MXPA04005608A

MXPA04005608A - Sensor optico fluorescente de alto desempeno.

Info

Publication number: MXPA04005608A
Application number: MXPA04005608A
Authority: MX
Inventors: Steven J Walters
Original assignee: Sensors For Med & Science Inc
Priority date: 2001-12-11
Filing date: 2002-12-11
Publication date: 2004-12-06
Also published as: JP4430396B2; CN1602420A; HK1064442A1; CA2469870A1; US7190445B2; EP1454129A4; TW200303984A; DE60232912D1; AU2002359673B2; JP2005513426A; US20030156290A1; CN1602420B; CN101819149A; BR0214824A; ATE436011T1; CA2469870C; AU2002359673A1; US6940590B2; US20050237518A1; EP1454129A1

Abstract

Un dispositivo de sensor optico para determinar la presencia o concentracion de un analito contiene una guia de onda (103) dispuesta sobre una fuente de luz (101) de un substrato (100) y que esta separado por un deflector interno (104), en donde la guia de onda tiene un grosor que corresponde a un punto de emision de campo lejano de la fuente de luz segun lo determina un deflector blindado de luz entre la fuente de luz y el detector de luz.

Description

SENSOR OPTICO FLUORESCENTE DE ALTO DESEMPEÑO REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUD RELACIONADA Esta solicitud clama prioridad al amparo del Código de los Estados Unidos No. 35 §1 19 (e) del Número de Serie Provisional 60/338,647, presentada el 1 1 de Diciembre del 2001 .

ANTECEDENTES DE LA INVENCION CAMPO DE LA INVENCION Esta invención se relaciona en lo general a dispositivos de sensor para detección de emisión electromagnéticas a partir de un indicador que cuenta con un analito de interés que permea a través del mismo, en donde las características de las emisiones varían en función de la concentración del analito. En lo particular, la invención se relaciona con mejoras en el diseño y desempeño de dichos dispositivos de sensor.

