ES2589958T3 - Detector químico óptico y método asociado - Google Patents

Abstract

Un método que comprende: proporcionar un conducto de fluido (102) para transportar un fluido desde una primera región (118) a una segunda región (404), estando la segunda región ópticamente acoplada con un primer espejo (704) del resonador de guía de ondas que comprende una o dos guías de onda lineales (504, 512) acopladas de manera evanescente a un resonador de disco o a un resonador de anillo (502), de tal modo que el primer espejo (704) resonante de guía de ondas refleje un primer componente espectral (708-1) de nuevo a un láser (202) cuando el fluido en la segunda región (404) está libre de analito y refleje un segundo componente espectral (708-2) de nuevo al láser (702) cuando el fluido en la segunda región (404) comprende un analito, y cuya resonancia óptica está basada en el índice de refracción del fluido en la segunda región (404), y en el que el primer espejo (704) del resonador de guía de ondas y el láser (702) definen colectivamente un láser de cavidad externa (712) que proporciona una primera señal luminosa (710) cuya longitud de onda central (902, 906) está basada en la resonancia óptica del primer espejo (704) del resonador de guía de ondas; inducir un flujo de un fluido desde la primera región (118) a la segunda región (404); introducir una muestra que comprende un analito en el fluido, en que la muestra es introducida en el conducto de fluido (102) en la primera región (118) y en un primer instante, t(0), y en el que el fluido tiene un primer índice de refracción cuando está libre de analito y un segundo índice de refracción cuando comprende el analito; detectar la presencia de un analito en la solución tampón en la segunda región (404) con un detector (414) que proporciona una señal eléctrica (416) cuya magnitud está basada en la intensidad de la primera señal luminosa (710), y calcular un diferencial de tiempo entre el primer instante t(0), en el que el analito está presente en la primera región (118), y un segundo instante, t(1), en el que ocurre un cambio desde una primera magnitud de la señal eléctrica (416).

Description

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DESCRIPCION

Detector qmmico optico y metodo asociado CAMPO DEL INVENTO

El presente invento se refiere a la deteccion qmmica en general, y, mas particularmente, a la deteccion qmmica optica. ANTECEDENTES DEL INVENTO

Los sistemas de microfluidos ofrecen una ventaja potencial en aplicaciones tales como smtesis, destilacion, y analisis qmmicos. Se han desarrollado numerosos sistemas de microfluidos, en los que volumenes diminutos de fluido son mezclados, separados, calentados, hechos reaccionar, y similares. Con el fin de controlar tales procesos, es imperativo que cada componente qmmico sea controlado. Esto requiere, fundamentalmente, una capacidad para detectar la presencia de una sustancia qmmica en un fluido. Ademas, es ventajoso ser capaz de vigilar la concentracion qmmica tambien en tiempo real.

En general, un componente qmmico no puede, por sf mismo, ser medido directamente. Como resultado, los metodos de deteccion se basan en la deteccion de un cambio en una propiedad mensurable de la sustancia qmmica, tal como la conductividad electrica, viscosidad, color, absorcion, mdice de refraccion, y similares. Como tal, los componentes qmmicos son a menudo denominados como analitos. Un analito es una sustancia o constituyente qmmico que es determinado en un procedimiento analftico, tal como una valoracion. Por ejemplo, en un ensayo de inmunidad, el analito puede ser el ligante o el aglutinante, mientras que en las pruebas de glucosa en sangre, el analito es la glucosa. Para los propositos de esta memoria, que incluye reivindicaciones adjuntas, el termino analito es utilizado para referirse a un componente qmmico o biologico presente en una solucion portadora, tal como una solucion tampon.

Hay muchos metodos conocidos para detectar la presencia de un analito en un fluido. Estos incluyen la microscopia fluorescente, la inspeccion visual del fluido, la vigilancia de la conductividad electrica del fluido, y la deteccion optica de un cambio en una propiedad optica del fluido. . En la mayona de los sistemas de la tecnica anterior, sin embargo, estos metodos se basan en la deteccion de un cambio muy pequeno en una propiedad de la solucion. Para complicar mas las cosas, estos metodos proporcionan a menudo una senal de salida que varfa de forma lineal, proporcional con el pequeno cambio en la propiedad. Como resultado, la intensidad de la senal asociada con la presencia de la senal es a menudo baja y asf la relacion senal a ruido de la senal de salida es pobre. Esto limita la sensibilidad de tales metodos de deteccion.

La microscopia fluorescente ofrece una deteccion de alta sensibilidad de un analito; sin embargo, requiere la existencia de una molecula fluorescente adecuada que puede ser unida al analito. En una aplicacion fluorescente tfpica, un analito es etiquetado selectivamente con una molecula fluorescente llamada un fluoroforo (por ejemplo, protema fluorescente verde (GFP), fluorescema o DyLight 488, etc.). El especimen “etiquetado” es iluminado con luz de una longitud de onda (o longitudes de onda) espedficas que es absorbida por los fluoroforos. La luz absorbida hace que emitan luz en un color diferente al de la luz absorbida. La presencia del analito es indicada cuando esta luz emitida es detectada. Un sistema de deteccion fluorescente requiere normalmente un microscopio, una fuente luminosa (por ejemplo, una lampara de arco de xenon o una lampara de vapor de mercurio), filtros de multiples colores, y un espejo o divisor de haz dicroico (es decir, un espejo que refleja un color pero no otro). Los filtros y los elementos dicroicos son elegidos para hacer coincidir las longitudes de onda de excitacion y emision del fluoroforo utilizado para etiquetar el especimen. Aunque capaz de una alta sensibilidad, un sistema de deteccion fluorescente es bastante complicado y puede ser muy costoso.

Otros metodos de deteccion optica se basan generalmente en hacer pasar un haz de luz a traves del fluido y detectar un cambio en la absorcion o en el mdice de refraccion a traves de la deteccion de un cambio en la intensidad del haz de luz. Hay varios inconvenientes para tales aproximaciones, sin embargo. En primer lugar, el cambio en la propiedad optica medida es tfpicamente pequeno. Con el fin de obtener una senal de salida detectable, por tanto, debe ser cuestionada una gran cantidad de fluido. Como resultado, la region de deteccion de tales sistemas es tfpicamente grande. Cuando un analito empieza a alcanzar la region de deteccion, su concentracion no es uniforme e inicialmente es muy baja. Como solo una pequena parte de la region de deteccion contiene analito, su efecto sobre todo el haz de luz es silenciado. Esto reduce la posibilidad efectiva inducida por la llegada del analito. Cuando el analito continua fluyendo a la region de deteccion y la llena, el nivel de concentracion se acumula lentamente y la senal de salida cambia lentamente hasta que es detectable. Estos factores conducen a una incertidumbre en el momento en el que ha llegado el analito. Ademas, la necesidad de cuestionar una gran cantidad de fluido aumenta el coste de tal sistema ya que su tamano total debe ser aumentado para acomodar la mayor region de deteccion.

En segundo lugar, como estos metodos requieren que la energfa optica pase a traves de la propia solucion, son inapropiados para utilizar en algunas aplicaciones. Por ejemplo, algunos analitos son sensibles a la luz y pueden ser danados o alterados qmmicamente cuando son expuestos a tal energfa.

Existe una necesidad, por tanto, para que la deteccion qmmica sea muy sensible y que pueda proporcionar rapidamente una senal de salida discernible.

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El documento US 2006/0268260 A1 describe un aparato y un metodo para el analisis de celulas, que utiliza un laser con cavidad externa. La cavidad externa incluye un microcanal para transportar celulas a una region de focalizacion. Dependiendo del mdice de refraccion de las celulas la longitud efectiva de la cavidad externa es cambiada. Las celulas son movidas a traves del microcanal por fuerzas electrocineticas.

RESUMEN DEL INVENTO

El presente invento permite la deteccion de uno o mas analitos presentes en un fluido mediante un metodo y un aparato como se ha definido en las reivindicaciones 1 y 6, respectivamente. Las realizaciones del presente invento son en particular muy adecuadas para utilizar en aplicaciones de microfluidos, tales como de laboratorio sobre un chip, reactores qmmicos sobre un chip, reactores de microfluidos, sistemas analfticos, electroforesis capilar, y similares.

