ES2203953T3 - Dispositivo sensor de fluorescencia. - Google Patents
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Abstract
Se presenta un dispositivo detector de la fluorescencia para determinar la presencia o concentración de un analito en un líquido en un medio gaseoso. El dispositivo se construye a partir de un aplaca de fibras ópticas (12) que comprende fibras ópticas que tienen aberturas numéricas relativamente pequeñas. La placa de fibras ópticas se sitúa sobre un fotodetector y tiene una capa de una matriz fluorescente permeable al analito (22) o un material de guía de ondas dispuestos sobre su superficie superior. La matriz fluorescente o el revestimiento de guía de ondas contiene moléculas indicadoras cuya fluorescencia se ve afectada por la presencia local del analito. Una fuente de luz emite luz al interior de la matriz fluorescente en una dirección generalmente paralela a la superficie superior de la placa de fibras ópticas. Después de absorber la luz de la fuente de luz, las moléculas indicadoras de la matriz fluorescente emiten luz fluorescente que se transmite a través de la placa de fibras ópticas hasta el fotodetector.
Description
Dispositivo sensor de fluorescencia.
La presente invención se refiere a un dispositivo
sensor para la detección de la presencia o concentración de un
analito en un medio líquido o gaseoso. Más concretamente, la
invención se refiere a un dispositivo sensor de la fluorescencia
caracterizado por tener un tamaño compacto, alta sensibilidad y
altas relaciones señal-ruido.
La Patente estadounidense 5.517.313 describe un
dispositivo sensor de la fluorescencia que comprende un conjunto
estratificado de una matriz fluorescente que contiene moléculas
indicadoras (en adelante "matriz fluorescente"), un filtro de
paso alto y un fotodetector. En este dispositivo, una fuente de luz,
preferentemente un diodo fotoemisor ("LED"), está situado al
menos parcialmente dentro de la matriz fluorescente, de forma tal
que la luz incidente desde la fuente de luz provoca que las
moléculas indicadoras fluorezcan. El filtro de paso alto permite que
la luz emitida llegue al fotodetector, filtrando al tiempo la luz
incidente difundida procedente de la fuente de luz.
La fluorescencia de las moléculas indicadoras
empleadas en el dispositivo descrito en la Patente estadounidense
5.517.313 es modulada, por ejemplo, atenuada o potenciada, por la
presencia del analito. Por ejemplo, la fluorescencia
naranja-rojo del complejo perclorato de
tris(4,7-difenil-1,10-fenantrolina)
de rutenio(II) se extingue por la presencia local de oxígeno.
Este complejo puede, por consiguiente, ser ventajosamente empleado
como la molécula indicadora de un sensor de oxígeno. De modo
similar, son conocidas otras moléculas indicadoras cuya
fluorescencia es afectada por analitos específicos.
En el sensor descrito en la Patente
estadounidense 5.517.313, la matriz fluorescente es permeable al
analito. Así, el analito puede difundirse dentro de la matriz
fluorescente desde el medio de prueba circundante, afectando de esta
forma la fluorescencia emitida por las moléculas indicadoras. La
fuente de luz, la matriz fluorescente, el filtro de alto paso y el
fotodetector están configurados de modo que al menos una porción de
la fluorescencia emitida por las moléculas indicadoras impacta en el
fotodetector, generando una señal eléctrica indicativa de la
concentración del analito en el medio circundante.
Aunque el dispositivo sensor descrito en la
Patente estadounidense 5.517.313 representa una notoria mejora
respecto de los dispositivos prioritarios de la técnica, persiste la
necesidad de unos sensores que sean incluso más compactos y que
tengan unas características de detección superiores a las descritas
en la Patente citada. Así, es un objeto de la presente invención
proporcionar una mejora en los dispositivos sensores descritos en la
Patente anteriormente referida.
