ES2934786T3 - Dispositivo para recoger luz fluorescente emitida por partículas en un medio - Google Patents

Dispositivo para recoger luz fluorescente emitida por partículas en un medio Download PDF

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Abstract

Se proporciona un dispositivo (300; 500; 700) para recoger luz fluorescente (322) emitida por partículas (304) en un medio (302). El dispositivo (300; 500; 700) comprende un sustrato (308) que tiene una cámara (306) para contener el medio (302) que incluye las partículas (304) que pueden emitir luz fluorescente (322). Una primera guía de ondas (310), que está dispuesta para recibir y guiar la luz de excitación a lo largo de una primera dirección (313), se extiende a través de la cámara (306). La luz fluorescente (322) emitida por las partículas (304) después de una excitación es recogida por la primera guía de ondas (310). El dispositivo (300; 500; 700) comprende además un acoplador (316; 516) que incluye una segunda guía de ondas (317) dispuesta para emitir luz fluorescente recogida (326) en uno de sus extremos (318). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo para recoger luz fluorescente emitida por partículas en un medio
Campo técnico
Las realizaciones ejemplares se refieren a un método y a un dispositivo para recoger luz fluorescente emitida por partículas en un medio.
Antecedentes
Cada vez hay más demanda de dispositivos de diagnóstico compactos donde los propios pacientes miden la concentración de diversos tipos de partículas en fluidos corporales, tales como moléculas en la sangre u orina. Generalmente, un fluido corporal puede considerarse como un medio de fluido que incluye partículas, tales como moléculas, de diferentes tipos. La concentración de las partículas puede medirse utilizando fluorescencia, es decir, las partículas pueden someterse a una luz que sirva para excitar las partículas, por lo que las partículas emiten luz fluorescente que luego se recoge para detectar la concentración de partículas en el medio. Algunas partículas en los fluidos corporales pueden tener la capacidad natural de emitir luz fluorescente. Sin embargo, si este no es el caso, también es posible teñir las partículas con un colorante fluorescente, es decir, un colorante que se una a las partículas y que sea capaz de emitir luz fluorescente.
Campos evanescentes de guías de ondas ópticas se han utilizado para la excitación de varios tipos de partículas emisoras, incluyendo colorantes fluorescentes. Por ejemplo, una guía de ondas ópticas que transporta luz de excitación puede pasar a través de un medio que comprende partículas emisoras. La misma guía de ondas puede utilizarse para recoger la luz emitida y guiarla hasta un detector.
Las figuras 1a y 1b ilustran este principio. Un medio 102 que comprende partículas 104 se mantiene por una cámara 106 de un sustrato 108. Una guía de ondas 110 se dispone en el sustrato 108 de manera que se extiende a través de la cámara 106. La luz de excitación 120 se introduce en la guía de ondas 110 por un primer extremo 112, denominado en la presente como puerto 1. La luz de excitación 120 da lugar a un campo evanescente alrededor de la guía de ondas 110 que provoca la excitación de las partículas 104. Como resultado, las partículas 104 emiten luz fluorescente 122 que es recogida por la guía de ondas 112. La luz fluorescente recogida 124, y la luz de excitación 120 que permanece tras el paso por la guía de ondas, se producen entonces en un segundo extremo 114 de la guía de ondas, denominado en la presente como puerto 2, para su detección.
La guía de ondas 110 de esta manera guía la luz de excitación 120 y la luz fluorescente recogida 124. Puesto que la potencia de la luz de excitación 120 es típicamente órdenes de magnitud mayores que la potencia de la luz fluorescente recogida 124, la luz de excitación necesita ser filtrada, por ejemplo, por medio de un filtro eliminador fuerte, para permitir que la luz emitida recogida sea detectada. Tales filtros, debido a su tamaño, son poco prácticos en muchos casos, como cuando se desea un sistema compacto. De esta manera, hay espacio para mejoras.
El documento US 2013/071850 A1 se refiere a un sistema de sensor de barrido, métodos de uso y kits para detectar un analito biológicamente activo. El sistema de sensor de barrido incluye una fuente de luz, un detector, un sustrato que comprende una pluralidad de guías de ondas y una pluralidad de sitios de detección óptica en comunicación óptica con una o más guías de ondas del sustrato, y al menos un adaptador configurado para acoplarse con el sustrato y proporcionar comunicación óptica entre la fuente de luz, las guías de ondas del sustrato y el detector.
El documento US 2008/212918 A1 se refiere a un dispositivo de sensor de fibra óptica para detectar la presencia de un compuesto cromóforo en un fluido biológico. El dispositivo de sensor de fibra óptica incluye al menos un miembro de fibra óptica que tiene una porción sin recubrimiento, el miembro de fibra óptica tiene un extremo proximal y un extremo distal para transmitir energía luminosa de una longitud de onda determinable, un medio de fuente de luz para generar energía luminosa de longitud de onda determinable, tal medio de luz operativamente asociado con un medio de medición de modo que tal energía luminosa pasa a través de tal medio de medición y tal miembro de fibra óptica al fluido biológico, y el medio de medición operativamente asociado con el miembro de fibra óptica y la fuente de luz, para medir la diferencia entre la energía luminosa generada por la fuente de luz y la luz reflejada del extremo distal del miembro de fibra óptica, en donde la diferencia se relaciona con la luz absorbida por el compuesto cromóforo y es indicativa de la concentración del presente compuesto cromóforo en el fluido biológico.
El documento US 2003/029995 A1 se refiere a un aparato y a métodos para medir la velocidad de flujo de petróleo en un pozo los cuales utilizan enfriamiento brusco por fluorescencia. Se elige un marcador que apaga la fluorescencia natural del petróleo crudo y se inyecta en el flujo de petróleo en una primera ubicación. En una segunda ubicación, el flujo de petróleo se somete a una luz con una longitud de onda que provocará la fluorescencia natural del petróleo. La señal de fluorescencia se detecta en la segunda ubicación mediante una sonda de detección. El tiempo que tarda el marcador de enfriamiento brusco en pasar de la primera ubicación a la segunda ubicación se mide al detectar una disminución de la fluorescencia debido al enfriador brusco. La velocidad de fluido se determina al dividir la distancia entre el punto de inyección del marcador y la posición de la sonda óptica por el tiempo que tardó el marcador en desplazarse a esa distancia.
