ES2377908B1 - Dispositivo y sistema de contabilización y análisis de partículas y uso de dicho sistema. - Google Patents

Dispositivo y sistema de contabilización y análisis de partículas y uso de dicho sistema. Download PDF

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Abstract

Dispositivo y sistema de contabilización y análisis de partículas y uso de dicho sistema.#Se describe un dispositivo tipo MIR para la realización de determinación de medidas y análisis de partículas mediante medios ópticos, especialmente de partículas de tamaño suprananométrico, que se encuentran en una suspensión inyectada en dicho dispositivo. Asimismo se describe un sistema de análisis de partículas que hace uso de dicho dispositivo conectado a una fuente de luz y a una unidad lectora.

Description

DISPOSITIVO Y SISTEMA DE CONTABILIZACIÓN Y ANÁLISIS DE PARTÍCULAS Y USO DE DICHO SISTEMA
E
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere al campo técnico de la detección, análisis y contabilización de partículas mediante un sistema optofluídico desechable al que se acopla una fuente de luz y una unidad lectora.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Hoy en día existen diversas soluciones para el problema de detectar y analizar partículas de tamaño muy pequeño, más concretamente de tamaño suprananométrico.
Por ejemplo la celda de Neubauer se utiliza comúnmente para la contabilización de partículas (principalmente células). Sin embargo, éste adolece de imprecisiones debidas a la subjetividad del usuario, así mismo, una única medida no es suficiente para confirmar un recuento, ya que es posible tener una distribución no uniforme en la celda que de un numero erróneo. Así, es necesaria la repetición aleatoria a fin de compensar dicho problema.
La citometría de flujo es un sistema de recuento en serie (medida consecutiva) que permite una determinación más exacta que la celda de Neubauer. Sin embargo, requiere unos tiempos de medida largos, así como un equipamiento complejo y caro. Además, ninguno de los dos permite el análisis simultáneo de las partículas.
Si se supone un fluido con dos tipos de partículas suprananométricas: absorbentes y no absorbentes a algunas determinadas longitudes de onda. Los
E
espectrofotómetros podrían determinar la densidad óptica de dichas partículas sólo si su longitud de onda de trabajo coincide con las bandas de absorción de las partículas, en caso contrario, son difícilmente detectadas. Los sistemas LUCAS detectan ambos tipos de partículas, pero no permiten discernirlas entre ellas (cuando las dimensiones entre ambas son comparables) ni determinar sus propiedades. Los citómetros de flujo si permiten su diferenciación, pero la medida es en serie y consecutiva, necesitando así largos tiempos totales de interrogación de un volumen definido de muestra
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El sistema objeto de la invención permite tanto el análisis como la detección de partículas inyectadas en su interior, como pueden ser las células, independientemente de su posible marcaje ya que dispone de diferentes métodos de análisis que le permite optimizar la medida en función de las propiedades de las partículas a ser medidas. Además, el sistema presentado permite el análisis en continuo, pudiéndose determinar diferenciaciones o variaciones en las partículas suprananométricas- Así mismo, los métodos de análisis permiten tanto medidas uniparamétricas (una única magnitud) como multiparamétricas (diferentes magnitudes) en tiempos de análisis de aproximadamente 30 milisegundos.
El objeto principal de la invención es la utilización de un sistema de análisis y detección de partículas que dispone de un dispositivo de reflexión interna múltiple (MIR por sus siglas en inglés), en adelante dispositivo MIR, para la medida y la detección multiparamétrica casi simultánea de partículas, dispositivo que además es desechable o reutilizable. Dicho sistema consiste en una celda fluídica en la cual se pueden introducir fluidos mediante unas entradas fluídicas para ser analizados mediante un análisis en el que se acopla una fuente de luz, como una fibra óptica, a dicha celda, permitiendo determinar las propiedades ópticas del fluido inyectado, y por extensión, de las partículas que hubiese dispersadas en el mismo.