Las realizaciones del presente invento, como la tecnica anterior, proporcionan una senal de salida cuando una propiedad optica de una solucion tampon, tal como el mdice de refraccion, cambia debido a la presencia de un analito en la solucion. En la tecnica anterior, sin embargo, la senal de salida es una funcion sustancialmente lineal del cambio en la propiedad optica. Como resultado, un pequeno cambio en la propiedad optica es diffcil de discernir porque conduce solamente a una senal de salida pequena. Enfoques de la tecnica anterior, por tanto, emplean tfpicamente una gran region de deteccion de manera que un cambio pequeno puede ser detectado mas facilmente.

En contraste con la tecnica anterior, el presente invento proporciona un elemento de deteccion que puede proporcionar una respuesta sustancialmente no lineal a un cambio en una propiedad optica de la solucion tampon. Un resonador de grna de ondas es utilizado como el elemento de deteccion, en el que la longitud de onda a la que el resonador de grna de ondas es opticamente resonante es una funcion del mdice de refraccion del fluido en una region de deteccion. El revestimiento del resonador de grna de ondas comprende el fluido y la longitud de onda resonante del resonador de grna de ondas, por tanto, depende fuertemente del mdice de refraccion del fluido. Como resultado, la intensidad de una senal luminosa proporcionada a un detector por el resonador de grna de ondas es una funcion altamente no lineal del mdice de refraccion del fluido. Ademas, en algunas realizaciones, el elemento de deteccion es aproximadamente del mismo tamano que la muestra de analito, permitiendo una salida rapida y definitiva en respuesta a la presencia del analito en la region de deteccion.

El presente invento proporciona una senal luminosa a un detector, en la que la presencia de un analito en un fluido en una region de deteccion es indicada por la intensidad de la senal luminosa. Un resonador de grna de ondas recibe luz, que tiene una primera longitud de onda, procedente de una fuente. El resonador de grna de ondas proporciona entonces una senal luminosa de salida, que tiene la primera longitud de onda, a un detector, en el que la intensidad de la senal luminosa de salida esta basada en la resonancia optica del resonador de grna de ondas.

El resonador de grna de ondas esta dispuesto en una configuracion de espejo de resonador de grna de ondas que forma un espejo externo de un laser de cavidad externa. La intensidad y longitud de onda de la salida de este espejo de cavidad externo estan basadas en el mdice de refraccion de un fluido en una region de deteccion. La concentracion de un analito en el fluido es determinada, basada en un desplazamiento en la longitud de onda resonante del resonador de grna de ondas.

Una realizacion del presente invento, comprende un conducto de fluido para transportar un fluido, en que el conductor del fluido, comprende una segunda region; y un primer resonador de grna de ondas, en que el primer resonador de grna de ondas es opticamente resonante para un primer componente espectral cuando el fluido en la segunda region tiene un primer mdice de refraccion, y en que el primer resonador de grna de ondas es opticamente resonante para un segundo componente espectral cuando el fluido en la segunda region tiene un segundo mdice de refraccion.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

La fig. 1 representa un diagrama esquematico de detalles de un sistema de electroforesis capilar de acuerdo con la tecnica anterior.

La fig. 2 muestra una representacion esquematica de un resonador tfpico de anillo acoplado lateralmente de la tecnica anterior para acoplar luz desde una primera grna de ondas de bus a una segunda grna de ondas de bus.

La fig. 3 representa un metodo para detectar la presencia de un analito en una solucion de acuerdo con una realizacion ilustrativa del presente invento.

La fig. 4 representa un diagrama esquematico de detalles de un sistema de electroforesis capilar de acuerdo con la realizacion ilustrativa del presente invento.

La fig. 5A representa un diagrama esquematico de detalles de un elemento sensor comparativo que no esta de acuerdo con el presente invento.

La fig. 5B representa un diagrama esquematico de detalles de un elemento sensor comparativo que no esta de acuerdo con el presente invento.

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La fig. 5C representa un diagrama esquematico de detalles de un elemento sensor comparativo que no esta de acuerdo con el presente invento.

La fig. 5D representa un diagrama esquematico de detalles de un elemento sensor comparativo que no esta de acuerdo con el presente invento.

La fig. 5E representa un diagrama esquematico de detalles de un elemento sensor comparativo que no esta de acuerdo con el presente invento.

La fig. 6 representa un grafico de una senal de salida desde el elemento sensor 410 de acuerdo con la realizacion ilustrativa de la fig. 4.

La fig. 7 representa un diagrama esquematico de detalles de un sensor de acuerdo con una realizacion del presente invento.

La fig. 8 representa un metodo para detectar analito y calcular la concentracion del analito en un fluido de acuerdo con la realizacion de la fig. 7.

La fig. 9 representa un grafico de detalles de la respuesta optica de un laser de cavidad externa de acuerdo con la realizacion de la fig. 7.

DESCRIPCION DETALLADA

Los terminos que aparecen a continuacion son proporcionados con las definiciones explfcitas siguientes para utilizar en la comprension de la memoria e interpretacion de las reivindicaciones adjuntas:

Rango espectral libre es la distancia (en espacio de frecuencia) entre picos de transmision adyacentes.

Componente espectral se refiere a la energfa optica caracterizada por una longitud de onda particular. En el contexto de las aplicaciones tecnologicas del mundo real, en contraposicion a una descripcion teorica, un componente espectral nunca estara caracterizado realmente solo por una unica longitud de onda. En su lugar, el espectro electromagnetico del componente espectral incluira una pluralidad de longitudes de onda que estan centradas alrededor de una longitud de onda predominante, primaria o central.

Relacion de acoplamiento evanescente se refiere a una relacion entre dos o mas elementos, tfpicamente grnas de onda opticas, en que una senal optica que se desplaza a traves de uno de los elementos es capaz de acoplarse al menos en alguna de su energfa optica, mediante un acoplamiento de campo evanescente, al otro elemento.

Otras definiciones pueden aparecer a lo largo de esta memoria segun sea apropiado.

El presente invento proporciona la deteccion de una especie qrnmica o agente biologico en una solucion contenida en un sistema de microfluidos, tal como en una aplicacion de laboratorio en un chip. Aunque la realizacion ilustrativa descrita aqrn comprende un sistema de electroforesis capilar, resultara evidente para los expertos en la tecnica, como hacer y utilizar realizaciones alternativas del presente invento que comprenden sistemas de microfluidos distintos de los sistemas de electroforesis capilar, tales como laboratorio sobre un chip, reactor qrnmico, reactores de microfluidos, sistemas analfticos, electroforesis capilar, y similares.

La fig. 1 representa un diagrama esquematico de detalles de un sistema de electroforesis capilar (en lo que sigue, sistema CE) de acuerdo con la tecnica anterior. El sistema CE 100 comprende un canal de flujo 102, un deposito fuente 104, un deposito del destino 106, un canal de muestras 108, una entrada de muestras 110, una salida de muestras 112, un procesador 114, y un sensor 116.

La electroforesis capilar es una tecnica bien conocida para analizar muestras de sustancias qrnmicas, celulas, y sustancia biologica. En funcionamiento, una solucion tampon fluye a traves del canal de flujo 102 desde el deposito fuente 104 al deposito de destino 106. El procesador 114 aplica una alta tension de estado estacionario, V, tfpicamente en el rango de 10-30 kilovoltios, entre el deposito fuente 104 y el deposito de destino 106. Esta alta tension induce el flujo electro-osmotico de la solucion tampon a lo largo del canal del grupo 102 desde el deposito fuente 104 al deposito de destino 106. En algunos sistemas CE, el flujo de solucion tampon a traves del canal de flujo 102 es inducido aplicando un diferencial de presion entre el deposito fuente 104 al deposito de destino 106.

En el instante t(0), el procesador 114 aplica un impulso de tension V(t) entre la entrada de muestras 110 y la salida de muestras 112. Esta tension aplicada induce una carga de solucion de muestra que ha de ser inyectada en la solucion tampon en la region de mezcla 118, donde se mezcla con la solucion tampon.

Cuando la carga de solucion de muestra fluye a traves de la longitud, d1, del canal de flujo 102, la solucion de muestra se disocia en sus analitos constituyentes. Los analitos se separan debido a que cada analito se desplaza a traves del canal del grupo 102 a una tasa que esta basada en sus propiedades ffsicas individuales.

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El detector 116 es un detector optico para detectar la presencia de un analito en la solucion tampon en la region de deteccion 120. En algunos sistemas CE, se ha utilizado una inspeccion visual para detectar la presencia de un analito. En otros sistemas CE, medios de deteccion no optica, tales como sensores de conductividad electrica, se utilizan para detectar un analito.