La invención se ilustrará con referencia a los
dibujos que se acompañan en los cuales:
La Figura 1 es una vista en perspectiva de una
forma de realización de un dispositivo sensor de acuerdo con la
presente invención;
la Figura 2 es una vista en despiece ordenado en
sección transversal del dispositivo sensor mostrado en la Figura
1;
la Figura 3 es una vista en sección transversal
ampliada de la fuente de luz y la estructura circundante del
dispositivo sensor mostrado en la Figura 1;
la Figura 4 es una vista en sección transversal
de una forma de realización alternativa de un dispositivo sensor de
acuerdo con la presente invención;
la Figura 5 es un diagrama esquemático de una
fibra óptica que muestra el cono de admisión de luz;
la Figura 6 es una vista en sección transversal
de otra forma de realización alternativa de un dispositivo sensor de
acuerdo con la presente invención;
la Figura 7 es una vista en sección transversal
de una forma de realización de la invención que emplea una guía de
ondas óptica;
la Figura 8 es una vista en perspectiva de una
forma de realización multicanal del dispositivo sensor de la
presente invención; y
la Figura 9 es una vista en planta desde arriba
de un fotodetector para su uso en una forma de realización
multicanal de la invención.
La presente invención proporciona un dispositivo
sensor de la fluorescencia de acuerdo con las reivindicaciones 1 y
17, respectivamente. Las características adicionales se exponen en
las reivindicaciones dependientes.
En la Figura 1 se muestra una vista en
perspectiva de un dispositivo sensor de fluorescencia de la presente
invención. El sensor 10 comprende una placa 12 de fibras ópticas que
tiene unas superficies superior e inferior 24 y 25, respectivamente.
La placa de fibras ópticas es una sección transversal de un haz de
fibras ópticas que contiene fibras con una abertura numérica que
oscila entre 0 y 0,7. El haz de fibras ópticas puede ser un haz de
fibras ópticas coherente, esto es, uno en el que las posiciones
relativas de los extremos de las fibras se mantiene en ambas
superficies de la placa de fibras ópticas. Sin embargo, dado que no
es importante, en la mayoría de los dispositivos de la presente
invención, la transmisión de una verdadera imagen, normalmente no es
necesario que se utilice un haz de fibras ópticas coherente. Las
fibras del interior de la placa 12 de fibras ópticas terminan en una
superficie superior en una orientación sustancialmente perpendicular
a aquella superficie. Es también preferente que las fibras sean
sustancialmente perpendiculares a la superficie inferior 25.
Cada fibra está compuesta por un núcleo de vidrio
que tiene un primer índice de refracción y una envuelta de vidrio
que tiene un segundo índice de refracción. Cada fibra puede estar
también envuelta en un material opaco para minimizar la transmisión
interfibrilar de luz desviada del eje en ángulos significativos.
La placa 12 de fibras ópticas suministra
eficazmente una ventana de grosor cero. La luz que penetra en la
fibra se transmite a través de la fibra con muy poca pérdida de
transmisión como resultado de la reflexión interna total.
Las fibras de la placa 12 de fibras ópticas son
convencionales, y oscilan ventajosamente de diámetro entre 5,5
\mum y 75 \mum. Cuando se usa ablación por láser para conformar
la superficie de la placa 12 de fibras ópticas, es preferente se
usen fibras que tengan unas dimensiones de núcleo y envuelta
relativamente pequeñas. Se ha encontrado que las pequeñas fibras de
este tipo producen imperfecciones superficiales mínimas causadas por
diferentes índices de ablación de los materiales de núcleo y
envuelta. Así, cuando se usa la ablación por láser, las fibras
tienen, preferentemente, un diámetro inferior a 40 \mum, más
preferentemente un diámetro inferior a 25 \mum.
El diámetro y grosor de la placa 12 de fibras
ópticas puede variar sustancialmente, dependiendo de las
aplicaciones del sensor. En construcciones normales, el diámetro de
la placa 12 de fibras ópticas oscila entre 0,025 mm y 15 mm,
preferentemente entre 2,5 mm y 13 mm, y su grosor oscila entre 1 y
12 mm.
Como se analizará con mayor detalle más adelante,
una función de la placa 12 de fibras ópticas es minimizar la
transmisión de luz incidente generada por la fuente de luz usada en
el sensor. Esta función se lleva a cabo utilizando fibras con una
abertura numérica definida que oscila entre 0 y 0,7. Esto es, el
cono de admisión de luz se define de forma tal que únicamente la luz
que impacta en los extremos de las fibras en ángulos definidos, con
respecto al eje de las fibras, es transmitida a través de la fibra.