Una de las características diferenciadoras del sistema objeto de la invención reside en el uso de una fuente de amplio espectro en la inyección y un sistema de medida espectral en la recogida, de ésta manera, es posible la detección multiparamética en una única medida. Estas dos propiedades permiten solventar los problemas inherentes a los espectrofotómetros actuales (los cuales miden la densidad óptica a una longitud de onda fijada), los citómetros de flujo (con una medida en serie) y a las configuraciones basadas en la contabilización por reconocimiento de sombras (LUCAS en inglés, que permiten su contabilización pero no su análisis).
El sistema objeto de la invención consiste en la utilización de un dispositivo de reflexión interna múltiple para la detección, análisis y/o conteo de partículas suspendidas en un líquido. Dicho dispositivo MIR se encuentra definido en un chip y comprende unos espejos de aire definidos por unas estructuras huecas en forma de coliso curvado en las cercanías de la región de análisis, correspondiente a la denominada zona de interrogación que es la zona donde interacciona la luz con el líquido a ser analizado por el sistema. Los espejos de aire hacen que la luz se propague en una trayectoria de zig-zag, permitiendo la elongación del camino óptico manteniendo las dimensiones del sistema en unos márgenes razonables. El dispositivo citado comprende varios elementos adicionales tales como canales de autoalineamiento o alineamiento automático, los anteriormente citados espejos de aire y unas microlentes, que en una realización preferente de la invención pueden ser cilindrícas, para rectificación del haz de luz preferiblemente alojadas en dichos canales de autoalineamiento; el dispositivo objeto de la invención se encuentra definido por una sola máscara fotolitográfica, que puede ser de aplicación en materiales de bajo coste como materiales poliméricos, tal y como podría ser PDMS.
Los sistemas de análisis, detección o conteo de partículas generalmente trabajan en uno de los tres siguientes regimenes: LS (“large scattering” dispersión con ángulos de 15-150°), LS+ABS (“scattering” dispersión + absorción) y ABS (absorción). Por el contrario, El hecho diferencial de ésta patente es que el sistema objeto de la invención puede trabajar simultáneamente los tres regímenes anteriormente mencionados.
Al contrario de lo que ocurre con los citómetros, donde las partículas suprananométricas, normalmente células, son contadas de forma secuencial, el sistema objeto de la invención realiza una única medición durante 30 ms en toda la región; en el caso de que las células no se encuentren marcadas o no tengan bandas de absorción, se obtiene el espectro de dispersión; si las células se encuentran marcadas se observa una banda de absorbancia superimpuesta. En ambos regímenes LS y ABS+LS se puede contabilizar el número de partículas presentes.
El sistema puede obtener el espectro relativo solo a la absorción (ABS) mediante la substracción de los dos resultados mencionados en el párrafo anterior. Así mismo el sistema no solo permite contabilizar la población de células, si no que además permite establecer una tasa de células marcadas/sin marcar utilizando dos o más marcadores diferentes. Adicionalmente, si se produce una diferenciación de dichas partículas (como podría ser debido a un crecimiento celular o a una modificación de las propiedades de las mismas) también sería detectado por el sistema propuesto.
Un factor adicional en el sistema objeto de la invención del cual no dispone ninguno de los sistemas actuales es su portabilidad. El sistema objeto de la invención puede ser fabricado tanto en tecnología microelectrónica como en tecnología de polímero, tal y como se ha descrito más arriba. Una vez definida la geometría, y una vez conocidos los índices de refracción de los materiales a ser utilizados, la fabricación de dichos sistemas requiere una complejidad mínima
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista en 3D del sistema objeto de la invención.
Figura 2.- Muestra un esquema del sistema objeto de la invención.
Figura 3.- Muestra un detalle de la zona de interrogación del sistema objeto de la invención.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de las figuras se describe a continuación un modo de realización preferente del dispositivo (1) objeto de esta invención.
