positivo 102 el sensor 74 que tiene
conectado a la entrada positiva 140 del indicador de intensidad
luminosa 142 mediante el conductor 158, el interruptor 146 y el
conductor 148. De una manera similar, el borne negativo 104 se
conecta a la entrada negativa 150 del indicador de intensidad
luminosa 142 mediante el conductor 160, el interruptor 154 y el
conductor 156. Como consecuencia de esta disposición, la intensidad
de luz saliente de cada sensor 10 ó 74 puede leerse en el contador
162 del indicador de intensidad luminosa 142 a través del uso de los
interruptores 146 y 154.
En las formas de realización preferidas, ambas
formas de realización del sensor de fluorescencia 10 y 74 se
fabrican usando técnicas y componentes estándares conocidas en la
materia de la siguiente manera. Con respecto a la forma de
realización del sensor de fluorescencia 10, la carcasa exterior de
un detector de diodo óptico estándar tal como el UDT020 disponible
en United Detector Technology de Hawthorne, California, se extrae
para exponer la superficie del fotodiodo 12 de silicio. Sobre la
superficie superior 38 del diodo 12 se coloca una pequeña gota de
adhesivo óptico 44 tal como el fabricado por Norland Products de New
Brunswick, New Jersey o un adhesivo similar. Una delgada lámina de
filtro de color de paso alto 14 se troquela a partir de una lámina
estándar en un disco circular y se coloca sobre la superficie 38 del
diodo 12 de modo que cubra el área del diodo activo con el filtro
específico de longitud de onda que se añade a la superficie 38 del
diodo 12 por un adhesivo óptico 44. Un filtro de lámina adecuado 14
puede seleccionarse y obtenerse de cualquier casa que suministre
iluminación fotográfica tal como R & R Lighting Company, lnc. de
Silver Spring, Maryland. Sobre la superficie superior 46 del disco
de filtrado de la lámina óptica 14 se coloca una pequeña segunda
gota de adhesivo óptico 50 (de tipo Norland). Sobre esta superficie
se coloca un disco de vidrio 16 circular de un diámetro que exceda
el del filtro de color 14 y las dimensiones del fotodiodo detector
12. El disco de vidrio 16 se añade a la superficie superior del
disco de filtrado coloreado 14 mediante el adhesivo óptico 50.
Sobre la superficie superior 52 del disco de
vidrio 16 se coloca una pequeña gota 53 aproximadamente en el centro
del disco 16 de resina epoxídica a alta temperatura, tal como la que
produce Epoxy Technology, Billercia, Massachusetts (la colocación no
es crítica, pero se prefiere el centro). Un disco metálico 22
eléctricamente conductor de un diámetro mucho menor (aproximadamente
300 micrómetros o más) se adhiere al vidrio mediante resina
epoxídica a alta temperatura 53 y un cable de alambre 60 (o una
línea de adhesivo o tinta conductora) se coloca entonces sobre la
superficie de la capa de vidrio 52 entre el disco metálico 22 y un
borne o clavija conductora 64 que se adhiere por debajo o adyacente
al fotodetector que es un fotodiodo 12 que permite la conducción
eléctrica entre borne el 64 y el disco metálico localizado
centralmente 22. Sobre la superficie superior del disco metálico 22
se coloca una pequeña gota de adhesivo 54 conductor eléctrico tal
como el que hace Circuit Works, Inc. de Santa Cruz, California y
otros. Sobre el adhesivo 54 conductor y el disco metálico 22
asociado se coloca una pastilla emisora 20 de chip LED como la que
hace Cree Research, Durham, North Carolina y otros, de modo que
forma un camino eléctrico entre borne 64 tal como se ha descrito
anteriormente y el cátodo (o alternativamente el ánodo) de la
pastilla LED 20. Sobre la superficie superior (ánodo o cátodo) de la
pastilla LED 20 se une un extremo de un segundo cable eléctrico de
alambre delgado 58 por un alambre y se lleva el alambre 58 a través
de la superficie 52 del disco de cristal 16 desde la pastilla LED 20
a una segunda clavija o borne 62 localizado adyacente a o por debajo
del fotodiodo 12. Esto completa un segmento del circuito en el que
la alimentación puede aplicarse a través de los bornes 62 y 64 de
modo que suministre energía a la pastilla LED 20 para emitir luz a
través de la superficie y en proximidad radial a la superficie
superior del disco de vidrio 16.