En la Figura 5 se ilustra una fibra óptica 50 con un eje
longitudinal 41 y un cono de admisión de luz 43. El semiángulo de
admisión, \theta, es el ángulo formado entre el eje 41 y el ángulo
máximo de admisión de luz. Mediante la adecuada selección del vidrio
del núcleo y del material de envuelta, los fabricantes de fibras
ópticas pueden controlar el cono de la admisión de luz de las
fibras. Sobradamente conocidos son los haces de fibras ópticas de
abertura baja. Véase, por ejemplo, la Patente estadounidense
5.543.870.
La abertura de las fibras ópticas puede
expresarse como "abertura numérica". La abertura numérica se
define como el seno del semiángulo del cono de admisión, esto es,
sen \theta. La placa 12 de fibras ópticas se compone de fibras
ópticas con aberturas numéricas que oscilan entre 0 y 0,7,
preferentemente entre 0,1 y 0,5. Las placas de fibras ópticas
apropiadas para su uso en la presente invención son comercialmente
disponibles, por ejemplo, en Schott Fiber Optics,
Southbridge, Massachusetts USA.
Southbridge, Massachusetts USA.
Una capa de matriz fluorescente 22 está situada
sobre la superficie superior 24 de la placa 12 de fibras ópticas. La
matriz fluorescente contiene unas moléculas 27 indicadoras
fluorescentes cuya fluorescencia se modula por la presencia local
del analito. La matriz fluorescente 22 es permeable al analito, de
manera que las moléculas del analito pueden difundirse hacia adentro
y hacia afuera de la matriz a una velocidad relacionada con la
concentración del analito en el medio líquido o gaseoso circundante.
Esta matriz puede estar compuesta de las moléculas indicadoras
fluorescentes 27 revestidas directamente sobre la superficie
superior 24 de la placa 12 de fibras ópticas. El revestimiento
directo de las moléculas indicadoras fluorescentes puede obtenerse
ventajosamente mediante el uso de conexiones de silano.
Preferentemente, la matriz fluorescente 22 es una matriz de polímero
que puede vaciarse en una lámina o película, depositada como
película mediante evaporación o polimerizada a partir de monómeros u
oligómeros in situ. El polímero usado en la matriz debe ser
ópticamente transmisivo en las longitudes de onda de la excitación y
emisión de las moléculas indicadoras.
Distintos polímeros pueden utilizarse en la
preparación de la matriz fluorescente 22. Un sistema polimérico que
se ha encontrado útil para preparar un sensor de oxígeno emplea el
polímero de silicona RTV 118, disponible en General Electric Co.,
\hbox{Pittsfield,}MA USA. Este polímero puede disolverse en una mezcla de éter/cloroformo de petróleo 1:1 a 1:6. El complejo de rutenio indicador fluorescente referido con anterioridad puede mezclarse en la solución de polímero en una concentración desde aproximadamente 0,1 a 1 mM. La mezcla resultante puede entonces aplicarse a la superficie superior 24 de la placa 12 de fibras ópticas. La evaporación de los disolventes da como resultado la deposición de una película 22 de matriz fluorescente sobre la superficie
\hbox{superior 24.}
En una forma de realización, puede maquinarse un
área rebajada 18, por ejemplo, mediante ablación por láser o
mediante pulido o abrasión mecánicas, dentro de la superficie
superior 24 de la placa 12 de fibras ópticas. El área rebajada 18 se
rellena con la matriz fluorescente 22. Este área rebajada facilita
la deposición de un grosor uniforme de matriz fluorescente 22.
En una forma de realización alternativa, mostrada
en la Figura 6, puede maquinarse un foso 53 en la superficie
superior 24 de la placa 12 de fibras ópticas. Este foso sirve para
detener la difusión de la matriz fluorescente 22 cuando se aplica en
estado líquido. Mediante el control del volumen del líquido
aplicado, por ejemplo, con una micropipeta o jeringa, pueden
producirse películas de profundidad uniforme.
En una forma de realización alternativa ilustrada
en la Figura 7, un material de guía de ondas 71 puede sustituir a la
matriz fluorescente 22. En esta forma de realización, las moléculas
indicadoras fluorescentes 73 son situadas sobre la superficie del
material de guía de ondas 71, de forma que puedan ser situadas en
contacto con el medio de prueba líquido o gaseoso. La luz emitida
desde el LED 20 queda en su mayor parte contenida dentro de la guía
de ondas 71 mediante reflectancia interna. La luz reflejada
procedente de la interconexión del material de la guía de ondas y
del medio circundante pasa lo suficientemente alejada a lo largo de
la superficie del material hasta impactar una molécula indicadora
fluorescente 73 depositada en la superficie, excitando de esta forma
la fluorescencia dependiente de la concentración del analito de la
molécula indicadora.
