ES2939310T3 - Biosensores basados en sondeo y detección ópticos - Google Patents

Abstract

Chip biosensor y técnica para la detección óptica de sustancias utilizando dicho chip biosensor. El chip biosensor comprende un sustrato (206), una pluralidad de sensores ópticos formados en diferentes ubicaciones en el chip (206), una pluralidad de acopladores ópticos de entrada (306), cada uno para recibir la sonda de luz entrante (305) en un ángulo que es no normal al sustrato (206) y para dirigir el haz entrante hacia un sensor óptico respectivo a través de una guía de luz, una pluralidad de acopladores ópticos de salida (308), cada acoplador óptico de salida (308) para dirigir la luz de sonda saliente (307) desde un sensor óptico respectivo a través de una guía de luz fuera del chip, y cada acoplador óptico de salida (308) está configurado para emitir la luz de sonda saliente (307) en un ángulo que es diferente de la dirección de la reflexión especular (304) del luz de sonda entrante. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Biosensores basados en sondeo y detección ópticos

Reivindicación de prioridad y solicitud de patente relacionada

Este documento de patente reivindica los beneficios y la prioridad de la Solicitud Provisional de EE. UU. N° 61/108,862 titulada "Biosensores basados en sondeo y detección ópticos" y presentada el 27 de octubre de 2008.

Antecedentes

Este documento se refiere a la detección óptica de sustancias, incluidas sustancias biológicas y químicas.

Las propiedades ópticas de ciertos elementos ópticos, tales como resonadores ópticos y guías de ondas, pueden usarse para detectar sustancias unidas a dichos elementos ópticos. La luz de la sonda se dirige a las zonas donde las sustancias que se van a medir están presentes en o cerca de los elementos ópticos y se realizan mediciones ópticas en dichos elementos ópticos para detectar las sustancias. Se describen ejemplos de chips biosensores en el documento US5071248A, P.Bienstman et al. "Silicon nanophotonics using deep-UV photolithography", SPIE, PO BOX 10 BELLINGHAM WA, 98227 -0010 EE. UU., Vol. 6351, 2006, US2004/023396A1, FR2784189A1 y US2008/038738A1.

Compendio

Este documento describe aparatos, chips sensores y técnicas para la detección óptica de sustancias mediante el uso de sensores ópticos en chips sensores. Un chip biosensor según la invención se define en la reivindicación 1.

En un aspecto, un dispositivo de detección basado en sondeo y detección ópticos incluye un láser sintonizable que produce un haz láser de luz de la sonda y funciona para sintonizar una longitud de onda de la luz de sonda en diferentes longitudes de onda y una plataforma de chip que contiene uno o más chips sensores bajo medición. Cada chip sensor incluye un sustrato, una pluralidad de sensores ópticos formados sobre el sustrato, un acoplador óptico de entrada formado sobre el sustrato para recibir y dirigir la luz de la sonda a un sensor óptico respectivo, y un acoplador óptico de salida formado sobre el sustrato para acoplar la luz del sensor óptico respectivo fuera del sustrato como luz de sonda devuelta. Se proporciona un sistema óptico para proyectar y hacer un barrido de la luz de la sonda sobre la plataforma del chip para interrogar ópticamente los sensores ópticos sobre un chip sensor. El sistema óptico incluye una lente de objetivo orientada en relación con la plataforma del chip en un ángulo para generar un reflejo especular de la luz de la sonda desde el chip del sensor fuera de una apertura óptica de la lente de objetivo y recibir la luz de la sonda devuelta desde el chip del sensor en una dirección diferente del reflejo especular de la luz de la sonda del chip del sensor. Este dispositivo incluye un detector óptico en comunicación con el sistema óptico para recibir una parte de la luz de la sonda devuelta y detectar las respuestas de cada sensor óptico en un chip sensor en diferentes longitudes de onda del láser sintonizable.

En otro aspecto, se proporciona un chip de detección para sondeo y detección ópticos que incluye un sustrato; sensores ópticos formados en diferentes lugares sobre el sustrato, y guías de ondas ópticas formadas sobre el sustrato y acopladas ópticamente a los sensores ópticos, respectivamente. Cada guía de ondas óptica acopla luz en un sensor óptico respectivo y para acoplar luz fuera del sensor óptico respectivo. Este chip incluye acopladores ópticos de entrada formados sobre el sustrato y acoplados a las guías de ondas ópticas, respectivamente, y cada acoplador óptico de entrada recibe luz de la sonda que incide sobre el sustrato desde el aire y dirige la luz de la sonda recibida a una guía de ondas óptica respectiva acoplada a un sensor óptico respectivo. Los acopladores ópticos de salida están formados sobre el sustrato y acoplados a las guías de ondas ópticas, respectivamente. Cada acoplador óptico de salida acopla la luz guiada por una guía de ondas óptica respectiva desde un sensor óptico respectivo en una luz de sonda devuelta dirigida al aire. Este chip incluye marcadores de identificación óptica formados sobre el sustrato en ubicaciones adyacentes a los acopladores ópticos, respectivamente, de modo que cada marcador de identificación óptico esté asociado de forma única con un sensor óptico respectivo. Cada marcador de identificación óptico está estructurado para tener un código único para identificar el sensor óptico respectivo e interaccionar ópticamente con la luz de la sonda para producir una luz de identificación devuelta que lleva el código.

En otro aspecto, se proporciona un dispositivo de detección basado en sondeo y detección ópticos que incluye un láser sintonizable que produce un haz láser de luz de la sonda y funciona para sintonizar una longitud de onda de la luz de sonda en diferentes longitudes de onda y una plataforma de chip que contiene uno o más chips sensores bajo medición. Cada chip sensor comprende un sustrato, sensores ópticos formados en diferentes ubicaciones sobre el sustrato que reciben la luz de la sonda y producen la luz de la sonda devuelta, y marcadores ópticos de identificación formados sobre el sustrato en ubicaciones que asocian de manera única cada marcador óptico de identificación con un sensor óptico respectivo y está estructurado para tener un código único para identificar el sensor óptico respectivo e interaccionar ópticamente con la luz de la sonda para producir una luz de identificación devuelta que lleva el código. Un sistema óptico en este dispositivo proyecta y hace un barrido de la luz de la sonda sobre la plataforma del chip para interrogar ópticamente a los sensores ópticos en un chip sensor y recibe la luz de la sonda devuelta desde el chip sensor. El sistema óptico incluye un divisor de haz que divide la luz de la sonda devuelta en una primera parte y una segunda parte. Este dispositivo incluye un primer detector óptico en comunicación con el sistema óptico para recibir la primera parte de la luz de la sonda devuelta y detectar las respuestas de cada sensor óptico en un chip sensor en diferentes longitudes de onda del láser sintonizable; y un segundo detector óptico en comunicación con el sistema óptico para recibir la segunda parte de la luz de la sonda devuelta y detectar al menos los códigos de identificación de diferentes marcadores ópticos de identificación.

En otro aspecto, se proporciona un método para la detección óptica que incluye dirigir la luz de la sonda desde un láser sintonizable a través del espacio libre hacia un chip sensor. Este chip sensor incluye un sustrato, sensores ópticos formados en diferentes ubicaciones sobre el sustrato, un acoplador óptico de entrada formado sobre el sustrato para recibir y dirigir la luz de la sonda a un sensor óptico respectivo, y un acoplador óptico de salida formado sobre el sustrato para acoplar la luz del sensor óptico respectivo fuera del sustrato como luz de sonda devuelta en una dirección diferente de la reflexión especular de la luz de la sonda producida por el chip sensor. En este método, la luz de la sonda devuelta del chip del sensor es recogida a la vez que se rechaza el reflejo especular de la luz de la sonda del chip sensor, la luz de la sonda hace un barrido espacialmente para dirigirse ópticamente a diferentes sensores ópticos en el chip sensor, un sensor óptico a la vez para obtener respuestas de cada sensor óptico mientras se sintoniza el láser sintonizable a diferentes longitudes de onda del láser sintonizable, y las respuestas de cada sensor óptico en las diferentes longitudes de onda del láser sintonizable son procesadas para medir una o más sustancias unidas al sensor óptico.

