NO328830B1

NO328830B1 - Forbedret fluorescens-maler I

Info

Publication number: NO328830B1
Application number: NO19995282A
Authority: NO
Inventors: Jr Arthur E Colvin
Original assignee: Jr Arthur E Colvin
Priority date: 1997-05-13
Filing date: 1999-10-28
Publication date: 2010-05-25
Also published as: KR20010012545A; AU723849B2; TW385365B; CA2287307C; JP2001525930A; CA2287307A1; US5894351A; NO995282D0; NO995282L; DK0981736T3; DE69809902T2; AU7480398A; KR100508666B1; JP4088352B2; HK1023401A1; WO1998052024A1; EP0981736A1; CN1146726C; PT981736E; DE69809902D1

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en elektrooptisk avfølingsinnretning for å detektere forekomsten eller konsentrasjonen av en analytt i en væske eller et gassmedium. Mer spesielt angår oppfinnelsen en fluorescens-avfølings-innretning som er kjennetegnet ved en ekstraordinær kompakt størrelse, hurtige responstider og høye signal/støy-forhold.

US-patent 5 517 313 hvis innhold herved inntas som referanse, beskriver en fluorescens-avfølingsinnretning som omfatter en lagdelt gruppe med et materiale som inneholder fluorescens-indikatormolekyler, et høypassfilter og en fotodetektor. I denne innretningen er en lyskilde, fortrinnsvis en lysemitterende diode (LED), anbrakt i det minste delvis inne i indikatormaterialet, slik at innfallende lys fra lyskilden får indikatormolekylene til å fluorescere. Høypass-filteret tillater utsendt lys å nå fotodetektoren, mens spredt innfallende lys fra lyskilden filtreres ut.

Fluorescensen til indikatormolekylene som anvendes i innretningen som er beskrevet i US-patent 5 517 313 er modulert, dvs. dempet eller forsterket på grunn av den lokale forekomst av analytten. F.eks. blir den orangerøde fluorescensen til komplekset, tris(4,7-difenyl-1,10-fenantrolin)-rutenium(II)perklorat undertrykket av det lokale nærvær av oksygen. Dette komplekset kan derfor med fordel benyttes som indikatormolekyl i en oksygensensor. Likeledes er det kjent andre indikatormolekyler hvis fluorescens blir påvirket av spesielle analytter.

I den sensor som beskrives i US-patent 5 517 313 er det materiale som inneholder indikatormolekylet, permeabelt for analytten. Analytten kan således diffundere inn i materialet fra det omgivende testmedium og derved påvirke den fluorescens som utsendes av indikatormolekylene. Lyskilden, det indikatormolekyl-holdige materiale, høypassfilteret og fotodetektoren er utformet slik at fluorescens utsendt av indikatormolekylene treffer fotodetektoren og genererer et elektrisk signal som indikerer konsentrasjonen av analytten i det omgivende medium.

Selvom den avfølingsanordning som er beskrevet i US-patent 5 515 313 representerer en markert forbedring i forhold til tidligere kjente innretninger, er det fremdeles et behov for sensorer som er enda mer kompakte, billigere og som har avfølingskarakteristikker som er bedre enn de som er beskrevet i ovennevnte patent. Det er således et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en forbedring av de avfølingsinnretninger som er beskrevet i forannevnte patent.