El material de guía de ondas se prepara a partir
de un material transparente con un índice de refracción
sustancialmente más alto que el del medio líquido o gaseoso con el
cual está en contacto. Un material apropiado es, por ejemplo,
polímero acrílico claro. Cuando un material de guía de ondas se
utiliza en lugar de la matriz fluorescente, no necesita ser
permeable al analito, ya que las moléculas indicadoras fluorescentes
son situadas en la superficie del material de la guía de ondas.
Cualquiera de las formas de realización físicas descritas en
conexión con el material de la matriz fluorescente puede también
emplearse con la forma de realización de la guía de ondas.
Diversas fuentes de luz que emiten luz en
longitudes de onda de excitación apropiadas y al menos una porción
de cuya luz puede ser dirigida a través de la matriz fluorescente 22
en una dirección genéricamente paralela a la superficie superior 24
de la placa 12 de fibras ópticas, pueden usarse en la práctica de la
presente invención.
La fuente de luz empleada en los sensores de la
presente invención es preferentemente una unión P-N
fotoemisora. Tales dispositivos son bien conocidos. Tras la
aplicación de un potencial eléctrico a través de la unión
P-N, la luz es emitida en direcciones genéricamente
en el mismo plano que la unión. La unión P-N puede
suministrarse en una diversidad de configuraciones. En adelante, por
razones de conveniencia, se describirá como un diodo fotoemisor
("LED") convencional 20.
El LED 20 es situado de forma que emita luz
dentro de la capa de matriz fluorescente 22. Como se ilustra de
forma óptima en las Figuras 1 y 2, el LED 20 está ventajosamente
situado en un receptáculo 15 situado en la superficie superior de la
placa 12 de fibras ópticas. El LED está ventajosamente situado de
forma tal que su unión P-N está en aproximadamente
el centro del grosor de la matriz fluorescente 22.
Unas conducciones eléctricas 14 y 17 están unidas
a las superficies superior e inferior del LED 20, las cuales a su
vez están conectadas a un suministro de energía apropiado (no
mostrado). Un surco 28 puede recortarse dentro de la placa 12 de
fibras ópticas para acomodar la conducción inferior 17. El LED puede
ser extremadamente pequeño, teniendo normalmente una dimensión de
aproximadamente 200 a 300 micrones en el borde.
Dado que, como se ilustra en la Figura 3, el LED
emite luz desde sus bordes, al menos una porción de la luz se
irradia hacia afuera a partir del LED en direcciones genéricamente
paralelas a la superficie superior 24 de la placa 12 de fibras
ópticas. Así, la luz de excitación emitida por el LED 20 pasa a
través de la matriz fluorescente 22 y puede ser absorbida por una
molécula indicadora 27, haciendo que fluorezca.
Los expertos en la materia comprenderán que
pueden usarse numerosas técnicas distintas para crear la capa de
matriz fluorescente 22. Por ejemplo, la matriz fluorescente puede
prepararse en forma de lámina, situándose porciones de tamaño
adecuado sobre la superficie superior 24 de la placa 12 de fibras
ópticas y asegurarse con un adhesivo opticamente transmisor.
Alternativamente, puede emplearse la construcción ilustrada en la
Patente estadounidense 5.517.313, sustituyendo la placa 12 de fibras
ópticas por el filtro de paso alto empleado en aquel
dispositivo.
Una porción de la luz emitida desde las moléculas
indicadoras es transmitida a través de la placa 12 de fibras ópticas
y es detectada por el fotodetector 11. Las fibras ópticas 50 admiten
la luz emitida por las moléculas indicadoras fluorescentes 27 que
están dentro del cono de admisión de luz de dichas fibras. Por otro
lado, los rayos de luz 38 emitidos por el LED 20 que impactan las
fibras en ángulos mayores que el semiángulo de admisión no son
transmitidas a través de la placa 12 de fibras ópticas. La placa 12
de fibras ópticas sirve así para transmitir la luz fluorescente
emitida por las moléculas indicadoras 27 con un alto grado de
eficacia, reduciendo al tiempo la cantidad de luz procedente del LED
20 que llega al fotodetector 11.