Este conjunto adherido y apilado que comprende el
fotodetector 12, el filtro 14, la capa de vidrio 16, el disco
metálico 22 y el diodo de emisión de luz 20 y el revestimiento de
filtrado de paso alto 24 se fija después dentro de la carcasa
circular 70 mecanizada hasta un dimensionamiento que cubre y protege
los lados del conjunto y se acopla a la periferia del disco de
vidrio 16 con resina epoxídica (Epoxy Technology), de modo que se
que cierra herméticamente la cara frontal y sus componentes por
debajo del disco de vidrio 16 del entorno ambiental. En la bolsa
creada por la superficie superior 52 del disco de vidrio 16 y la
pared lateral mecanizada dentro de la carcasa 70 se vierte la
formulación de la membrana indicadora 18 (figura 1) que cubre la
superficie 52 de la capa de vidrio 16, embebe la pastilla LED 20 y
sus cables de alambre 58 y 60 y puede llenarse a un nivel igual al
espesor mecanizado dentro de la carcasa 70. El LED 20 se sumerge
mínimamente. Debido a la formulación de la mezcla de la membrana
indicadora 18, el líquido se autonivela a través de la superficie y
se polimeriza y se endurece, de modo que inmoviliza las moléculas
indicadoras 71 y forma una membrana porosa activa en forma de la
superficie exterior sobre la cara del sensor 10. El espesor de la
membrana puede controlarse por una dispensación volumétrica precisa
sobre la superficie 52 de la capa de vidrio 16.
La formulación de la membrana/indicador puede
cambiarse para crear diferentes sensores específicos para analitos
diferentes. En una forma de realización ejemplar, la membrana se
formula y aplica como sigue, para crear un sensor específico para
oxígeno. Comenzando con 1 ml de silicona (disponible comercialmente
en Dow Corning, Midland, Michigan, RTV Sealant) se diluye con 2 ml
de nafta (EE Zimmerman Company, Pittsburgh, Pennsylvania) y se agita
en agitador vorticial en un tubo de ensayo de vidrio cerrado
herméticamente (13 cm^{3} o más de volumen). Se añade 200 \mul
de molécula indicadora fluorescente de complejo de rutenio a 6 mg/ml
disuelto en cloroformo. Se agita en agitador vorticial para
homogeneizar y se pipetean 250 \mul de esta solución sobre la
superficie del vidrio en el dispositivo como se ha detallado en el
dispositivo anterior. Se deja endurecer durante la noche a
temperatura ambiente o en un tiempo menor a temperaturas mayores
(sin exceder los 60 grados centígrados). La cavidad del fondo debajo
de la superficie inferior 34 del fotodetector 12 que se forma por la
carcasa 70 se llena después con el material de encapsulado que
cierra herméticamente la carcasa 70 y también cierra herméticamente
los diversos bornes 26, 28, 62 y 64 en su lugar.
Este ejemplo está ahora listo para usarse como un
sensor de oxígeno cuando se acople con la electrónica adecuada.
Otros ejemplos diferirían de la descripción anterior sólo en el
cambio del tipo de molécula indicadora 71 y la formulación de la
membrana 18.
Como se indica en la figura 5, la forma de
realización 74 usa una capa de guía de onda 82 pero se construye de
igual manera que la forma de realización 10 excepto en que se vierte
una capa de guía de onda 82 no porosa sobre la superficie 86 de la
capa de vidrio 80 en lugar de una membrana porosa de la forma de
realización 10. No hay molécula indicadora dentro de la capa de guía
de onda 80. Las moléculas indicadoras 95 se inmovilizan en su lugar
en una capa indicadora 94 localizada sobre la superficie superior 90
de la capa de guía de onda 80.