Oppfinnelsen vil bli illustrert under henvisning til de vedføyde tegninger, hvor: Fig. 1 er en perspektivskisse av en konvensjonell lysemitterende diode; Fig. 2 er en perspektivskisse som illustrerer en avfølingsinnretning i samsvar med foreliggende oppfinnelse; Fig. 3 er et tverrsnitt av avfølingsinnretningen på fig. 2, tatt langs linjene 3-3 på fig. 2; Fig. 4 viser et tverrsnitt av en alternativ utførelsesform av en avfølingsinnretning i samsvar med foreliggende oppfinnelse; Fig. 4a er en utspilt skisse av avfølingsinnretningen på fig. 4; Fig. 5 viser et tverrsnitt av en annen alternativ utførelsesform av en avfølingsinnretning i samsvar med foreliggende oppfinnelse; Fig. 6 viser et tverrsnitt av en annen alternativ utførelsesform av en avfølingsinnretning i samsvar med foreliggende oppfinnelse; Fig. 7 er et toppriss av avfølingsinnretningen på fig. 6; Fig. 8 og 9 illustrerer en fotodetektor for avfølings-innretningen i samsvar med en alternativ utførelsesform av foreliggende oppfinnelse; Fig. 10 viser et tverrsnitt gjennom en annen alternativ utførelsesform av en avfølingsinnretning i samsvar med foreliggende oppfinnelse; Fig. 11 viser et tverrsnitt gjennom en annen alternativ utførelsesform av en avfølingsinnretning i samsvar med foreliggende oppfinnelse; og Fig. 12 illustrerer en multisensor-utførelse for samtidig å bestemme forekomsten eller konsentrasjonen av et antall analytter i et omgivende gass- eller væske-medium. I henhold til foreliggende oppfinnelse omfatter en fluorescensavfølingsinnretning for å bestemme forekomsten eller konsentrasjonen av en analytt i et væske- eller gass-medium (a) en lysemitterende pn-overgang (heretter kalt en lysemitterende diode ("LED")), hvor nevnte LED har et hull i en retning hovedsakelig perpendikulær til pn-overgangsplanet, idet hullet er utformet slik at ved påtrykning av et elektrisk potensial over overgangen, blir lys utsendt fra overgangen inn i hullet; (b) en analyttpermeabel fluorescensmatriks som befinner seg inne i det minste en del av hullet, hvor fluorescensmatriksen inneholder fluorescensindikator-molekyler hvis fluorescens blir dempet eller forsterket ved nærvær av en analytt i fluorescensmatriksen; hvor LED og fluorescensindikator-molekylene er valgt slik at den bølgelengde som emitteres av LED eksiterer fluorescens i indikatormolekylene; og (c) en fotodetektor ved en ende av hullet som genererer et elektrisk signal som reaksjon på fluorescerende lys utsendt av fluorescensindikator-molekylene.

En konvensjonell lysemitterende diode er illustrert på fig. 1. LED 10 består av et lag av n-type halvleder og et lag av p-type halvleder, som ved pn-grenseflaten 12 danner en lysemitterende overgang. Når et elektrisk potensial blir påtrykt over pn-overgangen 12, f.eks. via elektriske ledere 14 og 16, blir lysstråler 11 utsendt fra overgangen i til-nærmet samme plan som overgangen. Som vist i US-patent 5 517 313 er denne kantemitterende egenskapen til lysemitterende dioder med fordel blitt brukt til å rette lys transversalt gjennom et lag av en fluorescensmatriks (fluorescens grunn-masse) i en elektrooptisk sensor.

Lysemitterende dioder blir konvensjonelt fremstilt ved først å preparere en tolags halvlederskive ved bruk av kjente infusjonsdopingsteknikker og så kutte eller skjære den resul-terende skive i brikker av passende størrelser. Lysemitterende dioder er vanligvis ganske små og måler i størrelses-orden 200-3 00 mikrometer på en kant.

I samsvar med foreliggende oppfinnelse er det blitt oppdaget, ganske overraskende, at et hull eller en kavitet kan kuttes inn i en LED-brikke uten å ødelegge eller i særlig grad skade funksjonaliteten til den lysemitterende pn-overgang. Ved påtrykning av et elektrisk potensial over overgangen blir således lys utsendt fra overgangen inn i hullet eller kaviteten. Fig. 2 illustrerer en innretning ifølge foreliggende oppfinnelse i perspektiv, delvis gjennomskåret. Sensoren 20 innbefatter en LED 22 med inngangsledere 24 og 26 for påtrykning av et elektrisk potensial over pn-overgangen 28. LED har et hull 29 skåret inn i en orientering hovedsakelig perpendikulært til pn-overgangen 28. Som vist på fig. 3 er det i hullet 28 anbrakt en polymermatriks 32 som inneholder fluorescensindikator-molekyler, hvis fluorescens blir dempet eller forsterket ved nærvær av analytt. Fluorescensmatriksen er permeabel for analytt slik at analytt som er til stede i et gass- eller væske-medium eksponert for den åpne ende av hullet 29, kan diffundere inn i og ut av fluorescensmatriksen 32. Hullet 29 kan være fylt til et nivå slik at lysstrålene blir sendt inn i fluorescensmatriksen 32. F.eks. kan hullet 29 være fylt fullstendig (dvs. parallelt med den øvre overflate av den lysemitterende diode). Hullet 29 kan også være fylt til et nivå tilstrekkelig til å dekke pn-overgangen 2 8.