El fotodetector 11 puede ser un dispositivo
fotoeléctrico de estado sólido convencional producto de la
interconexión de dos semiconductores.
El fotodetector 11 tiene ventajosamente un área
fotosensible 28 que se corresponde en tamaño y forma a la superficie
inferior 25 de la placa 12 de fibras ópticas. Este área fotosensible
puede crearse mediante procedimientos bien conocidos de dopado por
infusión y fotoenmascarado. Las conexiones eléctricas 23 pueden
estar situadas fuera del área fotosensible 28.
El fotodetector produce una señal eléctrica en
respuesta a la cantidad de luz fluorescente que impacta en él. Esta
señal es transmitida por la conducción eléctrica 16 y por la
superficie inferior 19 hasta un conjunto de circuitos de medición y
amplificación adecuado (no mostrado).
La placa 12 de fibras ópticas y el fotodetector
11 pueden estar mecánicamente unidos con un adhesivo óptico
apropiado. Dicho adhesivo sirve para unir los componentes, pero no
absorbe cantidades significativas de luz fluorescente que atraviesen
la placa de fibras ópticas. Preferentemente, el índice de refracción
del adhesivo óptico es sustancialmente igual a o mayor que el del
núcleo de fibras ópticas para facilitar la transmisión de luz de las
fibras a través del adhesivo. Un adhesivo apropiado se encuentra
disponible como Epotek™ Nº. 377 en Epoxy Technology, Bilerica, MA
USA.
En la forma de realización ilustrada en la Figura
4, la placa de fibras ópticas sirve como potenciador de la señal. En
esta forma de realización un haz 42 de fibras ópticas ahusado se
emplea en vez de la placa 12 de fibras ópticas mostrada en las
Figuras 1 a 3. Los haces de fibras ópticas ahusados son bien
conocidos. Véase, por ejemplo, la Patente estadounidense
5.600.751. Como consecuencia, la luz que impacta en la superficie
superior 44 se concentra en la superficie inferior 46. Así, la
intensidad de la señal fluorescente generada por la matriz
fluorescente 22 resulta potenciada en el fotodetector 11. De esta
forma puede obtenerse incrementos de la señal de factores de dos o
más, preferentemente 5 o más, y más preferentemente 10 o más.
Las dimensiones del haz de fibras ópticas ahusado
42 pueden variar, dependiendo de las aplicaciones. En el sensor
típico empleado en esta forma de realización, la superficie superior
44 tiene un diámetro que oscila entre 10 y 50 mm, y la superficie
inferior 46 tiene un diámetro que oscila entre 0,25 y 20 mm. Como se
ilustra en la referida Patente estadounidense 5.600.751, los haces
de fibras ópticas ahusadas pueden adoptar una diversidad de formas.
Las fibras pueden ser curvadas u oblicuas para adaptarse a un diseño
físico concreto del sensor.
Los sensores de la presente invención pueden
ventajosamente configurarse para aplicaciones multicanal. Un
dispositivo de este tipo se ilustra en la Figura 8. El sensor 80
comprende un haz de fibras ópticas ahusado 82. En la superficie
superior 78 del haz de fibras ópticas 82 pueden estar conformadas
una pluralidad de áreas rebajadas 81. Cada área rebajada 81 contiene
la matriz fluorescente o el material 79 de guía de ondas revestido
sobre el que se sitúa la molécula indicadora fluorescente, y cada
una contiene una unión P-N fotoemisora 83, situada
de acuerdo con lo antes descrito. Se aplica un potencial eléctrico a
la unión P-N 83 por medio de las conducciones 86 y
87.
El fotodetector 88 está situado en la superficie
inferior 77 del haz de fibras ópticas 82. El fotodetector 88 genera
una señal eléctrica que está relacionada con la intensidad de la luz
fluorescente transmitida a través del haz de fibras ópticas 82.