El detector 116 genera una senal en respuesta a un cambio en las caractensticas opticas de la solucion en la region de deteccion 120, en que el cambio es debido a la presencia de un analito en la solucion tampon. Antes de que cualquiera de los analitos constituyentes de la solucion de muestra la alcance, la region de deteccion 120 contiene solamente solucion tampon pura. Como resultado, la senal optica 124 es recibida por el fotodetector 126 en una intensidad de estado estacionario. La intensidad de la senal optica en el fotodetector 126 esta basada en el coeficiente de absorcion y el mdice de refraccion de la solucion tampon pura. Antes de la llegada de un analito a la region de deteccion 120, por tanto, el fotodetector 126 proporciona una senal de salida 128 de estado estacionario al procesador 114.

En el instante t(1), un primer analito alcanza la region de deteccion 120, lo que provoca un cambio en el coeficiente de absorcion y/o en el mdice de refraccion de la solucion. Esto provoca un cambio en la energfa optica recibida por el fotodetector 126 y un cambio correspondiente en la senal de salida 128. Cuando el primer analito deja la region de deteccion 120, la senal de salida 128 vuelve a su nivel de estado estacionario anterior. Este proceso se repite en el instante t(2) para un segundo analito, en el instante t(3) para un tercer analito, y asf sucesivamente.

El procesador 114 recibe la senal de salida 128 y determina el instante entre la inyeccion de muestras, t(0) y el instante en que cada analito ha sido detectado en la region de deteccion 120 (es decir, t(1), t(2), etc.). El procesador 114 deriva entonces una intensidad para cada analito basada en este diferencial de tiempo y en la distancia, d1, entre la region de mezcla 118 y la region de deteccion 120 (es decir, t(1) -t(0), t(2) -t(0), etc.), y la geometna del canal de flujo.

Aunque detectores opticos conocidos, tales como el detector 116, proporcionan un medio de deteccion de analito, tienen varios inconvenientes. En primer lugar, un cambio en las propiedades opticas de la solucion en la region de deteccion 120 induce ffpicamente solo un pequeno cambio en el haz optico 124 ya que el haz optico pasa a traves solo de una pequena cantidad de solucion. Con el fin de conseguir un cambio detectable en la energfa optica recibida, por tanto, la anchura, w1, de la region de deteccion es agrandada. La longitud de interaccion de la region de deteccion 120 es directamente proporcional a su anchura, w1.

Una region de deteccion ancha, sin embargo, conduce a una incertidumbre en el tiempo de llegada del analito. Cuando el primer analito llega a la region de deteccion 120, la mayor parte de la region de deteccion contiene aun solucion tampon pura. Como resultado, es diffcil de detectar un cambio en las propiedades opticas de la solucion en la region de deteccion. Cuando la concentracion del analito en la region de deteccion aumenta hasta un nivel suficiente, se detectara un cambio en la intensidad de la senal optica 124. Este cambio, sin embargo, ocurrira de una manera relativamente lenta. Ademas, una region de deteccion ancha conduce a una incertidumbre en la distancia en la que se ha desplazado el analito cuando es detectado. Como resultado, puede ser diffcil identificar de manera correcta un analito con los metodos de deteccion optica de la tecnica anterior.

Ademas, una region de deteccion ancha aumenta el tamano completo del chip de micro-fluido, lo que conduce a un coste incrementado. Ademas, se requieren a menudo opticas adicionales, tales como una lente cilmdrica para expandir el haz optico 124 en una dimension al tiempo que lo restringe en otra dimension. Esto tambien conduce a un coste del sistema y complejidad adicionales.

En contraste con los metodos de deteccion de la tecnica anterior, el presente invento proporciona una deteccion mas definitiva de la presencia de analito en una solucion. El presente invento comprende un resonador de grna de ondas que esta integrado con el canal de flujo para formar una pequena region de deteccion. El presente invento se basa en el hecho de que el resonador de grna de ondas tiene una respuesta no lineal. Como resultado, un pequeno cambio de mdice de refraccion de la solucion en la region de deteccion puede causar un gran cambio en las caractensticas resonantes del resonador de grna de ondas.

Como la interaccion efectiva entre la solucion y la senal optica es aumentada, en comparacion a las aproximaciones de la tecnica anterior, la region de deteccion puede ser muy pequena. De hecho, en algunas realizaciones, la region de deteccion no necesita ser mas ancha que el tamano del propio resonador de grna de ondas. Ademas, algunas realizaciones del presente invento comprenden grnas de ondas que estan caracterizadas por un nucleo interior de dioxido de silicio y un nucleo exterior de nitruro de silicio. Esta estructura del nucleo de grna de ondas permite ventajosamente el uso de un revestimiento delgado para grnas de ondas del resonador de grna de ondas. Asf, el acoplamiento optico entre la solucion y el resonador de grna de ondas es mas facilmente habilitado, como se ha descrito a continuacion y con referencia a la fig. 5A.

Funcionamiento del Resonador de Grna de Ondas

Un resonador de grna de ondas comprende un elemento opticamente resonante y una, o mas ffpicamente dos, grnas de ondas lineales. Las grnas de ondas lineales son usualmente denominadas "grnas de onda de puerto" o "grnas de onda de bus", la ultima frase sera utilizada aqut En un resonador de disco, el elemento opticamente resonante es un disco

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macizo de material optico. En un resonador de anillo, el elemento opticamente resonante es un bucle cerrado de material de grna de ondas (en lo que sigue denominado como una "grna de ondas de bucle"). Las realizaciones descritas aqu comprenden todas resonadores de anillo. Sera evidente para un experto en la tecnica, sin embargo, despues de leer esta memoria, como hacer y utilizar realizaciones alternativas del presente invento que comprendan uno o mas resonadores de disco.

Ciertas frecuencias de luz resuenan dentro de la grna de ondas de bucle y, como consecuencia de la geometna del resonador, la luz resonante se acopla entre la grna de ondas de bucle y la grna de ondas de bus. Un resonador de anillo, por tanto, funciona efectivamente como un acoplador optico muy selectivo dependiente de la longitud de onda.

En la mayor parte de las implementaciones, la energfa luminosa es acoplada dentro y fuera de la grna de ondas de bucle del micro-resonador mediante un acoplamiento de campo evanescente. Un campo optico evanescente es la parte del campo optico de luz guiada que se extiende mas alla de la superficie ffsica de un nucleo de grna de ondas (por ejemplo, la parte del campo optico que se extiende al revestimiento de la grna de ondas). La intensidad y magnitud del campo optico evanescente mas alla del nucleo de grna de ondas es una funcion del contraste entre el mdice de refraccion del nucleo y las capas de revestimiento, y el mdice de refraccion de la propia capa de revestimiento. La capacidad para que un campo optico evanescente se acople desde una grna de ondas a otra es una funcion de la proximidad de las dos grnas de onda, del mdice de refraccion y del grosor de las capas de revestimiento de las grnas de onda, del mdice de refraccion de cualquier material entre los revestimientos de las grnas de onda, y de la longitud de onda de la luz.

En un resonador de anillo convencional, el acoplamiento evanescente entre una grna de ondas de bucle y una grna de ondas de bus es conseguido colocando ambas en estrecha proximidad. La luz que se propaga en la grna de ondas de bus que esta en la longitud de ondas resonante es acoplada desde la grna de ondas de bus a la grna de ondas de bucle. La luz que se propaga en la grna de ondas de bus que esta fuera de resonancia (es decir no a la longitud de onda de resonancia) puede puentear la grna de ondas de bucle y continua propagandose hacia abajo a la grna de ondas de bus.

En el presente invento, el acoplamiento evanescente entre una grna de ondas de bus y una grna de ondas de bucle es habilitado cuando los revestimientos de la grna de ondas de bucle y de la grna de ondas de bus estan en contacto con una solucion que tiene un mdice de refraccion apropiado. Las propiedades opticas de la solucion son incorporadas a las caractensticas opticas del revestimiento de la grna de ondas. Como resultado, el mdice de refraccion de la solucion tiene un impacto dramatico sobre la capacidad de guiar la luz de las grnas de ondas. En efecto, la solucion resulta parte de los revestimientos de las grnas de onda de bucle y de bus. El mdice de refraccion de la solucion, por ello, determina para que longitudes de onda se acopla el campo optico evanescente entre la grna de ondas de bucle y la grna de ondas de bus (es decir, para que longitudes de onda el resonador de grna de ondas es opticamente resonante).

