ES2887313T3

ES2887313T3 - Detección química activa utilizando microcavidad óptica

Info

Publication number: ES2887313T3
Application number: ES13722008T
Authority: ES
Inventors: Jason Michael Smith; Claire Vallance
Original assignee: Oxford University Innovation Ltd
Current assignee: Oxford University Innovation Ltd
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2013-05-03
Publication date: 2021-12-22
Anticipated expiration: 2033-05-03
Also published as: WO2013164642A1; EP3907490A1; EP2844977B1; EP2844977A1; US20150077747A1; EP3907490B1; GB201207881D0; EP2844977B2; US9945775B2

Abstract

Un método para detectar un analito en una muestra química mediante la realización de espectroscopía de absorción mejorada por cavidad, el método comprende: proporcionar un par de espejos (11, 12) opuestos a lo largo de un eje óptico (O), siendo al menos uno de los espejos (11, 12) cóncavo, los espejos (11, 12) están conformados para proporcionar una cavidad (13) óptica con resonancia estable en al menos un modo; proporcionar además un sistema (20) accionador dispuesto para mover los espejos (11, 12) entre sí a lo largo de una longitud de la cavidad (13) óptica para sintonizar una longitud de onda del al menos un modo de dicha cavidad (13); introducir la muestra química dentro de la cavidad (13) óptica; iluminar la cavidad (13) con radiación EM capaz de interactuar con la muestra química; sintonizar la longitud de onda de dicho al menos un modo de dicha cavidad usando el sistema (20) accionador para que coincida con una longitud de onda de absorción de dicho analito, detectar la radiación EM emitida desde la cavidad (13) óptica, y analizar la radiación EM detectada para detectar una reducción en la radiación EM detectada que sea indicadora de la presencia de dicho analito; caracterizado porque dicha cavidad óptica tiene una longitud de cavidad de como máximo 50 μm y dicho al menos uno de los espejos (11, 12) que es cóncavo tiene un radio de curvatura de como máximo 50 μm, el radio de curvatura es mayor que la longitud de la cavidad.

Description

DESCRIPCIÓN

Detección química activa utilizando microcavidad óptica

La presente invención se refiere a la detección de una muestra química en una cavidad óptica, que incluye, entre otros, la detección mediante técnicas de espectroscopía mejorada por cavidad.

Se conocen varias técnicas para realizar la detección de una muestra química usando una cavidad óptica, incluida la espectroscopía de absorción de cavidad y de enlace de magneto mejorado, que también se pueden usar para realizar mediciones sensibles de cualquier cambio en el índice de refracción del medio dentro de la cavidad. Las cavidades ópticas microscópicas y nanoscópicas de dimensiones inferiores a alrededor de 10 pm aportan ventajas particulares a estas técnicas, incluida la sensibilidad a cantidades mínimas absolutas de analito. Estas pequeñas cavidades también permiten nuevas técnicas de detección, como la fluorescencia mejorada por cavidad y la espectroscopia Raman mejorada por cavidad, como resultado de una fuerza de interacción mejorada entre el campo electromagnético y el sistema electrónico.

En un aparato típico para realizar espectroscopía de absorción mejorada por cavidad, la cavidad es muy grande en relación con la longitud de onda de la luz de excitación, y la separación de modos es correspondientemente pequeña. El ancho de banda de un láser utilizado para excitar la cavidad es en general lo suficientemente amplio como para que muchos modos longitudinales se exciten y formen resonancias estables dentro de la cavidad. Los modos pueden sufrir interferencias constructivas y destructivas que afecten la calidad de la señal. Para lograr los mejores resultados en las mediciones del enlace de magneto de la cavidad, a menudo es necesario emplear láseres de banda estrecha y electrónica sofisticada para “bloquear”' la cavidad en un modo de cavidad única y rastrear la longitud de la cavidad para seguir el modo a medida que se escanea la longitud de onda. La sincronización de la electrónica de escaneo láser y de escaneo de cavidades en tales aplicaciones es crucial y puede resultar compleja.

Existen problemas similares en otros tipos de detección que utilizan una cavidad óptica. La publicación “Finesse and sensitivity gain in cavity-enhanced absorption spectroscopy of biomolecules” de T. McGarvey et al., OPTICS EXPRESS, vol. 14, No. 22, 2006, páginas 10441-10451, divulga un método y un sensor para detectar un analito en una muestra química mediante la realización de espectroscopía de absorción mejorada por cavidad como se define en el preámbulo de la reivindicación 1 y la reivindicación 9, respectivamente.

El documento WO 2011/049582 A1 describe un método y un sensor correspondiente para espectroscopía Raman mejorada por cavidades. El documento US 2009/0153844 A1 divulga un refractómetro que comprende una cavidad Fabry-Perot sintonizable. La publicación “Femtoliter tunable optical cavity arrays” de P. R. Dolan et al., OPTICS LETTERS, vol. 35, No. 21, 2010, páginas 3556-3558, describe una cavidad Fabry-Perot de acceso abierto que comprende un espejo plano y un espejo cóncavo opuesto que tiene un radio de curvatura de 25 pm. La longitud de la cavidad es del orden de magnitud de 1 a 10 pm. La cavidad se utiliza para aplicaciones de óptica cuántica, como la detección de un solo átomo.

La presente invención está dirigida a un método y un sensor para detectar un analito en una muestra química mediante la realización de espectroscopía de absorción mejorada por cavidad como se define en la reivindicación independiente 1 y la reivindicación independiente 9, respectivamente. Las realizaciones preferidas de la invención se definen en las reivindicaciones dependientes.

La presente invención realiza la detección utilizando una microcavidad óptica de escala micrométrica. El uso de la microcavidad no solo reduce el volumen del modo, sino que aumenta el rango espectral libre (FSR), lo que facilita el filtrado por un solo modo de la cavidad óptica.

De acuerdo con lo anterior, esta forma de cavidad óptica ofrece una banda de transmisión relativamente estrecha. Esto permite emplear una fuente de luz de banda relativamente ancha, empleando la propia cavidad la selección de longitud de onda. Además, esta cavidad óptica puede implementarse con una disposición sencilla y económica.

Además, el sistema accionador proporciona la sintonización del modo y, por tanto, el control de la longitud de onda de excitación en una amplia gama de longitudes de onda, pero sin necesidad de sintonización o bloqueo de frecuencia de una fuente de luz externa. El sistema de actuación puede ser cualquier sistema que sea capaz de mover los espejos entre sí, por ejemplo, un accionador piezoeléctrico. Esto ofrece importantes oportunidades para reducir el coste y el tamaño de los sensores.

La técnica se puede aplicar a una gama de diferentes tipos de detección, incluida la detección que emplea espectroscopía de absorción mejorada por cavidad, pero también incluida la detección que explota la sensibilidad de la cavidad óptica al índice de refracción del medio dentro de la misma.

Al menos uno de los espejos es cóncavo para proporcionar a la cavidad óptica una resonancia estable para los modos confinados perpendicularmente al eje óptico entre los espejos. Los modos de resonancia estables producidos de esta manera son resistentes a la desalineación de los dos espejos y al ángulo de incidencia de la radiación luminosa.

La minimización del radio de curvatura aumenta la separación espectral de los modos confinados perpendicularmente al eje óptico, lo que ayuda a producir una transmisión modo individual y también reduce el volumen del modo. En ese caso, el espejo cóncavo tiene un radio de curvatura relativamente bajo, es decir como máximo 50 pm, preferiblemente como máximo 30 pm o 10 pm o 3 pm.

Las cavidades ópticas pueden diseñarse ventajosamente para mejorar sus características espectrales.