Para la realización de este ejemplo de realización se utiliza un dispositivo
(1)
fabricado mediante técnicas litográficas sobre un cuerpo transparente (10) definido en un material polimérico en este ejemplo realización pero que puede venir definido en un material cerámico, un material semiconductor, un material aislante o un material conductor en el que, tal y como se observa en la figura 1, se han definido unos canales de autoalineamiento (3) que albergarán unas fibras ópticas de emisión y de recepción y unas microlentes (8,13) que se encuentran ubicadas al final de dichos canales de autoalineamiento (3), a su vez se definen unos espejos de aire (2,12) conformados mediante unos colisos curvados huecos, unas entradas fluídicas (4) de fluido entre las que se encuentra definido un canal
(11)
cuyo recorrido central comprende varios tramos (5,6,7) donde los espejos de aire (2) se encuentran definidos en paralelo a los lados más cortos de un segundo tramo (6) del canal (11).
En una realización preferente se usa como fuente de luz una fuente de luz de banda ancha, como puede ser la Ocean Optics HL-2000, acoplada a una fibra óptica de entrada multimodo de un diámetro de 230 μm. Se incorpora así mismo una unidad de lectura, un espectrómetro, al cual va conectada una fibra óptica de salida idéntica a la anterior que lleva la señal al espectrómetro, como puede ser un Ocean Optics HR4000 con una resolución espectral de 0.2 nm. Un tiempo de análisis de 30 ms permite obtener los espectros de las partículas inyectadas. El experimento se realiza en una habitación con temperatura controlada.
Primeramente se llenan con solución PBS las entradas fluídicas (4) y el canal (11) que comprende unas trayectorias curvas estrechas en las zonas adyacentes a dichas entradas fluídicas (4) y una trayectoria central en zig-zag definida por la sucesión de los tramos (5,6,7) romboidales; una vez llenado el dispositivo (1) se realiza una primera medición emitiendo un haz de luz con la fuente de luz que atraviesa una microlente (8) ubicada en el canal de autoalineamiento (3) que alberga la fibra óptica de emisión y se toma la medida con la unidad de lectura de salida para establecer una medida de referencia en estas condiciones, que será utilizada como medida de referencia para el resto de las mediciones
Para la realización de mediciones en LS y en LS+ABS se inyectan en el dispositivo (1) concentraciones en disolución de células vivas (sin marcar) o muertas (marcadas) en concentraciones variables entre 50 y 2000kcélulas/ml. El marcador utilizado con las células muertas es azul tripan ya que es posible su uso a temperatura ambiente con un pico de absorción situado a una longitud de onda de 581nm. Para cada concentración de células se realizan 10 escaneos consecutivos. Una vez realizados las mediciones con la concentración más alta, se vuelve a inyectar solución PBS para determinar posibles fluctuaciones en la señal de referencia.
La realización de las mediciones se realiza mediante la introducción de las fibras ópticas, una de emisión conectada a la fuente de luz y otra de recepción conectada a la unidad lectora, en los canales de autoalineamiento (3) donde la fibra óptica de emisión conectada a la fuente de luz emite un haz de luz que
atraviesa una primera microlente (8), que se encuentra ubicada al final del canal de autoalineamiento (3) que alberga la fibra óptica de emisión, para luego entrar en un primer tramo (5) de forma romboidal del canal (11), atravesando el fluido que se encuentra en dicho primer tramo (5) que contiene las células anteriormente 5 inyectadas, el haz de luz emitido atraviesa a su vez parte del cuerpo (10) hasta verse reflejado por la acción de un primer espejo de aire (2) ubicado en paralelo al primer tramo (5) cuyo centro de curvatura se encuentra dispuesto en la dirección del eje longitudinal del canal de alineamiento (3) que alberga la fibra óptica de emisión. El haz reflejado en el espejo de aire (2) atraviesa un segundo tramo (6) 10 con forma romboidal del canal (11) en cual el haz de luz reflejada define una zona de interrogación (9), correspondiente a la zona donde se realiza el cruce de los haces de luz y donde se realiza el análisis que se puede apreciar en detalle en la figura 2, antes de reflejarse de nuevo en un segundo espejo de aire (12) para atravesar un tercer tramo (7) también de forma romboidal hasta llegar a una
