ES2203953T3 - Dispositivo sensor de fluorescencia. - Google Patents

Dispositivo sensor de fluorescencia.

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ES2203953T3 ES98922205T ES98922205T ES2203953T3 ES 2203953 T3 ES2203953 T3 ES 2203953T3 ES 98922205 T ES98922205 T ES 98922205T ES 98922205 T ES98922205 T ES 98922205T ES 2203953 T3 ES2203953 T3 ES 2203953T3
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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.
Antecedentes de la Invención 1.Campo de la invención
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.
2.Técnica anterior
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.
Breve descripción de los dibujos
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.
Sumario 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.
Descripción detallada de la invención
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.
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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Families Citing this family (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070225612A1 (en) * 1996-07-15 2007-09-27 Mace Leslie E Metabolic measurements system including a multiple function airway adapter
US7335164B2 (en) 1996-07-15 2008-02-26 Ntc Technology, Inc. Multiple function airway adapter
US6572561B2 (en) 1998-01-16 2003-06-03 Healthetech, Inc. Respiratory calorimeter
CN100385232C (zh) 1998-08-26 2008-04-30 医药及科学传感器公司 基于光学的感测装置
DE19936999C2 (de) * 1999-08-02 2002-03-14 Jena Optronik Gmbh Anordnung zum Erfassen der Fluoreszenzstrahlung von matrixförmigen Probenträgern
US6612306B1 (en) 1999-10-13 2003-09-02 Healthetech, Inc. Respiratory nitric oxide meter
KR100922146B1 (ko) 2000-08-04 2009-10-19 센서즈 포 메드슨 앤드 사이언스 인코포레이티드 수성 환경에서의 분석물 검출
AU2001296456A1 (en) 2000-09-29 2002-04-08 Healthetech, Inc. Indirect calorimetry system
US20020119581A1 (en) * 2001-01-05 2002-08-29 Daniloff George Y. Detection of analytes
US6630999B2 (en) * 2001-05-01 2003-10-07 Optical Coating Laboratory, Inc. Color measuring sensor assembly for spectrometer devices
MXPA03010064A (es) 2001-05-04 2004-03-09 Sensors For Med & Science Inc Dispositivo de deteccion electro-optico con canal de referencia.
TWI293363B (en) * 2001-12-11 2008-02-11 Sensors For Med & Science Inc High performance fluorescent optical sensor
US7108659B2 (en) * 2002-08-01 2006-09-19 Healthetech, Inc. Respiratory analyzer for exercise use
US20050234316A1 (en) * 2004-04-16 2005-10-20 Sensors For Medicine And Science, Inc. Housing for a circuit that is to be implanted in-vivo and process of making the same
JP4701739B2 (ja) * 2005-02-17 2011-06-15 パナソニック株式会社 蛍光測定装置
US7308292B2 (en) 2005-04-15 2007-12-11 Sensors For Medicine And Science, Inc. Optical-based sensing devices
ES2279692B1 (es) * 2005-07-02 2008-07-16 Universidad De Granada Instrumento portatil y metodo para la medida de la concentracion de gases.
US8471217B2 (en) * 2006-05-01 2013-06-25 Fujirebio Inc. Fluorescent non-metallic particles encapsulated in a metallic coating
CN102870235B (zh) * 2009-11-10 2016-11-23 免疫之光有限责任公司 用于从包括用于上变频的射频、微波能量和磁感应源的各种能量源产生发射光的上下变频系统
JP2013525811A (ja) * 2010-05-03 2013-06-20 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア オンチップの広視野のレンズフリー蛍光画像化
JP5638343B2 (ja) 2010-10-25 2014-12-10 テルモ株式会社 蛍光センサ
EP2685884B1 (en) 2011-03-15 2020-09-23 Senseonics, Incorporated Integrated catalytic protection of oxidation sensitive materials
JP6094987B2 (ja) * 2012-02-20 2017-03-15 国立大学法人浜松医科大学 蛍光検知装置
WO2013163298A1 (en) * 2012-04-24 2013-10-31 Senseonics, Incorporated Angle of incidence selective band pass filter for implantable chemical sensor
US9963556B2 (en) 2013-09-18 2018-05-08 Senseonics, Incorporated Critical point drying of hydrogels in analyte sensors
CN104181134B (zh) * 2014-07-30 2016-08-17 深圳市开天源自动化工程有限公司 荧光检测装置

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4389670A (en) * 1981-12-30 1983-06-21 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Electronic method for autofluorography of macromolecules on two-D matrices
US5225057A (en) * 1988-02-08 1993-07-06 Optical Coating Laboratory, Inc. Process for depositing optical films on both planar and non-planar substrates
DE69230053T2 (de) * 1991-07-09 2000-03-30 Canon K.K., Tokio/Tokyo Verfahren und Vorrichtung für die Verarbeitung von Bildern
EP0618476A1 (en) * 1993-03-31 1994-10-05 Hughes Aircraft Company Rear projection screen with off-axis sunlight rejection
US5511141A (en) * 1994-04-15 1996-04-23 Peli; Eliezer Fiber optic reading magnifiers
US5489988A (en) * 1995-01-03 1996-02-06 Motorola Environmental sensor and method therefor
US5517313A (en) * 1995-02-21 1996-05-14 Colvin, Jr.; Arthur E. Fluorescent optical sensor

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Publication number Publication date
PT981734E (pt) 2003-11-28
EP0981734A1 (en) 2000-03-01
AU738578B2 (en) 2001-09-20
CA2287309A1 (en) 1998-11-19
HK1023402A1 (en) 2000-09-08
CN1159572C (zh) 2004-07-28
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NO995281D0 (no) 1999-10-28
NO995281L (no) 2000-01-10
ATE246353T1 (de) 2003-08-15
CN1260875A (zh) 2000-07-19
DK0981734T3 (da) 2003-11-24
DE69816809D1 (de) 2003-09-04
DE69816809T2 (de) 2004-03-11
TW355743B (en) 1999-04-11
KR20010012544A (ko) 2001-02-15
EP0981734B1 (en) 2003-07-30
AU7480498A (en) 1998-12-08
WO1998052023A1 (en) 1998-11-19
JP2002502495A (ja) 2002-01-22

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