La longitud de la cavidad puede reducirse, por ejemplo, a un máximo de 30 pm, preferiblemente a un máximo de 10 pm para aumentar la FSR, lo que aumenta su rango de sintonización y aumenta la separación espectral de los modos confinados perpendicularmente al eje óptico, lo que ayuda a producir un solo modo de transmisión y también reduce el volumen del modo. Esto permite que el sensor esté diseñado para proporcionar un buen control de modo, buen campo de visión (baja sensibilidad al ángulo de incidencia de la radiación luminosa) y una útil mejora mecánica cuántica del acoplamiento entre los sistemas óptico y electrónico.

Ventajosamente, uno de los espejos es cóncavo y el otro es plano. Esto evita la necesidad de proporcionar una alineación de los espejos perpendicular al eje óptico entre los espejos.

Pueden formarse espejos cóncavos de pequeño tamaño mediante fresado con haz de iones enfocado.

Ventajosamente, la reflectividad de los espejos se maximiza para maximizar el factor de calidad Q. Esto minimiza la amplitud de los modos y, por lo tanto, proporciona una mayor sensibilidad. Ventajosamente, los espejos tienen una rugosidad cuadrática media de al menos 1 nm y/o una reflectancia de al menos el 99 %, preferiblemente al menos el 99.5 %. Ventajosamente, para proporcionar una alta reflectividad, los espejos pueden ser reflectores de Bragg. Para permitir una mejor comprensión, ahora se describirá una realización de la presente invención a modo de ejemplo no limitativo con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 es un diagrama de un sensor;

La figura 2 es una vista lateral de una disposición de cavidades;

Las figuras 3(a) y 3(b) son gráficos de un espectro de intensidad de una cavidad óptica sin pérdidas y pérdidas, respectivamente, que ilustran la estructura del modo;

La figura 4 es una vista lateral de la cavidad óptica que ilustra cantidades dimensionales;

La figura 5 es un conjunto de gráficos de distribuciones espaciales de los primeros nueve modos de cavidad TEMmn de Hermite-Gauss perpendiculares al eje óptico;

Las figuras 6(a) a (c) son espectros de transmisión medidos de una cavidad óptica; y

La figura 7 es un gráfico en escala de colores del espectro de luz transmitida a través de una cavidad óptica en función del tiempo en un ejemplo experimental.

La presente invención se aplica en general a la radiación EM que incluye en cualquier combinación: luz ultravioleta (que puede definirse en el presente documento como que tiene longitudes de onda en el intervalo de 10 nm a 380 nm); luz visible (que puede definirse en el presente documento como que tiene longitudes de onda en el intervalo de 380 nm a 740 nm); luz infrarroja (que puede definirse aquí como que tiene longitudes de onda en el intervalo de 740 nm a 300 pm); y/u otras longitudes de onda. En este documento, los términos “óptico” y “óptico” se utilizan para referirse en general a la radiación EM a la que se aplica la invención.

En la figura 1 se muestra un sensor 1 que está dispuesto para realizar un láser de colorante sintonizable en miniatura. El sensor 1 comprende una disposición 10 de cavidades mostrada en detalle en la figura 2 y dispuesta como sigue. La disposición 10 de cavidad es una microcavidad óptica de acceso abierto que comprende un par de espejos 11 y 12 opuestos entre sí a lo largo del eje óptico O. La microcavidad se denomina “acceso abierto” porque los espejos 11 y 12 están abiertos. en los lados, transversales al eje óptico, proporcionando así un acceso abierto al espacio entre ellos.

El espacio entre los espejos 11 y 12 puede ser espacio libre (vacío), gas (por ejemplo, aire u otro gas) o líquido. Los espejos 11 y 12 están formados sobre sustratos 15 y 16 y están configurados para proporcionar una cavidad 13 óptica entre ellos. Una cavidad óptica confina la radiación EM, de modo que el campo electromagnético tiene una resonancia estable y forma ondas estacionarias de frecuencias discretas y distribuciones espaciales. Cada estado de onda estacionaria se conoce como un “modo” del campo EM. Para cada modo, la interferencia constructiva de las ondas electromagnéticas se produce cuando se describe un único “viaje de ida y vuelta” de la cavidad. Los espejos 11 y 12 están conformados de manera que la cavidad 13 óptica tenga resonancia estable para al menos un modo 14 que está confinado en tres dimensiones, es decir, a lo largo y perpendicular al eje óptico O por reflexión en los espejos 11 y 12, como se muestra. esquemáticamente en la Fig. 2 (y también en la Fig. 4).

La longitud L de la cavidad de la cavidad 13 óptica es la distancia entre los espejos 11 y 12, incluida la penetración del campo en los espejos 11 y 12.

Ahora se dará una descripción general de las cavidades ópticas que se aplica a la cavidad 13 óptica.

A modo de ilustración para el confinamiento en la dimensión a lo largo del eje óptico O entre los espejos 11 y 12, los modos ocurren en longitudes de onda donde la longitud de la cavidad L (longitud óptica de la cavidad 13) es un número entero de la mitad de longitudes de onda de la radiación EM, de modo que un viaje de ida y vuelta corresponde a un número entero de longitudes de onda enteras. El criterio para que exista un modo estable en una cavidad plana de Fabry Perot puede escribirse como

mX = 2L (1)

donde m es un número entero, A es la longitud de onda óptica dentro de la cavidad y L es la longitud de la cavidad. Por tanto, las longitudes de onda de modo forman una serie de valores discretos correspondientes a diferentes valores de m, como se muestra en la Fig. 3(a) para la cavidad idealizada sin pérdidas y en la Fig. 3(b) para una cavidad real con pérdidas. En el espacio de frecuencias, el espectro de cavidades resultante se denomina a menudo “peine de frecuencias”. Para una cavidad dada, el límite inferior de m puede ser 1, o el rango de valores de m puede ser determinado por el rango de longitud de onda para el cual los espejos 11 y 12 son reflectantes.

El rango espectral libre (FSR) es la separación de los modos en el espacio de longitud de onda. Para el ejemplo unidimensional ilustrativo, el FSR se deriva de la ecuación 1 como

a * = £ (2)

Por tanto, se puede ver que la FSR aumenta a medida que se reduce la longitud L de la cavidad. En general, las cavidades ópticas con una longitud de cavidad pequeña L contienen menos modos, más espaciados en longitud de onda que los modos en cavidades ópticas con una L grande.

El texto anterior se refiere a un ejemplo unidimensional simple, pero los mismos principios se aplican para el confinamiento en tres dimensiones en la cavidad 13 óptica.

La ecuación 1 parece implicar que cada modo individual (es decir, cada valor de m) tiene una longitud de onda exactamente definida como se muestra en la figura 3 (a), pero esta imagen simple se modifica por la fuga de radiación EM de las cavidades, que da como resultado que cada modo tenga un ancho finito SX como se muestra en la Fig. 3(b). Este ancho SX está relacionado con la tasa ^ a la que los fotones se escapan de la cavidad mediante la expresión

SX = v¿2 (3)

donde c es la velocidad de la luz en la cavidad. El factor de calidad Q de un modo se define como la relación entre la longitud de onda resonante absoluta (la longitud de onda máxima del modo) y el ancho del modo, es decir,

A. _ w

Q 8A Sm (4)

en el que w es la frecuencia angular de la radiación EM en el modo de cavidad y es el modo ancho en el espacio de frecuencia angular. El factor de calidad Q es equivalente al número medio de ciclos ópticos que experimenta un fotón dentro de la cavidad antes de escapar. El factor de calidad puede atribuirse a la propia cavidad, en cuyo caso se refiere a los modos de Q más altos que admite la cavidad óptica.