La forma del "bucle" de la grna de ondas de bucle cerrado es tfpicamente circular, ovalada o elfptica, pero puede tener alternativamente una circunferencia curvada de manera arbitraria en forma de un anillo distorsionado. La grna de ondas de bucle utilizada en conjuncion con el presente invento tendra tfpicamente una forma circular para minimizar su tamano, pero cualquiera de las geometrfas antes mencionadas puede ser utilizada de manera adecuada.

Los resonadores de anillo son fabricados tfpicamente en una de dos disposiciones: "acoplada lateralmente" o "acoplada verticalmente". En un resonador de anillo acoplado lateralmente, las grnas de onda de bus estan en el plano de la grna de ondas de bucle. En un resonador acoplada verticalmente, las grnas de onda de bus estan situadas o bien ambas por encima, ambas por debajo, o una por encima y una por debajo de la grna de ondas de bucle. Cada una de estas dos disposiciones basicas tiene ventajas e inconvenientes bien comprendidos. Puede ser utilizada cualquier disposicion en conjuncion con el presente invento.

La fig. 2 muestra una representacion esquematica de un resonador de anillo tfpico acoplado lateralmente de la tecnica anterior para acoplar luz desde una primera grna de ondas de bus a una segunda grna de ondas de bus. El resonador de anillo 200 comprende una grna de ondas de bucle cerrado 232 y dos grnas de onda de bus 234 y 238. El resonador de anillo 200 tiene cuatro puertos: un puerto de entrada 236A y un puerto de paso 236B definido sobre la grna de ondas de bus 234 y un puerto de adicion 240A y un puerto de cafda 240B definidos sobre la grna de ondas de bus 238.

Una parte de cada una de las grnas de onda de bus 234 y 238 es adyacente y tangencial (es decir, en la direccion de una tangente) a la grna de ondas de bucle 232. En esta parte de las grnas de onda de luz, estan separadas de la grna de ondas de bucle 232 por un espacio G. Este espacio es lo bastante pequeno para permitir el acoplamiento de campo evanescente, como se ha descrito previamente.

En algunas implementaciones alternativas (no representadas), partes respectivas de cada una de las grnas de onda 234 y 238 que son adyacentes a la grna de ondas de bucle 232 no son tangenciales a ella; en su lugar, se curvan alrededor de una parte de la grna de ondas de bucle 232 para aumentar la longitud de interaccion (acoplamiento). En algunas otras implementaciones, un resonador de anillo acoplado verticalmente incluye grnas de onda de bus que estan dispuestas ortogonalmente entre sf (vease por ejemplo la Patente Norteamericana N° 6.411.752).

Ciertas longitudes de onda de luz resuenan dentro de la grna de ondas de bucle 232 como una funcion de caractensticas del bucle. Considerese una senal optica de multiples longitudes de onda que se propaga en la grna de ondas de bus 234

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mas alia del puerto de entrada 236A. La luz que tiene una longitud de onda que esta fuera de resonancia con la grna de ondas de bucle 232 puentea el bucle y es emitida desde el puerto de paso 236B de la grna de ondas de bus 234. La luz que tiene una longitud de onda que esta en resonancia se acopla a la grna de ondas de bucle 232 mediante un acoplamiento del campo evanescente. Como es utilizado en esta memoria y en las reivindicaciones adjuntas, cuando "luz" o un "componente espectral" es descrito como estando "fuera de resonancia" significa que la longitud de onda de la luz o del componente espectral es diferente de una longitud de onda resonante de la grna de ondas de bucle 232. De manera similar, cuando la luz o un componente espectral es descrito como estando "en resonancia", significa que la longitud de onda de la luz o del componente espectral es la misma que una longitud de onda resonante de la grna de ondas de bucle 232.

La luz en resonancia que es acoplada desde la grna de ondas de bus 234 se propaga en la grna de ondas de bucle 232 y se acopla a la grna de ondas de bus 238 mediante un acoplamiento de campo evanescente. La luz que esta acoplada a la grna de ondas de bus 238 se propaga en una direccion opuesta a la luz que se desplaza en la grna de ondas de bus 234 debido a las orientaciones respectivas de las distintas grnas de onda. Como consecuencia, la luz resonante acoplada a la grna de ondas de bus 238, desde la grna de ondas de bus 234 a traves de la grna de ondas de bucle 232 sera emitida desde el puerto de cafda 240B. Esta luz resonante se reunira con la luz fuera de resonancia que se propaga a lo largo de la grna de ondas 238 desde el puerto de adicion 240A.

De manera analoga, la luz en resonancia que se desplaza en la grna de ondas de bus 238 a traves del puerto de adicion 240A se acopla a la grna de ondas de bucle 232. Esa luz se acopla a la grna de ondas de bus 234 y se propaga a traves del puerto de paso 236B, junto con la luz fuera de resonancia procedente del puerto de entrada 236A. En la disposicion que esta representada en la fig. 2, el resonador de anillo 200 es hecho funcionar de modo que la luz se propague unidireccional mente - en este ejemplo en sentido contrario a las agujas del reloj - a traves de la grna de ondas de bucle 232.

La fig. 3 representa un metodo para detectar la presencia de un analito en una solucion de acuerdo con una realizacion ilustrativa del presente invento. El metodo 300 comprende operaciones para realizar electroforesis capilar. Sera evidente para un experto en la tecnica, despues de leer esta memoria, que la electroforesis capilar es simplemente una aplicacion para la que el presente invento es adecuado. El metodo 300 esta descrito mas abajo con referencia adicional a las figs. 4, 5A y 6.

La fig. 4 representa un diagrama esquematico de detalles de un sistema de electroforesis capilar de acuerdo con la realizacion ilustrativa del presente invento. El sistema CE 400 comprende un canal de flujo 102, un deposito fuente 104, un deposito de destino 106, un canal de muestras 108, una entrada de muestras 110, una salida de muestras 112, un procesador 114, y un sensor 302.

El metodo 300 comienza con la operacion 301, en la que esta previsto el elemento sensor 410.

En la operacion 302, el elemento sensor 410 recibe una senal luminosa 408 procedente de la fuente 406.

La fuente 406 es una fuente de luz sustancialmente monocromatica que esta centrada en una longitud de onda de aproximadamente 850 nm, de manera bien conocida. En algunas realizaciones, la fuente 406 emite luz centrada en una longitud de onda diferente de 850 nm. Otras longitudes de onda corrientes adecuadas incluyen 633 nm, 670 nm, 780 nm, longitudes de onda dentro del rango de 1400 nm a 1650 nm, longitudes de onda dentro del rango de 1250 nm a 1380 nm, y asf sucesivamente. Resultara evidente para los expertos en la tecnica, sin embargo, que el diseno de la grna de ondas de bucle cerrado 502 y de la grna de ondas de bus 504 depende de la longitud de onda de la luz emitida por la fuente 406. Dispositivos adecuados para utilizar en la fuente 406 incluyen, sin limitacion, los laser semiconductores, los laser emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL), los laser de gas, los diodos emisores de luz, y similares. Sera evidente para un experto en la tecnica como fabricar y utilizar la fuente 406.

La fig. 5A representa un diagrama esquematico de detalles de un elemento sensor comparativo 410. El elemento sensor 410 comprende una grna de ondas de bucle cerrado 502 y una grna de ondas de bus 504. La grna de ondas de bucle cerrado 502 y la grna de ondas de bus 504 definen colectivamente el resonador 506 de grna de ondas. Aunque en el ejemplo ilustrativo, el resonador 506 de grna de ondas es un resonador de anillo acoplado lateralmente, resultara evidente para un experto en la tecnica, despues de leer esta memoria, como fabricar y utilizar ejemplos alternativos en los que el resonador 506 de grna de ondas es un resonador de anillo acoplado verticalmente, un resonador de disco acoplado lateralmente, o un resonador de disco acoplado verticalmente.

La grna de ondas de bucle cerrado 502 es un anillo de grna de ondas que esta formado sobre el canal de flujo 102. Como resultado, el fluido 508 en la region de deteccion 404 del canal del flujo 102 se acopla opticamente con el revestimiento de la grna de ondas de bucle cerrado 502. En la realizacion ilustrativa, la grna de ondas de bucle cerrado 502 tiene un diametro de aproximadamente 50 micrones. En algunas realizaciones, el diametro de la grna de ondas de bucle cerrado 502 esta dentro del rango de aproximadamente 15 micrones a aproximadamente 250 micrones. En la mayor parte de las aplicaciones, el diametro deseado de la grna de ondas de bucle cerrado 502 viene dictado por el tamano del canal de flujo 102 y el rango espectral libre deseado (es decir, la distancia (en espacio de frecuencia) entre equipos de transmision adyacentes) del resonador de grna de ondas. Resultara evidente para un experto en la tecnica

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que el rango espectral libre del resonador de anillo 502 es inversamente proporcional a su diametro.