15 segunda microlente (13) ubicada en el canal de alineamiento (3) que alberga la fibra óptica de recepción conectada al espectrómetro. Dicho espectrómetro recibe el haz de luz que atraviesa el fluido y ha sido reflejado por los espejos de aire (2,12)

Claims (16)

  1. R E I V I N D I C A C I O N E S
    1. Dispositivo (1) de contabilización y análisis de partículas caracterizado porque consiste en un cuerpo transparente (10) que comprende:
    -
    unas entradas fluídicas (4) definidas en sus esquinas entre las cuales discurre un canal (11) que comprende dos primeros tramos curvos de paredes paralelas conectados a dichas entradas fluídicas (4) y de sección menor a tres tramos romboidales (5,6,7) contiguos definidos entre dichos primeros tramos,
    -
    unos espejos de aire (2,12) definidos por unas estructuras huecas en forma de coliso curvado que se encuentran ubicados a ambos lados de un segundo tramo (6) del canal (11) que definen una zona de interrogación (9) en dicho segundo tramo (6),y
    -
    unos canales de autoalineamiento (3), definidos en su interior, encargados de albergar unas fibras ópticas.
  2. 2.
    Dispositivo (1) según reivindicación 1 caracterizado porque adicionalmente comprende unas microlentes (8,13) que se encuentran respectivamente ubicadas en los extremos de los canales de autoalineamiento (3).
  3. 3.
    Dispositivo (1) según reivindicación 2 caracterizado porque las microlentes (8,13) son cilíndricas.
  4. 4.
    Dispositivo (1) según un cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el cuerpo (10) es de un material que se selecciona de entre los siguientes: un material polimérico, un material cerámico, un material semiconductor, un material aislante y un material conductor.
  5. 5.
    Dispositivo (1) según reivindicación 4 caracterizado porque el material polimérico es PDMS.
  6. 6.
    Dispositivo (1) según reivindicación 5 caracterizado porque el PDMS está
    funcionalizado.
  7. 7.
    Sistema de contabilización y análisis de partículas caracterizado porque comprende el dispositivo (1) descrito en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores y porque adicionalmente comprende unas fibras ópticas en el interior de los canales de autoalineamiento (3) respectivamente conectadas a una fuente de emisión de luz y a una unidad de lectura.
  8. 8.
    Sistema según reivindicación 7 donde la fuente de emisión de luz es una fuente de luz de banda ancha.
  9. 9.
    Sistema según reivindicación 7 u 8 donde la unidad de lectura es un espectrómetro.
  10. 10.
    Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9 caracterizado porque adicionalmente comprende unos medios de inyección de fluido conectados al dispositivo (1).
  11. 11.
    Uso del sistema descrito en las reivindicaciones 7 a 10 para la detección de partículas en suspensión en fluidos.
  12. 12.
    Uso del sistema descrito en las reivindicaciones 7 a 10 para la contabilización de partículas en suspensión en fluidos.
  13. 13.
    Uso del sistema descrito en las reivindicaciones 7 a 10 para el análisis de partículas en suspensión en fluidos.
  14. 14.
    Uso del sistema descrito en las reivindicaciones 7 a 10 para el análisis de partículas susceptibles de tener diferenciación o alteración temporal tanto en su número, como morfología o variación de sus propiedades ópticas.
  15. 15.
    Uso del sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13 caracterizado porque las partículas se encuentran sin marcar.