TECNICA ANTECEDENTE La patente de los Estados Unidos No. 5,517,313, descripción de la cual se incorpora en la presente mediante referencia, describe un dispositivo de detección de fluorescencia que comprende una disposición en capas de una matriz fluorescente indicadora con contenido de moléculas (en lo sucesivo "matriz fluorescente"), un filtro de paso elevado y un fotodetector. En este dispositivo se ubica una fuente de luz, preferiblemente un diodo fotoemisor ("LED") ubicado por lo menos parcialmente dentro del material indicador, de manera tal que la luz incidental de la fuente de luz ocasiona la fluorescencia de las moléculas indicadoras. El filtro de paso elevado permite a la luz emitida de las moléculas indicadoras alcanzar el fotodector, filtrando simultáneamente la luz incidental dispersa de la fuente de la luz. Se permite a un analito permear la matriz fluorescente, cambiando las propiedades fluorescentes del material indicador en proporción a la cantidad de analito presente. Posteriormente el fotodetector detecta y mide la emisión fluorescente, proporcionando así una medida de la cantidad o concentración de analito presente dentro del ambiente de interés. Una aplicación ventajosa de un dispositivo de sensor del tipo descrito en la patente '313 es implantar el dispositivo en el cuerpo, ya sea subcutáneamente o intravenosamente o de otra forma, para permitir tomas instantáneas de medición de analitos en cualquier momento. Por ejemplo, se desea medir la concentración de oxígeno en la sangre de pacientes bajo anestesia o de glucosa en la sangre de pacientes diabéticos. Desde la invención del dispositivo descrito en la patente '313, los presentes inventores han desarrollado un número de mejoras de diseño que han potenciado de manera significativa el desempeño, confiabilidad y longevidad de dispositivos de sensor óptico del tipo descrito en la patente '313. En particular, debido a las restricciones de magnitud y peso de dichos dispositivos de sensor especialmente para aplicaciones in vivo o en sitio, es importante aumentar el máximo la eficiencia de la matriz indicadora disponible para obtener una señal de medición más confiable y precisa, reduciendo al mínimo simultáneamente el consumo de energía y la generación de calor. Adicionalmente, el diseño del dispositivo de sensor deberá permitir su fabricación a gran volumen costeable con un precio de venta razonable. Además se desea aumentar al máximo la longevidad del dispositivo especialmente cuando el dispositivo debe ser implantado en el cuerpo para la detección in sitio de bioanalitos.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION De conformidad con un aspecto de la presente invención, se provee un dispositivo de sensor óptico para determinar la presencia o concentración de un analito, que incluye un substrato; una capa de deflector blindada contra la luz que se forma en el substrato y que contiene por lo menos dos cavidades en la misma; una fuente de luz para emitir luz principalmente de una longitud de onda preseleccionada al ser energizada, que está montada sobre una superficie del substrato en una de las cavidades; un detector de luz para detectar la luz incidente sobre el mismo y generar una señal eléctrica que responde al mismo, montado de manera adyacente a la fuente de luz sobre la superficie del substrato en otra de las cavidades, y que está separado de las mismas mediante el deflector blindado de luz; una guía de onda que se forma sobre la fuente de luz y el detector de luz, en donde la cavidad que contiene la fuente de luz está llena con un material epóxico transparente que tiene el mismo índice refractivo que la guía de onda, para que la fuente de luz se pueda considerar ubicada "dentro" de la guía de onda; la guía de onda tiene un grosor medio que corresponde a un punto de emisión de campo lejano de la fuente de luz según lo determina la posición de la fuente de luz en relación con el deflector blindado de luz, el perfil de emisión intrínseco de la fuente de luz o una combinación del perfil relativo de posición y emisión intrínseca; y una matriz indicadora permeable al analito dispuesta sobre una superficie externa de la guía de onda, y la matriz fluorescente contiene moléculas indicadoras fluorescente cuya fluorescencia es atenuada o potenciada por la presencia de analito en dicha matriz fluorescente, y la molécula indicadora preseleccionada y fluorescente se selecciona de manera tal que la longitud de onda emitida por la fuente de luz excite la fluorescencia en las moléculas indicadoras; en donde el detector de luz genera una señal eléctrica que responde a la luz fluorescente incidente sobre el mismo y que emiten dichas moléculas indicadoras fluorescentes. La cavidad del fotodetector está llena con un material impurificado con color que actúa como un filtro para bloquear sustancialmente de dicho fotodetector las longitudes de onda de emisión diferentes a las longitudes de onda de emisión de pico deseadas de las moléculas de indicador. El material de relleno para el fotodetector y para las cavidades de fuente de luz puede ser un material epóxico u otro material polimérico.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Se comprenderá mejor la invención con referencia a la siguiente descripción detallada de una modalidad preferida en conjunción con los dibujos adjuntos, que se dan como forma de ilustración únicamente y no limitan así la presente invención, y en donde: la figura 1A es una vista superior de un dispositivo de sensor óptico de conformidad con una modalidad de la presente invención; la figura 1 B es una vista lateral del dispositivo de sensor óptico de la figura 1A; la figura 2A es una vista lateral del dispositivo de sensor óptico de las figuras 1A-1 B, que ilustran la excitación y los campos de visión de respuesta del indicador; la figura 2B es una vista de extremo de la figura 2A; las figuras 3A y 3B son vistas laterales que ilustran el problema de emisión de ruido ligero a partir de una fuente de luz de un sensor óptico, y la solución que se logra mediante la presente invención, respectivamente; la figura 4 es una vista lateral que ilustra el uso de una superficie de guía de onda curva para un sensor óptico de conformidad con una modalidad alternativa de la invención; las figuras 5A-5D son vistas laterales que ilustran la optimización del grosor de guía de onda para el dispositivo de sensor de conformidad con la presente invención; y la figura 6 es una gráfica que muestra el perfil de emisión de luz de una fuente de luz LED adecuada para su uso con el dispositivo de sensor óptico de conformidad con la presente invención.