La invención se refiere a un dispositivo sensor de fibra óptica basado en resonancia de plasmones superficiales (SPR) en óxidos metálicos conductores transparentes.

Más en particular, se refiere a un sensor basado en SPR con una capa de óxidos metálicos conductores transparentes, que aúna las ventajas de la eliminación del prisma óptico de la configuración de Kretschmann en favor de un diseño en fibra óptica, portátil, de pequeño tamaño y con posibilidad de realizar medidas remotas y multiplexación. La incorporación de óxidos metálicos conductores transparentes implica el traslado a la región infrarroja de la longitud de onda de plasmones superficiales.

parte real del vector de ondas del plasmón superficial, la luz incidente excita resonantemente las ondas de plasmones superficiales, y una fracción de la energía incidente se transfiere o dispersa para 5 producir la resonancia de plasmones superficiales o SPR (Surface Plasmon Resonance) . Esta dispersión de energía depende a la vez de la constante dieléctrica del material conductor y de la constante dieléctrica de la muestra en contacto con el material conductor. 10 Por lo tanto, mediante la medida del vector de ondas de resonancia en la interfaz conductor/dieléctrico podríamos determinar la constante dieléctrica de la muestra (líquida o gaseosa) . De manera alternativa, si la muestra contiene sustancias químicas desconocidas, las medidas de la constante dieléctrica nos podrían ayudar a determinar la concentración de sustancias presentes en la muestra. Tradicionalmente, se ha utilizado la configuración de Kretschmann (Kretschmann y Raether, Z. Naturforsch.

Teil A 23:2315-2136, 1968) para la medida de SPR. En esta configuración, se deposita una capa fina de un metal altamente reflexivo (por ejemplo, oro o plata) sobre la base de un prisma. La superficie del metal entra en contacto con la muestra y mediante la utilización de una luz monocromática polarizada en modo TM que atraviesa el prisma y la medición de la intensidad de luz reflejada en función del ángulo de incidencia se calcula el espectro de reflexión SPR de la muestra. El ángulo con intensidad de reflexión mínima es el ángulo de resonancia en el cual se origina el acoplamiento máximo entre la luz incidente y las ondas de plasmones superficiales. Este ángulo, junto con el espectro de resonancia y la intensidad en el ángulo en el cual se obtiene la intensidad de reflexión mínima, puede ser utilizado para caracterizar o determinar la muestra en contacto con 5 la superficie metálica. Diversos tipos de sensores basados en SPR han sido descritos en la literatura, sensibles a cambios tanto del índice de refracción como del espesor de las muestras. Estos sistemas, junto con los recubrimientos químicos sensibles 10 adecuados han originado el desarrollo de una gran variedad de sensores químicos basados en SPR (así por ejemplo C. Nylander, B. Liedberg y T. Lindt, Sens. & Actuators, 4:299, 1983 utilizan el barrido angular; K. Matsubara, S. Kawata y S, . Minami, Appl. Opt., 15 27:1160, 1988 utilizan un detector lineal múltiple; L.

M. Zhang y D. Uttamchandani, Electron. Lett., 24:1469, 1988 hacen un barrido en longitud de onda; Liedberg et al., Sens. & Actuators, 4:299, 1983; Daniels et al., Sens. & Actuators, 15:11, 1988; Jorgenson et al., IEEE/Engineering Medicine and Biology Society Proceedings, 12:440, 1990 fabrican sensores para ensayos inmunológicos.

A pesar de que la configuración de Kretschmann para sensores químicos basados en SPR ofrece una 25 sensibilidad considerable, presenta inconvenientes derivados de su configuración geométrica que han restringido enormemente su aplicación. Como un claro ejemplo de limitación, cabe citar la necesidad de incluir un prisma relativamente grande, caro e inapropiado para aplicaciones remotas. Además, tales dispositivos requieren un instrumental preciso o bien una elaboración complicada de los datos obtenidos;

esto hace que sean dispositivos no portátiles y de difícil implantación en ambientes industriales. Asimismo, emplean en su mayoría una fuente de luz monocromática debido a las limitaciones de la 5 configuración (como la presencia del prisma) , y necesitan que la luz incidente realice un barrido en un rango amplio de ángulos incidentes debido a que utilizan como parámetro de medida el ángulo al cual se produce la máxima atenuación de la intensidad de reflexión. A partir de las necesidades expuestas anteriormente se describe un nuevo tipo de sensores basados en SPR sobre fibra óptica (R. C. Jorgenson y S. S. Yee, Sens. & Actuators. B 12:213, 1993) que proporcionan una sensibilidad razonable mejorando las limitaciones de los sistemas con la configuración de Kretschmann expuestas anteriormente, como la necesidad de utilización de un prisma o la utilización de una fuente de luz monocromática y posibilitando las aplicaciones de detección remota. Estos nuevos dispositivos utilizan una luz incidente de amplio espectro como fuente de excitación del dispositivo sensor, basado en SPR de fibra óptica, el cual, está compuesto por una fibra óptica con una parte del núcleo expuesta y una fina capa de un metal altamente reflexivo (comúnmente oro o plata) depositado sobre el núcleo y que propicia el efecto de plasmones superficiales. De esta manera, midiendo la intensidad de la luz para cada longitud de onda a la salida de la fibra después de haber atravesado la zona sensible podemos determinar o caracterizar la muestra en contacto. Al igual que anteriormente en la configuración de Kretschmann, este sistema también permite la utilización de capas o recubrimientos de partículas adheridos a la capa metálica y sensibles a diferentes sustancias o compuestos químicos en función de la aplicación (A. K. Sharma y B. D. Gupta, Phot. & Nanostructures, 3:30, 2005) . Dos son las configuraciones principales preferidas para este tipo de sensores, basadas en sistemas de fibra óptica en transmisión en línea (A. Díez, M. V.