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201030015
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 11.01.2010
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : Ver Hoja Adicional
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    A
    US 20090161108 A1 (FRESE, I. et al.) 25.06.2009, resumen; párrafos [0011]-[0012],[0018]-[0019],[0022],[0024],[0027]-[0028],[0030]-[0032], [0035]-[0036],[0038],[0040],[0042]-[0043]; figuras 1,2a,2b. 1,4-15
    A
    JP 62096846 A (HITACHI ELECTR. ENG.) 06.05.1987, todo el documento. 1,2,7,10-15
    A
    GB 2027547 A (BERBER, V. et al.) 20.02.1980, resumen; página 1, líneas 5-42,50-65; página 2, línea 50 – página 3, línea 5; figuras 1,2. 1,2,7,8,10-15
    A
    GB 2025606 A (BERBER, V. et al.) 23.01.1980
    A
    DE 3718407 A1 (HUND, H.) 22.12.1988
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 21.03.2012
    Examinador Ó. González Peñalba Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 201030015
    CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD G01N15/14 (2006.01)
    G01N21/05 (2006.01) G01N21/85 (2006.01) Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) G01N, Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de
    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, INSPEC
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201030015
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 21.03.2012
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986) Reivindicaciones 1-15 SI Reivindicaciones NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986) Reivindicaciones 1-15 SI Reivindicaciones NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Consideraciones:
    La presente Solicitud se refiere, en su primera reivindicación, a un dispositivo de contabilización y análisis óptico de partículas consistente en un cuerpo transparente por el que discurre un conducto para el fluido entre unas entradas de fluido dispuestas en ambas esquinas, el cual consta de dos tramos curvos paralelos entre los cuales existen tres tramos romboidales contiguos, de tal manera que la luz de análisis, introducida y extraída por unos canales de autoalineamiento, atraviesa dichos tramos romboidales de forma coplanaria con el dispositivo, reflejándose para ello en unos espejos de aire en forma de coliso curvado situados en posiciones opuestas y adyacentes al tramo romboidal central, e interaccionando de esta forma con las partículas existentes en el seno del fluido.
    Las restantes reivindicaciones 2 a 15, dependientes todas ellas directa o indirectamente de la primera, concretan elementos
    o recogen detalles adicionales del dispositivo, como, por ejemplo, los materiales utilizados o el uso de fibras ópticas en los canales de autoalineamiento para el guiado de la luz a la entrada y la salida del dispositivo, así como diversos usos específicos del análisis de partículas.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201030015
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    US 2009/0161108 A1 (FRESE, I. et al.) 25.06.2009
  16. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    Se considera que la invención definida en las reivindicaciones 1-15 de esta Solicitud tiene novedad y actividad inventiva por no estar comprendida en el estado de la técnica ni poder ser deducida de este de un modo evidente por un experto en la materia.
    Se han encontrado en el estado de la técnica diversos documentos que describen dispositivos de análisis y contabilización de partículas por medición de efectos ópticos como la dispersión. Así, por ejemplo, el documento D01, citado en el Informe sobre el Estado de la Técnica (IET) con la categoría A para las reivindicaciones 1 y 4-15 y considerado el estado de la técnica más próximo al objeto en ellas definido, describe un chip de medida de transmisión y/o dispersión por una muestra de fluido, similar en funcionamiento y aplicación al dispositivo de la presente invención. Este chip o celda de medida presenta, sin embargo, diferencias esenciales de estructura entre las que cabe citar, por ejemplo, el hecho de que la trayectoria de la luz no es completamente coplanaria con el plano principal del dispositivo, sino que se introduce y extrae de este perpendicularmente, merced a dos interfaces entre distintos medios transmisores (aire y material del cuerpo) que hacen las veces de espejos, practicados en el cuerpo del dispositivo. Asimismo, la trayectoria de medida se compone de un solo tramo recto y no es zigzagueante, lo que no obliga, por tanto, a la configuración concentradora curva de los espejos de aire de la invención, apta para mantener la luz concentrada en un recorrido más largo.
    Tales hechos implican efectos técnicos de la invención con respecto a D01 que no pueden conseguirse de forma evidente partiendo únicamente de este documento; cabe concluir, por tanto, que la invención tiene novedad y actividad inventiva de acuerdo con los Artículos 6 y 8 de la vigente Ley de Patentes.
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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