I en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse kan en fotodetektor 23 være anbrakt ved en ende av den lysemitterende diode 22 med et fotofølsomt område 25 ved siden av hullet 29. Fotodetektoren kan være en konvensjonell fotoelektrisk fast stoff innretning som er et resultat av grenseflaten mellom to halvledere. I en foretrukket utfør-elsesform svarer det lysfølsomme område 25 til det området ved siden av hullet 29. Dette lysfølsomme område kan være frembrakt ved hjelp av konvensjonelle fotomaskeringsteknikker som er velkjente på området. Det elektriske signal som genereres av fotodetektoren 23, blir overført via elektriske ledere 33 og 31 til passende forsterknings- og måle-kretser (ikke vist).

Virkemåten til sensoren 20 er illustrert i tverrsnitts-skissen på fig. 3. Ved påtrykning av et elektrisk potensial over pn-overgangen 28 via lederne 24 og 26, blir lysstråler 34 sendt inn i fluorescensmatriksen 32 som befinner seg i hullet 29. Når lysstråler treffer et fluorescensindikator-molekyl 36, fluorescerer molekylet med en intensitet som er avhengig av analyttkonsentrasjonen i fluorescensmatriksen 32. En del av det fluorescerende lyset blir rettet nedover mot fotodetektoren 23 og treffer det lysfølsomme området 25. Fotodetektoren 23 og det lysfølsomme området 25 genererer et elektrisk signal som blir overført over lederne 33 og 31.

Som vist på fig. 3 blir lys sendt fra pn-overgangen 28 inn i fluorescensmatriksen 32 effektivt innfanget i innretningen gjennom indre reflektans for derved å forbedre inn-retningens totale effektivitet. Lysstrålen 37 som ikke blir absorbert ved en første gjennomgang gjennom fluorescensmatriksen 32, kan f.eks. reflekteres fra veggen i hullet 29 tilbake inn i fluorescensmatriksen hvor den har en annen mulighet til å treffe et fluorescensindikator-molekyl.

Effektiviteten til innretningen kan forbedres ytter-ligere ved å belegge veggene i den lysemitterende diode 22 med et reflekterende, ikke-ledende materiale 39. F.eks. kan et lateksmateriale brukes til å belegge veggene til LED 22. Lys som ellers ville bli sendt ut av innretningen, blir således reflektert tilbake gjennom veggene til LED 22 inn i fluorescensmatriksen 32.

Hullet 29 kan være utformet i LED 22 ved hjelp av enhver hensiktsmessig teknikk. Det har vist seg at hullet kan maski-neres inn i LED 22 ved hjelp av en eksimerlaser, fortrinnsvis en som emitterer lys ved en bølgelengde på omkring 248 nanometer. Eksimerlaseren kan også benytte en bølgelengde på omkring 193 nanometer ved lavere effektivitet. X- og y-koordinatene til laserstrålen blir styrt av en apertur, og dybden av hullet 29 blir regulert av antall pulser. Dimen-sjonene til hullet 29 kan variere avhengig av den anvendelse sensoren 20 skal benyttes til. Hullet 29 kan passere fullstendig gjennom LED 22. Alternativt kan en vegg eller et lag av halvledermateriale være igjen ved enden av hullet ved siden av fotodetektoren, forutsatt at den er tilstrekkelig transparent for det lys som emitteres av fluorescensindikator-molekylene 36. Et grunt hull kan benyttes så lenge hullet passerer gjennom pn-overgangen. Hullet 29 kan ha enhver ønsket form, og er fortrinnsvis av sylindrisk form. Diameteren til hullet 29 ligger fortrinnsvis i området fra omkring 10 til 300 mikrometer, fortrinnsvis fra omkring 20 til omkring 200 mikrometer, og spesielt fra omkring 100 til omkring 150 mikrometer.

Den analyttpermeable fluorescensmatriks 32 er fortrinnsvis en polymermatriks med dispergerte fluorescensindikator-molekyler. Polymeren er fortrinnsvis en som kan støpes inn i hullet 29, kan avsettes der ved fordampning eller polymeri-seres fra monomerer eller oligomerer in situ. Polymeren som brukes i matriksen bør være optisk overførende ved eksitasjon- og emisjon-bølgelengden til indikatormolekylene.