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA MODALIDAD PREFERIDA Las figuras 1A y 1 B muestran una modalidad de un dispositivo de sensor óptico de conformidad con la presente invención. El dispositivo incluye una fuente de luz, como un LED 101 , y un detector de luz, como un fotodiodo 102, montado sobre un substrato 100. La fuente de luz y el detector de luz están encapsulados mediante una guía de onda 103, superficie externa de la cual está provista con una matriz indicadora de fluorescencia 105 que contiene moléculas indicadoras de analito. La matriz 105 está dispuesta en la superficie exterior de la guía de onda 103 en una de una variedad de diferentes maneras, como deposición, revestimiento, adhesión, etc. La fuente de luz 101 y el detector de luz 102 están separados uno de otro mediante un deflector interno 104a, que es parte de una porción de capa de deflector 104 del substrato 100. La porción de deflector 104 se puede formar ya sea de manera separada del substrato 100 o íntegramente con formación del substrato con un grabado o camuflado de las cavidades. La capa de deflector 104 se puede formar sobre la capa de base 1 10 del substrato 100 para definir un número de cavidades dentro de las cuales se colocan la fuente de luz y el fotodetector para montarse sobre el substrato. Previo a la formación de la capa de guia de onda 103 sobre las cavidades, la cavidad de fuente de luz se llena con un material epóxico transparente u otro material polimérico 106, el cual preferiblemente tiene sustancialmente el mismo índice refractivo que la guía de onda 103. El material de relleno 106 puede ser, pero no requiere ser, el mismo material utilizado para la guía de onda 103. La cavidad del fotodetector se llena con un material epóxico impurificado con color o material polimérico 107, el cual funciona como un filtro para bloquear la luz directa o reflejada de la fuente de luz 101 de chocar sobre el fotodetector 102. Se selecciona el color del material 107 para que corresponda con la emisión pico de las moléculas indicadoras. Alternativamente, la cavidad del fotodetector puede llenarse con el material impurificado con color, y posterior a esto se puede llenar la cavidad de fuente de luz simultáneamente con la formación de la capa de guía de onda de manera tal que la fuente de luz se incrustará dentro de una capa de guía de onda formada íntegramente. Adicíonalmente, en vez de llenarse con un material transparente, la cavidad de la fuente de luz también se puede llenar con un material impurificado por color, color del cual se selecciona para que bloque sustancialmente todas las transmisiones de longitud onda de la fuente de luz diferente a la emisión de longitud de onda pico deseada. Como se muestra en las figuras 2A y 2B, la configuración del dispositivo de sensor óptico de conformidad con la invención se basa en lograr sustancialmente únicamente una iluminación directa de la fuente de luz 101 de sustancialmente la superficie entera total de la guía de onda 103, que está provista con la matriz indicadora de fluorescencia 105, y sustancialmente únicamente una colección directa sobre la superficie del fotodetector 102 de la emisión de respuesta de la matriz indicadora 105. El deflector interno 104 previene la iluminación desviada del fotodetector 102 de parte de la fuente de luz 101 . La geometría del perfil de misión de luz de la fuente de luz LED se muestra en la figura 6. Un problema con las construcciones de sensores previos proviene del hecho de que la luz emitida de LED estándares utilizados como fuente de luz no tiene una longitud de onda pura, sino que incluye una cantidad importante de emisión de luz en longitudes de onda más larga, lo cual puede reducir la calidad de la señal de medición obtenida. Por ejemplo, un LED azul estándar provee una emisión de longitud de onda de 460nm, pero debido a varios factores, incluyendo los factores involucrados en el procedimiento de fabricación, existe una cantidad significativa (por ejemplo, aproximadamente 0.1 % o más de emisión total) de emisión de luz que se esparce hacia la región roja (por ejemplo, por encima de 600 nm) del espectro. El material epóxico impurificado con rojo 107 actúa con un filtro para bloquear la incidencia de longitudes de onda azules sobre fotodetector 103, pero no pueden filtrar las llamadas emisiones de "estela roja" de la fuente de luz LED. En el caso de un dispositivo de sensor de oxígeno que utiliza bifenil fenantrolina de rutenio como matriz indicadora, la emisión pico de tal indicador es 613 nm. Asi, la emisión de "estela roja" del LED contamina la señal del indicador. Esta emisión de "estela roja" ocasiona que se eleve la línea de base de señal y con ello suprime la modulación legible útil de la emisión de fluorescencia del indicador. Esto se muestra en la figura 3A. Como se muestra, las emisiones de luz de longitud de onda azul 301 (deseadas) están acompañadas por emisiones de longitud de onda rojas no deseadas y extrañas 302, que pueden ser reflejadas por la construcción de guia de onda previa a la superficie de detección del fotodetector 102. De conformidad con la construcción de iluminación directa de la presente invención, la mayor parte de las emisiones de longitud de onda roja no deseadas 302 de la fuente de luz LED no se reflejan a la superficie de la guía de onda y son devueltas al fotodetector, sino que más bien pasan directamente fuera de la guía de onda, para que choquen sustancialmente únicamente emisiones de fluorescencia de longitud de onda roja 303 en respuesta a la excitación de las ondas de luz de longitud de onda azules 301 sobre la superficie de fotodetección del fotodetector 102. De conformidad con mediciones experimentales, se reduce el ruido de línea de base en más de 40 veces del nivel producido por la geometría previa (por ejemplo, de 23mV a menos de 0.5mv). Adicionalmente, como se discutió anteriormente, el uso de un material de relleno impurificado con azul en la cavidad de fuente de luz puede ayudar a reducir las emisiones de "estela roja" de la fuente de luz. La configuración más simple y más eficiente del dispositivo de sensor óptico de conformidad con la invención es que tenga una superficie plana para la guía de onda como se muestra en las figuras 1A-1 B y 2A-2B. También es posible tener una superficie curva, como se muestra en la figura 4. Adicionalmente, es posible contar con otras geometrías de superficie como serrada, de gablete o patrón de superficie inverso, para incrementar el área superficial e incrementar así la cantidad de indicador disponible para la interacción con el analito. Con los diseños previos, se pensaba que el arco curvo de la guía de onda jugaba un papel de enfocar la luz de señal hacia el fotodetector. Por el contrario, la reflectancia o enfoque internos no son fenómenos significativos de conformidad con el diseño de la presente invención. Como se muestra en la figura 4, el punto focal 402 del arco no tiene relación con el detector 102, y de hecho está completamente fuera del dispositivo sensor en su conjunto.