En otro aspecto, un dispositivo de detección basado en sondeo y detección ópticos incluye un chip que comprende un sustrato, microestructuras formadas sobre el sustrato y acopladores ópticos de entrada formados respectivamente sobre el sustrato para recibir luz de la sonda y para dirigir la luz de la sonda recibida a las microestructuras, respectivamente; un láser sintonizable situado fuera del chip para producir un haz de luz de la sonda y operable para sintonizar una longitud de onda de la luz de la sonda; y un módulo de acoplamiento óptico ubicado en un camino óptico de la luz de la sonda entre el láser sintonizable y el chip para dirigir la luz de la sonda desde el láser sintonizable al chip.

En otro aspecto, se proporciona un dispositivo de detección basado en sondeo y detección ópticos para incluir un láser sintonizable que produce un rayo láser de luz de la sonda y opera para sintonizar una longitud de onda de la luz de la sonda en diferentes longitudes de onda y una plataforma de chip que contiene uno o más chips sensores bajo medición. Cada chip sensor incluye un sustrato, sensores ópticos formados en diferentes ubicaciones sobre el sustrato que reciben luz de la sonda y producen luz de sonda devuelta. Se incluye un sistema óptico en el dispositivo para proyectar la luz de la sonda sobre la plataforma del chip para interrogar ópticamente a los sensores ópticos sobre un chip sensor. El sistema óptico incluye uno o más espejos de barrido que hacen el barrido de la luz de la sonda sobre el chip sensor para dirigir la luz de la sonda a los sensores ópticos, un sensor óptico a la vez y diferentes sensores ópticos en diferentes momentos durante el barrido, y una lente de objetivo que recibe la luz de la sonda de barrido del uno o más espejos de barrido y dirige la luz de la sonda de barrido al chip sensor. El dispositivo incluye un detector óptico en comunicación con el sistema óptico para recibir una parte de la luz de la sonda devuelta y detectar las respuestas de cada sensor óptico en un chip sensor en diferentes longitudes de onda del láser sintonizable.

En otro aspecto, se proporciona un sistema de barrido de longitudes de onda óptica para determinar la frecuencia de resonancia y/o la forma de línea de una cavidad óptica que comprende una fuente de longitud de onda sintonizable que se envía parcialmente a un sistema de referencia de longitud de onda que comprende una celda de gas o etalon y parcialmente a la cavidad resonante, siendo dirigida la salida óptica de cada camino a uno de un par de fotorreceptores sincronizados en el tiempo.

En otro aspecto, se proporciona un sistema óptico para interrogar un chip biosensor donde la señal de entrada y la señal de retorno se transmiten a través de una parte del camino óptico total en direcciones opuestas y donde la señal de entrada y la señal de retorno están ambas en un ángulo con respecto a la normal del chip sensor, y donde la señal de reflexión especular que sale del chip sensor queda fuera de la apertura numérica del sistema óptico.

En otro aspecto, se proporciona un sistema óptico para interrogar un chip biosensor donde la señal de entrada y la señal de retorno se transmiten a través de una parte del camino óptico total en direcciones opuestas y donde se utiliza un filtro espacial, tal como un agujero de alfiler, para bloquear toda la luz, excepto la señal de retorno, para que no caiga en el fotorreceptor.

En otro aspecto, se proporciona un sistema óptico para el barrido de un chip biosensor que comprende un espejo de direccionamiento situado a la distancia focal frontal de una lente de objetivo de modo que el rayo principal del haz de salida se mantendrá constante cuando la ubicación del haz de salida se mueve cambiando el ángulo del espejo de direccionamiento.

En otro aspecto, un sistema está diseñado de tal manera que un solo espejo colocado en el sistema óptico sintonizará principalmente el rayo principal del haz de salida mientras que se usa un segundo espejo para controlar la ubicación del haz.

En otro aspecto, se proporciona una técnica para utilizar la salida derivada del camino recíproco recíproca del sistema óptico para generar una medida variable en el tiempo de la intensidad óptica que se puede correlacionar con la posición del haz para formar una imagen de retrorreflectividad en el superficie del chip biosensor.

En otro aspecto, se proporciona un medio para calcular el cambio relativo en la posición del pico de resonancia del sensor durante barridos sucesivos con la ayuda de una referencia de longitud de onda tal como una fibra óptica, etalon de Fabry-Perot, que se usa para corregir variaciones de velocidad del láser con un barrido de longitudes de onda y entre barridos.

En otro aspecto, se proporciona un método para capturar más de una posición de pico de resonancia en el espectro del sensor que se promedian juntos para reducir el ruido presente en la medición de picos individuales.

En otro aspecto, se forma un resonador de anillo a partir de guías de ondas de silicio y el cual se ha formado en la superficie de una capa delgada de dióxido de silicio donde la capa de dióxido de silicio es delgada en comparación con el campo evanescente de la guía de ondas de silicio, y donde una capa de moléculas de unión a silano se une covalentemente a la capa de dióxido de silicio.

En otro aspecto, dos o más anillos se exponen a un fluido de prueba donde al menos uno está revestido con un material de grosor sustancialmente mayor que la longitud del campo evanescente, y donde al menos uno está expuesto al fluido de prueba y donde el cambio relativo entre estas dos clases de anillos se usa como la señal de salida del sistema.

En otro aspecto, se proporciona un chip biosensor para incluir acopladores de rejilla y sensores ópticos donde los acopladores de rejilla están desplazados de los sensores ópticos en una cierta distancia y donde los acopladores de rejilla están dispuestos para ser ópticamente visibles desde un sistema de barrido mientras que los sensores ópticos están insertados en un canal de flujo que esta desplazado lateralmente y que no necesita ser ópticamente accesible.

En otro aspecto, se pone un patrón identificable de forma única cerca de un acoplador de rejilla de modo que cada anillo pueda ser identificado de forma única mediante la decodificación del patrón adyacente.

En otro aspecto, se proporciona un medio para canalizar una guía de ondas ópticas por debajo de un canal de flujo colocando un material de revestimiento superior sobre la guía de ondas en la región del canal de flujo.

En otro aspecto, se proporciona un medio para localizar manchas biológicas de un resonador de anillo óptico colocando una película hidrofóbica en las zonas que rodean el resonador de anillo, y recubriendo la superficie del anillo con un material hidrofílico, tal como dióxido de silicio, proporcionando así una zona donde quedará atrapada una gota acuosa.

En otro aspecto, se proporciona una transición entre una guía de ondas revestida y una guía de ondas sin revestimiento donde la guía de ondas sin revestimiento está recubierta con agua y donde el revestimiento está construido de CYTOP.

En otro aspecto, se coloca un revestimiento en una guía de ondas óptica que simultáneamente tiene un índice de refracción coincidente con el agua y es resistente a la actividad química con componentes en el agua y donde existe una transición entre una parte revestida de la guía de ondas y una parte sin revestimiento donde la parte sin revestimiento está recubierta con una solución acuosa y contiene una superficie química reactiva con los componentes en la solución acuosa.

En otro aspecto, se proporciona una plataforma de biosensor para incluir un chip que comprende una pluralidad de resonadores de anillo distribuidos por una pluralidad de canales de flujo donde dichos anillos son abordados secuencialmente usando espejos de direccionamiento y se interrogan con un láser sintonizable y un sistema de referencia de longitud de onda externo donde el sistema de referencia se utiliza para determinar el cambio de frecuencia relativo de cada sensor y el anillo de control a intervalos periódicos.

En otro aspecto, se proporciona un método para enfocar sobre una fracción de una superficie muy inclinada (una superficie donde la señal simplemente reflejada no volverá al sistema óptico) por barrido de trama de un haz láser sobre el campo de visión y reconstrucción de una imagen de estructuras retrorreflectantes que comprenden bucles acopladores de rejilla o rejillas de rejilla retrorreflectante, y repetición de esto a una variedad de distancias focales hasta que se maximiza la señal retrorreflectante.

En otro aspecto, se proporciona un método para identificar un bucle acoplador de rejilla en particular colocando una rejilla retrorreflectante cerca de los acopladores de rejilla, y donde se puede usar un patrón distintivo de la rejilla retrorreflectante para identificar de forma única un acoplador de rejilla particular desde dentro de una matriz de acopladores de rejilla.

En otro aspecto, se proporciona un método para mantener la alineación de una matriz de posiciones de puntos ópticos mantenidas por un sistema de barrido de trama con una matriz de acopladores de rejilla desplazando intencionadamente la ubicación del punto en un patrón predeterminado en cada visita subsiguiente a un acoplador de rejilla en particular, y usando las fluctuaciones de energía observadas entre el patrón creado por cada visita subsiguiente para calcular la dirección de desalineación, que se usará para volver a determinar la ubicación de ese punto individual.