En rekke forskjellige polymerer kan brukes for preparering av fluorescensmatriksen 32. Det polymersystem som har vist seg nyttig for preparering av en oksygensensor anvender en silikonpolymer RTV 118, tilgjengelig fra General Electric Company, Pittsfield, MA, USA. Denne polymeren kan oppløses i en 1:1 til 1:6 petroleum, eter/kloroform-blanding, fluorescensindikator-ruteniumkomplekset som det er henvist til ovenfor, blandes inn i polymerløsningen ved en konsen-trasjon på fra omkring 0,1 til omkring 1 mM, og den resul-terende blanding blir anbrakt i hullet 29. Fordampning av løsemidlene resulterer i avsetning av en fluorescensmatriks 32 inne i hullet 29.

I en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse kan en elektrisk leder være festet til toppen av halvledermaterialet som utgjør LED 22 og en elektrisk leder 24 er forbundet med bunnen av LED 22, som illustrert på figurene 2-4. Som tydelig vist på fig. 4a er elektriske ledere 31 og 33 festet til henholdsvis toppen og bunnen av fotodetektoren 23. I en foretrukket utførelsesform kan de elektriske ledere 24 og 31 være innbakt i et epoksymateriale som forbinder LED 22 med fotodetektoren 23.

I en alternativ utførelsesform er den nedre overflate av LED 22 i elektrisk kontakt med den øvre overflate av fotodetektoren 23, slik at en felles elektrisk kontakt kan anvendes (ikke vist). For å lette denne elektriske kontakten kan et elektrisk ledende klebemiddel brukes til å sammenføye fotodetektoren 23 og LED 22.

På grunn av den fysiske utforming av sensoren 20 når meget lite av det innfallende lys som utsendes fra overgangen 28, fotodetektoren 23. Likevel kan små mengder med slikt lys nå fotodetektoren gjennom intern reflektans. I tillegg kan omgivende lys som passerer gjennom hullet 29, nå fotodetektoren 23. Som vist på fig. 4 kan et optisk sperrefilter 41 være innskutt mellom fluorescensmatriksen 32 og fotodetektoren 23. Filteret 41 er utformet for å slippe gjennom fluorescenslys utsendt fra fluorescensindikator-molekylene 36, mens det filtrerer ut innfallende lys utsendt fra LED 22 samt betydelige deler av omgivelseslys som ellers ville nå fotodetektoren 23. Fotodetektoren 23, filteret 41 og LED 22 kan være fysisk sammenføyd ved hjelp av et klebemiddel. Fig. 4a viser en utspilt skisse av sensoren på fig. 4.

I en utførelsesform er det optiske filter 41 belagt på fotodetektoren 23. Et egnet optisk filterbelegg kan frem-skaffes fra Optical Coating Laboratory, Inc., Santa Rosa, California, USA, og påføres ved hjelp av konvensjonelle metoder. Se US-patent nr. 5 200 855. I en annen utførelses-form kan det optiske filter være en farget epoksy som kan benyttes til å innbake den elektriske leder 24 som er tilkoplet LED 22. F.eks. kan en passende farget epoksy skaffes fra CVI Laser, Corp., Albuquerque, New Mexico.

I nok en annen utførelsesform kan det optiske filter 42 være anbrakt i hullet 29 mellom fotodetektoren 23 og fluorescensmatriksen 32, som illustrert på fig. 5. Et passende optisk filter kan være et filter av epoksytypen som er tilgjengelig fra CVI Laser, Corp., Albuquerque, New Mexico.

Figurene 6 og 7 illustrerer en elektrooptisk avfølings-innretning 60 i samsvar med en annen utførelsesform av foreliggende oppfinnelse. Sensoren 60 innbefatter en LED 62 understøttet av et substrat 64. LED 62 er fortrinnsvis dannet ved avsetning av et første halvlederlag 66 (slik som et materiale av n-type GaN) på toppen av substratet 64, og så avsetning av et annet halvlederlag 65 (slik som et materiale av p-type GaN) på toppen av det første halvlederlaget. pn-grenseflaten mellom halvlederlagene 66 og 65 utgjør en lysemitterende overgang 68. Halvlederlagene til LED 62 ligger i et tykkelsesområde fra omkring 2 til 3 0 mikrometer, fortrinnsvis fra omkring 5 til 20 mikrometer, og helst fra omkring 8 til 12 mikrometer.