Las observaciones y mediciones experimentales han confirmado que la cantidad predominante de luz de indicadora se produce en respuesta a la eliminación únicamente directa de la fuente de luz, al contrario de la luz reflejada internamente. Las figuras 5A-5D ilustran un número de diferentes optimizaciones de grosor de guía de onda diferentes a la luz del descubrimiento de que la reflectancia no es un contribuyente de peso a la fortaleza de la señal. Como se muestra, se fabricaron diversos grosores de guía de onda, en donde el grosor se caracteriza como una proporción de la distancia de la fúente de luz LED a la intersección del punto de emisión de campo lejano X de la fuente de luz LED con la superficie de guía de onda. Para cada grosor, se midió la fortaleza de la señal con una corriente LED fija y ganancia de amplificador. Como se ilustra, para un grosor de guía de onda de X/3, se produjo una señal de aproximadamente 5mV; a 2X73, se produjo una señal de aproximadamente 20mV; en X, se produjo una señal de aproximadamente 20mV y a 4X/3, se produjo una señal de aproximadamente 40mV. A partir de estos resultados, se puede observar que la fortaleza pico de la señal se obtiene cuando el grosor de la guía de onda se establece igual a X; en otras palabras, en donde el punto de emisión de campo lejano de la fuente de luz LED coincide con la esquina de guía de onda. Esto se puede lograr mediante el posicionamiento relativo apropiado entre la fuente de luz y el deflector, mediante la selección de una fuente de luz con una geometría de perfil de emisión intrínseca particular, o mediante una combinación de estos factores. Cuando la superficie de guía de onda se hace diferente a plana para obtener una mayor área de superficie, el grosor X es igual a la altura media del patrón de superficie según se mide desde la superficie inferior de la guía de onda. El dispositivo de sensor óptico de conformidad con la invención también se puede configurar como un detector dual o múltiple, con fotodetectores montados a ambos costados del LED y con diferentes matrices indicadoras dispuestas sobre cada fotodetector correspondiente, de manera tal que la misma longitud de onda de excitación del LED pueda excitar diferentes longitudes de onda de fluorescencia en cada matriz indicadora. Alternativamente, se pueden utilizar LED múltiples, en donde cada LED emite una longitud de onda de excitación diferente que ocasiona una respuesta diferente de longitud de onda de fluorescencia. Adicionalmente, aunque se ha descrito la igualación del índice refractivo de conformidad con una modalidad preferida de la invención, también es posible seleccionar diferentes índices refractivos para cada uno del material de relleno de fuente de luz, el material de guía de onda y el material de relleno del fotodetector. Se sabe que la luz viaja de manera natural a partir de un medio que tenga un índice de refracción menor a un medio que tenga un índice de refracción mayor.