Andrés y J. L. Cruz, Sens. & Actuators B, 73:95, 2001)

o terminados en reflexión (R. Slavik, J. Homola, Z. Manikova & J. Ctyroky, Sens. & Actuators B, 51:311, 1998) sobre las que se han desarrollado gran cantidad de aplicaciones. A su vez, el rango de trabajo en este 15 tipo de sensores o la posición y anchura del pico de resonancia vienen determinados por los parámetros de la fibra óptica (material o índice de refracción del núcleo, apertura numérica y diámetro del núcleo) así como por las características de la capa metálica 20 depositada (longitud, espesor o constante dieléctrica) lo que permite ajustar el dispositivo dependiendo de la aplicación para la que lo vayamos a utilizar (por ejemplo, R. D. Harris, J. S. Wilkinson, Sens. & Actuators B, 29:261, 195 que utiliza una fibra de vidrio de bajo índice de refracción) . No obstante, a pesar de las ventajas de la configuración en fibra óptica frente a la de Kretschmann la utilización de metales como el oro y la plata sigue siendo un obstáculo para el despegue y comercialización de estos dispositivos ya que encarecen su fabricación, no permiten el ajuste directo de la frecuencia a la que se producen los plasmones, presentan interferencias debido a la absorción originada en las transiciones entre las bandas electrónicas d o sp, tienen una superficie en algunos casos no fácilmente procesable para las 5 posibles aplicaciones, amortiguan la fluorescencia como en el caso del oro especialmente, sufren una alta atenuación al utilizar fibras no diseñadas específicamente para la transmisión a esas longitudes de onda, presentan una variación del pico de resonancia en longitud de onda a la salida muy limitada o no permiten la realización de medidas complementarias a otras longitudes de onda.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención es resolver los problemas técnicos descritos anteriormente. Para ello, la invención propone un sensor de fibra óptica basado en la excitación de plasmones superficiales, que comprende:

- una fibra óptica con un núcleo guiaondas y al menos una zona sensible situada entre los dos extremos o en uno de ellos y capaz de producir una...

1. Sensor de fibra óptica basado en la excitación de plasmones superficiales, que comprende:

- una fibra óptica (3) con un núcleo guiaondas (5) y al menos una zona sensible (8) situada entre los dos extremos o en uno de ellos y capaz de producir una excitación óptica de plasmones superficiales -una fuente de radiación electromagnética (1) de amplio espectro cuya salida es aplicable a uno de los extremos del núcleo guiaondas de la fibra óptica de manera que la radiación se propague a través de la fibra y salga de la fibra óptica; y

- un dispositivo detector (2) para la medida de la 15 radiación que sale a través de la fibra

caracterizado en que la zona sensible incorpora una película delgada formada por un óxido metálico conductor transparente en contacto directo con al menos una parte del núcleo guiaondas de la fibra óptica.

2. Sensor según la reivindicación 1 en el que el conductor transparente es capaz de reflejar las longitudes de onda en el infrarrojo.

3. Sensor según cualquiera de las reivindicaciones 1-2 basado en transmisión directa, donde la fuente de radiación es aplicable al extremo de entrada del núcleo de la fibra óptica de manera que la radiación se propague a través de la fibra por reflexión total interna desde el extremo de entrada hasta el extremo de salida.

4. Sensor según cualquiera de las reivindicaciones 1-2 basado en reflexión, que comprende un extremo de reflexión (10) definido por una capa especular (11) en contacto con el extremo del núcleo guíaondas.

5. Sensor según la reivindicación 4 donde la zona sensible del sensor está situada en el extremo en reflexión de la fibra óptica.

10 6. Sensor según cualquiera de las reivindicaciones 1-5 en el que la zona sensible comprende al menos una capa adicional (13) de partículas sensibles específicamente a la especie a detectar.

15 7. Sensor según cualquiera de las reivindicaciones 1-6 donde la película delgada capaz de producir excitación de plasmones superficiales comprende un óxido metálico conductor transparente de un elemento escogido entre los elementos zinc, indio, estaño, iridio, cadmio,

itrio, escandio y níquel, o aleaciones, dopados o combinaciones binarias, ternarias o cuaternarias de los óxidos de los elementos anteriores entre ellos mismos, con otros elementos como flúor, cobre, galio, magnesio, calcio, estroncio o aluminio o combinaciones de estos últimos entre ellos.

8. Sensor según cualquiera de las reivindicaciones 1-7 que incorpora otra fibra óptica capaz de generar una señal de referencia de salida.

9. Sensor de fibra óptica según cualquiera de las reivindicaciones 1-8 donde la fuente de radiación electromagnética es una del grupo consistente en un LED, un láser de semiconductor o una lámpara halógena y donde el sistema de detección de luz está adaptado para detectar las longitudes de onda producidas por la fuente escogida.

10. Sensor de fibra óptica según cualquiera de las reivindicaciones 1-9, en el que el dispositivo detector (2) comprende un espectrómetro.

11. Sensor según la reivindicación 5, en el que la capa especular comprende un material con alta reflexividad.

12. Sensor según la reivindicación 11, en el que la capa especular comprende oro, plata, cromo, aluminio o platino.