LED 62 har inngangsledere 24 og 26 for tilførsel av et elektrisk potensial over pn-overgangen 68. Som vist på fig. 6 er inngangslederen 26 koplet til anodeoverflaten 65 og inngangslederen 24 er koplet til katodeoverflaten 66. I en foretrukket utførelsesform er inngangslederen 24 koplet til katodeoverflaten 66 på LED 62 ved en nedre del av katodeoverflaten 66, som vist på fig. 6. Inngangslederen 24 kan også være koplet til katodeoverflaten 66 som beskrevet ovenfor i forbindelse med fig. 2. I samsvar med en foretrukket ut-førelsesform er også inngangslederen 26 festet til anodeoverflaten 65 på LED 62 ved en kontaktpute 63 laget av et meget godt elektrisk ledende materiale. Kontaktputen 63 er fortrinnsvis laget av gull, men kan også være laget av andre meget godt elektrisk ledende materialer som er kjent for fagfolk på området. Inngangslederen 26 kan være forbundet med kontaktputen 63 ved hjelp av enhver egnet metode, f.eks. innbefattet kulebånding eller kilebånding.

Et hull 69 er utformet i LED 62 i en orientering som er hovedsakelig perpendikulær til det plan som inneholder pn-overgangen 68. Som beskrevet ovenfor i forbindelse med figurene 2-4, er polymermatriksen 32 anbrakt i hullet 69 som inneholder fluorescensindikator-molekyler hvis fluorescens blir dempet eller forsterket ved nærvær av analytt. På grunn av den uhyre lille tykkelsen til LED 62 som er beskrevet ovenfor, blir hullet 69 fortrinnsvis laget ved å maskere en del av LED 62 å etse hullet 60 ved bruk av teknikker som er kjent for fagfolk på området. Den maskerings- og etsings-teknikk som fortrinnsvis benyttes til å lage hullet 69 i samsvar med denne utførelsesform, representerer en betydelig fordel i forhold til den laserfjerningsteknikken som er beskrevet ovenfor.

Substratet 64 kan være laget av ethvert egnet materiale som er tilstrekkelig optisk overførende ved emisjonsbølge-lengden til indikatormolekylene. Substratet 64 kan fortrinnsvis være et materiale som muliggjør avsetning eller fremstilling av LED-materialet på dets overflate. I en foretrukket utførelsesform er substratet 64 laget av et ikke-ledende, SiC materiale. LED 62 og substratet 64 kan være fysisk sammenføyd ved hjelp av enhver hensiktsmessig teknikk, slik som f.eks. fremstilling eller avsetning.

I samsvar med denne utførelsesformen er også en fotodetektor 72 anbrakt ved en nedre del av substratet 64 med et fotofølsomt område under hullet 69, som vist på fig. 6. Fotodetektoren 72 kan være en fotoelektrisk faststoff innretning som er et resultat av grenseflaten mellom to halvledere. I en utførelsesform er et halvlederområde 73 av n-type og et halvlederområde 74 av p-type dannet i substratet 64, som illustrert på fig. 6. Halvlederområdene 73 og 74 kan være dannet ved teknikker som er kjent for fagfolk på området. F.eks. kan halviederområdet 73 være laget ved å maskere en del av substratet 64 og infusjonsdoping av et umaskert område av substratet 64, som illustrert på fig. 8. Halvlederområdet 74 kan være laget ved å maskere deler av substratet 64 og halvlederområdet 73, og infusjonsdope et umaskert område av halvledermaterialet 73, som illustrert på fig. 9. Det elektriske signal som genereres av fotodetektoren 72, blir overført via elektriske ledere 70 og 71 til passende forsterknings- og måle-kretser (ikke vist).