En otro aspecto más, se proporciona un método para sintonizar el rayo principal del sistema de barrido variando la configuración de un espejo, diseñado para afectar principalmente al rayo principal y completando el barrido mediante un segundo espejo, diseñado para afectar principalmente a la ubicación del punto, y realizar esta actividad iterativamente hasta que se optimice la eficiencia óptica del acoplamiento del biosensor.

Estos y otros aspectos, y sus implementaciones se describen en detalle en los dibujos, la descripción y las reivindicaciones.

Breve descripción de los dibujos

La FIG. 1 muestra una implementación de ejemplo de un aparato biosensor basado en sondeo y detección ópticos.

Las FIGS. 2 y 3 ilustran operaciones del aparato en la FIG. 1.

Las FIGS. 4, 5, 6, 7a y 7b muestran características de ejemplo en un chip biosensor de la FIG. 1.

La FIG. 8 ilustra una operación de enfoque del aparato de la FIG. 1.

La FIG. 9 muestra un procedimiento de ejemplo para enfocar un haz de sonda sobre un chip biosensor en el aparato de la FIG. 1.

La FIG. 10 muestra un procedimiento de ejemplo para registrar biosensores en chip en un chip biosensor en el aparato de la FIG. 1.

Las FIGS. 11, 12 y 13 ilustran operaciones de marcadores de identificación en chip para identificar diferentes biosensores en un chip biosensor en el aparato de la FIG. 1.

La FIG. 14 muestra un procedimiento de ejemplo para ajustar el registro de biosensores en un chip biosensor en el aparato de la FIG. 1.

Descripción detallada

Los aparatos, chips sensores y técnicas para la detección óptica de sustancias usando sensores ópticos en chips sensores descritos en este documento, usan espacio libre para dirigir la luz de la sonda sobre un chip sensor y recibir la luz de la sonda devuelta desde el chip sensor a través del espacio libre para su posterior detección y procesamiento. Los ejemplos de aparatos de detección descritos aquí pueden usarse para identificar e interrogar espectralmente biosensores ópticos de cavidad resonante fabricados en un sustrato o chip, p. ej., un chip de silicio. En una implementación del aparato, la luz de un láser sintonizable de ancho de línea estrecho se envía a través de un sistema de fibra óptica a un sistema óptico de espacio libre que da forma, guía y enfoca el haz sobre el chip biosensor. El aparato se puede estructurar para realizar una alineación de modo rápido y eficiente entre el haz del espacio libre y los acopladores de entrada ópticos y de salida ópticos en el chip, p. ej., acopladores de rejilla, que a su vez acoplan la luz dentro y fuera de las guías de ondas ópticas en el chip biosensor. Si bien los acopladores de rejilla se describen como las implementaciones de ejemplo de acopladores ópticos en los ejemplos de este documento, también se pueden usar otros mecanismos de acoplamiento óptico, incluidos el acoplamiento de borde, acoplamiento cónico o acoplamiento de prisma, para el acoplamiento óptico de entrada y salida en un chip sensor. La luz se canaliza a los biosensores ópticos en chip a través de estas guías de ondas. Cada biosensor en chip reacciona o responde a cambios en las propiedades ópticas ambientales debido a la presencia de biomoléculas relevantes. La respuesta del sensor se obtiene interrogando con un barrido de longitudes de onda del láser sintonizable que barre o sintoniza la longitud de onda del láser a través de diferentes longitudes de onda con un intervalo espectral y capturando la luz después de propagarse a través del sensor. Tenga en cuenta que en el caso de los sensores de resonador de anillo, cuando la luz está fuera de resonancia, la luz en primer lugar se acopla débilmente al sensor y pasa fuertemente a través del sensor cuando la luz está en resonancia.

El sistema óptico de espacio libre se puede implementar para incluir caminos de luz hacia adelante y hacia atrás de copropagación. El camino hacia adelante propaga el haz a través de múltiples componentes ópticos que dan forma y enfocan el haz sobre el chip por medio de acopladores ópticos de entrada en el chip. Luego se opera el láser para realizar un barrido de longitudes de onda para medir la respuesta de frecuencia del biosensor. El ancho del barrido de longitudes de onda abarcará al menos una frecuencia resonante. Otras opciones son abarcar al menos un intervalo espectral libre del sensor o abarcar un mayor número de resonancias. La presencia de biomoléculas en un biosensor en el chip hace que una respuesta óptica del biosensor cambie en comparación con la respuesta óptica del biosensor en ausencia de biomoléculas en respuesta al barrido espectral basado en las propiedades físicas y la composición química de las moléculas depositadas. Esta respuesta se presenta como un cambio en la intensidad de la luz que pasa a través del sensor en función de la longitud de onda y capturada en un fotodetector al final del camino óptico inverso. La luz se canaliza hacia y desde el sensor a través de guías de ondas ópticas que terminan en acopladores de rejilla de entrada y salida situados en cada extremo. Los acopladores de rejilla transforman un modo de propagación planar en un haz óptico de espacio libre y viceversa.

El sistema de fibra óptica comprende fibras ópticas monomodo o de mantenimiento de polarización (PM), divisores de fibra óptica, un sistema de referencia de longitud de onda así como un sistema de imagen retro utilizado para localizar biosensores en el chip.

Para identificar las ubicaciones de los sensores en el chip, el haz óptico que emerge del camino de avance del instrumento se configura para el barrido de trama de la superficie del chip para medir un mapa espacial o una imagen de las respuestas ópticas del chip en diferentes ubicaciones en el chip. Este mapa o imagen del chip se forma capturando las reflexiones de la superficie en un fotodetector. Con el conocimiento de las ubicaciones de los acopladores, se interrogan múltiples sensores a altas velocidades regresando sucesivamente a estas ubicaciones.

La FIG. 1 muestra una implementación de ejemplo de un aparato biosensor basado en sondeo y detección ópticos. Este aparato incluye un interrogador óptico (100, 200) y una plataforma de chips (215) para contener uno o más chips biosensores (206) bajo medición. El interrogador óptico incluye un sistema de fibra óptica (100) y un sistema óptico de espacio libre (200) que dirigen colectivamente la luz de la sonda a un chip biosensor (206) y recogen y miden la luz de sonda devuelta desde el chip biosensor (206). La posición relativa entre la plataforma del chip y el interrogador óptico puede controlarse y ajustarse utilizando un sistema de posicionamiento, p. ej., una platina de posicionamiento mecánico que tenga uno o más actuadores de movimiento.

El sistema de fibra óptica (100) es una implementación de un subsistema óptico que proporciona un láser de longitud de onda sintonizable (101) para generar la luz de sonda que se enviará al chip biosensor (206) para interrogar ópticamente los biosensores en el chip, una referencia de longitud de onda que calibra y mide valores de longitudes de onda de la luz de la sonda cuando se hace el barrido de longitud de onda del láser (101), y un registro espacial de marcadores de identificación óptica en el chip para proporcionar una referencia de posición en el chip. Este subsistema óptico (100) también puede implementarse utilizando componentes ópticos discretos o una combinación de componentes ópticos discretos y fibra óptica. Por ejemplo, un etalon de fibra se puede reemplazar por un etalon de espacio libre. Para otro ejemplo, se pueden usar un láser de espacio libre y divisores de espacio libre para eliminar los componentes de fibra correspondientes.

En el ejemplo específico que se muestra en la FIG. 1, el sistema de fibra óptica (100) utiliza un divisor de haz de fibra óptica de 2*2 (102) para dirigir la luz de la sonda para interrogar ópticamente el chip biosensor (206) y para proporcionar la referencia de longitud de onda, y para dirigir la luz de sonda devuelta desde el chip biosensor (206) para el registro espacial de los marcadores de identificación en el chip. El divisor de haz de fibra óptica 2x2 (102) incluye cuatro puertos divisores de puerto 1 (102A), puerto 2 (102B), puerto 3 (102C) y puerto 4 (102D) para dirigir la luz a través de fibras. La luz desde el láser sintonizable (101) al divisor de haz (102) se envía a través del puerto divisor 1 (102A) que posteriormente se divide en dos caminos: un primer camino a través del puerto 2 (102B) a un colimador de fibra 106 que alimenta un colimador (201) del sistema óptico de espacio libre (200) y un segundo camino a través del puerto 4 (102D) a un sistema de referencia de longitud de onda (103) y un detector óptico de referencia de longitud de onda (105). El puerto 2 (102B), además de dirigir la luz de la sonda al sistema óptico de espacio libre (200) y al chip biosensor (206), también se usa para recoger la luz de la sonda devuelta desde el chip biosensor (206) a través del sistema óptico libre (200). La luz de la sonda devuelta recogida se canaliza al puerto 3 (102C) y es recibida por un fotodetector (104) para producir una imagen del chip biosensor (206) que incluye imágenes de los marcadores de identificación en el chip.