La gma de ondas de bus 504 es una gma de ondas formada en estrecha proximidad a la gma de ondas de bucle cerrado 502. La gma de ondas de bucle cerrado 502 esta formada sobre el canal de flujo 102 de modo que el fluido 508 en la region de deteccion 404 del canal de flujo 102 se acopla opticamente con el revestimiento de la gma de ondas de bucle cerrado 502.

En algunos ejemplos, la gma de ondas de bucle cerrado 502 y una parte de la gma de ondas de bus 504 estan formados en el canal de flujo 102.

La gma de ondas de bus 504 y la gma de ondas de bucle cerrado 502 estan separadas por el espacio G1. En la realizacion ilustrativa, el espacio G1 es aproximadamente de 50 nanometros (nm). En algunos ejemplos el espacio G1 esta dentro del rango de aproximadamente 10 nanometros (nm) a aproximadamente 1 micron. El tamano del espacio G1 es seleccionado para permitir una relacion de acoplamiento deseada entre la gma de ondas de bucle cerrado 502 y la gma de ondas de bus 504.

Cuando el fluido 508 esta presente en la region de deteccion 404, el fluido constituye una parte de las capas de revestimiento para cada una de las gmas de onda de bucle cerrado 502 y de la gma de ondas de bus 504. Como resultado, el mdice de refraccion del fluido afecta a las longitudes de onda a las que el resonador 506 de gma de ondas es opticamente resonante. Como resultado, el espacio G1 es seleccionado para proporcionar una primera relacion de acoplamiento evanescente deseada entre la gma de ondas de bucle cerrado 502 y la gma de ondas de bus 504, para una luz que tiene una longitud de onda de 850 nm, cuando el fluido 508 esta en la region de deteccion 404 esta libre de analitos. Alternativamente, el espacio G1 es seleccionado para proporcionar una segunda relacion de acoplamiento evanescente deseada, para una luz que tiene una longitud de onda de 850 nm, cuando el fluido 508 en la region de deteccion 404 comprende un analito.

Aunque compatible virtualmente con cualquier tecnologfa de gma de ondas, el resonador de anillo 502 y la gma de ondas de bus 504 estan formados preferiblemente utilizando una tecnologfa de gma de ondas que comprende un nucleo compuesto - espedficamente, un nucleo interior de dioxido de silicio y un nucleo exterior de nitruro de silicio. Ejemplos de gmas de onda de nucleo compuesto adecuadas estan descritos en detalle en la Patente Norteamericana N° 7.146.087, concedida el 6 de diciembre 2006. Tales gmas de onda de nucleo compuesto permiten un acoplamiento mas efectivo del fluido 508 y de sus capas de revestimiento, ya que sus capas de revestimiento son tfpicamente mucho mas delgadas que las de las tecnologfas de gma de ondas mas convencionales. Como resultado, los resonadores de gma de ondas formados utilizando una tecnologfa de gma de ondas de nucleo compuesto, pueden exhibir una dependencia de la caracterfstica resonante mas fuerte sobre el mdice de refraccion del fluido 508 que las formadas utilizando una tecnologfa de gma de ondas convencional.

En la operacion 303, el canal de flujo 102 esta lleno con fluido 508, que comprende una solucion tampon pura, tfpicamente una solucion salina. El procesador 114 aplica entonces una alta tension entre el deposito fuente 104 y el deposito de destino 106 para inducir un flujo de fluido 508 entre ellos. En algunas realizaciones, el flujo de fluido 508 es inducido por otros medios, tales como presion, accion capilar, o efecto sifon.

El procesador 114 es un procesador logico de proposito general, que es tambien capaz de controlar tensiones aplicadas al deposito fuente 104, al deposito de destino 106, a la entrada de muestras 110, y a la salida de muestras 112. El procesador 114 esta tambien configurado para recibir la senal de salida 416 procedente del detector 414 y derivar una identidad de un analito. Resultara evidente para los expertos en la tecnica, despues de leer esta memoria, como hacer y utilizar el procesador 114.

En la operacion 304, la senal luminosa 412 es proporcionada al detector 414 desde el elemento sensor 410.

La relacion de la intensidad de la senal luminosa 412 a la intensidad de senal luminosa 408 es una funcion de la relacion de acoplamiento entre la gma de ondas del bucle cerrado 502 y la gma de ondas de bus 504. Como se ha descrito antes, y con respecto a la fig. 5A, esta relacion de acoplamiento es una funcion del mdice de refraccion de fluido 508 en la region de deteccion 404. Cuando el fluido 508 esta libre de analito (es decir, es solucion tampon pura), tiene un primer mdice de refraccion. Cuando el fluido 508 comprende un analito, tiene un segundo mdice de refraccion.

En el ejemplo ilustrativo, cuando el fluido 508 en la region de deteccion 404 esta libre de analito, el resonador de 506 gma de ondas esta dimensionado y dispuesto para estar "en resonancia" para la luz que tiene una longitud de onda de 850 nm. El termino "en resonancia" significa que la gma de ondas de bucle cerrado 502 y la gma de ondas de bus 504 estan en una relacion de acoplamiento evanescente. En otras palabras, la energfa optica en la gma de ondas de bus 504 se acopla a la gma de ondas de bucle cerrado 502 a traves del espacio G1.

Alternativamente, cuando el fluido 508 en la region de deteccion 404 comprende un analito, el resonador 506 de gma de ondas no esta ya en resonancia, sino que en vez de ello esta "fuera de resonancia" para la luz que tiene una longitud de onda de 850 nm. El termino "fuera de resonancia" significa que la gma de ondas de bucle cerrado 502 y la gma de ondas de bus 504 estan en una reaccion de acoplamiento sustancialmente no evanescente. En otras palabras, la mayor parte o la totalidad de la energfa optica en la senal luminosa 408 pasa por la gma de ondas de bucle cerrado 502 y esta por ello

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contenida en la senal luminosa 412.

En la operacion 305, el detector 414 proporciona una senal de salida 416, que esta basada en la senal luminosa 412, al procesador 114.

En la operacion 306, el procesador 114 aplica un impulso de tension entre la entrada de muestras 110 y la salida de muestras 112. Esta tension aplicada induce una carga de solucion de muestra que ha de ser inyectada en el fluido 508 en la region de mezcla 118, donde se mezcla con la solucion tampon. La carga de solucion de muestra es inyectada en el fluido 508 en el instante t(0). La solucion de muestra comprende una mezcla de un primer analito y de un segundo analito.

Cuando el fluido 508 fluye desde el deposito fuente 104 al deposito de destino 106, lleva la carga de solucion de muestra a lo largo del canal de flujo 102 durante la distancia d2 (es decir, desde la region de mezcla 118 a la region de deteccion 404). Cuando la carga de la solucion de muestra se mueve a lo largo de la distancia d2, se disocia en sus partes constituyentes del primer analito y del segundo analito. Cada analito se mueve a lo largo del canal de flujo 102 a una tasa que es funcion de su movilidad electroforetica unica. La movilidad electroforetica es proporcional a la carga ionica de un analito e inversamente proporcional a las fuerzas de friccion presentes en la solucion tampon. Cuando dos analitos en una muestra tienen diferentes cargas o experimentan diferentes fuerzas de friccion, se separaran uno del otro cuando emigran a traves de una solucion tampon. Las fuerzas de friccion experimentadas por un ion de analito dependen de la viscosidad del medio y del tamano y forma del ion.

En la operacion 307, el procesador 114 detecta un cambio en la senal de salida 416 en el instante t(1), debido a la llegada del primer analito a la region de deteccion 404. Una representacion de la senal de salida 416 esta mostrada en la fig. 6.

Durante el tiempo entre t(0) y t(1), el fluido 508 en la region de deteccion 404 es solucion tampon pura y el resonador 506 de grna de ondas esta en resonancia. Como resultado, la luz es acoplada desde la grna de ondas de bus 504 a la grna de ondas de bucle cerrado 502. Cuando la luz se desplaza alrededor de la grna de ondas de bucle cerrado 502, la energfa optica es perdida a traves de la atenuacion ffpicamente asociada con la propagacion en cualquier tecnologfa de grna de ondas de superficie. Como resultado, la intensidad de la senal luminosa 412 es reducida desde la de la senal luminosa 408. Durante este penodo de tiempo, la senal de salida 416 esta a un nivel de tension V1.