El documento US 2016/356708 A1 se refiere a un dispositivo óptico de medición para medir una región de medición, el dispositivo óptico comprende un chip fotónico con un interferómetro definido en dicho chip, dicho interferómetro comprende primera y segunda guías de ondas en el chip fotónico y una región de interferencia, en donde la primera y segunda guías de ondas transportan señales desde la región de interferencia hasta la región de muestra y nuevamente a la región de interferencia, el dispositivo además comprende una unidad de ajuste de fase configurada para variar una diferencia de fase entre las señales de la primera y segunda guías de ondas reflejadas por la región de medición.
Compendio
Se proporciona un dispositivo para recoger luz fluorescente emitida por partículas en un medio, como se define en la reivindicación 1. En lugar de emitir la luz fluorescente recogida junto con la luz de excitación en un puerto de salida de la guía de ondas, la luz fluorescente recogida que se desplaza en dirección opuesta a la luz de excitación en la guía de ondas se acopla directamente a una guía de ondas adicional para su detección. De este modo, no es necesario un filtro eliminador. También se proporciona un método que utiliza el dispositivo, como se define en la reivindicación 10.
Breve descripción de los dibujos
Lo anterior, así como los objetos, características y ventajas adicionales, se entenderán mejor a través de la siguiente descripción detallada ilustrativa y no limitante de las realizaciones y ejemplos comparativos descritos en la presente, con referencia a los dibujos adjuntos, donde se utilizarán los mismos números de referencia para elementos similares, en donde:
La figura 1a ilustra esquemáticamente una vista lateral de un dispositivo para recoger la luz fluorescente emitida por partículas en un medio de acuerdo con la técnica anterior.
La figura 1b ilustra esquemáticamente una vista superior del dispositivo de la figura 1a.
La figura 2 ilustra la potencia de señal recogida en función de la longitud de guía de ondas para dos concentraciones diferentes cuando se utiliza el dispositivo de la técnica anterior de las figuras 1a y 1b. La figura 3 ilustra esquemáticamente una vista superior de un dispositivo para recoger luz fluorescente emitida por partículas en un medio de acuerdo con un grupo de realizaciones.
Las figuras 4a y 4b ilustran esquemáticamente la funcionalidad de un acoplador direccional.
La figura 5 ilustra esquemáticamente una vista superior de un dispositivo para recoger luz fluorescente emitida por partículas en un medio de acuerdo con un grupo de ejemplos no cubiertos por la invención reivindicada.
Las figuras 6a, 6b, 6c ilustran esquemáticamente la funcionalidad de un divisor de longitud de onda.
La figura 7 ilustra esquemáticamente una vista superior de un dispositivo para recoger luz fluorescente emitida por partículas en un medio de acuerdo con un grupo adicional de ejemplos no cubiertos por la invención reivindicada. Las figuras 8a y 8b ilustran esquemáticamente la funcionalidad de un acoplador de interferencia multimodal (MMI). Las figuras 9a y 9b ilustran esquemáticamente la funcionalidad de un acoplador de MMI de tipo selectivo de longitud de onda. La figura 10 ilustra esquemáticamente la funcionalidad de un acoplador de MMI de tipo selectivo de longitud de onda que tiene varios puertos de salida en los que se emite luz de diferentes longitudes de onda.
La figura 11 ilustra la potencia de señal recogida en función de la longitud de guía de ondas para dos concentraciones diferentes cuando se utiliza un dispositivo de acuerdo con las realizaciones ejemplares, en comparación con cuando se utiliza el dispositivo de la técnica anterior de las figuras 1a y 1b.
La figura 12 ilustra un sistema de detección de luz fluorescente emitida por partículas en un medio de acuerdo con realizaciones ejemplares.
La figura 13 es un diagrama de flujo de un método de acuerdo con las realizaciones.
Descripción detallada
I. Visión general
Es un objeto, al menos en parte, para resolver los problemas discutidos anteriormente, y en particular para proporcionar un dispositivo, sistema y un método para recoger luz fluorescente emitida por partículas en un medio que permite la integración en un sistema compacto.
De acuerdo con un primer aspecto, se proporciona un dispositivo para recoger luz fluorescente emitida por partículas en un medio, que comprende: un sustrato que tiene una cámara para contener un medio que incluye partículas capaces de emitir luz fluorescente, una primera guía de ondas dispuesta en el sustrato y que se extiende hacia la cámara, en donde la primera guía de ondas se dispone para recibir luz de excitación de una fuente de luz y guiar la luz de excitación a través de la cámara a lo largo de una primera dirección de la primera guía de ondas, y para recoger luz fluorescente emitida por las partículas tras una excitación de las partículas por la luz de excitación, y un acoplador dispuesto en la primera guía de ondas, en donde el acoplador incluye una segunda guía de ondas dispuesta para emitir la luz fluorescente recogida en uno de sus extremos, y en donde la segunda guía de ondas se dispone en relación con la primera guía de ondas de manera que la luz fluorescente recogida que se desplaza en una dirección opuesta a la primera dirección se acopla desde la primera guía de ondas directamente a la segunda guía de ondas.
Con esta disposición, la luz fluorescente recogida que viaja en la dirección opuesta a la luz de excitación se acopla desde la primera guía de ondas directamente a una segunda guía de ondas que emite la luz fluorescente recogida. De este modo, la luz fluorescente recogida se separa de la luz de excitación de forma conveniente, de manera que no son necesarios componentes voluminosos, tales como un filtro eliminador.