En el sistema óptico de espacio libre (200), el haz colimado de luz de sonda del colimador 106 del sistema de fibra óptica (100) es recibido por un colimador de espacio libre 201 y se propaga a través de un divisor de haz de espacio libre (202) para impactar en un primer espejo de barrido Tip-Tilt (alabeo-inclinación) motorizado (203). El espejo de barrido (203) refleja el haz colimado a un segundo espejo de barrido Tip-Tilt (204) para llegar a una lente de objetivo (205), que hace converger el haz en su plano focal donde se encuentra el chip biosensor (206). En la implementación, cada uno de los dos espejos de barrido (203, 204) puede ser controlado por al menos un actuador para inclinar el espejo para que gire alrededor de dos ejes ortogonales X e Y bajo dos voltajes de control. Los voltajes de control en los dos espejos de barrido (203, 204) se pueden calibrar para representar las posiciones de los haces y ángulos de los rayos principales en la superficie del chip biosensor (206).

Como se ilustra, la lente objetivo (205), los espejos de barrido (204, 203) y el divisor de haz (202) también recogen la luz devuelta del chip biosensor (206). El divisor de haz (202) divide la luz devuelta recogida del chip biosensor (206) en una primera señal óptica recogida que es dirigida de regreso al fotodetector (104) del sistema de fibra óptica (100) para producir una imagen sin procesar del chip biosensor (206), y una segunda señal óptica recogida como señal óptica del sensor que es dirigida a un módulo de detección óptica que tiene un detector óptico (211) en el sistema óptico libre (200) que recibe y detecta la señal óptica del sensor para medir biomoléculas presentes en los biosensores en el chip biosensor (206).

La FIG. 2 muestra una parte del chip biosensor (206) y la lente de objetivo (205) del sistema óptico libre (200) para ilustrar el acoplamiento de la luz de la sonda en el chip biosensor (206) y recogida de luz del chip biosensor (206). El chip biosensor (206) tiene una o más estructuras de acoplamiento de entrada óptica (306) que acoplan la luz de sonda de la lente objetivo (205) en el chip biosensor (206) y una o más estructuras de acoplamiento de salida (308) que acoplan la luz fuera del chip biosensor (206). Un acoplador óptico de entrada (306) convierte la luz de la sonda del haz de espacio libre en una onda guiada a través de una guía de ondas óptica en el chip (307) que canaliza la luz de la sonda a uno o más biosensores en el chip. Un acoplador óptico de salida (308) realiza una transformación recíproca de la luz convirtiendo la luz en una guía de ondas en el chip (307) en un haz de espacio libre (309) que está en una dirección diferente a la dirección del reflejo especular del haz de entrada fuera del acoplador de entrada. Por ejemplo, cada estructura de acoplamiento óptico de salida (308) se puede configurar para hacer que la luz salga del chip en un ángulo que coincida con el ángulo de incidencia del camino de avance. Con esta configuración, la luz que emerge del chip sigue un camino recíproco que llega al divisor de haz de espacio libre.

El diseño anterior de acoplamiento de la luz del chip en una dirección diferente de la reflexión especular de la luz de entrada permite la separación de la reflexión especular de la luz de entrada en la superficie del chip y la luz de salida producida por la una o más estructuras de acoplamiento óptico de salida (308) para evitar que la reflexión especular entre en el detector óptico (211) en el sistema óptico libre (200) que recibe y detecta la señal óptica del sensor para medir biomoléculas. Para lograr esto, el chip (206) y el sistema óptico de espacio libre (200) están montados en ángulo entre sí, de modo que la mayoría de la luz especular reflejada cae fuera de la apertura de recogida de la lente de objetivo (205). En la Fig. 2, la lente de objetivo (205) está montada en un ángulo (302) desde la superficie normal (303) del chip (206). La lente de objetivo (205) está posicionada para recibir la luz de salida de una estructura de acoplamiento de salida (308) mientras que se muestra que la reflexión especular (304) del chip (206) escapa de la apertura numérica de la lente de objetivo (205). Las estructuras de acoplamiento (306, 308) pueden implementarse en varias configuraciones. En los ejemplos que se describen a continuación, se utilizan acopladores de rejilla para implementar las estructuras de acoplamiento de entrada y salida (306, 308). En algunas implementaciones, una estructura de acoplamiento de entrada también puede funcionar como la estructura de acoplamiento de salida, aunque esto requerirá el cambio de posición del filtro espacial (209).

Cuando la imagen del chip se crea mediante el barrido de trama, la luz de las rejillas retrorreflectantes especializadas se refleja en el mismo ángulo que el ángulo de incidencia. Esta luz es recogida por la lente de objetivo (205) y sigue un camino recíproco a través del sistema óptico de espacio libre (200) y se acopla nuevamente en el extremo colimado del divisor de haz de fibra óptica y emerge en s en el puerto 3 (102C). El fotodetector (104) se proporciona para recibir la salida de luz del puerto 3 (102C) y produce una señal eléctrica capturada por la instrumentación apropiada. Los datos recopilados luego se transforman en una imagen 2-D y el software automatizado identifica de manera única la ubicación de las estructuras de acoplamiento e identifica de manera única los acopladores con la ayuda de rejillas retrorreflectantes preestablecidas.

El modo de un acoplador de rejilla puede coincidir aproximadamente con el de una fibra óptica monomodo (SM) o de mantenimiento de polarización (PM). La combinación de lentes utilizada en el sistema óptico de espacio libre se selecciona para cumplir con los requisitos de coincidencia de modo entre el espacio libre y la fibra óptica. En una implementación, el segundo espejo de barrido (204) está montado a la distancia focal frontal de la lente de objetivo (205) para minimizar la desviación del ángulo del rayo principal en casos de incidencia fuera del eje, ya que el segundo espejo de barrido (204) está inclinado desde su posición nominal. Además, el primer espejo de barrido (203) permite la corrección de errores de desalineación producidos por la variabilidad de los componentes, tolerancias de mecanizado y errores impartidos durante el montaje. En particular, las desalineaciones angulares o traslacionales pueden hacer que el ángulo del rayo principal, el error del frente de onda, el diámetro del punto, el perfil espacial del punto, etc. se desvíen de sus configuraciones óptimas/nominales, en cuyo caso, el primer espejo de barrido puede estar sesgado alrededor de su pivote para compensar el efecto de tales errores.

En funcionamiento, los espejos de barrido (203, 204) se usan para el barrido de trama del haz de luz de la sonda desde el sistema óptico de espacio libre (200) sobre el chip (206). El punto del haz permanece en un acoplador de rejilla durante un barrido de longitudes de onda a través de un intervalo espectral seleccionado, antes de trasladarse al siguiente acoplador. La FIG. 2 ilustra esta operación. A medida que el punto (305) permanece en el acoplador de entrada (306), la luz del haz del espacio libre se transforma en un modo de onda guiada que se propaga a través del chip por medio de guías de ondas (307) antes de emerger de la estructura de acoplamiento de salida (308). En la salida, se logra la transformación recíproca de un modo de onda guiada a un modo de espacio libre (309). A medida que la luz emerge del chip, su ángulo coincide con el ángulo de incidencia del camino de avance y sigue un camino recíproco que llega al divisor de haz del espacio libre (202) que se muestra en la FIG. 1.

Las FIGS. 1 y 3 también ilustran la estructura y el funcionamiento del módulo de detección óptica que tiene el detector óptico (211) en el sistema óptico libre (200). El módulo de detección óptica en este ejemplo incluye un espejo de pliegue (207) que dirige el haz recibido del divisor de haz (202) a través de una lente de formación de imágenes (208) cuyo plano focal se filtra espacialmente usando un filtro espacial (209) que puede ser un filo de navaja o un agujero de alfiler. Tal disposición transmite luz a lo largo de la dirección de la luz acoplada fuera por el acoplador de rejilla de salida (308) y bloquea la luz no deseada difractada por el acoplador de entrada (306) que es recogida por la lente de objetivo (205) y contribuye al ruido en el detector. (211). El agujero de alfiler (209) se basa en la separación espacial entre los puntos formados por el haz difractado no deseado que emerge del acoplador de entrada (306) y el haz de señal que emerge del acoplador de salida. Como se ilustra en la FIG. 3, se puede usar una lente de formación de imágenes lenta (208) con una distancia focal larga para amplificar esta separación a expensas de aumentar el tamaño del punto. Una lente que ofrece un rendimiento limitado de difracción en el eje puede aislar suficientemente los dos puntos (402) y (403) de manera que el punto de ruido es bloqueado con éxito por el agujero de alfiler (209). El detector de señales (211) se coloca en el plano de la imagen de un sistema de lentes de relé (210).