Cada una de las áreas rebajadas 81 puede contener
una distinta molécula indicadora fluorescente, sensible a un
diferente analito. Así, el sensor 80 puede usarse para detectar la
presencia o concentración de múltiples analitos simultáneamente. El
fotodetector 88 puede tener una única área fotosensible, en cuyo
caso, cada unión P-N 83 puede resultar iluminada
secuencialmente y la señal generada por el fotodetector 88 es medida
en fase con cada iluminación secuencial. Alternativamente, puede
emplearse un fotodetector como el ilustrado en la Figura 9. En esa
forma de realización, se crean unas áreas fotosensibles separadas
96, 97, 98 y 99, mediante una técnica de fotoenmascarado o de ataque
micrográfico por láser. Estas áreas reciben luz fluorescente de
forma separada procedente de cada una de las áreas rebajadas 81 y la
señal eléctrica es transmitida a través de los contactos eléctricos
92, 93, 94 y 95 y por la superficie inferior 91 del fotodetector 90.
Cuando se usa un fotodetector de canales separados como el que se
ilustra en la Figura 9, el haz de fibras ópticas 82 es
preferentemente un haz de fibras ópticas coherente.
La estructura de estos dispositivos permite el
uso de películas delgadas de la matriz fluorescente. El grosor de la
película oscila ventajosamente entre 500 \ring{A} y 200 \mum,
preferentemente entre 10 y 100 \mum, más preferentemente entre 10
y 20 \mum.
La delgadez de la película de la matriz
fluorescente 22 o del revestimiento superficial de la guía de ondas
71 y el uso de una unión P-N de emisión por el borde
embebida en la película 22 o en la guía de ondas 71, proporciona
características sin iguales y ventajosas a los dispositivos de la
presente invención. Los tiempos de respuesta del dispositivo
dependen fundamentalmente de la velocidad a la cual el analito puede
difundirse hacia adentro y hacia afuera de la película que incorpora
las moléculas indicadoras. Las películas empleadas en los
dispositivos actuales tienen grandes áreas superficiales y escasa
profundidad. Por consiguiente, el analito puede difundirse muy
rápidamente hacia el emplazamiento de una molécula indicadora.
Por otro lado, la señal óptica disponible
procedente de las moléculas indicadoras fluorescentes resulta
afectada por la concentración de dichas moléculas que pueden
situarse en la vía de la luz de excitación. Puesto que la luz de
excitación pasa transversalmente a través de la película 22 o de la
guía de ondas 71 procedente del LED 20, se maximiza la eficacia
óptica.
Así, puede observarse que la dimensión
responsable de la absorción óptica y de la subsecuente fluorescencia
resulta desvinculada de la dimensión en la cual el analito de
interés debe difundirse hacia el interior del material que contiene
las moléculas indicadoras. La absorción óptica se define por la ley
de Beer, mientras que la velocidad de difusión se define por la ley
de Fick. Chang, Physical Chemistry, pp. 64 and 147, McMillan,
New York (1977) (Fick. Chang, Química Física, pp. 64 y 147,
McMillan, Nueva York (1977)). El desajuste de estos dos fenómenos
produce un dispositivo con tiempos de respuesta muy rápidos y que
mantiene al tiempo una alta relación
señal-ruido.
El uso de una placa de fibras ópticas o de un haz
de fibras ópticas ahusado en los sensores de la presente invención
sirve para minimizar la cantidad de luz de excitación que llega a la
fotodetección, minimizando así el ruido. Las formas de realización
con haces de fibras ópticas ahusados tienen la ventaja añadida de
concentrar la señal fluorescente para incrementar la densidad del
flujo, minimizando así la exigencia de concentración de la muestra.
Si se desea, el ruido puede ser adicionalmente reducido colocando un
filtro de corte, bien sobre la superficie inferior o sobre la
superficie superior de la placa de fibras ópticas o del haz de
fibras ópticas ahusado. Un filtro preferente es un filtro dicroico
de película delgada depositado por un haz electrónico de
SiO_{2}/TiO_{2}, como por ejemplo los disponibles en Optical
Coating Laboratories, Inc., Santa Rosa, California USA y descritos,
por ejemplo, en la Patente estadounidense 5.200.855, incorporada a
la presente memoria por referencia. El filtro se selecciona para
transmitir la luz emitida por las moléculas indicadoras
fluorescentes filtrando al tiempo la luz emitida por la fuente de
luz así como una porción sustancial de la luz ambiental.