Et optisk sperrefilter kan være innskutt mellom fluorescensmatriksen 32 og fotodetektoren 72. I en foretrukket utførelsesform kan et filter 75 være anbrakt i hullet 69 mellom fluorescensmatriksen 32 og substratet 64, som illustrert på fig. 10. Filteret 75 er i likhet med filteret 41 utformet for å overføre fluorescenslys emittert fra fluorescensindikator-molekylene 36, mens innfallende lysstråler utsendt av LED 62 samt betydelige deler av omgivelseslys som ellers ville nå fotodetektoren 23, blir filtrert ut. Et foretrukket filter er et dikroisk Si02/Ti02 elektronstråle-avsatt tynnfilmfilter, slik som de som er tilgjengelige fra Optical Coating laboratories, Inc., Santa Rosa, California, USA og som f.eks. er beskrevet i US-patent nr. 5 200 855 som herved inntas som referanse. Selvsagt kan passende filtre med andre sammensetninger også benyttes.

Som beskrevet ovenfor i forbindelse med figurene 6 og 10 kan sensoren 60 fortrinnsvis også være en enkelt monolittisk struktur som har et LED-område og et detektorområde. I en foretrukket utførelsesform kan sensoren 60 også ha et filterområde. I samsvar med nok en annen utførelsesform av oppfinnelsen kan en konvensjonell fotodetektor (slik som fotodetektoren 23 som er beskrevet ovenfor) være anbrakt ved en ende av substratet 64 med et fotofølsomt område 25 under hullet 69, som illustrert på fig. 11. Fotodetektoren 23 kan være forbundet med substratet 64 ved hjelp av et passende optisk overførende klebemiddel. Det elektriske signal som genereres av fotodetektoren 23, blir overført via elektriske ledere 31 og 33 til passende forsterknings- og måle-kretser (ikke vist), som beskrevet ovenfor. I samsvar med denne utførelsesformen kan en sensor 60 også være forsynt med et optisk sperrefilter som beskrevet ovenfor. Som illustrert på fig. 11 kan det optiske sperrefilteret 75 være innskutt i hullet 69 mellom fluorescensmatriksen 32 og substratet 64. I en alternativ utførelsesform kan et optisk sperrefilter være innskutt mellom substratet 64 og fotodetektoren 23, som beskrevet ovenfor i forbindelse med figurene 2-4.

Selv om begge de elektriske lederne 31 og 33 på fig. 11 er vist som om de strekker seg fra de øvre og nedre områder av fotodetektoren 23, kan begge strekke seg fra bunnen av fotodetektoren 23. En egnet bunnfestet fotodetektor eller "flip chip" som beskrevet her, kan f.eks. skaffes fra Advanced Photonics, Camarillo, California. Den bunnfestede fotodetektor kan også brukes med den sensor som er beskrevet ovenfor i forbindelse med figuren 2-5.

Sensorene ifølge foreliggende oppfinnelse er karakterisert ved en ekstraordinær liten størrelse. F.eks. er de totale dimensjoner av sensoren i størrelsesorden 200-300 mikrometer på en kant. Disse sensorene kan også ha totale dimensjoner så store som omkring 500 mikrometer og så små som 50 mikrometer på en kant. Sensorene kan således benyttes i mikroanvendelser. F.eks. er sensorene små nok til å bli implantert under huden eller i et blodkar. Selvom sensorene er blitt illustrert i forbindelse med deteksjon av oksygen-konsentrasjoner, kan det velges indikatormolekyler som er følsomme for analytter slik som glukose, visse hormoner, enzymer o.1.

Det lille volumet til fluorescensmatriks-materialet og det lille fotofølsomme området til fotodetektorene 72 og 23 tilveiebringer innretninger som har en meget lav mørkestrøm. Signal/støy-forholdet i innretningene ifølge oppfinnelsen er således ganske godt.

/I lys av den ekstraordinære lille størrelse av sensorene i samsvar med foreliggende oppfinnelse, kan flere sensorer benyttes for samtidig å bestemme nærværet eller konsentrasjonen av antall analytter i et omgivende gass- eller væske-medium. I en utførelsesform, som illustrert på fig. 12, omfatter en sensor 80 et LED-område som kan innbefatte et antall lysemitterende dioder 62, og et detektorområde som kan innbefatte et antall fotodetektorer 53. De lysemitterende dioder 62 kan være dannet på et substrat 50 ved hjelp av enhver egnet konvensjonell teknikk, slik som f.eks. fabrika-sjon eller avsetning. Substratet 50 kan fortrinnsvis være laget av et ikke-ledende SiC-materiale; imidlertid kan andre egnede substratmaterialer benyttes som kjent av fagfolk på området. Hver av de lysemitterende dioder 62 som er vist på fig. 12, kan ha hovedsakelig samme struktur som beskrevet ovenfor i forbindelse med figurene 6, 7 eller 10. Fortrinnsvis inneholder hver LED en fluorescensmatriks 32 som innbefatter et fluorescensindikator-molekyl 36 hvis fluorescens blir dempet eller forsterket ved en forskjellig analytt.