Tenga en cuenta que hay una variedad de otros mecanismos de filtro espacial bien conocidos por los expertos en la técnica del diseño de sistemas ópticos, y que estos filtros pueden sustituir al de agujero de alfiler y sistema de lentes de relé descritos como la realización preferida.

Durante un barrido de longitud de onda, las biomoléculas inmovilizadas en la superficie de un biosensor en chip alteran la longitud de onda de resonancia, lo que da como resultado un cambio en la intensidad en función de la longitud de onda cuando el láser se sintoniza en la longitud de onda de resonancia.

El aparato realiza un barrido de longitud de onda del biosensor y la referencia de longitud de onda simultáneamente. Por ejemplo, un biosensor en chip puede incluir una cavidad óptica resonante tal como la formada por una guía de ondas con un patrón en forma de un anillo a la que se accede a través de guías de ondas lineales terminadas en cualquiera de los extremos por acopladores de rejilla. Se pueden usar varias referencias de longitud de onda para implementar la referencia (103) y un ejemplo de ello es una fibra óptica, etalon de Fabry-Perot con propiedades ópticas conocidas, tal como el intervalo espectral libre (FSR), finura y transmitancia.

Durante cada barrido de longitud de onda, la posición de resonancia de la cavidad del sensor se determina observando el espectro de transmisión del sensor. El espectro muestra una transmisión máxima cuando el láser está fuera de resonancia y sigue una disminución de la forma de la línea lorentziana cuando la longitud de onda del láser se aproxima a la longitud de onda de resonancia de la cavidad. A medida que las biomoléculas se unen o se separan del sensor, su espectro cambia, de modo que las longitudes de onda de resonancia se desplazan hacia el rojo (en caso de unión) o se desplazan hacia el azul (en caso de agotamiento), en función de la masa, tamaño y forma conformacional de la molécula. Este desplazamiento se observa durante barridos de longitudes de onda sucesivos y es la medida clave del aparato de biodetección. Por lo tanto, es importante eliminar las fuentes de ruido que provocan un movimiento erróneo de los picos de resonancia del sensor. Para medir con precisión las posiciones de los picos de los sensores, se utilizan los picos de etalon como referencia. La luz que se propaga a través del etalon experimenta el mismo barrido de longitud de onda creando un espectro de cavidad de Fabry-Perot en el fotodetector. Dado que tanto la cavidad del sensor como el etalon son abordados y muestreados casi simultáneamente, las señales de retorno de estos dispositivos están bien alineadas en tiempo y longitud de onda.

En la FIG. 1, se proporciona una unidad de procesamiento de detección para recibir señales de los detectores 104, 105 y 211 y procesar estas señales. La unidad de procesamiento de detección puede programarse mediante un software automatizado que detecta la posición de los picos de resonancia de la cavidad del sensor, así como la posición de los picos en el espectro de etalon. Como se mencionó, el FSR del etalon se conoce y, en condiciones controladas, se supone que es una constante. El software determina propiedades importantes de la forma de la línea de resonancia, incluidas; ubicación, el factor de calidad (Q), la relación de extinción (ER), las pendientes de la pared izquierda y derecha, la transmisión máxima y la naturaleza del pico, tal como lineal, dividido y no lineal, etc. La unidad de procesamiento de detección también se puede utilizar para determinar las posiciones de todos los picos presentes en el espectro de etalon. Para realizar una medición precisa de la posición del pico de resonancia del sensor, se superponen los dos espectros (sensor y etalon). Además de la unidad de procesamiento de detección, también se puede proporcionar una unidad de control para controlar las operaciones de varios componentes y para coordinar las operaciones de varios componentes. Por ejemplo, la sincronización del barrido de luz de la sonda en un chip sensor y el barrido del láser sintonizable y otras operaciones de control pueden implementarse en la unidad de control. En algunas implementaciones, la unidad de control puede ser una unidad separada del procesamiento de detección y recibe salidas de la unidad de procesamiento de detección y usa tales salidas para llevar a cabo sus operaciones de control. En otras implementaciones, la unidad de control puede integrarse con la unidad de procesamiento de detección como una sola unidad. Se puede usar un ordenador o un microprocesador como parte de la unidad de control.

En una implementación del diseño en la FIG. 1, el FSR del etalon se puede configurar para que sea más pequeño que el FSR de la cavidad del sensor, lo que da como resultado numerosos picos del etalon superpuestos con unos pocos picos del sensor. El algoritmo relaciona el pico de resonancia con los picos del etalon circundantes, de modo que se calcula una distancia proporcional desde el pico circundante izquierdo o derecho, asumiendo que la distancia entre los picos del etalon es constante. Posteriormente, se cuenta el número de picos de etalon desde el principio hasta el adyacente al pico de resonancia izquierdo y se multiplica por el FSR del etalon. Estas dos cantidades se suman para producir la posición exacta de un pico del sensor. Este método elimina la imprecisión causada por la variación en la velocidad de barrido del láser. Para mejorar aún más la precisión de la medición de las posiciones de los picos de longitud de onda, se puede utilizar un barrido de longitudes de onda amplio que abarque múltiples resonancias de sensores. Cada posición de pico se identifica de la manera descrita anteriormente y luego se promedia para producir un resultado con menos ruido.

Al implementar el aparato biosensor en la FIG. 1, los biosensores en el chip biosensor (206) pueden implementarse en varias configuraciones. Como un ejemplo específico, los resonadores de anillo pueden implementarse como biosensores en chip en el chip biosensor (206) de la FIG. 1.

La FIG. 4 muestra un ejemplo de un chip biosensor (206) que incluye resonadores de anillo 503 a los que se dirigen guías de ondas 502. La luz se acopla dentro/fuera del chip utilizando acopladores de rejilla 501. El chip en este ejemplo está diseñado para tener múltiples canales de flujo 601 donde el fluido es dirigido a través del chip. Una opción es construir una junta 600 que tenga los canales de flujo 601 cortados en la junta 600. El fluido puede entrar y salir del canal de flujo a través de los puertos 602.

La superficie del chip está recubierta en gran parte con un material de revestimiento que sirve para evitar el contacto entre las guías de ondas 502 y la junta o el fluido o los componentes del fluido, excepto cuando se desee. Por ejemplo, las guías de ondas que pasan por debajo del canal de flujo más cercano a los acopladores de rejilla y avanzan hacia el canal de flujo lejano no deberían tener ninguna interacción con el fluido en el canal de flujo cercano, y este debería estar revestido en esta región. Además, el material de la junta podría interaccionar con las guías de ondas y, como tal, las guías de ondas debajo de la huella de la junta también deberían estar revestidas. En zonas donde se desea tener interacción entre el fluido o elementos en el fluido y las guías de ondas, tal como en todo o parte de los anillos, entonces el material de revestimiento se puede retirar en un resonador de anillo 106, tal como por procedimientos litográficos, para exponer todo o parte del resonador de anillo 106 para la interacción. También tenga en cuenta que no es necesario retirar el revestimiento de todos los anillos. Ciertos anillos pueden seguir teniendo el revestimiento intacto, de modo que pueden usarse como resonadores de anillo de referencia, en lugar de biosensores de trabajo, para controles con el fin de eliminar efectos tales como la temperatura de la salida del sensor y, por lo tanto, calibrar el sistema.

Además, se desea que la identidad de cada anillo se determine sin ambigüedades. El chip puede incluir múltiples biosensores y se puede poner un identificador único 504 cerca de cada acoplador de rejilla y construirse de manera que pueda ser barrido por el sistema óptico. Este identificador único podría ser un código binario, como se muestra en la imagen, o cualquier otro tipo de esquema de codificación física. En este ejemplo, cada resonador de anillo 503 está acoplado ópticamente a una guía de ondas 502 respectiva y dos acopladores de rejilla 501 están acoplados a dos extremos de la guía de ondas 502. Las marcas de identificación óptica 504 están formadas adyacentes a los respectivos acopladores de rejilla 501 para proporcionar una identificación de posición para los respectivos acopladores de rejilla adyacentes 501.