Otro parámetro importante para una cavidad óptica es el 'volumen de modo', que etiquetamos como V. Esto representa el volumen físico que está ocupado por la mayor parte de la energía en el modo óptico. La densidad de energía de un campo electromagnético está dada por el producto de la permitividad dieléctrica e y la intensidad del campo eléctrico |£ |2. La definición matemática del volumen del modo es entonces la relación entre la energía total del modo y la densidad de energía máxima, dada por la ecuación:

Por el contrario, si se conoce el volumen del modo, entonces se puede calcular el campo eléctrico de raíz cuadrada media (rms) máxima para un número específico N de fotones presentes, basándose en la energía total de un modo que contiene este número de fotones

En términos generales, la cavidad resonante más pequeña que se puede lograr teóricamente es un cubo de longitud lateral 8/2 con paredes perfectamente reflectantes (sin penetración de campo), lo que da un volumen de modo de

Muchas aplicaciones de las cavidades ópticas implican la interacción entre el campo de la cavidad y las transiciones electrónicas de la materia dentro de la cavidad. Los electrones se acoplan con más fuerza a la radiación electromagnética a través de la interacción del dipolo eléctrico, por lo que un dipolo eléctrico (una separación espacial de carga positiva y negativa) experimenta una fuerza debido al campo eléctrico local oscilante, por lo que puede experimentar una transición a un estado diferente. Para un momento dipolar de transición g orientado paralelo al campo de la cavidad f, y energéticamente resonante con el modo óptico, la fuerza de este acoplamiento se caracteriza por la tasa de transferencia de energía entre el dipolo y el campo, conocida como tasa de acoplamiento coherente g

Se produce un comportamiento cualitativamente diferente en los límites donde (i) la radiación EM se escapa de la cavidad antes de que pueda ser reabsorbida por el dipolo(g « g), y (ii) la energía puede transferirse hacia adelante y hacia atrás entre el dipolo y el campo antes de salir de la cavidad (g >> g). Estos se conocen como límites de “acoplamiento débil” y “acoplamiento fuerte”, respectivamente. Por lo tanto, el criterio para un acoplamiento fuerte es

El estricto requisito de fugas en la cavidad hace que sea difícil conseguir un acoplamiento fuerte.

En el límite de acoplamiento débil, la tasa de emisión espontánea de un dipolo resonante se modifica a partir del valor de espacio libre

2

Y = _{3 n e hc2}(9)

a un nuevo valor

-i _ a 2(v=o) _ i¿2Q

y 2k 4heV (10)

que corresponde a un factor de mejora, conocido como factor de Purcelt

r _ ^r1 _ 3 a 2q

_{p y 4 n 2V}(11)

Esto demuestra que una cavidad puede modificar el comportamiento de emisión óptica de una partícula, de importancia para aplicaciones en detección de fluorescencia y láser. Es importante destacar que las ecuaciones 8 y 11 revelan que, para un acoplamiento fuerte, o para una emisión espontánea modificada, se requieren Q grande y volumen V de modo pequeño.

A continuación, se describirán los parámetros de diseño y las propiedades generales de la cavidad 13 óptica específica. En la siguiente sección se describen los métodos de fabricación que utilizamos que nos permiten combinar volúmenes modales de orden A3 con valores del factor de calidad Q superiores a 104

En este ejemplo, el confinamiento óptico tridimensional se logra mediante un espejo 11 que es cóncavo. La forma cóncava del espejo 11 es esférica, pero esto no es esencial y, alternativamente, el espejo 12 podría tener otra forma simétrica rotacionalmente o una forma no simétrica. El otro espejo 12 es plano. Una cavidad 13 óptica en la que se forman modos estables es proporcionada por un radio de curvatura p del espejo 11 cóncavo que es mayor que la longitud L de la cavidad 13 óptica, como se ilustra en la figura 4, como se muestra en la figura 4.

Como resultado de la forma cóncava del espejo 11, además de la estructura de modo óptico longitudinal descrita anteriormente, la cavidad 13 óptica posee modos electromagnéticos transversales con estructura de modo Hermite-Gauss como se muestra en la Fig. 5. Cada modo longitudinal tiene un modo transversal fundamental (TEM00) y una familia de armónicos transversales TEMmn (enteros m n> 0) a intervalos regulares en su lado de longitud de onda corta. Se pueden usar algunas ecuaciones analíticas simples para describir esta estructura de modo en el límite en el que p es significativamente mayor que L (conocida como aproximación paraxial).

La separación de longitudes de onda de los modos TEM con incrementos (m n) viene dada por

revelando que la separación de modos aumenta a medida que disminuye el radio de curvatura y a medida que disminuye la longitud de la cavidad. Para los modos TEMoo, la distribución de la intensidad de la sección transversal es de forma gaussiana y la cintura del haz se sitúa en el espejo plano.

El ancho de cintura w0 (siendo el ancho mínimo del modo óptico el ancho en el espejo plano 12) viene dado por

donde el volumen del modo viene dado por

Por tanto, por ejemplo, un radio de curvatura p = 2X combinado con una longitud de cavidad L = X conduciría a un volumen modal V = — .₄

La cavidad óptica tiene una longitud de cavidad de como máximo 50 pm, preferiblemente como máximo 30 pm, más preferiblemente como máximo 10 pm. El uso de una microcavidad con una longitud L de cavidad relativamente corta aumenta la FSR y también reduce el volumen del modo.

El espejo 11 cóncavo tiene un radio de curvatura de como máximo 50 pm, preferiblemente como máximo 30 pm, más preferiblemente como máximo 10 pm. El uso de una microcavidad con un radio de curvatura p relativamente corto aumenta la separación AXT de los modos TEMmn y puede dar como resultado una transmisión modo individual mejorada de la radiación EM.

Los espejos 11 y 12 están formados para proporcionar una alta reflectividad con el fin de maximizar el factor de calidad Q. Esto minimiza la amplitud de los modos y, por lo tanto, proporciona una mayor resolución espectral. Ventajosamente, los espejos 11 y 12 tienen una reflectancia de al menos el 99%, preferiblemente de al menos el 99.5 %. Para minimizar las pérdidas, ventajosamente, los espejos 11 y 12 tienen una rugosidad cuadrática media de como máximo 1 nm.

En particular, los espejos 11 y 12 pueden ser reflectores de Bragg. Dichos reflectores de Bragg pueden comprender múltiples pares de capas 17 y 18 alternando material dieléctrico de índice de refracción alto y bajo, tal como TO2/SO2, ZrO2/SiO2, Ta2O5/SiO2 o ZnS/AhO3. Cada capa 17 y 18 tiene un grosor de Ac/4n, donde Xc es la “ longitud de onda central” seleccionada para la reflectividad más alta Xc es el índice de refracción de la capa. Estas combinaciones proporcionan un alto índice de contraste que da como resultado pequeñas profundidades de penetración de campo en el espejo y baja absorción óptica en la mayoría de las longitudes de onda ópticas. Un diseño de espejo elegido (materiales utilizados, número de pares) determinará la reflectividad máxima y el rango de longitudes de onda (el ancho de banda) sobre el cual los espejos son efectivos. Este ancho de banda puede ser típicamente del orden de 100 nm para un espejo que opera en la región visible del espectro.

Como alternativa en algunas aplicaciones, los espejos 11 y 12 pueden ser espejos de metal, aunque estos tienden a absorber un pequeño porcentaje de la radiación e M incidente en longitudes de onda ópticas y, por lo tanto, no son adecuados para las cavidades de factor Q más alto.