I samsvar med oppfinnelsen kan fotodetektorene 53 være dannet på en side av substratet 50, som illustrert på fig. 12. Fotodetektorene 53 innbefatter fortrinnsvis et separat fotofølsomt område for hver LED som er anbrakt på substratet 50. Hvert fotofølsomt område er anbrakt slik at det mottar det fluorescerende lys som utsendes fra fluorescensindikator-molekylene 36 i hullene 69. I en utførelsesform kan fotodetektorene være laget ved maskering og infusjonsdoping av substratet 50 for å lage halvlederområder separat av p-type og n-type, som beskrevet ovenfor i forbindelse med figurene 8 og 9. De elektriske signaler som genereres av fotodetektorene 53, blir overført via elektriske ledere 70 og 71 til passende forsterknings- og måle-kretser (ikke vist).

Som beskrevet ovenfor i forbindelse med fig. 12, kan sensoren 80 fortrinnsvis være en enkelt monolittisk struktur med et LED-område og et detektorområde. I en foretrukket utførelsesform kan sensoren 80 også ha et filterområde.

Fluorescenssensorene ifølge oppfinnelsen er blitt beskrevet i forbindelse med visse foretrukne utførelsesformer. Fagfolk på området vil innse at modifikasjoner og forbedring-er kan gjøres uten å avvike fra oppfinnelsens ramme slik den er definert i de vedføyde patentkrav.

Claims

1. Fluorescensavfølende innretning for å bestemme forekomsten eller konsentrasjonen av en analytt i et væske- eller gass-medium med en lysemitterende diode ("LED") (22, 62) som har en halviederovergang, en analyttpermeabel fluorescensmatriks (32) som inneholder fluorescensindikator-molekyler (36) hvis fluorescens blir dempet eller forsterket ved nærvær av en analytt i fluorescensmatriksen, og en fotodetektor (23,

72) , karakterisert ved at (a) nevnte LED har et hull (29, 69) i en retning hovedsakelig perpendikulær til halviederovergangen, idet hullet er utformet slik at ved påtrykning av et elektrisk potensial over overgangen, blir lys utsendt fra overgangen inn i hullet; (b) den analyttpermeabele fluorescensmatriksen som befinner seg inne i det minste en del av hullet, hvor LED og fluorescensindikator-molekylene er valgt slik at den bølgelengde som emitteres av LED eksiterer fluorescens i indikatormolekylene; og (c) fotodetektoren er anordnet ved en ende av hullet som genererer et elektrisk signal som reaksjon på fluorescerende lys utsendt av fluorescensindikator-molekylene .

2. Fluorescensavfølende innretning ifølge krav 1, hvor fluorescensmatriksen (32) omfatter fluorescensindikator-molekyler (3 6) dispergert i en polymer som overfører lys ved eksitasjons- og emisjons-bølgelengdene til fluorescensindikator-molekylene .

3. Fluorescensavfølende innretning ifølge krav 1 eller 2, hvor den lengste kant av den lysemitterende diode (22, 62) er mindre enn 500 mikrometer.

4. Fluorescensavfølende innretning ifølge krav 3, hvor den lengste kant av den lysemitterende diode (22, 62) er mindre enn 300 mikrometer.

5. Fluorescensavfølende innretning ifølge krav 3 eller 4, hvor hullet (29, 69) i den lysemitterende diode (22, 62) har en diameter på fra 10 til 500 mikrometer.

6. Fluorescensavfølende innretning ifølge krav et av kravene 1 til 5, hvor den videre omfatter et reflekterende belegg (39) på den lysemitterende diodes yttervegger.