Con el fin de acoplarse más eficientemente en los acopladores de rejilla y para evitar reflexiones, se desea el acoplamiento en el chip en un ángulo alrededor del eje de rotación que se muestra en la FIG. 4.

La FIG. 5 muestra un corte transversal de una realización de ejemplo de la invención donde una junta 600 que contiene canales de flujo 601 se coloca entre el chip 206 y un colector fluídico 700 que contiene canales 702 a través de los cuales el fluido puede entrar y salir de los canales de flujo 601. Se hace un sellado con la junta aplicando una fuerza de compresión entre el chip 206 y el colector 700. Obsérvese que tanto la junta 600 como el colector 700 se quitan o no se extienden a la zona sobre los acopladores de rejilla, de manera que el sistema óptico puede interrogar los acopladores de rejilla sin interferencia.

Una realización alternativa sería construir los canales de flujo monolíticamente en la junta, o tener la junta permanentemente unida al colector, de modo que no se requiera compresión para formar el sellado superior entre la junta y el colector.

La FIG. 6 muestra un corte transversal de un sensor de anillo 503 y la guía de ondas de entrada 502. El revestimiento 507 cubre la guía de ondas de entrada 502, pero se ha retirado de la zona 506 sobre el sensor de anillo 503. En este ejemplo, se forma opcionalmente una isla central 507a en el centro del sensor de anillo 503. Tanto el revestimiento superior 507 como el revestimiento inferior 508 tienen un índice de refracción menor que el de la guía de ondas 502 con el fin de mantener un funcionamiento adecuado de la guía de ondas óptica. Un sistema de material de ejemplo para esto son las guías de ondas construidas de silicio y el revestimiento inferior formado de un óxido enterrado de una oblea de silicio sobre aislante. En este ejemplo, el sustrato 509 es un sustrato de silicio. Tenga en cuenta que a medida que la luz viaja por la guía de ondas, pasa el límite desde donde está presente un revestimiento superior y donde se retira el revestimiento superior. Una forma de reducir o eliminar las reflexiones asociadas con este límite es proporcionar una coincidencia de índice entre el revestimiento superior 107 y el fluido que se introducirá en el sensor. El material de revestimiento debe ser en su mayor parte no reactivo con el material a detectar, del cual está compuesto el fluido. En ciertas circunstancias, puede ser ventajoso que la mayor parte del chip sensor sea hidrofóbico a la vez que se crea una región hidrofílica en las zonas expuestas 506. Teniendo en cuenta todas estas consideraciones, una elección óptima de material para el revestimiento superior 507 es a menudo de la clase de polímeros que comprende fluoropolímeros o perfluoropolímeros. La presencia del flúor se puede usar para reducir el índice de refracción para que sea similar al del agua, aproximadamente de 1.33, y también sirve para formar una superficie hidrofóbica y en gran medida no reactiva. Un ejemplo particularmente bueno de tal polímero es CYTOP, que tiene un índice de refracción de 1.33 y es inerte e hidrofóbico, y que se modela fácilmente mediante un procedimiento de grabado litográfico.

Las FIGS. 6a y 6b muestran un método para unir moléculas de sonda a la superficie del sensor. La guía de ondas de silicio 502 está formada en un anillo 503 y recubierta con una capa delgada de dióxido de silicio 510. Esta capa delgada de dióxido de silicio 510 permite que el campo evanescente aún reaccione fuertemente con cualquier producto químico colocado encima, pero también sirve como una forma común de iniciar la unión a la superficie a través de una clase de moléculas conocidas como silanos, que se unen covalentemente con el vidrio. Se muestran dos tipos diferentes de guías de ondas comunes, en la FIG. 7a, una guía de ondas 502 completamente grabada que expone el revestimiento inferior 508, y en la FIG. 7b, se muestra una guía de ondas 502 parcialmente grabada donde no se muestra el revestimiento inferior 508.

La FIG. 8 muestra un diagrama del chip 206 puesto en el campo óptico 800 del sistema óptico de espacio libre (200) que contiene la óptica de enfoque de la FIG. 1. El rayo principal del haz 801 no es normal a la superficie del chip 206. En este ejemplo, el plano focal 803 no incluye la totalidad de la superficie de chip del chip 206. El chip 206 se muestra girado sobre el eje indicado en la FIG. 4. Así pues, es importante ubicar todos los acopladores de rejilla 501 y las marcas de identificación 504 dentro de una línea en la superficie del chip para que así puedan verse todos desde una configuración focal constante del sistema.

Haciendo referencia a las FIGS. 1 y 2, la luz de la sonda del sistema óptico de espacio libre 200 se dirige a través del aire hacia acopladores de rejilla para resonadores de anillo en el chip. Para que la luz se acople eficientemente en los acopladores de rejilla, el tamaño del punto de luz debe ser aproximadamente del mismo tamaño que el acoplador de rejilla. Para lograr el tamaño de punto adecuado, el sistema óptico de espacio libre 200 está diseñado para enfocar el haz en la superficie del chip. Dado que todos los caminos de luz internos al interrogador óptico tienen una longitud de camino fija, el camino entre el interrogador óptico y la superficie del chip se puede ajustar para lograr el haz deseado enfocado en la superficie del chip.

La distancia entre el interrogador óptico y la superficie del chip puede denominarse altura de enfoque. En una implementación, el ajuste de la altura de enfoque se logra a través de una platina mecánica. La platina se mueve mediante un actuador automatizado (controlado por software). El punto de luz se coloca cerca de un acoplador de rejilla y se hace un barrido de trama por los diferentes acopladores de rejilla en diferentes posiciones en el chip para formar una imagen de los acopladores de rejilla en el chip. Durante el barrido de trama, la intensidad máxima de la luz que sale del acoplador de rejilla de salida se mide y almacena en la memoria. Una vez que se completa un barrido de trama y se registra la intensidad de la luz emitida en el acoplador de salida, la platina accionada se mueve "X" micrómetros y se repite el procedimiento. Si la luz emitida medida es mayor que en la iteración anterior, la dirección y amplitud permanecen sustancialmente sin cambios y la platina se mueve de nuevo en la misma cantidad y el procedimiento se repite. Si la respuesta de la luz medida es menor que la de la iteración anterior, el movimiento de la platina accionada se reduce aproximadamente a la mitad y se invierte la dirección y se repite el procedimiento. Este procedimiento se repite hasta que la variación de ejecución a ejecución ha convergido por debajo de un determinado porcentaje o umbral. La FIG. 9 es un diagrama de flujo que ilustra el ajuste de enfoque anterior.

Una realización alternativa sería sustituir por otros algoritmos, tales como una búsqueda binaria, el algoritmo simple de paso y repetición descrito anteriormente.

Por diseño, todos los sensores en el chip tienen aproximadamente la misma distancia de enfoque. Así, al elegir un sensor y enfocar el haz sobre ese sensor en particular, todos los demás sensores entrarán en el foco. También es inherente al diseño del sistema el hecho de que cuando un acoplador de rejilla entra en foco, sus rejillas retrorreflectantes vecinas entran en foco. Una vez que el chip se ha puesto en foco del interrogador óptico, el chip está listo para el siguiente paso, que es el registro del sensor.

En varias aplicaciones de detección que usan el aparato biosensor de la FIG. 1, cada sensor en un chip puede tener una función única en la prueba y se utilizan diferentes sensores en el chip para realizar diferentes mediciones. En tales aplicaciones, es necesario separar e identificar diferentes sensores en el chip asignando una identidad única a cada sensor. Con el fin de asignar una ID única a cada sensor, el interrogador óptico puede "registrar" el chip realizando un análisis de barrido de trama óptico sobre el chip para el registro antes de realizar un análisis barrido de trama de detección para obtener mediciones reales de los sensores.