Otro factor limitante de la reflectividad alcanzable es la dispersión debida a la rugosidad de las superficies revestidas. Con una rugosidad cuadrática media a, la reflectividad máxima que se puede lograr es

($na\2

Rmax = e~y~> (13)

Por tanto, para elevadas reflectividades es deseable poder fabricar la superficie cóncava con una rugosidad mínima. Ventajosamente, los espejos 11 y 12 tienen una rugosidad cuadrática media de como máximo 1 nm.

Se pueden experimentar otras pérdidas debido a efectos de borde si el espejo cóncavo se desvía de la forma ideal dentro de la extensión espacial del modo.

Los espejos 11 y 12 tienen una reflectancia de al menos el 99%, preferiblemente al menos el 99.5%, pero la reflectividad de dichos reflectores de Bragg sobre los sustratos 15 y 16 de material adecuado puede alcanzar el 99.9999%, después de lo cual en general se limita por trazas. Absorción en los materiales dieléctricos. El uso de reflectividades relativamente altas aumenta el factor de calidad Q.

En vista de la construcción anterior, la cavidad 13 óptica puede estar provista de una configuración que proporcione volúmenes de modo pequeños y factores de alta calidad Q. Por lo tanto, es posible proporcionar a la cavidad óptica de manera efectiva un modo único dentro de una banda de longitud de onda de interés.

El espejo 11 se puede fabricar como sigue.

El espejo 11 puede fabricarse utilizando una técnica de grabado para producir superficies cóncavas en silicio y, por lo tanto, fabricar cavidades para la detección de un solo átomo como se divulga en las referencias [1] y [2] (las referencias se citan al final de esta descripción).

El espejo 11 puede formarse depositando espejos sobre superficies convexas tales como microlentes de silicio y luego transfiriéndolos a puntas de fibra usando una técnica de despegue como se describe en la Referencia [3].

El espejo 11 puede formarse usando un método de atrapamiento de burbujas en vidrio para producir superficies altamente esféricas con radios de curvatura del orden de 50 pm, como se describe en la Referencia [4].

El espejo 11 puede formarse mediante ablación óptica de sílice utilizando un láser de CO2, que se ha demostrado que es capaz de proporcionar factores Q de orden 106 y volúmenes de modo tan pequeños como 2 pm3, como se describe en la Referencia [5].

El método preferido para formar el espejo 11 es utilizar un fresado con haz de iones enfocado. Por ejemplo, es posible aplicar la técnica descrita en la Referencia [6]. En este ejemplo, un haz de galio de corriente 5 nA y voltaje de aceleración 30 kV se trama sobre un sustrato plano, modulando el tiempo de permanencia entre 0.1 ms y 50 ms en cada punto para producir las características deseadas. La ventaja de este método es que el control sobre la forma de la superficie cóncava se puede lograr en la escala de longitud nanométrica, mientras se conserva una rugosidad subnanométrica. De esta manera, se pueden lograr características cóncavas de cualquier radio de curvatura deseado hasta aproximadamente 100 nm, o posiblemente menos, y se pueden recubrir con espejos de alta reflectividad. Cabe señalar que los espejos en forma de reflectores Bragg de alta reflectividad suelen tener un grosor de unos pocos micrómetros, lo que puede suponer una limitación en el tamaño mínimo de la característica cóncava que se conservaría después del recubrimiento. No obstante, son posibles reducciones significativas en el volumen del modo utilizando esta técnica, en comparación con las otras técnicas mencionadas anteriormente.

Hasta ahora, utilizando esta técnica, los inventores han logrado volúmenes modales tan pequeños como 0.5 pm3, correspondientes a ~6A3, a una longitud de onda operativa de 440 nm en un fluido de índice de refracción de 1.44, utilizando una cavidad con p = 7 y L = 1.6 pm. Este volumen de modo se ha combinado con un factor Q de 1000, y se han logrado factores Q de hasta 18.000 utilizando cavidades más grandes.

La cavidad 13 óptica formada por un espejo convexo 11 y un espejo plano 12 es ventajoso porque el uso del espejo plano 12 evita la necesidad de proporcionar una alineación de los espejos 11 y 12 perpendicular al eje óptico O entre los espejos. 11 y 12. Sin embargo, los espejos 11 y 12 pueden tener formas alternativas para proporcionar una cavidad óptica. En términos generales, cada uno de los espejos puede estar curvado con sus respectivos radios de curvatura p y y (donde un espejo plano tiene un radio de curvatura infinito), siempre que, para proporcionar resonancias estables, los espejos 11 y 12 cumplan con el requisito de que 0 < (1- (L/p)). (1-(L/y)) < 1. En la Referencia [7] se dan más detalles de formas alternativas de la cavidad 13 óptica.

Para proporcionar la sintonización de la longitud de onda de los modos de la cavidad 13 óptica, el aparato 1 está provisto además de un sistema 20 accionador que está dispuesto para mover los espejos 11 y 12 entre sí a lo largo de la longitud de la cavidad 13 óptica entre los espejos 11 y 12. En particular, el sistema 20 accionador comprende un accionador 21 piezoeléctrico que está dispuesto entre los espejos 11 y 12 con extensión paralela al eje óptico O. Uno de los espejos 11 está montado directamente sobre un soporte 22 y el otro espejo 12 está montado sobre el soporte 22 por el accionador 21 piezoeléctrico, aunque son posibles otras construcciones para montar el accionador 21 piezoeléctrico entre los espejos 11 y 12. El accionador 21 piezoeléctrico es impulsado por una señal de activación suministrada desde un circuito 23 de activación para proporcionar control de posición.

La estructura de modo de la cavidad 13 óptica se puede caracterizar midiendo el espectro de transmisión óptica para la radiación EM incidente de banda ancha. A modo de ejemplo, la figura 6 muestra algunos espectros de transmisión típicos derivados de una cavidad 13 óptica realizada mediante la técnica divulgada en la referencia [6], que ilustra la sintonización, el factor de calidad y la estructura del modo Hermite Gauss. La figura 6(a) muestra los espectros de transmisión para dos cavidades cada una con p = 7 pm a L = 3.0 pm y L = 12.3 pm, respectivamente. Esto muestra cómo aumenta la FSR a medida que se reduce L. La figura 6 (b) es un primer plano de la estructura del modo de Hermite-Gauss a partir de un solo modo longitudinal. TEMoo está a 655 nm, TEM01 y TEM10 están a 649 nm, etc. La Fig. 6(b) muestra una división observada entre TEM01 y TEM10 resultante de una ligera desviación de la simetría cilindrica. La Fig. 6(c) muestra una resonancia longitudinal de Q alto (dispersión) con un ajuste de curva de Lorentzian (línea continua). La resolución del espectrógrafo utilizado para las mediciones es de aproximadamente 0.05 nm, lo que contribuye sustancialmente al ancho de línea observado.

Se dispone una fuente 27 de radiación EM para iluminar la cavidad 13 óptica de la disposición 10 de cavidad con radiación EM que tiene una banda de longitudes de onda. La fuente 27 de radiación EM y la disposición 10 de cavidad se seleccionan de modo que la cavidad 13 óptica tenga al menos un modo, preferiblemente un modo único, que es más preferiblemente un modo TEMoo, a una longitud de onda dentro de la banda de longitudes de onda de la fuente 27 de radiación EM. La fuente 27 de radiación EM se selecciona de modo que la radiación EM sea capaz de interactuar con la muestra de interés.