Debido a la llegada del primer analito en el instante t(1), el mdice de refraccion del fluido 508 en la region de deteccion 404 cambia a su segundo mdice de refraccion. Como resultado, el resonador 506 de grna de ondas resulta fuera de resonancia y la luz no se acopla ya desde la grna de ondas de bus 504 a la grna de ondas de bucle cerrado 502. Toda la energfa optica de la senal luminosa 408 esta entonces presente en la senal luminosa 412, ya que no hay atenuacion debido a la propagacion en la grna de ondas de bucle cerrado 502. La senal de salida 416, por ello, aumenta desde el nivel de tension V1 al nivel de tension V2.

Cuando el fluido 508 continua fluyendo a traves del canal de flujo 102, el primer analito resulta agotado de la region de deteccion 404 en el instante t(2). En este punto, el mdice de refraccion del fluido 508 vuelve a su primer mdice de refraccion. La energfa optica es de nuevo acoplada desde la grna de ondas de bus 504 a la grna de ondas de bucle cerrado 502, y la senal de salida 416 vuelve al nivel de tension V1.

Con la continuacion del flujo de fluido 508, el segundo analito llega a la region de deteccion 404 en el instante t(3). Como con la llegada del primer analito, el resonador 506 de grna de ondas resulta de nuevo fuera de resonancia y la senal de salida 416 vuelve al nivel de tension V2.

En el instante t(4), el segundo analito resulta agotado de la region de deteccion 404 y la senal de salida 416 vuelve al nivel de tension V1.

Debena observarse que la diferenciacion del primer analito del segundo analito depende de que haya una separacion ffsica entre ambos en el fluido 508. Ya que, como se ha descrito antes, cada analito emigra a una tasa dependiente de sus caractensticas unicas; su separacion ffsica aumentara con una distancia de migracion mayor. El presente invento, por ello, permite un rendimiento analftico mejorado para un sistema CE en virtud de su menor region de deteccion y distancia de separacion, d2, proporcional mas larga.

Debena tambien observarse que el mdice de refraccion del fluido 508 es funcion de la concentracion de analito en el fluido. El presente invento permite una ventaja adicional sobre la tecnica anterior, por tanto, ya que el tamano del elemento sensor puede ser aproximadamente el mismo tamano que el de la carga de solucion de muestra que ha de ser detectada. Como resultado de los tamanos estrechamente coincidentes, cuando una carga de analito alcanza la region de deteccion 404, el cambio en el mdice de refraccion es mas brusco y mas facilmente detectado utilizando realizaciones de acuerdo con el presente invento.

Resultara evidente para los expertos en la tecnica que el presente invento es adecuado para analizar muestras que tienen cualquier numero de analitos.

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En la operacion 308, el procesador 114 deriva una identidad para el primer analito y el segundo analito basado tiempos de migracion, el caudal del fluido 508, y la geometna del canal de flujo 102.

La fig. 5B representa un diagrama esquematico de detalles de otro elemento sensor comparativo. El elemento sensor 510 comprende una gma de ondas de bucle cerrado 502, una gma de ondas de bus 504, y una gma de ondas de bus 512. La gma de ondas de bucle cerrado 502, la gma de ondas de bus 504, y la gma de ondas de bus 512 definen colectivamente el resonador 514 de gma de ondas.

La gma de ondas de bus 512 es analoga a la gma de ondas de bus 504, y esta separada de la gma de ondas de bucle cerrado 502 por el espacio G1.

En funcionamiento, cuando el fluido 508 en la region de deteccion 404 es solucion tampon pura, el resonador 514 de gma de ondas esta en resonancia para la luz que tiene una longitud de onda de 850 nm. Como resultado, la energfa optica se acoplara desde la gma de ondas de bus 512 a la gma de ondas de bus 504 a traves de la gma de ondas de bucle cerrado 502. Mientras el fluido 508 en la region de deteccion 404 esta libre de analito, por tanto, la senal luminosa 412 tendra una intensidad elevada y la senal de salida 416 tendra un nivel de tension alto.

Cuando el fluido 508 en la region de deteccion 404 comprende un analito, sin embargo, el mdice de refraccion del fluido 508 cambiara y el resonador 514 de gma de ondas estara fuera de resonancia para la luz que tenga una longitud de onda de 850 nm. Como resultado, poca o ninguna energfa optica se acoplara desde la gma de ondas de bus 512 a la gma de ondas de bus 504 a traves de la gma de ondas de bucle cerrado 502. Mientras el fluido 508 en la region de deteccion 404 comprende un analito, por tanto, la senal luminosa 412 tendra una baja intensidad y la senal de salida 416 estara a un nivel de tension bajo.

La fig. 5C representa un dibujo esquematico de detalles de otro elemento sensor comparativo. El elemento sensor 516 comprende el resonador 506 de gma de ondas y la gma de ondas 512. El resonador 506 de gma de ondas y la gma de ondas 512 estan dispuestos en una disposicion de interferometro.

En funcionamiento, la senal luminosa 408 es distribuirla en senales luminosas 518 y 520 en gmas de ondas de bus 504 y 512, respectivamente. Cuando el fluido 508 en la region de deteccion 404 es solucion tampon pura, el resonador 506 de gma de ondas esta en resonancia para la luz que tiene una longitud de onda de 850 nm. Como resultado, la senal luminosa 518 se acoplara desde la gma de ondas de bus 504 a la gma de ondas de bucle cerrado 502. Esto provoca un retardo de fase sobre la senal luminosa 522. La senal luminosa 522 y la senal luminosa 520 son combinadas en la senal luminosa 412. Debido al retardo de fase inducido sobre la senal luminosa 522 por el resonador 506 de gma de ondas, sin embargo, las senales luminosas 522 y 520 se interfieren de manera destructiva. Esto reduce la intensidad de la senal luminosa 412. Mientras el fluido 508 en la region de deteccion 404 esta libre de analito, por tanto, la senal luminosa 412 tendra una baja intensidad y la senal de salida 416 estara a un nivel de tension bajo.

Cuando el fluido 508 en la region de deteccion 404 comprende un analito, sin embargo, el mdice de refraccion del fluido 508 cambiara y el resonador 506 de gma de ondas resultara fuera de resonancia para la luz que tiene una longitud de onda de 850 nm. Como resultado, poca o ninguna energfa optica se acoplara desde la gma de ondas de bus 504 a la gma de ondas de bucle cerrado 502 y un pequeno retardo de fase o ninguno es inducido sobre la senal luminosa 522. Las senales luminosas 522 y 520 se combinan de manera constructiva, por tanto, y la senal luminosa 412 tiene una alta intensidad. Mientras el fluido 508 en la region de deteccion 404 comprende un analito, por tanto, la senal luminosa 412 tendra una intensidad alta y la senal de salida 416 tendra un nivel de tension alto.

La fig. 5D representa un diagrama esquematico de detalles de otro elemento sensor comparativo. El elemento sensor 524 comprende una gma de ondas de bucle cerrado 502, una gma de ondas de bus 504, y una gma de ondas de bus 512. La gma de ondas de bucle cerrado 502 y la gma de ondas de bus 504 definen colectivamente el resonador 526 de gma de ondas. El resonador 526 de gma de ondas y la gma de ondas de bus 512 estan dispuestos en una disposicion de interferometro.

El funcionamiento del elemento sensor 524 es analogo al funcionamiento del elemento sensor 516. El retardo de fase inducido sobre la senal luminosa 522 es mejorado, sin embargo, en virtud de una segunda region de acoplamiento evanescente entre la gma de ondas de bucle cerrado 502 y la gma de ondas de bus 504.

La fig. 5E representa un diagrama esquematico de detalles de otro elemento sensor comparativo. El elemento sensor 526 comprende gmas de ondas de bucle cerrado 502-1 y 502-2, una gma de ondas de bus 504, y una gma de ondas de bus 512. La gma de ondas de bucle cerrado 502 y la gma de ondas de bus 504 definen colectivamente el resonador 5061 de gma de ondas. La gma de ondas de bucle cerrado 502-2 y la gma de ondas de bus 512 definen colectivamente el resonador 506-2 de gma de ondas. Cada uno de los resonadores 506-1 y 506-2 es analogo al resonador 506 de gma de ondas. Colectivamente, los resonadores 506-1 y 506-2 de gma de ondas proporcionan una senal diferencial que permite la deteccion de una diferencia en la presencia de analito en las regiones de deteccion 404-1 y 404-2.