La FIG. 10 muestra un ejemplo de un procedimiento de registro de chip para asignar un número de identificación a cada sensor individual en el chip. Como se muestra en el ejemplo de la FIG. 4, los números de ID se pueden grabar en el chip junto a los respectivos sensores en chip en forma de marcas de identificación óptica 504, tal como rejillas retrorreflectantes. Las rejillas retrorreflectantes son estructuras reflectantes con patrón de una secuencia binaria y cada conjunto de rejillas retrorreflectantes, 504, comprende un número binario que es un número de identificación único de su sensor respectivo. El procedimiento de "registro" se realiza tomando una "imagen" del chip, encontrando cada sensor y luego leyendo sus estructuras de rejilla retrorreflectantes correspondientes. La obtención de la "imagen" del chip se realiza por "barrido de trama" de toda la superficie del chip. El barrido de trama se refiere a barrer de un lado a otro por toda la superficie del chip con un punto enfocado. El barrido de trama se logra controlando un espejo automatizado de 2 ejes y dirigiendo el punto sobre el chip. Durante la etapa de barrido de trama, la luz reflejada/emitida se recoge en dos lugares diferentes en el interrogador óptico por medio de fotodetectores y un conjunto de convertidores de analógico a digital (ADC). El muestreo de estas señales se sincroniza en el tiempo con las señales de DAC de direccionamiento del espejo generadas. Las señales recogidas se pueden reconstruir para crear imágenes 2D del chip.

La primera de las dos señales recogidas es la señal del "sensor" que es recogida por el fotodetector 211 y se usa no solo durante el registro, sino también durante las fases de enfoque y medición de uso del instrumento. En el contexto del registro y la identificación del sensor, esta señal se utiliza para ubicar en qué parte del chip reside cada sensor. La ubicación de cada sensor está definida por los voltajes del espejo requeridos para mover el punto por encima del acoplador de rejilla de entrada asociado con ese sensor en particular. Estos voltajes de ubicación de los sensores se encuentran haciendo una búsqueda de la imagen reconstruida que generó el detector de señales. La imagen del chip que genera el detector de señales es análoga a las estrellas en el cielo nocturno. La mayor parte de la imagen es oscura, pero donde existe un sensor, hay un punto brillante. La FIG. 11 muestra un ejemplo de dicha imagen de marcas de identificación en un chip obtenida por el detector 211. Debido a que se conoce el número de muestra del punto brillante y el muestreo del detector de señales del sensor está sincronizado en el tiempo con las señales del controlador del espejo, se pueden inferir los voltajes del controlador del espejo que han llevado al espejo a ese sensor. En este punto del procedimiento de registro, se conocen los voltajes del espejo que conducen el punto a cada acoplador de rejilla de entrada del sensor. Estos se utilizarán más adelante para decidir dónde deben ubicarse las señales de rejilla retrorreflectantes.

La segunda de las dos señales recogidas es la señal "retro" que es recogida por el fotodetector 104 en el sistema de fibra óptica 100 y se utiliza durante el registro. Esta señal puede construir una imagen del chip que tiene presentes las rejillas retrorreflectantes. La señal del sensor recogida en el detector 211 se filtra espacialmente dos veces, primero por el posicionamiento relativo de la lente de objetivo 205 y el chip 206 para minimizar la reflexión especular del chip 205 y segundo por el filtro espacial 209, para que solo aparezcan los sensores. La señal retro recogida por el detector 104 no está modificada y mostrará todas las reflexiones fuera de la superficie del chip, un ejemplo de lo cual se muestra en la FIG. 12. Las características de la rejilla retrorreflectante están diseñadas para generar una reflexión mucho más brillante que el resto de la superficie del chip y, por lo tanto, destacan en la señal retro de la misma manera que los sensores aparecen en la señal del sensor. Las dimensiones físicas de las rejillas retrorreflectantes y el ángulo de la luz que interroga la superficie del chip son críticos en la iluminación de las estructuras de rejilla retrorreflectantes. Mientras que el haz enfocado hace el barrido de trama sobre la superficie del chip, la señal retro se muestrea de forma sincrónica junto con las señales del controlador del espejo y la señal del sensor. Al igual que la señal del sensor, la señal retro se puede reconstruir para dibujar una imagen de la superficie del chip.

Tenga en cuenta que las señales de las rejillas retrorreflectantes se pueden observar de forma única usando un fotodetector retro 104 situado en el camino de retorno del sistema de fibra, mientras que las señales retrorreflectantes medidas por un fotodetector opcional en el sistema de espacio libre (situado en un brazo alternativo del divisor 207) contienen tanto las señales del acoplador de rejilla como de la rejilla retrorreflectante. Las realizaciones alternativas emplearían cualquiera de estas señales, o posiblemente ambas.

Una vez completado el barrido de trama y la captura de la señal, las imágenes generadas a partir de las señales retro y del sensor se pueden usar en conjunto para identificar de forma única cada sensor. En el caso de que las ubicaciones de los sensores y las señales de las rejillas retrorreflectantes se generen en diferentes barridos, las posiciones relativas no se determinarán con precisión. Hay un desplazamiento de píxeles entre las dos imágenes generadas. Estos desplazamientos de píxeles se traducen en desplazamientos de tiempo en el barrido de trama de dominio de muestreo ADC. Basándose en el tiempo en el que el punto enfocado cruzó la entrada del sensor, se puede inferir el tiempo en el que el punto cruzó el conjunto de rejillas retrorreflectantes y, por lo tanto, se puede determinar el conjunto de rejillas retrorreflectantes asociado con cada sensor.

La realización preferida es muestrear tanto la señal retrorreflectante como la señal del acoplador de rejilla simultáneamente, evitando así el problema de alineación de píxeles.

Una vez que se han calculado los píxeles del conjunto de rejillas retrorreflectantes, pueden entonces procesarse digitalmente y traducirse a un número utilizable (véase la FIG. 13). En este ejemplo de un esquema de codificación, los puntos brillantes del conjunto de rejillas retrorreflectantes se consideran "1" binarios y los puntos oscuros del conjunto de rejillas retrorreflectantes se consideran "0". Cuando se combinan secuencialmente, estos 1 y 0 forman un número binario de longitud N que identifica de forma única a cada sensor. El umbral lógico del número binario se calcula dinámicamente para cada conjunto de rejillas retrorreflectantes basándose en la intensidad de las señales recogidas y el nivel de ruido para ese conjunto de rejillas retrorreflectantes en particular. Se aplica la corrección de errores para garantizar que la ID de cada sensor se determina con precisión. La corrección de errores se aplica asegurando que la separación de cualquier par de sensores sea un múltiplo discreto de la distancia conocida entre cualquier par de sensores adyacentes. Para cualesquiera ID de pares de sensores adyacentes o no adyacentes, la diferencia absoluta en las ID es igual a la distancia entre los dos sensores dividida por la distancia conocida de un par de sensores adyacentes. El criterio anterior se aplica a todos los sensores encontrados durante el registro para verificar las ID de los sensores.

Si se ha encontrado que todas las ID de los sensores son válidas, las ubicaciones de los sensores y sus ID pueden usarse para realizar mediciones de los sensores en el chip. Las ubicaciones de los sensores se utilizan en la fase de interrogación del espacio libre de la ejecución del instrumento.

La interrogación del espacio libre de los sensores en un chip se logra dirigiendo el punto enfocado sobre el acoplador de rejilla de entrada de un sensor particular y luego haciendo un barrido de la longitud de onda de la luz mientras el punto está fijo en el acoplador de rejilla de entrada del sensor. El punto se dirige con un espejo de 2 ejes automatizado (controlado por software). Durante la fase de registro, se encuentran los voltajes utilizados para dirigir el espejo hacia cada sensor y se almacenan en la memoria. Cada entrada del sensor tiene su propia coordenada 2D en la superficie del chip y se interroga individualmente en el tiempo y el espacio.

Durante una medición, los sensores son interrogados uno tras otro en forma de turno rotatorio y se repite la secuencia. En algunas implementaciones, todos los componentes físicos implicados en la interrogación se pueden sincronizar con una sola señal de activación digital. El espejo se mueve en el flanco de bajada de la señal de activación y se le permite asentarse antes del siguiente flanco de subida de la señal de activación. Tras recibir el flanco de subida de la señal de activación, el láser sintonizable comenzará su barrido de longitud de onda. El barrido de longitud de onda es el punto principal de la interrogación del sensor. Una vez que el láser sintonizable ha completado su barrido de longitudes de onda, la señal de activación se cambia a nivel bajo y el espejo se activa para pasar al siguiente sensor.