Como un ejemplo de la forma de realización 74, un
polímero transparente (orgánico o inorgánico) se vierte sobre la
superficie 86 de la capa de vidrio 80 y permite autonivelarse y
endurecerse. Se elige la guía de onda de polímero para unas
propiedades adecuadas del índice de refracción y claridad, para
conducir de manera óptima la luz de la longitud de onda adecuada a
través de su volumen. La capa de la molécula indicadora 94 se sujeta
a la superficie superior 86 de la capa de la guía de onda 82 con las
moléculas indicadoras indicadas por el número 95 que se inmovilizan
a la superficie superior 86 de la capa de la guía de onda 82 usando
cualquiera de las docenas de técnicas corrientes conocidas en la
materia, de modo que se complete la construcción del dispositivo. La
especificidad del sensor 10 ó 74 para un analito particular se
confiere por la elección de la molécula indicadora inmovilizada 71 ó
95. Entonces se eligen las propiedades ópticas de la guía de onda 82
para acomodarse a sus longitudes de onda óptimas.
Las formas de realización 10 y 74 de esta
invención se usan de la siguiente manera. Los sensores 10 y 74
pueden usarse en muchas aplicaciones diferentes y entornos. La
especificidad del analito del sensor se confiere por la molécula
indicadora 71 ó 95 elegida de las muchas comercialmente disponibles
para ambas (SIGMA y otras) y que se enumeran en la bibliografía
científica.
Por ejemplo, el sensor 10 ó 74 pueden medir
oxígeno mediante el uso de muchas moléculas diferentes como las
enumeradas en la bibliografía científica y disponibles
comercialmente y conocidas para aquellos expertos en la materia.
Como sensor de oxígeno el dispositivo puede usarse para analizar la
concentración de oxígeno disuelto en un líquido o suspensión por
ejemplo agua, productos químicos, flujos de tratamiento, caldos de
fermentación, flujos de tratamiento de residuos, etc. o para
analizar la concentración de oxígeno en una mezcla gaseosa tal como
aire, mezclas de distintos gases utilizados para la combustión que
contengan oxígeno, condiciones ambientales en espacios cerrados o
reactores o equipos de mantenimiento de vida. Como un ejemplo de
muchos, los sensores 10 y/ó 74 descritos previamente se conectan a
electrónicas que comprenden un amplificador de señal (no mostrado)
del fotodiodo detector que puede formar parte de los medios de
medición para medir la señal eléctrica de los medios fotodetectores
tales como el indicador de intensidad luminosa 142 y la fuente de
alimentación (no mostrada) para alimentar el LED 20 ó 96. Como el
sensor 10 ó 72 se sitúa en el entorno que se va a analizar, el
oxígeno difunde en la capa indicadora de la membrana 18 ó 94, por lo
que el oxígeno interacciona con las moléculas indicadoras 71 ó 95 a
nivel molecular produciendo una disminución de la intensidad de
fluorescencia como se detecta o se observa en el fotodetector 12 ó
76, disminuyendo con ello la señal electrónica en la electrónica de
procesamiento que forma los medios de medición 142 para medir la
corriente eléctrica de los medios fotodetectores 12 ó 76, que se
calibran para medir el oxígeno en unidades de medida adecuadas
conocidas en la técnica.
Claims (12)
1. Un sensor de fluorescencia (10) para detectar
un analito, comprendiendo el sensor una capa fotodetectora (12) para
generar una señal eléctrica como consecuencia de exponerse a luz
incidente, una capa indicadora (18) para proporcionar una emisión
fluorescente como consecuencia de luz de excitación, y unos medios
de emisión de luz (20) para emitir luz de excitación, en los que la
capa indicadora (18) comprende un material que permite al analito
difundirse en el mismo y que tiene moléculas indicadoras emisoras de
luz específicas para el analito, de modo que las moléculas
indicadoras interaccionan con el analito para alterar la cantidad de
luz incidente sobre la capa fotodetectora (12) desde la luz emitida
desde las moléculas indicadoras;
caracterizado porque:
(i) la capa fotodetectora (12), la capa
indicadora (18) y los medios de emisión de luz (20) se localizan
todos en una estructura unitaria miniaturizada.