En consecuencia, ya que se desea que la luz de excitación viaje de la fuente de luz a la matriz indicadora dispuesta en la superficie de guía de onda, y que la emisión de luz de fluorescencia viaje de la matriz indicadora al fotodetector, una modalidad alternativa de la invención proporcionaría índices exitosamente mayores para el material de relleno de fuente de luz, el material de guía de onda y el material de relleno del fotodetector. Habiendo sido descrita así la invención, será evidente para los expertos en la técnica que ésta puede variar de muchas maneras sin desviarse de la esencia y alcance de la invención. Por ejemplo, aunque se ha descrito la invención con referencia al dispositivo de sensor de fluorescencia para propósitos de ilustración, los principios de la invención se pueden aplicar a un dispositivo de sensor óptico utilizando fenómenos de detección diferentes a la fluorescencia. Todas y cada una de tales modificaciones pretenden ser abarcadas por las siguientes reivindicaciones.

Claims

NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES 1.- Un dispositivo de sensor óptico para determinar la presencia o concentración de un analito, que comprende: un substrato; una fuente de luz para emitir luz de manera primaria de una longitud de onda preseleccionada al ser energizada, y montada sobre una superficie de dicho substrato; un detector de luz para detectar luz incidente sobre la misma y que genera una señal eléctrica que responde a la misma, montada sobre dicha superficie adyacente a dicha fuente de luz, y que está separada de la misma mediante un deflector blindado de luz; una guía de onda que se forma sobre dicha fuente de luz y dicho detector de luz; dicha guía de onda tiene un grosor medio que corresponde a un punto de emisión de campo lejano de dicha fuente de luz; y una matriz indicadora permeable a analito dispuesta sobre una superficie externa de dicha guía de onda, dicha matriz indicadora contiene moléculas indicadoras emisoras de luz cuya emisión de luz es atenuada o potenciada por la presencia de analito en dicha matriz, dicha molécula indicadora se selecciona de manera tal que la longitud de onda emitida por la fuente de luz excite la emisión de luz en las moléculas indicadoras; en donde dicho detector de luz genera una señal eléctrica que responde a la luz incidente sobre la misma y emitida por dichas moléculas indicadoras. 2. - El dispositivo de sensor óptico de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicha superficie externa de dicha guía de onda que es sustancialmente plana y el grosor de dicha guía de onda corresponde a dicho punto de emisión de campo lejano de dicha fuente de luz. 3. - El dispositivo de sensor óptico de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicha superficie externa de dicha guía de onda tiene una configuración de arco curva. 4. - El dispositivo de sensor óptico de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque un punto focal de dicho arco curvo está fuera de dicho dispositivo de detección. 5. - El dispositivo de sensor óptico de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque se ocasiona que longitudes de onda adicionales no deseadas emitidas por dicha fuente de luz pasen fuera de dicha guía de onda sin ser reflejada sustancialmente en la misma. 6. - El dispositivo de sensor óptico de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho dispositivo de detección se utiliza para detectar por lo menos dos analitos diferentes. 7. - El dispositivo de sensor óptico de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicha matriz indicadora permeable a analito es iluminada sustancialmente de manera única por la iluminación directa de dicha fuente de luz. 8.- El dispositivo de sensor óptico de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho detector de luz recolecta iluminación de fluorescencia sustancial y únicamente directa de dicha matriz indicadora. 9.- El dispositivo de sensor óptico de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicha fuente de luz es un LED. 10.- El dispositivo de sensor óptico de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho detector de luz es un fotodiodo. 1 1.- El dispositivo de sensor óptico de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dichas moléculas indicadoras emisoras de luz son moléculas de fluorescencia. 12. - El dispositivo de sensor óptico de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho deflector define por lo menos dos cavidades en las cuales dicha fuente de luz y dicho detector de luz están ubicados cuando se montan sobre dicho substrato, y dicha guía de onda se forma sobre dichas cavidades. 13. - El dispositivo de sensor óptico de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado además porque también comprende un material de relleno transparente formado sobre dicha fuente de luz en la cavidad en la cual dicha fuente de luz se ubica, en donde dicho material de relleno transparente tiene un índice refractivo que es sustancialmente igual al índice refractivo de guía de onda, de modo tal que dicha fuente de luz esté efectivamente montada dentro de dicha guía de onda. 14. - El dispositivo de sensor óptico de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado además porque también comprende un material de relleno impurificado con color que se forma sobre dicha fuente de luz en la cavidad en la cual se ubica dicha fuente de luz, en donde dicho material de relleno impurificado con color tiene un color que corresponde a una emisión de longitud de onda pico de dicha fuente de luz. 15. - El dispositivo de sensor óptico de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado además porque también comprende un material de relleno impurificado con color formado sobre dicho fotodetector en la cavidad en la cual se ubica dicho fotodetector, en donde dicho material de relleno impurificado con color funciona como un filtro para bloquear una longitud de onda predominante emitida por dicha fuente de luz para que no choque contra dicho fotodetector. 16. - El dispositivo de sensor óptico de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque dicho material de relleno es un material polimérico. 17. - El dispositivo de sensor óptico de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque dicho material de relleno es un material polimérico. 18. - El dispositivo de sensor óptico de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado además porque dicho material de relleno es un material polimérico. 19. - El dispositivo de sensor óptico de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado además porque también comprende un material de relleno formado sobre dicha fuente de luz en la cavidad en la cual se ubica dicha fuente de luz, en donde dicho material de relleno tiene un índice refractivo que es menor que el índice refractivo de dicha guía de onda. 20. - El dispositivo de sensor óptico de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado además porque dicho material de relleno impurificado con color tiene un índice refractivo que es mayor que el índice refractivo de dicha guía de onda.