La luz fluorescente recogida se acopla desde la primera guía de ondas directamente a la segunda guía de ondas. Esto significa que la luz va directamente de la primera guía de ondas a la segunda guía de ondas sin pasar por una guía de ondas adicional. En algunas realizaciones, el acoplamiento directo se consigue mediante la superposición de los campos evanescentes de la primera y segunda guías de ondas. En otras realizaciones, el acoplador se basa en un patrón de interferencia de múltiples modos soportados por el acoplador con la finalidad de acoplar la luz de la primera guía de ondas directamente a la segunda guía de ondas.
Por luz de excitación se entiende la luz que tiene una longitud de onda que es adecuada para la excitación de las partículas en el medio, haciendo así que las partículas emitan luz fluorescente.
Las partículas pueden tener una capacidad natural de emitir luz fluorescente. Sin embargo, también es posible que las partículas se tiñan con un colorante fluorescente, es decir, un colorante que se une a las partículas y que es capaz de emitir luz fluorescente.
El acoplador puede estar dispuesto en la primera guía de ondas corriente arriba de la cámara en relación con la primera dirección. Así, el acoplador se dispone antes de la cámara, es decir, entre el extremo de la primera guía de ondas donde se recibe la luz de excitación y la cámara.
La potencia en la primera guía de ondas se encuentra en sus niveles más altos donde la primera guía de ondas entra en la cámara, lo que significa que es donde se emite y recoge la mayor cantidad de luz por longitud de guía de ondas. La luz de excitación y la luz fluorescente recogida entonces se atenúan a medida que se propagan a lo largo de la primera guía de ondas debido a las pérdidas de guía de ondas y a la absorción por las partículas del medio. Por consiguiente, al disponer el acoplador corriente arriba de la cámara, el acoplador se ubica cerca de la entrada de la primera guía de ondas en la cámara, donde se recoge la mayor cantidad de luz fluorescente por longitud de guía de ondas, lo que da lugar a una señal lo más intensa posible. Además, la luz fluorescente recogida tendrá una trayectoria corta para viajar nuevamente al acoplador, lo que significa que la luz fluorescente recogida es básicamente no atenuada cuando llega al acoplador. Esta ubicación del acoplador en relación con la cámara sirve para optimizar la potencia de la luz fluorescente recogida que se acopla desde la primera guía de ondas.
En los sistemas de la técnica anterior, como el ilustrado en las figuras 1a y 1b, existe la necesidad de encontrar una longitud óptima de la guía de ondas para maximizar la luz fluorescente total recogida, la cual se emite de la primera guía de ondas, equilibrando así la potencia de la luz que se recoge a lo largo de la primera guía de ondas en relación con la luz recogida que se pierde debido a la atenuación o absorción. En resumen, para cada atenuación de la guía de ondas, existe una única longitud óptima de la primera guía de ondas que maximiza la potencia de la luz fluorescente recogida en la salida. Además, si parte de la absorción se debe a la reabsorción de la luz recogida por las partículas, la longitud óptima será diferente para distintas concentraciones de las partículas.
Esto además se ilustra en la figura 2, que muestra la potencia de la señal recogida de la luz fluorescente recogida en el segundo extremo 114, puerto 2, de las figuras 1a y 1b en función de la longitud de la guía de ondas 110. La curva continua corresponde a una primera concentración de partículas, mientras que la curva discontinua corresponde a una segunda concentración más baja de partículas. En particular, la potencia de señal recogida para la curva continua, que corresponde a la concentración más alta, alcanza su punto máximo para una longitud de guía de ondas más baja que la curva discontinua, que corresponde a la concentración más baja. La longitud óptima de la guía de ondas es, de esta manera, menor para una concentración más alta en relación con la longitud óptima de la guía de ondas para una concentración más baja, ilustrando así que hay diferentes longitudes óptimas de guía de ondas para diferentes concentraciones cuando la luz fluorescente se recoge en el puerto 2.
Al disponer el acoplador corriente arriba de la cámara, se elimina el requisito de tener una longitud óptima bien diseñada, ya que la potencia de la luz fluorescente recogida que llega al acoplador alcanza una saturación cuando la guía de ondas es lo suficientemente larga.
La segunda guía de ondas puede estar dispuesta adyacente a la primera guía de ondas, permitiendo así que la luz fluorescente recogida que viaja en una dirección opuesta a la primera se acople desde la primera guía de ondas directamente a la segunda guía de ondas. El acoplamiento se consigue gracias al solapamiento de los modos evanescentes de la primera y segunda guías de ondas. Esta es una manera fácil de proporcionar un acoplamiento directo de la primera a la segunda guía de ondas.
De acuerdo con la invención, el acoplador es un acoplador direccional. Un acoplador direccional tiene la ventaja de ser relativamente insensible a variaciones de fabricación. Además, el acoplador direccional sólo provoca una pequeña cantidad de reflexión. En otras palabras, no se dispersa mucha luz de excitación guiada por la primera guía de ondas en la primera dirección desde la primera guía de ondas hacia la segunda guía de ondas.
En un acoplador direccional, una porción de la luz de excitación también se acopla a la segunda guía de ondas. En particular, la segunda guía de ondas se dispone para emitir la luz fluorescente recogida en un primer extremo, y la luz de excitación, acoplada a la segunda guía de ondas desde la primera guía de ondas, en un segundo extremo. Al medir la luz de excitación en el segundo extremo de la segunda guía de ondas y poniéndola en relación con la potencia de la luz de excitación que se recibe por la primera guía de ondas, puede determinarse la pérdida en el acoplador.
De acuerdo con ejemplos no cubiertos por la invención reivindicada, el acoplador puede ser un divisor de longitud de onda. En comparación con un acoplador direccional, un divisor de longitud de onda tiene la ventaja de que no tiene pérdidas de acoplamiento, o al menos son muy bajas. Un acoplador direccional puede tener una eficacia de acoplamiento del 50%, mientras que el divisor de longitud de onda tiene una eficacia de acoplamiento teórica del 100%. Este divisor de longitud de onda aprovecha la diferencia de longitud de onda entre la luz de excitación y la luz fluorescente recogida para acoplar de forma óptima (hasta el 100%) cada longitud de onda al puerto de salida correcto. El divisor de longitud de onda también sirve para separar la luz de excitación retrodispersada de la luz fluorescente recogida. De este modo, la luz fluorescente recogida y medida en la salida de la segunda guía de ondas no está contaminada por la luz de excitación retrodispersada.