(ii) al menos una porción de los medios de
emisión de luz (20) se localizan dentro de la capa indicadora (18),
y en la que la luz de excitación de los medios de emisión de luz
(20) se libera inicialmente y se propaga a través de la capa
indicadora (18); y
(iii) la capa fotodetectora (12) y los medios de
emisión de luz (20) tienen cada uno un eje principal de detección o
emisión de luz respectivamente, localizándose la capa fotodetectora
y los medios de emisión de luz de manera que el eje principal de
emisión de luz de los medios de emisión de luz (A) es
sustancialmente perpendicular al eje principal de detección de luz
de la capa fotodetectora (B).
2. Un sensor de fluorescencia (74) para detectar
un analito, comprendiendo el sensor una capa fotodetectora (76) para
generar una señal eléctrica como consecuencia de ser expuesta a luz
incidente, una capa indicadora (94) para proporcionar una emisión
fluorescente como consecuencia de luz de excitación, y medios de
emisión de luz (96) para emitir luz de excitación, en el que la capa
indicadora (94) comprende un material que permite al analito
difundirse en el mismo y que tiene moléculas indicadoras emisoras de
luz específicas para el analito, de modo que las moléculas
indicadoras interaccionan con el analito para alterar la cantidad de
luz incidente sobre el capa fotodetectora (76) desde la luz emitida
desde las moléculas indicadoras;
caracterizado porque:
(i) la capa fotodetectora (76), la capa
indicadora (94), la capa de guía de onda (82) y los medios de
emisión de luz (96) se localizan todos en una estructura unitaria
miniaturizada.
(ii) la capa de guía de onda (82) se localiza
adyacente a la capa indicadora (94) y al menos una porción de los
medios de emisión de luz (96) es rodeada por la capa de guía de onda
(82), y en la que la luz de excitación de los medios de emisión de
luz se libera inicialmente y se propaga a través de la capa de guía
de onda (82); y
(iii) la capa fotodetectora (76) y los medios de
emisión de luz (96) tienen cada uno un eje principal de detección o
emisión de luz respectivamente, localizándose la capa fotodetectora
y los medios de emisión de luz de manera que el eje principal de
emisión de luz de los medios de emisión de luz (C) es
sustancialmente perpendicular al eje principal de detección de luz
de la capa fotodetectora (D).
3. Un sensor de fluorescencia según la
reivindicación 1 ó 2 que comprende además medios de filtrado para
filtrar la luz localizada entre la capa indicadora o, si se
presenta, la capa de guía de onda y la capa fotodetectora.
4. Un sensor de fluorescencia según la
reivindicación 3 en el que el medio de filtrado filtra la luz por
encima o debajo de ciertas longitudes de onda.
5. Un sensor de fluorescencia según la
reivindicación 3 en el que el medio de filtrado comprende un filtro
de paso alto (14, 78).
6. Un sensor de fluorescencia según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 5 que comprende además medios de filtrado
(24, 98) para filtrar la luz que rodea una porción de dichos medios
de emisión de luz.
7. Un sensor de fluorescencia según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 6 en el que el medio de emisión de luz
comprende un diodo de emisión de luz.
8. Un sensor de fluorescencia según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 7 en el que la capa fotodetectora tiene una
señal eléctrica de salida y el sensor comprende además medios de
medición conectados a la capa fotodetectora para medir la señal
eléctrica emitida desde la capa fotodetectora.
9. Un sensor de fluorescencia según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 8 que comprende además una carcasa (70) que
rodea al menos una porción de la capa fotodetectora, la capa
indicadora y los medios de emisión de luz, y, si está presente, la
capa de guía de onda.
10. Un sensor de fluorescencia según cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 9 que comprende además una capa de
vidrio (16, 80) localizada adyacente a la capa indicadora, o, si
está presente, a la capa de guía de onda.
11. Un sensor de fluorescencia según cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 10 en el que la capa indicadora
comprende una membrana indicadora sustancialmente plana.
12. Un sensor de fluorescencia según cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 11 en el que las moléculas indicadoras
emisoras de luz de la capa indicadora interaccionan con oxígeno.
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