El elemento sensor 526 permite la deteccion de la presencia de un analito con separacion espacial y/o temporal. El funcionamiento, cuando una carga de solucion de muestra en el fluido 508 fluye desde el deposito fuente 104 al deposito de destino 106, un analito sera detectado en primer lugar en el resonador 506-1 de gma de ondas. Como con el

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resonador 506 de grna de ondas, la llegada de un analito en la region de deteccion 404-1 da como resultado un cambio en la intensidad de la senal luminosa 412-1. De manera similar, cuando el analito llega a la region de deteccion 404-2, la intensidad de la senal luminosa 412-2 cambia.

En virtud de sus multiples regiones de deteccion, el elemento sensor 526 proporciona:

i. inmunidad mejorada al ruido medioambiental (por ejemplo, cambios de temperatura, etc.); o

ii. inmunidad mejorada al ruido laser; o

iii. una salida de senal diferencial basada en la presencia relativa de analito en las regiones de deteccion 404-1 y 404-2; o

iv. una indicacion del caudal de un analito; o

v. cualquier combinacion de i, ii, iii, iv.

En algunas aplicaciones, por ejemplo aplicaciones qmmicas de laboratorio sobre un chip y de micro-reactor, puede ser ventajoso diferenciar la presencia de analito en dos o mas regiones que estan ffsicamente proximas entre sf. Ademas de permitir tal diferenciacion, el elemento sensor 526 permite la deteccion del caudal, progresion a traves de un sistema de microfluidos, y deteccion de concentracion relativa.

Ademas, en algunas aplicaciones, el ruido de fondo procedente de cambios medioambientales o el ruido parasito asociado con la fuente 406 pueden degradar la relacion de senal a ruido de la salida del elemento sensor. Como cada resonador de grna de ondas incluido en el elemento sensor 526 recibe luz desde la misma fuente y esta sujeto a las mismas condiciones medioambientales, el impacto danino de tal ruido puede ser mitigado.

Aunque el elemento sensor 526 comprende dos resonadores de grna de ondas, resultara evidente para un experto en la tecnica, despues de leer esta memoria, como hacer y utilizar ejemplos alternativos en los que un elemento sensor comprender cualquier numero de resonadores de grna de ondas y regiones de deteccion.

En algunas realizaciones, las senales luminosas 412-1 y 412-2 son combinadas en una senal luminosa 412. En algunas realizaciones, la intensidad de esta senal luminosa combinada 412 depende de la fase relativa de las senales luminosas 412-1 y 412-2.

Un diferencial de tiempo entre la llegada de analito en regiones de deteccion 404-1 y 404-2 puede ser utilizado, por ejemplo, como un indicador de caudal de analito, para vigilar de tasa de reaccion, para senalar la presencia de dos reactivos, y similares.

La fig. 7 representa un diagrama esquematico de detalles de un sensor de acuerdo con una realizacion del presente invento. El sensor 700 comprende un laser 702, un espejo 704 de resonador de grna de ondas, y un detector 414. El laser 702 y el espejo 704 definen colectivamente el laser 712 de cavidad externa.

El laser 702 es un laser semiconductor que emite luz que tiene un ancho espectral que rodea una longitud de onda central de aproximadamente 833 nm. El laser 702 es analogo a la fuente 406, sin embargo la longitud de onda central del laser 702 puede ser sintonizada sobre un rango de sintonizacion de varias decenas de nanometros. Resultara evidente para los expertos en la tecnica como fabricar y utilizar el laser 702. En algunas realizaciones, el laser 702 comprende un VCSEL. Debena observarse que la longitud de onda de emision de 833 nm es simplemente ejemplar. Resultara evidente para un experto en la tecnica que el presente invento es independiente de la longitud de onda y que cualquier laser adecuado puede ser utilizado para el laser 702; por ello, el laser 702 puede emitir luz a cualquier longitud de onda consistente con la tecnologfa laser.

El espejo 704 del resonador de grna de ondas (en lo que sigue denominado como el espejo 704) comprende una grna de ondas de bucle cerrado 502 y grnas de ondas de bus 504 y 512, cada una de las cuales esta separada de la grna de ondas de bucle cerrado por el espacio G1. El espejo 704 esta dimensionado y dispuesto para devolver selectivamente un componente espectral al laser 702, en que la resonancia optica del espejo 704 determina la longitud de onda del componente espectral. Espedficamente, el espejo 704 esta dimensionado y dispuesto para devolver selectivamente un componente espectral que tiene una longitud de onda de 833 nm al laser 702 cuando el fluido 508 en la region de deteccion 404 esta libre de analito.

La fig. 8 representa un metodo para detectar un analito y calcular la concentracion del analito en un fluido de acuerdo con la realizacion de la fig. 7.

El metodo 800 esta descrito aqrn con referencia continuada a las figs. 4 y 7 y referencia adicional a la fig. 9. La fig. 9 representa un grafico de detalles de la respuesta optica de un laser de cavidad externa de acuerdo con la realizacion de la fig. 7.

El metodo 800 comienza con la operacion 801, en la que el laser 702 es excitado electricamente y emite la senal

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luminosa 706 que tiene una longitud de onda central 902 y un ancho espectral 904.

En la operacion 802, el canal de flujo 102 esta lleno con fluido 508, que comprende una solucion tampon pura, tipicamente una solucion salina. El procesador 114 aplica entonces una alta tension entre el deposito fuente 104 y el deposito de destino 106 para inducir un flujo de fluido 508 entre ellos. En algunas realizaciones, el flujo de fluido 508 es inducido por otros medios, tales como presion, accion capilar, o efecto sifon.

En la operacion 803, el espejo 704 recibe la senal luminosa 706.

En la operacion 804, el espejo 704 refleja selectivamente el componente espectral 708-1 de nuevo al laser 702. Cuando el componente espectral 708-1 es acoplado a la cavidad laser del laser 702, la ganancia de la cavidad laser es mejorada para longitudes de onda contenidas en el componente espectral 708-1. Ademas, la emision por el laser 702 de fotones que tienen longitudes de onda no contenidas en el componente espectral 708-1 es suprimida despues de un breve penodo de tiempo. Como resultado, la senal luminosa 710-1 resulta rapidamente una version amplificada del componente espectral 708-1, que coincide con la longitud de onda central 906 y el ancho espectral 908 del componente espectral 708-1.

En la operacion 805, el detector 414 recibe la senal luminosa 710-1 y genera la senal de salida 416.

En la operacion 806, el procesador 114 aplica un impulso de tension entre la entrada de muestras 110 y la salida de muestras 112. Esta tension aplicada induce que una carga de solucion de muestra sea inyectada en el fluido 508 en la region de mezcla 118, donde se mezcla con la solucion tampon. La carga de solucion de muestra es inyectada en el fluido 508 en el instante t(0). La solucion de muestra comprende una mezcla de un primer analito y de un segundo analito.

De manera similar al metodo 300, descrito anteriormente y con respecto a la fig. 3, cuando el fluido 508 fluye desde el deposito fuente 104 al deposito de destino 106, lleva la carga de solucion de muestra a lo largo del canal de flujo 102 durante la distancia d2 (es decir, desde la region de mezcla 118 a la region de deteccion 404). Cuando la carga de solucion de muestra se mueve a lo largo de la distancia d2 se disocia en sus partes constituyentes del primer analito y segundo analito. Cada analito se mueve a lo largo del canal de flujo 102 a una tasa que es funcion de su movilidad electroforetica unica.

En el instante t(1), el primer analito alcanza la region de deteccion 404 y el mdice de refraccion de fluido 508 en la region de deteccion 404 cambia basado en la concentracion de analito en el fluido. Cuando el mdice de refraccion del fluido 508 cambia, lo hace tambien la longitud de onda del componente espectral reflejado por el espejo 704 al laser 702. Como resultado, la longitud de onda central del componente espectral reflejado selectivamente se desplaza desde una longitud de onda de 906 a una longitud de onda de 910, en que la diferencia entre estas longitudes de onda esta basada en la concentracion de analito en la region de deteccion 404. Este desplazamiento en la longitud de onda central del componente espectral reflejado provoca un desplazamiento proporcional en la longitud de onda central de la salida de luz por el laser 712 de cavidad externa (es decir, la senal luminosa 710-1 desplaza a la senal luminosa 710-2).