Alternativamente, de acuerdo con otros ejemplos no cubiertos por la invención reivindicada, el acoplador puede ser un acoplador de interferencia multimodal, MMI. Un acoplador de MMI tiene la ventaja de ser insensible a tolerancias de fabricación. Otra ventaja es que es de banda ancha, lo que significa que tiene las mismas propiedades o similares, tal como la eficiencia de acoplamiento, para las longitudes de onda de la luz de excitación y la luz fluorescente.
Por ejemplo, el acoplador puede ser una MMI de longitud de onda selectiva. Un acoplador de MMI de longitud de onda selectiva es un acoplador de MMI que está diseñado para aprovechar la diferencia de longitud de onda entre la luz de excitación y la luz fluorescente recogida, de manera que la potencia de excitación va a un puerto de salida, y la potencia fluorescente recogida va a otro puerto de salida. De este modo, se mejora la eficacia de acoplamiento en comparación con un acoplador de MMI estándar. La eficacia de acoplamiento teórica para la transmisión es del 100%. Sin embargo, en la práctica hay algunas pérdidas de potencia que se encuentran en el orden de 2 dB por puerto. Además, debido a la propiedad selectiva de longitud de onda, la luz de excitación retrodispersada y la luz fluorescente recogida están separadas, lo que significa que la luz fluorescente recogida medida en la salida de la segunda guía de ondas no está contaminada por la luz de excitación retrodispersada. Una ventaja adicional es que, a diferencia del acoplador de MMI estándar, pero similar al acoplador direccional, el acoplador de MMI de longitud de onda selectiva causa poca o ninguna reflexión de la luz de excitación, lo que significa que no mucha luz de excitación guiada por la primera guía de ondas en la primera dirección se retrodispersa desde la primera guía de ondas hasta la segunda guía de ondas.
La longitud de la primera guía de ondas puede seleccionarse independientemente de la concentración de partículas capaces de emitir luz fluorescente en el medio. Como se mencionó anteriormente, esto es posible debido a que el acoplador se dispone corriente arriba de la cámara para acoplar la luz fluorescente recogida que viaja en dirección opuesta a la dirección de la luz de excitación.
El sustrato, la primera guía de ondas y el acoplador pueden estar dispuestos en un chip desechable. Esto es posible gracias al carácter compacto y el bajo coste de los componentes.
De acuerdo con un segundo aspecto, el objeto anterior se consigue mediante un sistema de detección de luz fluorescente emitida por partículas en un medio, que comprende:
un dispositivo para recoger luz fluorescente emitida por partículas en un medio de acuerdo con el primer aspecto, una fuente de luz acoplada a la primera guía de ondas del dispositivo para la entrada de luz de excitación en la primera guía de ondas, y
un detector acoplado a la segunda guía de ondas del dispositivo para detectar luz fluorescente recogida que se emite de uno de los extremos de la segunda guía de ondas.
El sistema puede comprender una parte desechable y una parte no desechable, estando la parte desechable se dispone para ser conectada a la parte no desechable, donde la fuente de luz y el detector se disponen en la parte no desechable, y el dispositivo se dispone en la parte desechable.
En comparación con tener el acoplador en la parte no desechable, esto es ventajoso porque no se necesita ningún paso de integración para conectar la parte desechable y la parte no desechable de forma fotónica. También, el hecho de tener el acoplador en la parte desechable no supone ningún coste adicional de fabricación.
El acoplador es un acoplador direccional, y la segunda guía de ondas se dispone para emitir la luz fluorescente recogida en un primer extremo, y la luz de excitación, acoplada a la segunda guía de ondas desde la primera guía de ondas, en un segundo extremo. El detector además puede estar acoplado al segundo extremo de la segunda guía de ondas para detectar la luz que se emite por el segundo extremo, y determinar una pérdida del acoplador direccional basándose en una potencia de la luz detectada en el segundo extremo de la segunda guía de ondas en relación con una potencia de la luz de excitación que entra en la primera guía de ondas.
De acuerdo con un tercer aspecto, se proporciona una disposición de diagnóstico que comprende el dispositivo de acuerdo con el primer aspecto o el sistema del segundo aspecto.
De acuerdo con un cuarto aspecto, se proporciona un método para detectar luz fluorescente emitida por partículas en un medio, que comprende:
recibir luz de excitación por una primera guía de ondas y guiar la luz de excitación a lo largo de una primera dirección de la primera guía de ondas, en donde una porción de la primera guía de ondas se extiende a través de un medio que comprende las partículas capaces de emitir luz fluorescente,
recoger, utilizando la primera guía de ondas, la luz fluorescente emitida por las partículas después de una excitación por la luz de excitación,
acoplar, utilizando un acoplador dispuesto en la primera guía de ondas, la luz fluorescente que viaja en una dirección opuesta a la primera dirección desde la primera guía de ondas directamente a una segunda guía de ondas del acoplador, y detectar, utilizando un detector, la luz fluorescente recogida en uno de los extremos de la segunda guía de ondas.
El acoplador es un acoplador direccional, y el método además comprende:
detectar la luz en un segundo extremo de la segunda guía de ondas, y
determinar una pérdida del acoplador direccional basándose en una potencia de la luz detectada en relación con una potencia de la luz de excitación recibida por la primera guía de ondas.
El segundo, tercero y cuarto aspectos pueden tener generalmente las mismas características y ventajas que el primer aspecto. Se señala además que los conceptos inventivos se refieren a todas las combinaciones posibles de características, a menos que se indique explícitamente lo contrario.
II. Realizaciones ejemplares
Realizaciones ejemplares y ejemplos comparativos se describirán más detalladamente a continuación con referencia a los dibujos acompañantes. Sin embargo, los conceptos inventivos pueden plasmarse de muchas formas diferentes y no deben interpretarse como limitados a las realizaciones expuestas en la presente; más bien, estas realizaciones se proporcionan para que sean exhaustivas y completas, y transmitan plenamente el alcance de los conceptos inventivos al experto.