El sensor 1 comprende un sistema 31 de introducción de muestras que está dispuesto para introducir una muestra química dentro de la cavidad 13 óptica. Esto es sencillo debido a que los espejos 11 y 12 proporcionan acceso abierto al espacio entre ellos. El sistema 31 de introducción de muestras puede comprender un recipiente 34 que contiene la muestra, canales 32 que proporcionan un camino de flujo desde el recipiente 34 a la cavidad 13 óptica entre los espejos 11 y 12 a través y una bomba 33 para bombear la muestra a través de los canales 32. La muestra puede ser una muestra de gas o líquido.

El sensor 1 comprende un detector 25 dispuesto para detectar la radiación EM emitida desde la cavidad 13 óptica a través de uno de los espejos 11 o 12. El detector 25 puede ser cualquier tipo de detector adecuado, por ejemplo, un CMOS (semiconductor de óxido de metal complementario) o detector, fotodiodo o fotomultiplicador CCD (dispositivo de carga acoplada).

En este ejemplo, la fuente 27 de radiación EM ilumina la cavidad 13 óptica a lo largo del eje de la cavidad entre los dos espejos 11 y 12 y el detector 25 detecta la radiación EM emitida desde la cavidad 13 óptica a lo largo del eje de la cavidad a través de uno. de los espejos 11 o 12, es decir, la radiación EM transmitida a través de la cavidad 13 óptica. Más generalmente, son posibles otras configuraciones de la fuente 27 de radiación EM y el detector 25, incluidas las configuraciones en las que la fuente 27 de radiación EM y/o el detector 25 están dispuestos lateralmente del eje de la cavidad, y/o incluyendo configuraciones donde la radiación EM emitida detectada por el detector 25, es radiación EM que se transmite a través de la cavidad 13 óptica, reflejada por la cavidad 13 óptica, o emitida por la propia muestra, por ejemplo, por fluorescencia.

Por último, el sensor 1 comprende una unidad 26 de análisis que recibe la señal de detección emitida por el detector 25 y la analiza para proporcionar una señal que indica el resultado de la detección. La unidad 26 de análisis puede implementarse mediante un aparato informático que ejecute un programa apropiado, por ejemplo, un ordenador personal convencional. Alternativamente, la unidad 26 de análisis puede implementarse en parte o en su totalidad mediante hardware dedicado, por ejemplo, una matriz de puertas programables en campo (FPGA) o un circuito integrado específico de la aplicación (ASIC).

El sensor 1 puede aplicarse a un rango de diferentes tipos de detección, típicamente para detectar un analito en la muestra. A continuación, se describirán algunos ejemplos no limitativos de detección a los que se puede aplicar el sensor 1.

En un tipo de detección que aprovecha la absorción, el sistema 20 accionador se usa para sintonizar la longitud de onda del modo de la cavidad 13 óptica para que coincida con una longitud de onda de absorción del analito. En ese caso, la unidad 26 de análisis analiza la radiación EM detectada para detectar una reducción en la radiación EM detectada a esa longitud de onda, lo que es indicativo de la presencia del analito.

Un ejemplo de tal técnica que emplea detección usa métodos de espectroscopia mejorada por cavidad, por ejemplo, espectroscopía de absorción mejorada por cavidad o espectroscopía de absorción basada en cavidad.

Las técnicas de espectroscopia de absorción mejorada por cavidad, por ejemplo, como se divulga en la Referencia [7], que emplean cavidades macroscópicas (típicamente de una longitud de alrededor de 0.1 a 1.0 m) están bien establecidas para realizar mediciones de absorción espectroscópica ultrasensibles, principalmente en muestras de fase gaseosa. La absorción de luz por moléculas se describe en general en términos de la ley de Beer-Lambert:

l = l 0e~aCl (1)

donde / y /o son las intensidades de la luz transmitida a través de la muestra e incidente en la muestra, respectivamente, a es el coeficiente de absorción molecular, C es la concentración de la muestra y / es la longitud de la ruta a través de la muestra. Para una longitud de trayectoria conocida /, una medida de / y /o permite determinar la cantidad k = aC, la absorción por unidad de longitud de trayectoria. Si se conoce el coeficiente de absorción a, esto permite determinar la concentración y viceversa. De la ecuación (1), está claro que la sensibilidad de la medición se puede mejorar aumentando la longitud de la ruta óptica, /. Las espectroscopias basadas en cavidades logran esto sin aumentar el tamaño físico de la muestra, atrapando la luz dentro de una cavidad óptica de manera que se somete a un gran número de pasadas a través de la muestra.

La radiación EM de la fuente 27 de radiación EM se acopla a través de uno de los espejos 11 y 12 y se confina dentro de la cavidad 13 óptica, experimentando reflejos repetidos hacia adelante y hacia atrás entre los espejos 11 y 12. Una pequeña cantidad se escapa a través de los espejos 11 y 12 en cada reflejo. Por lo tanto, el detector 25 emite una señal de detección que es proporcional a la intensidad de luz que queda dentro de la cavidad 13 óptica. Si la cavidad 13 óptica se excita con un pulso de luz, la fracción constante de luz que se escapa en cada viaje de ida y vuelta de la cavidad 13 óptica produce una intensidad que decae exponencialmente con el tiempo, con la constante de tiempo, o 'tiempo de enlace de magneto, t, dependiendo solo de la geometría de la cavidad (longitud de la cavidad L) y las pérdidas de la cavidad (principalmente debido a la reflectividad imperfecta del espejo).

c ( l -R ) (2)

donde c es la velocidad de la luz. El factor L/c es el tiempo necesario para una pasada a través de la cavidad, y el segundo factor 1/(1 - R) cuantifica el número de pasadas a través de la cavidad. Si se coloca una muestra absorbente dentro de la cavidad, las pérdidas de la cavidad aumentan, lo que lleva a una reducción del tiempo de enlace de magneto.

t = ^L

c(1 -R k /) (3)

Siendo k/ la absorbancia de la muestra de la 'ley de Beer-Lambert' (según la ecuación (1)). En todos los ejemplos cubiertos aquí, la longitud de la ruta de absorción l es igual a la longitud de la cavidad L, pero este no tiene por qué ser el caso en general.

La unidad 26 de análisis está dispuesta para analizar la señal de detección para medir los tiempos de enlace de magneto r y r0 en presencia y ausencia de muestra, respectivamente, permite determinar la absorción absoluta, k = aC, de acuerdo con la ecuación:

El enlace de magneto se mide a medida que se escanea la longitud de onda de la radiación EM y, por lo tanto, la unidad 26 de análisis genera un espectro de absorción de la muestra. En las referencias [8] a [10] se divulgan más detalles de la espectroscopía de enlace de magneto de cavidad que se pueden aplicar en el sensor 1.

Al integrar la señal de enlace de magneto a lo largo del tiempo, es sencillo mostrar que la intensidad de luz total detectada es proporcional al tiempo de enlace de magneto r. Este descubrimiento condujo al desarrollo de una alternativa experimentalmente más simple a la espectroscopia de enlace de magneto de cavidad conocida como espectroscopia de absorción mejorada de cavidad (CEAS), que alternativamente puede emplearse en el sensor.

En CEAS, la fuente de radiación EM excita la cavidad 13 óptica con un haz de onda continua o pulsada, y la unidad 26 de análisis mide la intensidad total de la radiación EM transmitida a través de la cavidad 13 óptica en lugar de la señal de enlace de magneto dependiente del tiempo. La unidad 26 de análisis determina la absorción k en la longitud de onda de excitación a partir de una medición de la señal S y So (ahora tomando la forma de una intensidad en lugar de un tiempo de enlace de magneto) en presencia y ausencia de la muestra de interés, respectivamente, de acuerdo con la ecuación:

Kí = g - l ) ( 1 - f i ) (5)

El factor 1/(1-R), cuyo inverso aparece en la ecuación (5), se conoce como factor de mejora de la cavidad y cuantifica la mejora en la sensibilidad en relación con una medición de un solo paso. Como en la espectroscopia de enlace de magneto de cavidad, el espectro de absorción k(X) puede obtenerse escaneando la longitud de onda del láser X y registrando la intensidad de la señal en cada punto.