Cuando la senal luminosa 710-1 desplaza a la senal luminosa 710-2, su pico de emision ya no esta alineado con el pico del espectro de emision del laser 702. Como resultado, la intensidad de la senal luminosa 710-2 es menor que la intensidad de la senal luminosa 710-1. Esta reduccion de intensidad induce una cafda proporcional en el nivel de tension de la senal de salida 416 en el instante t(1).

La operacion 807, el procesador 114 detecta la cafda de tension en la senal de salida 416 en el instante t(1).

En la operacion 808, el procesador 114 sintoniza el laser 702 para maximizar la intensidad de la senal luminosa 710-2, y por tanto maximiza la senal de salida 416. En algunas realizaciones, el procesador sintoniza el laser 702 controlando la corriente con la que el laser es excitado. En algunas realizaciones, el procesador 114 controla un filtro sintonizable sobre la salida del laser 702.

En la operacion 809, el procesador 114 deriva una identidad para el primer analito basado en la diferencia entre t(1) y t(0). Ademas, el procesador 114 deriva un nivel de concentracion para el primer analito basado en la cantidad de sincronizacion de longitud de onda requerida para maximizar la intensidad de la senal luminosa 710-2.

Cuando el primer analito se disipa de la region de deteccion 404, la senal luminosa 710-2 desplaza de nuevo a la senal luminosa 710-1.

Las operaciones 807 a 809 son repetidas para cada analito contenido en la muestra inyectada al fluido 508 en el instante t(0).

Ha de comprenderse que la descripcion muestra solo un ejemplo de la realizacion ilustrativa y que pueden ser consideradas muchas variaciones del invento por los expertos en la tecnica despues de leer esta descripcion y que el marco del presente invento ha de ser determinado por las siguientes reivindicaciones.

Claims (9)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   50

   REIVINDICACIONES

   1. Un metodo que comprende:

   proporcionar un conducto de fluido (102) para transportar un fluido desde una primera region (118) a una segunda region (404), estando la segunda region opticamente acoplada con un primer espejo (704) del resonador de gma de ondas que comprende una o dos gmas de onda lineales (504, 512) acopladas de manera evanescente a un resonador de disco o a un resonador de anillo (502), de tal modo que el primer espejo (704) resonante de gma de ondas refleje un primer componente espectral (708-1) de nuevo a un laser (202) cuando el fluido en la segunda region (404) esta libre de analito y refleje un segundo componente espectral (708-2) de nuevo al laser (702) cuando el fluido en la segunda region (404) comprende un analito, y cuya resonancia optica esta basada en el mdice de refraccion del fluido en la segunda region (404), y en el que el primer espejo (704) del resonador de gma de ondas y el laser (702) definen colectivamente un laser de cavidad externa (712) que proporciona una primera senal luminosa (710) cuya longitud de onda central (902, 906) esta basada en la resonancia optica del primer espejo (704) del resonador de gma de ondas;

   inducir un flujo de un fluido desde la primera region (118) a la segunda region (404);

   introducir una muestra que comprende un analito en el fluido, en que la muestra es introducida en el conducto de fluido (102) en la primera region (118) y en un primer instante, t(0), y en el que el fluido tiene un primer mdice de refraccion cuando esta libre de analito y un segundo mdice de refraccion cuando comprende el analito;

   detectar la presencia de un analito en la solucion tampon en la segunda region (404) con un detector (414) que proporciona una senal electrica (416) cuya magnitud esta basada en la intensidad de la primera senal luminosa (710), y

   calcular un diferencial de tiempo entre el primer instante t(0), en el que el analito esta presente en la primera region (118), y un segundo instante, t(1), en el que ocurre un cambio desde una primera magnitud de la senal electrica (416).
2. 2. El metodo de la reivindicacion 1 que comprende proporcionar al primer espejo (704) del resonador de gma de ondas de tal modo que sea opticamente resonante en una primera longitud de onda (906) cuando el fluido en la segunda region (404) esta libre de analito y opticamente resonante en una segunda longitud de onda (910) cuando el fluido en la segunda region (404) comprende un analito, comprendiendo el metodo ademas las operaciones de:

   detectar un cambio en la intensidad de la primera senal luminosa (710) desde una primera intensidad a una segunda intensidad;

   cambiar la longitud de onda del laser (702) por una sintonizacion de longitud de onda, en la que la magnitud de sintonizacion de longitud de onda requerida para maximizar la intensidad de la primera senal luminosa (710) esta basada en un nivel de concentracion del primer analito; y

   calcular un valor para la concentracion del analito en el fluido en la segunda region (404) basado en la sintonizacion de longitud de onda.
3. 3. El metodo de la reivindicacion 1, que comprende ademas proporcionar el primer espejo (704) del resonador de gma de

   ondas de tal modo que sea opticamente resonante en una primera longitud de onda cuando el fluido en la segunda

   region (404) esta libre de analito y opticamente resonante en una segunda longitud de onda cuando el fluido en la

   segunda region (404) comprende un analito, en el que el diferencial de tiempo entre t(0) y el segundo instante t(1) esta basado en un cambio en la intensidad de la primera senal luminosa (710).
4. 4. El metodo de la reivindicacion 1 que comprende ademas proporcionar el primer espejo (704) del resonador de gma de

   ondas de tal modo que sea opticamente resonante en una primera longitud de onda cuando el fluido en la segunda

   region (404) esta libre de analito y opticamente resonante en una segunda longitud de onda cuando el fluido en la

   segunda region (404) comprende un analito, en el que el diferencial de tiempo entre t(0) y un segundo instante, t(1) esta basado en un cambio en la longitud de onda central de la primera senal luminosa.
5. 5. El metodo de la reivindicacion 1 que comprende ademas determinar la intensidad del analito basado en (1) el diferencial de tiempo y (2) la separacion entre la segunda region (404) y la primera region (118).
6. 6. Un aparato que comprende:

   un conducto de fluido (102) que comprende una primera region (118) y una segunda version (404), estando el conducto de fluido dimensionado y dispuesto para transportar un fluido que tiene un primer mdice de refraccion cuando esta libre de analito y un segundo mdice de refraccion cuando comprende un analito;

   un medio de induccion de flujo (+/- V) para inducir flujo del fluido desde la primera region (118) a la segunda region (404);

   un laser (712) de cavidad externa que comprende un laser (702) y un primer espejo (704) del resonador de gma de ondas que comprende una o dos gmas de onda lineales (504, 512) acopladas de manera evanescente a un resonador de disco o a un resonador de anillo (502), de tal modo que el primer espejo (704) resonante de gma de ondas refleje un

   13

   primer componente espectral (708-1) de nuevo a un laser (702) cuando el fluido en la segunda region (404) esta libre de analito y refleje un segundo componente espectral (708-2) de nuevo al laser (702) cuando el fluido en la segunda region (404) comprende un analito, y cuya resonancia optica esta basada en el mdice de refraccion del fluido en la segunda region (404), y en el que el laser (712) de cavidad proporciona una primera senal luminosa (710) cuya longitud de onda 5 central (906) esta basada en la resonancia optica del primer espejo (704) del resonador de grna de ondas;

   un detector (414) para detectar la presencia de un analito en la solucion tampon en la segunda region (404) proporcionando el detector una senal electrica (416) cuya magnitud esta basada en la intensidad de la primera senal luminosa (710); y

   un procesador logico (114) de proposito general que esta dimensionado y dispuesto para calcular un diferencial de 10 tiempo entre un primer instante t(0), en el que el analito esta presente en la primera region (118), y un segundo instante, t(1), en el que ocurre un cambio desde una primera magnitud de la senal electrica (416) ocurre.
7. 7. El aparato de la reivindicacion 6 en el que el laser (702) es un laser semiconductor.
8. 8. El aparato de la reivindicacion 7 en el que el procesador (114) esta ademas dimensionado y dispuesto para cambiar la longitud de onda del laser (702) por una sintonizacion de longitud de onda para maximizar la intensidad de la primera

   15 senal luminosa (710) y calcular un valor para la concentracion del analito en el fluido en la segunda region (404) basado en la sincronizacion de longitud de onda.
9. 9. El aparato de la reivindicacion 8 que comprende ademas un medio de inyeccion de muestra (+/- V(t)) para inyectar una muestra que contiene el analito en el fluido en la primera region (118).