La figura 3 ilustra un dispositivo 300 para recoger luz fluorescente. El dispositivo 300 comprende un sustrato 308 con una cámara 306, una primera guía de ondas 310, un acoplador 316 y una segunda guía de ondas 317.
Generalmente, el dispositivo 300 puede ser un circuito integrado fotónico. El sustrato 308 sirve de plataforma para el circuito integrado fotónico. El sustrato 308 puede ser, por ejemplo, un chip de silicio o de cuarzo, cubierto con un óxido con fotónica integrada procesada en la parte superior. En el sustrato 308, se forma una cámara 306. Cuando se encuentra en uso, la cámara 306 contiene un medio, tal como un fluido corporal, que comprende partículas 304. La cámara 306, de esta manera, sirve como depósito para contener un medio. De acuerdo con las realizaciones, la cámara 306 puede tener la forma de un canal, tal como un canal de microfluidos, a través del cual puede fluir el medio. Las partículas 304 son capaces de emitir luz fluorescente, ya sea por su propio movimiento o por medio de un colorante fluorescente que se une a las partículas.
La primera guía de ondas 310 se dispone en el sustrato 308. Por ejemplo, la primera guía de ondas 310 puede estar integrada en el sustrato 308, es decir, en la plataforma del circuito integrado fotónico. La primera guía de ondas 310 se extiende dentro de la cámara 306. En la realización ilustrada, la primera guía de ondas 110 se extiende desde un primer lado del sustrato 308, dentro y a través de la cámara 306, y luego a un segundo lado del sustrato 308. Sin embargo, en otras realizaciones, la guía de ondas 310 no se extiende a un segundo lado del sustrato, sino que sigue una trayectoria serpenteante a través de la cámara 306 antes de terminar dentro de la cámara 306.
La primera guía de ondas 310 se dispone para recibir luz 320, denominada en la presente luz de excitación, en un primer extremo 312. El primer extremo 312 también puede denominarse puerto 1. La luz de excitación 320 puede recibirse de una fuente de luz, tal como uno o más láseres, y puede comprender una sola o una pluralidad de longitudes de onda distintas que son adecuadas para provocar la excitación de las partículas 304. La primera guía de ondas 310 también tiene un segundo extremo 314, denominado en la presente como puerto 2.
Cuando se recibe la luz de excitación 320, la primera guía de ondas 310 guía la luz de excitación 320 en una primera dirección 313, aquí de izquierda a derecha, de la primera guía de ondas 310. Puesto que la primera guía de ondas 310 se extiende dentro y a través de la cámara 306, la primera guía de ondas 310 guía de esta manera la luz de excitación a través de la cámara 306.
La superficie de la primera guía de ondas 310 es una interconexión entre dos dieléctricos, lo que implica que los campos de las ondas electromagnéticas, es decir, la luz de excitación 320, guiada por la primera guía de ondas 310 penetran fuera de la primera guía de ondas 310 en forma de una onda evanescente o campo evanescente. Debido a la existencia del campo evanescente, las partículas 304 que se encuentran en la cercanía de la primera guía de ondas 310 pueden absorber fotones de la luz de excitación 320, y luego emitir luz fluorescente 322. La luz fluorescente 322 tiene típicamente un espectro de longitudes de onda que corresponden a energías más bajas que la luz de excitación 320. Una porción de la luz fluorescente 322 entonces es recogida por la primera guía de ondas 310 y es guiada en ambas direcciones de la primera guía de ondas 310. La porción de la luz fluorescente 322 que se recoge es determinada por el solapamiento de modos entre el modo de guía de ondas y el modo de dipolo fluorescente.
El acoplador 316 se dispone en la primera guía de ondas 310. De preferencia, el acoplador 316 se dispone corriente arriba de la cámara 306 con respecto a la primera dirección 313, es decir, en la porción de la guía de ondas 310 que se extiende entre el primer extremo 312 y la cámara 306.
El acoplador 316 comprende una segunda guía de ondas 317. La segunda guía de ondas 317 se dispone en relación con la primera guía de ondas 310 de manera que la luz fluorescente recogida 324 que viaja en una dirección opuesta a la primera dirección 313 se acopla fuera de la primera guía de ondas 310 directamente a la segunda guía de ondas 317. Esto puede lograrse al disponer la segunda guía de ondas 317 adyacente a la primera guía de ondas 310. De este modo, el campo evanescente causado por la luz fluorescente recogida 324 que se propaga en una dirección opuesta a la primera dirección 313 en la primera guía de ondas 310 excita una onda en la segunda guía de ondas 317, acoplando así la luz de la primera guía de ondas 310 a la segunda guía de ondas 317. El acoplador 316 acopla así la luz fluorescente recogida 324 de la primera guía de ondas 310 directamente a la segunda guía de ondas 317 utilizando el acoplamiento de ondas evanescentes entre la primera guía de ondas 310 y la segunda guía de ondas 317. Por lo tanto, el acoplador 316 puede denominarse acoplador evanescente.
La segunda guía de ondas 317 se dispone para emitir, en uno de sus extremos, la luz fluorescente 326 que se ha acoplado en la segunda guía de ondas 317. En particular, la segunda guía de ondas 317 tiene un primer extremo 318, también denominado en la presente como puerto 3, por el que se emite la luz fluorescente recogida 326. En otras palabras, la luz fluorescente recogida 326 puede medirse directamente en el primer extremo 318, puerto 3, de la segunda guía de ondas 317. La segunda guía de ondas 317 también tiene un segundo extremo 319, que en la presente se denomina puerto 4.