7. Fluorescensavfølende innretning ifølge et av kravene 1 til 6, videre omfattende et optisk sperrefilter (41, 75) innkutt mellom fluorescensmatriksen og fotodetektoren, hvor det optiske filter er i stand til å overføre lys ved den bølgelengde som utsendes av fluorescensindikator-molekylene og absorbere eller blokkere lys ved de bølgelengder som utsendes av den lysemitterende diode.

8. Fluorescensavfølende innretning ifølge krav 7, hvor det optiske sperrefilter (41, 75) er et belegg på fotodetektoren.

9. Fluorescensavfølende innretning ifølge krav 7, hvor det optiske sperrefilter (41, 75) er anbrakt i hullet (29, 69) mellom fluorescensmatriksen og fotodetektoren (23, 72) .

10. Fluorescensavfølende innretning ifølge et av kravene 1 til 9, hvor indikatormolekylet (36) er komplekse tris(4,7-difenyl-1,10-fenantrolin)rutenium(II)perklorat, og at den fluorescensavfølende innretning er en oksygenavfølende innretning.

11. Fluorescensavfølende innretning ifølge et av kravene 1 til 10, hvor den lysemitterende diode (22, 62) har en tykkelse på fra 10 til 20 mikrometer.

12. Fluorescensavfølende innretning ifølge et av kravene 1 til 11, hvor sensoren omfatter et antall lysemitterende dioder (22, 62) som hver har et hull inneholdende den analyttpermeable fluorescensmatriks.

13. Fluorescensavfølende innretning ifølge krav 12, hvor den analyttpermeable fluorescensmatriks (32) som befinner seg i hver av de lysemitterende dioder (22, 62), inneholder fluorescensindikator-molekyler (3 6) hvis fluorescens blir dempet eller forsterket ved nærvær av en forskjellig analytt.

14. Fluorescensavfølende innretning ifølge et av kravene 1 til 13, hvor den fluorescensavfølende innretning er en enkelt monolittisk struktur (60).

15. Fluorescensavfølende innretning ifølge krav 14, hvor den ene monolittiske struktur omfatter et LED-område (62) og et detektorområde (72).

16. Fluorescensavfølende innretning ifølge krav 15, hvor den ene monolittiske struktur videre omfatter et filterområde (75).

17. Fluorescensavfølende innretning ifølge krav 15 eller 16, hvor LED-område har en tykkelse på fra 10 til 20 mikrometer.

18. Fremgangsmåte for å bestemme forekomsten eller konsentrasjonen av en analytt i et væske- eller gass-medium ved bruk av en lysemitterende diode ("LED") (22, 62) med en halviederovergang (28, 68) på et substrat, karakterisert ved: (a) å danne et hull (29, 69) i nevnte LED orientert hovedsakelig perpendikulært til halvlederovergangen og utformet slik at ved påtrykning av et elektrisk potensiale over overgangen, blir lys emittert fra overgangen inn i hullet; (b) å anbringe en analyttpermeabel fluorescensmatriks (32) inne i hullet, hvilken fluorescensmatriks inneholder fluorescensindikator-molekyler (3 6) hvis fluorescens blir dempet eller forsterket ved forekomsten av analytt i fluorescensmatriksen, og velge nevnte LED og fluorescensindikator-molekylet slik at den bølgelengde som emitteres av LED eksiterer fluorescens i indikatormolekylene; og (c) å danne en fotodetektor (23, 72) ved en ende av substratet som generer et elektrisk signal som reaksjon på fluorescerende lys utsendt av fluorescensindikator-molekylene.

19. Fremgangsmåte for å bestemme forekomsten eller konsentrasjonen av en analytt i et væske- eller gass-medium ifølge krav 18, videre omfattende å fremstille den fluorescens-avf ølende innretning som en enkelt monolittisk struktur (60).

20. Fremgangsmåte for å bestemme forekomsten eller konsentrasjonen av en analytt i et væske- eller gass-medium ifølge krav 18 eller 19, hvor utformingen av hullet (29, 69) i den lysemitterende diode (22, 62) videre omfatter å etse et hull i den lysemitterende diode.

21. Fremgangsmåte for å bestemme forekomsten eller konsentrasjonen av en analytt i et væske- eller gass-medium ifølge et av kravene 18 til 20, hvor utformingen av en lysemitterende diode (22, 62) på substratet videre omfatter å danne en lysemitterende diode på en substrat (50, 64) laget av SiC.