Los sensores de la fluorescencia de la presente
invención pueden usarse para medir la presencia o concentración de
un analito en un medio líquido o gaseoso. Cuando se utilizan en un
medio líquido u hostil, el sensor y los componentes eléctricos
asociados pueden encapsularse en un material de resina inerte, como
por ejemplo una resina epoxílica dejando sólo la película 22 que
contiene los indicadores de moléculas o la guía de ondas revestida
71 expuestas al medio de prueba. Los sensores de la presente
invención tienen un amplio campo de aplicaciones en ámbitos
industrial, médico y medioambiental. Ejemplos de dichas aplicaciones
se describen en la Patente estadounidense 5.517.313. Un sensor de la
fluorescencia apropiado para detectar oxígeno se describe por Colvin
et al., Johns Hopkins APL Technical Digest, 17(4), 377 a 385
(1996), que se incorpora a la presente memoria por referencia.
Claims (17)
1. Dispositivo (10) sensor de la fluorescencia
para determinar la presencia o concentración de un analito en un
medio líquido o gaseoso que comprende una capa de una matriz
fluorescente (22) permeable al analito, la cual contiene moléculas
indicadoras fluorescentes (27) cuya fluorescencia es modulada por
la presencia del analito en la matriz fluorescente; una fuente de
luz (20) que emite luz en una longitud de onda que excita la
fluorescencia de las moléculas indicadoras; y un fotodetector (11)
que genera una señal eléctrica sensible a la luz fluorescente
emitida por las moléculas indicadoras fluorescentes;
caracterizado porque el dispositivo incluye también una placa
(12) de fibras ópticas que tiene unas superficies superior e
inferior (24, 25), placa que comprende unas fibras que tienen una
abertura numérica que oscila entre 0 y 0,7, estando la capa de la
matriz fluorescente permeable al analito situada en la superficie
superior o en un rebajo (18) de la superficie superior de la placa
de fibras ópticas, proyectándose al menos una porción de la luz
procedente de la fuente de luz dirigida, en el interior de la matriz
fluorescente, en direcciones genéricamente paralelas a la superficie
superior de la placa de fibras ópticas, y estando el fotodetector
situado en la superficie inferior de la placa de fibras ópticas.
2. Dispositivo (10) sensor de la fluorescencia
para determinar la presencia o concentración de un analito en un
medio líquido o gaseoso que comprende una capa de una matriz
fluorescente (22) permeable al analito, la cual contiene moléculas
indicadoras fluorescentes (27) cuya fluorescencia es modulada por la
presencia del analito en la matriz fluorescente; una fuente de luz
(20) que emite luz en una longitud de onda que excita la
fluorescencia de las moléculas indicadoras; y un fotodetector (11)
que genera una señal eléctrica sensible a la luz fluorescente
emitida por las moléculas indicadoras fluorescentes;
caracterizado porque
el dispositivo incluye también una placa (12) de
fibras ópticas que tiene unas superficies superior e inferior (24,
25), la cual comprende unas fibras que tienen una abertura numérica
que oscila entre 0 y 0,7,
siendo al menos una porción de la luz procedente
de la fuente de luz dirigida, en el interior de la matriz
fluorescente (22), en direcciones genéricamente paralelas a la
superficie superior de la placa (12) de fibras ópticas,
comprendiendo adicionalmente el dispositivo un
filtro de corte óptico con una absorbancia relativamente baja para
la luz fluorescente emitida por las moléculas indicadoras
fluorescentes y con una absorbancia relativamente baja para la luz
emitida por la fuente de luz, estando el filtro de corte situado
sobre la superficie superior o sobre la superficie inferior de la
placa (12) de fibras ópticas, entre la capa matriz (22) y el
fotodetector (11),
estando la capa de la matriz fluorescente (22)
permeable al analito situada por encima de la placa (12) de fibras
ópticas, bien sobre el filtro de corte, de forma que el filtro de
corte esté situado entre la capa matriz (22) y la placa de fibras
ópticas, o bien en la superficie superior o en un rebajo (18) de la
placa (12) de fibras ópticas, respectivamente,
y estando el fotodetector (11) situado por debajo
de la placa (12) de fibras ópticas sobre la superficie inferior de
la misma o sobre el filtro de corte, respectivamente, de forma que
el filtro de corte está situado entre el fotodetector (11) y la
placa (12) de fibras ópticas.
3. Dispositivo sensor de la fluorescencia de
acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el que las aberturas
numéricas de las fibras ópticas de la placa de fibras ópticas
oscilan entre 0,1 y 0,5.