De acuerdo con la invención, el acoplador 316 es un acoplador direccional. El acoplador direccional se asocia con una pérdida de acoplamiento. Con mayor detalle, la luz de excitación 320 que entra por el puerto 1 se dividirá en dos porciones, en donde una porción se transmite a través de la primera guía de ondas 310 al puerto 2, y la otra porción se acopla a la segunda guía de ondas 317 y se emite por el puerto 4. Esto se ilustra adicionalmente en la figura 4a. De manera similar, la luz fluorescente recogida 324 que se propaga en la primera guía de ondas 310 desde la dirección del puerto 2, se divide en dos porciones, en donde una porción se transmite mediante la primera guía de ondas 310 al puerto 1, y la otra porción 326 se acopla a la segunda guía de ondas 317 y se emite por el puerto 3. Esto se ilustra adicionalmente en la figura 4b. En las figuras 4a y 4b, y en toda la solicitud, las flechas continuas se refieren a la luz de excitación, y las flechas discontinuas a la luz fluorescente.
Al medir la potencia de la señal en el puerto 4 en relación con la potencia de la que se ingresa en el puerto 1, puede determinarse la eficacia de acoplamiento del acoplador direccional.
La figura 5 ilustra un dispositivo 500 para recoger la luz fluorescente de acuerdo con un ejemplo no cubierto por la invención reivindicada. El ejemplo de la figura 5 difiere de la realización de la figura 3 en que el acoplador 516 es un divisor de longitud de onda en lugar de un acoplador direccional. Si se introducen dos señales de diferentes longitudes de onda en un puerto común de un divisor de longitud de onda, el divisor de longitud de onda transmitirá una de las longitudes de onda con una eficacia del 100% a un primer puerto, y acoplará la otra longitud de onda con una eficacia del 100% a otro puerto. Esto se ilustra adicionalmente en la figura 6a.
Cuando se utiliza en el dispositivo 500, el divisor de longitud de onda 516 transmitirá la luz de excitación 320 ingresada en el puerto 1 mediante la primera guía de ondas 310 al puerto 2. Esto se ilustra adicionalmente en la figura 6b. De manera similar, la luz fluorescente recogida 324 que se propaga en la primera guía de ondas 310 desde la dirección del puerto 2, se acopla con una eficacia del 100% a la segunda guía de ondas 317 y se emite por el puerto 3. Esto se ilustra adicionalmente en la figura 6c. En la figura 6c también se indica (mediante las flechas continuas) que parte de la luz de excitación 320 se retrodispersa de manera que una pequeña cantidad de luz de excitación se retrodispersa en la primera guía de ondas 310 hacia el acoplador 516 (esto se omitió en la figura 4b). Debido a las propiedades de división de longitudes de onda del divisor de longitud de onda 516, la luz de excitación retrodispersada se transmite al puerto 1 en lugar de acoplarse al puerto 3. Así, la potencia de la señal detectada en el puerto 3 sólo procede de la luz fluorescente recogida y no está contaminada por la luz de excitación retrodispersada. Así, el divisor de longitud de onda tiene una eficacia mejorada respecto al acoplador direccional, y también separa la luz de excitación retrodispersada de la luz fluorescente recogida.
La figura 7 ilustra un dispositivo 700 para recoger la luz fluorescente de acuerdo con aún otro ejemplo no cubierto por la invención reivindicada. El dispositivo 700 difiere de los dispositivos 300 y 500 de las figuras 3 y 5 en que el acoplador 716 es un acoplador de interferencia multimodal (MMI). La MMI es otro ejemplo de cómo acoplar la luz fluorescente recogida 324 de la primera guía de ondas 310 directamente a la segunda guía de ondas 317. La MMI es un ejemplo de acoplador que se basa en el patrón de interferencia de los múltiples modos soportados en la MMI para acoplar la luz de la primera guía de ondas 310 directamente a la segunda guía de ondas 317.
Un acoplador de MMI consiste básicamente en una estructura amplia, similar a una guía de losa, que soporta múltiples modos. Se aprovecha el patrón de interferencia de estos modos. Al elegir las dimensiones de la guía de losa, la imagen en la guía de ondas de entrada se visualiza en la(s) guía(s) de ondas de salida.
Cuando se utiliza en el dispositivo 700, el acoplador de MMI 716 transmite la luz de excitación 320 ingresada en el puerto 1 mediante la primera guía de ondas 310 al puerto 2. Esto se ilustra adicionalmente en la figura 8a. La transmisión tiene pérdidas y aproximadamente el 50% del impostor de la luz de excitación 320 se transmite del puerto 1 al puerto 2. La luz fluorescente recogida 324 que se propaga en la primera guía de ondas 310 desde la dirección del puerto 2, se divide en dos porciones de tamaño uniforme, en donde una porción se transmite mediante la primera guía de ondas 310 al puerto 1, y la otra porción se acopla a la segunda guía de ondas 317 y se emite por el puerto 3. Esto se ilustra adicionalmente en la figura 8b. Aunque el acoplador de MMI 716 opera de acuerdo con otro principio físico, su función es, de esta manera, similar al acoplador direccional descrito junto a la figura 3, la figura 4a y la figura 4b.
El acoplador de MMI 716 también puede ser de tipo de longitud de onda selectiva. Un acoplador de MMI de tipo de longitud de onda selectiva es más similar en su función a un divisor de longitud de onda que a un acoplador direccional. En particular, está diseñado de tal manera que la luz de excitación 320 se emite por un puerto, y la luz fluorescente recogida se emite por otro puerto.