En los métodos de espectroscopia mejorada por cavidad existentes descritos anteriormente, la cavidad es muy grande en relación con la longitud de onda de la luz de excitación, y la separación de modos es correspondientemente pequeña. El ancho de banda del láser utilizado para excitar la cavidad es en general lo suficientemente amplio como para que muchos modos longitudinales se exciten y formen resonancias estables dentro de la cavidad. Los modos pueden sufrir interferencias constructivas y destructivas que afecten la calidad de la señal. Para lograr los mejores resultados en las mediciones del enlace de magneto de la cavidad, a menudo es necesario emplear láseres de banda estrecha y electrónica sofisticada para “bloquear”' la cavidad en un modo de cavidad única y rastrear la longitud de la cavidad para seguir el modo a medida que se escanea la longitud de onda. La sincronización de la electrónica de escaneo láser y de escaneo de cavidades en tales aplicaciones es crucial y puede resultar compleja.

Por el contrario, el sensor 1 ofrece un enfoque alternativo que emplea una cavidad óptica de dimensiones proporcionales a la longitud de onda de la radiación EM de excitación. La cavidad 13 óptica es tan pequeña, y el rango espectral libre tan grande, que un modo de cavidad única (longitud de onda de excitación) puede excitarse preferentemente con una fuente de banda ancha. Además, la longitud de onda resonante de la cavidad puede ajustarse a cualquier valor deseado simplemente moviendo los espejos usando el sistema 20 de actuación. Como consecuencia, la fuente 27 de radiación Em puede ser una fuente de luz de banda ancha de bajo costo, sin necesidad de bloquear la frecuencia de la fuente a un modo de cavidad. Sólo la longitud de onda resonante formará un modo estable dentro de la cavidad 13 óptica, con todas las demás longitudes de onda sufriendo interferencia destructiva.

Para su uso en detección química, la cavidad 13 óptica está sintonizada con la longitud de onda de una línea de absorción característica para el analito de interés, y se observará una caída en la intensidad de la salida de la cavidad cuando el analito esté presente dentro de la cavidad, como se cuantifica en la Ecuación (5).

El sensor 1 puede usarse para detectar muestras tanto en fase gaseosa como en solución o en fase líquida. Los espectros de absorción en fase gaseosa consisten en líneas definidas que corresponden a las transiciones entre estados rovibrónicos individuales de la molécula. En general, es posible identificar una línea rotacional que sea lo suficientemente única para la molécula de interés como para que pueda usarse para identificarla sin ambigüedades en una muestra gaseosa. El alto factor Q de las microcavidades (se ha demostrado Q = 104 y Q = 105-106 será posible cuando se empleen revestimientos de espejos de mayor reflectividad) produce resonancias que son lo suficientemente nítidas como para que la cavidad se pueda sintonizar en una sola línea de rotación. Por ejemplo, un factor Q de 104 produce modos de cavidad con un ancho de banda del orden de 0.1 nm, mientras que una cavidad con un factor Q de 106 tendría resonancias de ancho del orden de 1 pm. Por tanto, el sensor 1 ofrece una plataforma general para la detección química en fase gaseosa.

En solución, los niveles de energía molecular se amplían mediante interacciones con el disolvente, y las transiciones rovibrónicas individuales tienden a fusionarse para formar bandas de absorción amplias y relativamente desestructuradas. En algunos casos, un analito tendrá una fuerte absorción a una longitud de onda que no es compartida por otras moléculas presentes, pero la mayoría de las veces habrá interferencias espectrales de otras especies químicas presentes en la muestra. Este problema puede resolverse usando reacciones colorimétricas simples para convertir el analito de interés selectivamente en un compuesto derivado fuertemente coloreado. Controlando la absorción del derivado, que es mucho más fuerte que la de cualquier interferente potencial, se puede establecer la concentración inicial del analito de interés. Un ejemplo de tal conversión es la reacción de Griess para la cuantificación de concentraciones de nitrito en muestras líquidas. El 'reactivo de Griess' convierte el nitrito libre en un tinte azo de fuerte absorción, con una correlación de 1: 1 entre la concentración de tinte y la concentración inicial de nitrito.

La sensibilidad del CEAS a la presencia de una especie absorbente puede considerarse en términos de la Ecuación (5). Hemos definido previamente el factor de mejora de la cavidad, 1/(1-R), que se maximiza mediante el uso de revestimientos de espejo que son lo más reflectantes posible. Los revestimientos de espejos de reflectividad R = 0.9998 están ampliamente disponibles y producirían un factor de mejora de la cavidad de 5000, mientras que los mejores revestimientos de espejos actualmente en el mercado, con una reflectividad declarada de 0.999997, producirían un factor de mejora de la cavidad de más de 300000.

La sensibilidad de detección en una medición CEAS está determinada por el cambio mínimo en la intensidad de la luz transmitida que puede cuantificarse de forma fiable. A menudo se considera que esto es tres veces la desviación estándar en una medición de la señal de línea de base So. Tomando como estimación conservadora que el sensor 1 podría detectar de manera confiable un cambio del 1 % en la intensidad de la señal, una cavidad 13 con una longitud de cavidad de 1 pm empleando los mejores espejos disponibles permitiría la detección de una absorción mínima por unidad de longitud de trayectoria de ^{Km ln}= 3 x 10_4cm_1. Traducir esto a una concentración mínima detectable de muestra requiere el conocimiento del coeficiente de absorción molecular de la molécula de interés en la longitud de onda de excitación de la cavidad.

Los coeficientes de absorción varían ampliamente. Por ejemplo, el producto de colorante azoico de la reacción de Griess descrito en la sección anterior tiene un coeficiente de absorción de alrededor de 80 x 103M~1cm~1 a 520 nm (sección transversal de absorción molecular de 1.3 x 10_16cm2), y una absorción detectable por unidad de longitud de trayectoria de 3 x 10-4 cm-1 correspondería a una concentración mínima detectable de 3.75 nm. Teniendo en cuenta que el volumen modal de una cavidad 13 con una longitud de cavidad de 1 pm con un espejo cóncavo 12 con un radio de curvatura p de 10 pm es de alrededor de 3 x 10_19m3, se prevé que la técnica debería poder registrar la presencia de unas pocas moléculas, y posiblemente incluso moléculas individuales, dentro de este volumen. Cuando se utilizan espejos menos reflectantes o moléculas diana que absorben menos fuertemente, las sensibilidades de detección se reducirán correspondientemente.

En otro tipo de detección, fuera del alcance de la invención reivindicada, el sensor 1 emplea la sensibilidad de la cavidad 13 óptica al índice de refracción del medio dentro de la misma. En este caso, la unidad 26 de análisis analiza la señal de detección para detectar un cambio en el índice de refracción del medio dentro de la cavidad óptica que es indicativo de un analito.

Dado que la longitud de onda de la radiación EM en un medio viene dada por A0/n, donde A0 es la longitud de onda de vacío y n el índice de refracción del medio, la cavidad 13 óptica puede usarse para monitorear cambios en el índice de refracción con valores muy altos. precisión, del orden de 1/Q. Hay dos enfoques.