4. Dispositivo sensor de la fluorescencia de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la
fuente de luz es una unión P-N fotoemisora.
5. Dispositivo sensor de la fluorescencia de
acuerdo con la reivindicación 4, en el que la unión
P-N fotoemisora está situada al menos parcialmente
dentro de la matriz fluorescente.
6. Dispositivo sensor de la fluorescencia de
acuerdo con la reivindicación 5, en el que la fuente de luz está
situada en un receptáculo de la superficie superior de la placa de
fibras ópticas, de forma que la unión P-N está
situada en aproximadamente el centro del grosor de la matriz
fluorescente.
7. Dispositivo sensor de la fluorescencia de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la
fuente de luz es un diodo fotoemisor.
8. Dispositivo sensor de la fluorescencia de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que la
matriz fluorescente comprende moléculas indicadoras fluorescentes
dispersas en un polímero que transmite luz en longitudes de onda de
excitación y emisión de las moléculas indicadoras fluorescentes.
9. Dispositivo sensor de la fluorescencia de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la
placa de fibras ópticas es un haz de fibras ópticas ahusado
(42).
10. Dispositivo sensor de la fluorescencia de
acuerdo con la reivindicación 9, en el que el haz de fibras ópticas
ahusado concentra la luz fluorescente emitida por la matriz
fluorescente mediante un factor de al menos dos en el
fotodetector.
11. Dispositivo sensor de la fluorescencia de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que la
matriz fluorescente tiene un grosor de entre 500 \ring{A} y 200
\mum.
12. Dispositivo sensor de la fluorescencia de
acuerdo con la reivindicación 11, en el que la matriz fluorescente
tiene un grosor de entre 10 \mum y 100 \mum.
13. Dispositivo sensor de la fluorescencia de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, estando la
matriz fluorescente situada en la superficie superior de la placa
(12) de fibras ópticas, existiendo un foso (53) recortado dentro de
la superficie superior de la placa de fibras ópticas, rodeando la
fuente de luz, y que sirve para detener la difusión de la matriz
fluorescente cuando es aplicada en forma líquida.
14. Dispositivo sensor de la fluorescencia de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que la
molécula indicadora es el complejo perclorato de
tris(4,7-difenil-1,10-fenantrolina)
de rutenio (II), y el dispositivo sensor de la fluorescencia es un
dispositivo sensor de oxígeno.
15. Dispositivo sensor de la fluorescencia de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, que comprende
una pluralidad de zonas discretas de matriz fluorescente (79)
situadas en la superficie superior (82) de la placa de fibras
ópticas o en las áreas rebajadas respectivas (81) de la misma,
conteniendo cada una de las zonas una molécula indicadora
fluorescente que es sensible a un analito diferente.
16. Dispositivo sensor de la fluorescencia de
acuerdo con la reivindicación 15, en el que el fotodetector (88)
comprende unas áreas fotosensibles discretas (96, 97, 98, 99)
correspondientes a cada una de las zonas discretas de la matriz
fluorescente.
17. Dispositivo (10) sensor de la fluorescencia
para determinar la presencia o concentración de un analito en un
medio líquido o gaseoso que comprende una capa de material (71) de
guía de ondas que tiene sobre la superficie de la misma moléculas
indicadoras fluorescentes (73) cuya fluorescencia es modulada por la
presencia del analito; una fuente de luz (20) que emite luz en una
longitud de onda que excita la fluorescencia de las moléculas
indicadoras; y un fotodetector (11) que genera una señal eléctrica
sensible a la luz fluorescente emitida por dichas moléculas
indicadoras fluorescentes; caracterizado porque el
dispositivo incluye también una placa (12) de fibras ópticas que
tiene unas superficies superior e inferior, la cual placa comprende
fibras que tienen una abertura numérica que oscila entre 0 y 0,7,
estando la capa del material de la guía de ondas situado en la
superficie superior de la placa de fibras ópticas, proyectándose al
menos una porción de la luz procedente de la fuente de luz por el
interior de la guía de ondas de forma que es ampliamente contenida
dentro de la guía de ondas y excita la fluorescencia de las
moléculas indicadoras situadas sobre la superficie de la guía de
ondas, estando el fotodetector situado en la superficie inferior de
la placa de fibras ópticas.
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