Cuando se utiliza en el dispositivo 700, un acoplador de MMI de tipo de longitud de onda selectiva transmitirá la luz de excitación 320 ingresada en el puerto 1 mediante la primera guía de ondas 310 al puerto 2. Esto se ilustra adicionalmente en la figura 9a. De manera similar, la luz fluorescente recogida 324 que se propaga en la primera guía de ondas 310 desde la dirección del puerto 2, se acopla con una eficacia de hasta 100% a la segunda guía de ondas 317 y se emite por el puerto 3. Esto se ilustra adicionalmente en la figura 9b. En la figura 9b también se indica (mediante las flechas continuas) que parte de la luz de excitación 320 se retrodispersa de manera que una pequeña cantidad de luz de excitación se retrodispersa en la primera guía de ondas 310 hacia el acoplador 716. Debido a las propiedades de división de longitudes de onda de la MMI de longitud de onda selectiva, la luz de excitación retrodispersada se transmite al puerto 1 en lugar de acoplarse al puerto 3. Así, la potencia de la señal detectada en el puerto 3 sólo procede de la luz fluorescente recogida y no está contaminada por la luz de excitación retrodispersada. La MMI de longitud de onda selectiva tiene de esta manera una eficiencia mejorada respecto a la MMI estándar de las figuras 8a y 9b, y también separa la luz de excitación retrodispersada de la luz fluorescente recogida. El acoplador de MMI de longitud de onda selectiva también puede comprender puertos de salida adicionales, en donde el acoplador de MMI se dispone para emitir a diferentes longitudes de onda en diferentes puertos. Por ejemplo, el acoplador de MMI de longitud de onda selectiva puede comprender una tercera guía de ondas a la que se acopla directamente la luz fluorescente recogida, en donde la luz fluorescente de una primera longitud de onda se acopla a la segunda guía de ondas, y la luz fluorescente de una segunda longitud de onda se acopla a la tercera guía de ondas. Esto se ilustra adicionalmente en la figura 10, donde la luz fluorescente de una primera longitud de onda (flecha discontinua) se acopla a la segunda guía de ondas, etiquetada como puerto 3, y la luz fluorescente de la segunda longitud de onda (flecha punteada) se acopla a la tercera guía de ondas, etiquetada como puerto 5. Esto es útil en caso de que haya diferentes tipos de partículas fluorescentes en el medio, por ejemplo, partículas teñidas por dos colorantes fluorescentes diferentes que emiten luz fluorescente a diferentes longitudes de onda. La luz fluorescente procedente del primer tipo de partículas fluorescentes se acopla entonces a la segunda guía de ondas, puerto 3, mientras que las fluorescentes procedentes del segundo tipo de partículas fluorescentes se acopla a la tercera guía de ondas, puerto 5.
La figura 11 muestra la potencia de señal recogida en el puerto 3 en función de la longitud de guía de ondas para dos concentraciones de partículas diferentes. Como referencia, también se muestra la potencia de señal recogida medida en el puerto 2 utilizando el dispositivo de la técnica anterior de las figuras 1a y 1b para las mismas dos concentraciones. Con la recolección del puerto 2, como se explica con referencia a la figura 2, existe una longitud de guía de ondas óptima para cada concentración. Sin embargo, este no es el caso si la luz fluorescente de hecho se recoge en el puerto 3 de acuerdo con lo que se ha explicado anteriormente con referencia a las figuras 3-10. Como se observa en la figura 11, la potencia de la luz recogida se satura a medida que la longitud de la primera guía de ondas alcanza un cierto nivel. Además, ese cierto nivel es independiente de la concentración de partículas. De este modo, con la recolección del puerto 3, es posible seleccionar la longitud de la primera guía de ondas independientemente de la concentración de partículas. Puede utilizarse una sola guía de ondas "suficientemente larga" para capturar todas las concentraciones.
El dispositivo descrito con referencia a las figuras 3-10 además puede formar parte de un sistema para detectar luz fluorescente emitida por partículas en un medio. La figura 12 ilustra tal sistema 900. El sistema comprende un dispositivo 300, 500, 700 (se ilustra el dispositivo 300, pero se entiende que también podrían utilizarse los dispositivos 500, 700), una fuente de luz 902, de preferencia un láser, y un detector 904. El detector 904 podría, por ejemplo, ser un formador de imágenes.
La fuente de luz 902 puede estar acoplada a la primera guía de ondas del dispositivo 300, 500, 700, para la entrada de luz de excitación a la primera guía de ondas. El detector 904 puede estar acoplado a la segunda guía de ondas del dispositivo 300, 500, 700 para detectar la luz fluorescente recogida que se emite por el puerto 3 del dispositivo. También es posible acoplar el detector a lo puerto 2 y al puerto 4 (si se presentan) del dispositivo para detectar también la potencia de señal en estos puertos de salida, por ejemplo, para determinar la eficiencia de acoplamiento en el caso de un acoplador direccional como se ha descrito anteriormente.
El sistema 900 comprende típicamente una parte no desechable 906, destinada a ser utilizada más de una vez, y una parte desechable 908, destinada únicamente a un solo uso. La parte desechable 908 puede estar conectada de forma liberable a la parte no desechable. Los componentes más costosos y voluminosos, aquí la fuente de luz 902 y el detector 904, están dispuestos en la parte no desechable 908. El dispositivo 300, 500, 700, sin embargo, se dispone en la parte desechable 908.
El dispositivo 300, 500, 700 y el sistema 900 pueden formar parte de un dispositivo de diagnóstico. Por ejemplo, el dispositivo puede formar parte de un dispositivo de diagnóstico que mide la concentración de partículas en un fluido corporal.
La operación del dispositivo 300, 500, 700 y del sistema 900 se describirá ahora con referencia a las figuras 3, 5, 7, 12 y al diagrama de flujo de la figura 13.
En un primer paso, S02, la primera guía de ondas 310 recibe la luz de excitación 320 y guía la luz de excitación 320 a lo largo de una primera dirección 313 de la primera guía de ondas 310. La luz de excitación 320 se recibe de una fuente de luz, tal como la fuente de luz 902 de la figura 9. Como se ha explicado previamente, habrá un campo evanescente alrededor de la primera guía de ondas 310 que, puesto que la primera guía de ondas se extiende a través del medio 302, hace posible que las partículas 304 absorban fotones de la luz de excitación 320. Después de la absorción, las partículas 304 luego emiten luz fluorescente 322.
En un siguiente paso, S04, la luz fluorescente 322 emitida por las partículas es recogida por la primera guía de ondas 310. El paso S04 es algo que ocurre debido a la interacción entre la luz fluorescente emitida 322 y la primera guía de ondas 310.