En el primer enfoque, la fuente 27 de radiación EM es una fuente de banda ancha y, por tanto, un cambio en el índice de refracción conduce a un cambio en la longitud de onda transmitida a través de la cavidad. En este caso, el detector 25 es un medidor de ondas o espectrómetro de alta resolución que detecta la longitud de onda de la radiación EM incidente. La unidad 26 de análisis mide el índice de refracción dentro de la cavidad cuantitativamente a partir de la señal de detección que representa la longitud de onda y detecta un cambio en el índice de refracción que es indicativo de un analito.

En el segundo enfoque, la fuente 27 de radiación EM es un láser de banda estrecha y la longitud de la cavidad se ajusta en modo a la longitud de onda del láser, de modo que un cambio en el índice de refracción hace que la cavidad entre o salga de resonancia con la longitud de onda de excitación, manifestando como un cambio en la intensidad de la luz transmitida a través de la cavidad. En este caso, el detector 25 simplemente detecta la intensidad de la radiación EM incidente. La unidad 26 de análisis analiza la señal de detección y detecta un cambio en el índice de refracción que es indicativo de un analito. En esta configuración también sería posible crear un bucle de retroalimentación tal que la cavidad ajustara su longitud para optimizar la señal para la nueva longitud de onda y registrara el cambio en la longitud de onda, dando así una determinación absoluta del cambio del índice de refracción.

Los sensores de índice de refracción se utilizan ampliamente en muchas áreas de la ciencia analítica, particularmente como detectores en cromatografía y electroforesis capilar, y para detectar eventos de contaminación repentina en la monitorización del agua.

El sensor 1 es una plataforma de detección general que se puede aplicar para detectar una amplia gama de analitos en fase de solución y en fase gaseosa. Las aplicaciones incluyen, sin limitación: (i) Detección ambiental, por ejemplo, monitoreo de contaminantes u otras especies químicas en ríos o el agua de lagos, monitoreo de la calidad del aire; (ii) medicina y asistencia sanitaria, por ejemplo, detección de biomarcadores en muestras de sangre, orina, saliva o aliento; (iii) monitoreo de procesos en una variedad de industrias; (iv) seguridad, por ejemplo, detección de sustancias potencialmente nocivas en muestras de aire o líquido; y (v) espectrómetros miniaturizados, por ejemplo como detectores para aplicaciones de microfluidos o como una tecnología de consumo científico más general.

El sensor 1 ofrece oportunidades considerables para la miniaturización, con las ventajas asociadas de portabilidad y las cantidades extremadamente pequeñas de muestra necesarias para el análisis. El sensor 1 puede acoplarse con fibra para su uso en entornos hostiles o para uso en endoscopia médica, y también se puede fabricar en matrices para realizar análisis en paralelo, acoplando potencialmente una matriz de sensores a la matriz de píxeles de una cámara CCD o CMOS para Adquisición rápida de datos. Las matrices de cavidades también podrían usarse junto con matrices de receptores diseñados para la detección de analitos múltiples

El sensor 1 también es relativamente simple en comparación con la mayoría de las configuraciones CEAS, requiriendo sólo una fuente de luz y un detector bastante básicos en lugar de los sofisticados sistemas láser y electrónica necesarios para ejecutar una medición CEAS convencional.

Un tercer método para la detección química activa usando una microcavidad óptica, fuera del alcance de la invención reivindicada, es la detección de fluorescencia. La detección por fluorescencia de moléculas individuales es relativamente rutinaria hoy en día, pero se limita a moléculas que emiten fluorescencia intensamente con transiciones permitidas por dipolos eléctricos altamente eficientes, y a enfoques “marcados" en los que las moléculas no fluorescentes se unen a tintes o nanopartículas fluorescentes brillantes con fines de detección. Este último enfoque requiere la unión previa de la partícula etiqueta antes de la detección, lo que limita su rango de aplicaciones. Además de proporcionar lo último en sensibilidad para aplicaciones de detección química, la fluorescencia de una sola molécula es una herramienta analítica incomparable para descubrir la dinámica de los sistemas moleculares y nanoscópicos, como se divulga en la Referencia [12].

El aumento de la fluorescencia debido a una microcavidad, por el efecto Purcell descrito anteriormente, aumenta la tasa de emisión a la que se produce la fluorescencia por el factor Purcell Fp de la cavidad multiplicado por el factor (1 Q/Qd)-1 donde Qd es el factor de calidad del espectro de emisión.

Al hacerlo, permite el control sobre la dirección de emisión de la radiación fluorescente, ya que un Fp alto fomenta la emisión en los modos resonantes a expensas de otros modos de resonancia inactiva o con fugas. El resultado es que la señal que llega a un detector puede incrementarse significativamente; se requieren componentes ópticos menos costosos para recolectar y dirigir la luz emitida; y la detección de una sola molécula se puede lograr más rápidamente que en ausencia de una microcavidad. Alternativamente, se puede facilitar la detección de moléculas que emiten luz débilmente, por ejemplo, si existe un proceso de relajación competitivo rápido, o si la transición está prohibida por el dipolo eléctrico y, por lo tanto, comparativamente lenta, puede facilitarse, aumentando así el rango de moléculas que pueden detectarse en un solo punto. nivel de partículas. La fluorescencia de una sola molécula se limita a moléculas cuyo rendimiento cuántico de fluorescencia (QY = la probabilidad de emitir un fotón después de la excitación) es superior a aproximadamente el 10 %, excluyendo la gran mayoría de moléculas de esta técnica. En una cavidad que ofrece el factor de Purcell F^p, el rendimiento cuántico aumenta a aproximadamente QY' = FP x QY/( 1 FP x QY).

Un cuarto método para la detección química, fuera del alcance de la invención reivindicada, es la espectroscopia Raman, donde la iluminación con radiación EM de un láser da como resultado una dispersión coherente de luz a energías inferiores a las de la iluminación como resultado de la excitación vibratoria. (Stokes), o superior a la de la iluminación como resultado de la desexcitación vibratoria (anti-Stokes). Cada molécula tiene un espectro de energía vibracional característico, por lo que el espectro de la luz dispersa se puede utilizar para identificar la composición química de la muestra. Esta técnica se utiliza ampliamente como herramienta analítica en química y bioquímica, ya que es aplicable a una amplia gama de especies químicas (mucho más grande que la fluorescencia).

La espectroscopia Raman mejorada es bien conocida y ampliamente utilizada, lo que permite la sensibilidad de detección a nivel de molécula única. La mejora de la señal Raman se logra más comúnmente mediante plasmones de superficie en una interfaz de metal, en una técnica conocida como dispersión Raman mejorada en superficie (SERS). Esta es típicamente una técnica de banda ancha en la que la identificación química requiere el uso de alguna herramienta espectroscópica, como un espectrógrafo, que puede ser voluminosa y/o costosa. La espectroscopia Raman mejorada con cavidad resonante permite que las transiciones Raman seleccionadas que son resonantes con un modo de cavidad Q alto se realcen por encima de otras, eliminando así la necesidad de una mayor dispersión espectroscópica de la radiación dispersa [13].

El uso de las cavidades descritas aquí para la espectroscopia Raman mejorada por cavidad permite que las grandes mejoras de campo logradas por el tamaño pequeño de la cavidad se utilicen para una fuerte mejora de la radiación resonante dispersa. Los factores de alta calidad posibles proporcionan un alto grado de resolución espectral en la mejora de la señal dispersa. La capacidad de sintonización de la cavidad permite que se registre un espectro sin recurrir a elementos ópticos voluminosos y costosos. Las pequeñas longitudes de las cavidades y el radio de curvatura de los espejos cóncavos proporcionan una sintonización modo individual en un amplio rango espectral. Opcionalmente, se puede usar un modo de cavidad adicional para mejorar la intensidad de la radiación de excitación, por lo que la mejora general de la señal será el producto de las mejoras de los campos de radiación incidente y dispersa. Las cavidades se pueden utilizar junto con nanopartículas metálicas u otras nanoestructuras para la mejora plasmónica de la señal de dispersión Raman.