Debido a los efectos térmicos y de otro tipo del interrogador óptico y sus componentes internos, las ubicaciones de los sensores pueden desviarse con el tiempo. Esto se puede contrarrestar mediante el uso de un "algoritmo de seguimiento" en un procedimiento de calibración ilustrado en la FIG. 14 Cuando el punto no está perfectamente centrado en el acoplador de rejilla de entrada del sensor, la potencia detectada en el acoplador de rejilla de salida del sensor se degrada. Esto puede ser un problema si no se utiliza la retroalimentación para mantener el punto alineado con el acoplador de rejilla de entrada del sensor durante largos períodos de tiempo. Los voltajes del espejo que se utilizan para mover el punto enfocado sobre el sensor se pueden modificar a propósito como un medio de seguimiento de cualquier desviación en el sistema. Al tomar una coordenada de espejo y dibujar un círculo muy pequeño a su alrededor y tomar puntos discretos en ese círculo, se pueden crear nuevas coordenadas de espejo para interrogaciones posteriores. Estos puntos que tienden a desviarse ligeramente del punto original se pueden utilizar para encontrar la mejor dirección para dirigir el punto. Después de interrogar al mismo sensor con las nuevas coordenadas y registrar la eficiencia de acoplamiento de entrada para cada punto, se puede elegir una nueva mejor coordenada. Esta nueva coordenada se puede utilizar como el centroide del siguiente conjunto de puntos de prueba radiales. Este procedimiento de búsqueda, movimiento y seguimiento de la desviación se puede utilizar para mantener el instrumento interrogando a los sensores a través de la interrogación de espacio libre.

El interrogador óptico puede configurarse para incorporar dos espejos 203 y 204 de direccionamiento del haz controlados por software como se muestra en el ejemplo de la FIG. 1. La función principal del espejo A (203) es controlar el rayo principal (también conocido como ángulo de incidencia) del haz dirigido a la superficie del chip. El papel del espejo B (204) es controlar la posición del haz en la superficie del chip. El espejo B (204) cambiará el ángulo de incidencia del haz pero en un grado mucho menor que el espejo A (203). Al calibrar los voltajes de control X e Y para el espejo A (203), la eficiencia de acoplamiento durante un experimento puede ser máxima. Esto da como resultado niveles más altos de señal a ruido.

La calibración de los voltajes de control de los ejes X e Y para el espejo B se puede lograr mediante un bucle iterativo a través de un conjunto N*N de voltajes de control de los ejes X e Y para el espejo A. En cada iteración, el espejo B hace un barrido de trama de la superficie del chip y se recoge el perfil de eficiencia de acoplamiento para todos los sensores. Se completa una búsqueda bidimensional y los resultados pueden interpretarse automáticamente en cuanto a qué par X,Y de voltajes del espejo A producía la mayor eficiencia de acoplamiento. Este par de voltajes de control X,Y del espejo A se usará para configurar el rayo principal durante la fase de experimento de uso del instrumento. Los valores se almacenarán en una memoria no volátil y se cargarán en la memoria volátil cada vez que se encienda el instrumento. El espejo A se controlará a los voltajes calibrados durante la inicialización del encendido y se mantendrá en esa posición en todo momento mientras el instrumento esté encendido. El espejo puede relajarse a su posición nominal cuando el instrumento no está en uso.

Una realización alternativa es construir el sistema de interrogación óptica con suficientes tolerancias mecánicas para asegurar que se logra el rayo principal apropiado. En este escenario, el espejo A se puede reemplazar con un espejo fijo, dejando solo el espejo B como un elemento ajustable.

Si bien este documento contiene muchos detalles específicos, estos no deben interpretarse como limitaciones del alcance de una invención que se reivindica o de lo que se puede reivindicar, sino como descripciones de las características específicas de realizaciones particulares. Determinadas características que se describen en este documento en el contexto de realizaciones separadas también se pueden implementar en combinación en una única realización. A la inversa, diversas características que se describen en el contexto de una única realización también pueden implementarse en múltiples realizaciones por separado o en cualquier subcombinación adecuada. Además, aunque las características pueden describirse anteriormente como que actúan en ciertas combinaciones e incluso reivindicarse inicialmente como tales, una o más características de una combinación reivindicada pueden, en algunos casos, eliminarse de la combinación, y la combinación reivindicada puede dirigirse a una subcombinación o una variación de una subcombinación. De manera similar, aunque las operaciones se ilustran en las figuras en un orden particular, no debería entenderse que es necesario que dichas operaciones sean llevadas a cabo en el orden particular ilustrado o en orden secuencial, o que sea necesario llevar a cabo todas las operaciones ilustradas, para obtener resultados deseables.

Solo se describen algunos ejemplos e implementaciones. Se pueden realizar variaciones, modificaciones y mejoras a los ejemplos e implementaciones descritos y otras implementaciones basándose en lo que se ha descrito.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Un chip biosensor (206) que comprende:

un sustrato (509);

una pluralidad de sensores ópticos formados en diferentes lugares sobre el sustrato (509);

una pluralidad de acopladores ópticos de entrada (306), cada acoplador óptico de entrada (306) para dirigir la luz de sonda entrante que incide sobre el chip hacia un sensor óptico respectivo, y estando configurado cada acoplador óptico de entrada (306) para recibir la luz de sonda entrante de un lente de objetivo (205) de un sistema de interrogador óptico (100, 200) en un ángulo (302) que no es normal a una superficie superior del chip; y

una pluralidad de acopladores ópticos de salida (306), estando cada acoplador óptico de salida en comunicación óptica con un acoplador óptico de entrada respectivo (306) por medio de un sensor óptico respectivo, cada acoplador óptico de salida para dirigir la luz de sonda saliente del sensor óptico respectivo fuera del chip, y estando configurado cada acoplador óptico de salida para enviar la luz de la sonda saliente en un ángulo (302) que es diferente de la dirección de la reflexión especular de la luz de sonda entrante y que está a lo largo de un camino recíproco de la luz de sonda entrante, por lo que la mayor parte de la reflexión especular de la luz de sonda entrante cae fuera de la apertura de recogida de la lente de objetivo (205) del interrogador óptico (100, 200),

en donde cada acoplador óptico de salida está dispuesto adyacente al respectivo acoplador óptico de entrada (306) de manera que cuando la luz de la sonda incide sobre el respectivo acoplador óptico de entrada (306), la luz de la sonda se transforma en un modo de onda guiada que se propaga por medio de guías de ondas (307) a través del chip biosensor (206) y emerge del respectivo acoplador óptico de salida en un ángulo que coincide con el ángulo de incidencia de la luz de sonda entrante y sigue el camino recíproco que regresa a la lente de objetivo (205) del sistema de interrogador óptico (100, 200).

2. El chip biosensor (206) de la reivindicación 1, en donde al menos algunos de la pluralidad de sensores ópticos están configurados para detectar un analito en una solución.

3. El chip biosensor (206) de la reivindicación 1, en donde la pluralidad de sensores ópticos comprende resonadores ópticos.

4. El chip biosensor (206) de la reivindicación 1, que comprende además al menos un canal de flujo (601) que proporciona acceso a uno o más de la pluralidad de sensores ópticos.

5. El chip biosensor (206) de la reivindicación 1, en donde los acopladores ópticos de entrada (306) y los acopladores ópticos de salida comprenden acopladores de rejilla (501).

6. El chip biosensor (206) de la reivindicación 1, que comprende además una pluralidad de marcadores ópticos de identificación formados en la proximidad de los sensores ópticos respectivos, estando cada marcador óptico de identificación asociado de manera única con un sensor óptico respectivo

7. El chip biosensor (206) de la reivindicación 6, en donde cada marcador óptico de identificación está estructurado para tener un código único para identificar el respectivo sensor óptico e interaccionar ópticamente con la luz de sonda entrante para producir luz devuelta que lleva el código.

8. El chip biosensor (206) de la reivindicación 6, en donde el chip comprende partes hidrofóbicas y partes hidrofílicas.

9. El chip biosensor (206) de la reivindicación 6, en donde los sensores ópticos comprenden resonadores de anillo (503), y en donde el chip comprende una pluralidad de guías de ondas de entrada (502) que conectan los respectivos acopladores ópticos de entrada (306) y resonadores de anillo (503), una pluralidad de guías de ondas de salida que conectan los respectivos resonadores de anillo (503) y acopladores ópticos de salida, y material de revestimiento (507) adyacente a las guías de ondas de entrada (502) y las guías de ondas de salida, teniendo el material de revestimiento (507) un índice de refracción que es similar al índice de refracción del agua.

10. El chip biosensor (206) de la reivindicación 6, en donde uno o más de los sensores ópticos están funcionalizados para detectar un analito y uno o más de los sensores ópticos no están funcionalizados para detectar el analito sino que sirven como control para reducir el efecto de variaciones de temperatura en las mediciones realizadas usando el chip.