En el paso S06, la luz fluorescente 324 que viaja en una dirección opuesta a la primera dirección en la primera guía de ondas se acopla, por medio del acoplador 316, 516, 716, desde la primera guía de ondas 310 directamente a una segunda guía de ondas 317 como se explicó previamente.
En el paso S08, la luz fluorescente recogida es detectada, por medio del detector 904, en el puerto 3 de la segunda guía de ondas 317.
En caso de que el acoplador sea un acoplador direccional 316, el método también puede comprender la detección de luz en un segundo extremo de la segunda guía de ondas, y la determinación de una pérdida del acoplador direccional basada en una potencia de la luz detectada en relación con una potencia de la luz de excitación recibida por la primera guía de ondas.
La invención no se limita a las realizaciones descritas anteriormente.
Pueden utilizarse diversas alternativas, modificaciones y equivalentes. Esta invención está limitada únicamente por las reivindicaciones adjuntas y otras realizaciones distintas a las mencionadas anteriormente son igualmente posibles dentro del alcance de las reivindicaciones.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo (300) para recoger luz fluorescente emitida por partículas (304) en un medio (302), comprende: un sustrato (308) que tiene una cámara (306) para contener un medio (302) que incluye partículas (304) capaces de emitir luz fluorescente,
una primera guía de ondas (310) dispuesta en el sustrato (308) y que se extiende dentro de la cámara (306), en donde la primera guía de ondas (310) se dispone para recibir luz de excitación (320) de una fuente de luz y guiar la luz de excitación (320) a través de la cámara (306) a lo largo de una primera dirección (313) de la primera guía de ondas (310), y para recoger la luz fluorescente emitida por las partículas (304) después de una excitación de las partículas (304) por la luz de excitación (320), y
un acoplador (316) dispuesto en la primera guía de ondas (310),
caracterizado porque
el acoplador (316) es un acoplador direccional e incluye una segunda guía de ondas (317) dispuesta para emitir la luz fluorescente recogida en uno de sus extremos,
en donde la segunda guía de ondas (317) se dispone en relación con la primera guía de ondas (310) de manera que la luz fluorescente recogida que viaja en una dirección opuesta a la primera dirección (313) se acopla desde la primera guía de ondas (310) directamente a la segunda guía de ondas (317) y a la luz fluorescente recogida y emitida en un primer extremo, y la luz de excitación (320), acoplada a la segunda guía de ondas (317) desde la primera guía de ondas (310), en un segundo extremo.
2. El dispositivo (300) de la reivindicación 1, en donde el acoplador (316) se dispone en la primera guía de ondas (310) corriente arriba de la cámara (306) en relación con la primera dirección (313).
3. El dispositivo (300) de la reivindicación 1 o 2, en donde la segunda guía de ondas (317) se dispone adyacente a la primera guía de ondas (310), permitiendo así que la luz fluorescente recogida que viaja en una dirección opuesta a la primera dirección (313) se acople desde la primera guía de ondas (310) directamente a la segunda guía de ondas (317).
4. El dispositivo (300) de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la primera guía de ondas (310) tiene una longitud que se selecciona independientemente de la concentración de partículas (304) capaces de emitir luz fluorescente en el medio (302).
5. El dispositivo (300) de una de las reivindicaciones precedentes, en donde el sustrato (308), la primera guía de ondas (310) y el acoplador (316) se disponen en un chip desechable.
6. Un sistema para detectar luz fluorescente emitida por partículas (304) en un medio (302), comprende:
un dispositivo (300) para recoger luz fluorescente emitida por partículas (304) en un medio (302) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-5,
una fuente de luz acoplada a la primera guía de ondas (310) del dispositivo (300) para la entrada de luz de excitación (320) a la primera guía de ondas (310), y un detector acoplado a la segunda guía de ondas (317) del dispositivo (300) para detectar la luz fluorescente recogida que se emite de uno de los extremos de la segunda guía de ondas (317).
7. El sistema de la reivindicación 6, en donde el sistema comprende una parte desechable y una parte no desechable, la parte desechable se dispone para ser conectada a la parte no desechable, en donde la fuente de luz y el detector se disponen en la parte no desechable, y el dispositivo (300) se dispone en la parte desechable.
8. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 6-7,
en donde el detector además se acopla al segundo extremo de la segunda guía de ondas (317) para detectar la luz que se emite por el segundo extremo, y 2 el sistema se configura para determinar una pérdida del acoplador direccional basada en una potencia de la luz detectada en el segundo extremo de la segunda guía de ondas (317) en relación con una potencia de la luz de excitación (320) que se ingresa en la primera guía de ondas (310).
9. Una disposición de diagnóstico que comprende el dispositivo 2, (300) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-5 o el sistema de cualquiera de las reivindicaciones 6-8.
10. Un método para detectar luz fluorescente emitida por partículas (304) en un medio (302) utilizando el dispositivo (300) de cualquiera de las reivindicaciones 1-5 o el sistema de cualquiera de las reivindicaciones 6-8 o la disposición de diagnóstico de la reivindicación 9, que comprende:
recibir luz de excitación (320) por la primera guía de ondas (310) y guiar la luz de excitación (320) a lo largo de una primera dirección (313) de la primera guía de ondas (310), en donde una porción de la primera guía de ondas (310) se extiende a través del medio (302), que incluye las partículas (304) capaces de emitir luz fluorescente,
recoger, utilizando la primera guía de ondas (310), la luz fluorescente emitida por las partículas (304) después de una excitación por la luz de excitación (320), acoplar, utilizando el acoplador direccional (316) dispuesto en la primera guía de ondas (310), la luz fluorescente que viaja en una dirección opuesta a la primera dirección (313) desde la primera guía de ondas (310) directamente a la segunda guía de ondas (317) del acoplador (316),
detectar, utilizando un detector, la luz fluorescente recogida en el primer extremo de la segunda guía de ondas (317), detectar la luz de excitación en el segundo extremo de la segunda guía de ondas (317), y determinar una pérdida del acoplador direccional (316) basada en una potencia de la luz de excitación detectada en relación con una potencia de la luz de excitación (320) recibida por la primera guía de ondas (310).
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