Como ejemplo experimental, se usó un sensor 1 como se describe anteriormente como sigue. Inicialmente, la cavidad 13 óptica se llenó con agua y luego se inyectó solución salina saturada en la cavidad 13 óptica. Durante este proceso, se midió la presencia de la sal mediante un cambio en el índice de refracción. La diferencia debe ser de aproximadamente 0.045 unidades de índice de refracción (RIU) entre agua pura y solución saturada.

La figura 7 es una gráfica de los resultados, que es una gráfica a escala de color del espectro de luz transmitida a través de cavidad 13 óptica contra el tiempo. La línea brillante corresponde a un alto grado de transmisión óptica a través de un modo resonante. El momento en que se inyecta la solución salina (aproximadamente 35 segundos) se indica con una flecha. Como puede verse, el modo de cavidad es estable hasta que llega la solución salina, después de lo cual la resonancia cambia a una longitud de onda más larga en aproximadamente 12 nm. Esto muestra que el sensor 1 funciona de manera efectiva.

En este ejemplo, el volumen del modo de cavidad de la cavidad 13 óptica fue del orden de 1 pm3, por lo que la masa de sal que se midió en cualquier momento fue de aproximadamente 260 fg (es decir, 2.6 * 10-13 g).

En este ejemplo, la cavidad 13 óptica logró la medición de un cambio en el índice de refracción unas 100 veces menor (~ 5 x 10-4 RIU) que el ancho de línea de la resonancia. Con el refinamiento de la cavidad 13 óptica, se anticipa que esto puede mejorarse aún más quizás hasta aproximadamente 100 veces mejor, lo que a su vez sugiere una capacidad para detectar tan poco como ~ 10 ag de sal, lo que equivale a menos de un millón de moléculas. Es razonable esperar sensibilidades similares de otras impurezas.

La escala de tiempo relativamente lenta de los datos mostrados en la figura 7 es indicadora del cambio gradual en la concentración de sal en la cavidad 13 óptica. Un mejor diseño del sistema de fluídica para inyectar la sal aceleraría estos cambios.

Referencias

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[2] M. Trupke, J. Goldwin, B. Darquie, G. Dutier, S. Eriksson, J. Ashmore, and E. A. Hinds, Phys Rev Lett 99, 063601 (2007)

[3] T. Steinmetz, Y. Colombe, D. Hunger, T. W. Hansch, A. Balocchi, R. J. Warburton, and J. Reichel, Appl Phys Lett 89, 111110 (2006)

[4] G. Cui, J. M. Hannigan, R. Loeckenhoff, F. M. Matinaga, M. G. Raymer, S. Bhongale, M. Holland, S. Mosor, S. Chatterjee, H. M. Gibbs, and G. Khitrova, Optics Express 14, 2289 (2006)

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[8] J. J. Scherer, J. B. Paul, A. O'Keefeand and R. J. Saykally, Chem. Rev., 97(1) 25 (1997)

[9] M. D. Wheeler, S. M. Newman, A. J. Orr-Ewing and M. N. R. Ashfold, J. Chem. Soc., Faraday Trans., 94(3) 337 (1998)

[10] S. M. Ball and R. L. Jones, Chem. Rev., 103(12) 5239 (2003); D. B. Atkinson, Analyst, 128(2) 117 (2003);

[11] S. S. Brown, Chem. Rev., 1035219 (2003).

[12] Chris Gell et al, Handbook of Single Molecule fluorescence spectroscopy (OUP, 2006)

[13] William M Tong et al, US patent No 7511808 (2009).

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para detectar un analito en una muestra química mediante la realización de espectroscopia de absorción mejorada por cavidad, el método comprende:

proporcionar un par de espejos (11, 12) opuestos a lo largo de un eje óptico (O), siendo al menos uno de los espejos (11, 12) cóncavo, los espejos (11, 12) están conformados para proporcionar una cavidad (13) óptica con resonancia estable en al menos un modo;

proporcionar además un sistema (20) accionador dispuesto para mover los espejos (11, 12) entre sí a lo largo de una longitud de la cavidad (13) óptica para sintonizar una longitud de onda del al menos un modo de dicha cavidad (13); introducir la muestra química dentro de la cavidad (13) óptica;

iluminar la cavidad (13) con radiación EM capaz de interactuar con la muestra química;

sintonizar la longitud de onda de dicho al menos un modo de dicha cavidad usando el sistema (20) accionador para que coincida con una longitud de onda de absorción de dicho analito,

detectar la radiación EM emitida desde la cavidad (13) óptica, y

analizar la radiación EM detectada para detectar una reducción en la radiación EM detectada que sea indicadora de la presencia de dicho analito;

caracterizado porque dicha cavidad óptica tiene una longitud de cavidad de como máximo 50 pm y dicho al menos uno de los espejos (11, 12) que es cóncavo tiene un radio de curvatura de como máximo 50 pm, el radio de curvatura es mayor que la longitud de la cavidad.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los espejos (11, 12) tienen respectivos radios de curvatura P y y que cumplen el requisito de que 0 < (1 — (L/ft)). (1 - (L/y)) < 1, donde L es la longitud de la cavidad (13) óptica.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que uno de los espejos (11) es cóncavo y el otro de los espejos (12) es plano.

4. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos uno de los espejos (11, 12) que es cóncavo se forma mediante fresado con haz de iones enfocado.

5. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho al menos un modo incluye un modo transversal fundamental de la cavidad (13) óptica.

6. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los espejos (11, 12) tienen una rugosidad cuadrática media de como máximo 1 nm.

7. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los espejos (11, 12) tienen una reflectancia de al menos el 99 %.

8. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la cavidad (13) óptica tiene un modo único dentro de una banda de longitudes de onda de la radiación EM.

9. Un sensor para detectar un analito en una muestra química mediante la realización de espectroscopía de absorción mejorada por cavidad, el sensor comprende:

un par de espejos (11, 12) opuestos a lo largo de un eje óptico (O), siendo al menos uno de los espejos (11, 12) cóncavo, los espejos (11, 12) están conformados para proporcionar una cavidad (13) óptica con resonancia estable en al menos un modo;

un sistema (20) accionador dispuesto para mover los espejos (11, 12) entre sí a lo largo de una longitud de la cavidad (13) óptica para sintonizar una longitud de onda del al menos un modo de dicha cavidad (13) para que coincida con una longitud de onda de absorción del analito;

una fuente (27) de radiación EM dispuesta para iluminar la cavidad (13) óptica con radiación EM capaz de interactuar con una muestra;

un sistema (21) de introducción de muestras dispuesto para introducir la muestra química dentro de la cavidad (13) óptica,

un detector (25) dispuesto para detectar la radiación EM emitida desde la cavidad (13) óptica, y

un analizador dispuesto para analizar la radiación EM detectada para detectar una reducción en la radiación EM detectada que sea indicadora de la presencia de dicho analito;

caracterizado porque: dicha cavidad óptica tiene una longitud de cavidad de como máximo 50 |jm y dicho al menos uno de los espejos (11, 12) que es cóncavo tiene un radio de curvatura de como máximo 50 jm , siendo el radio de curvatura mayor que la longitud de la cavidad.