SISTEMA Y MÉTODO DE DETECCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE NANOPARTÍCULAS.

Sistema y método de detección y caracterización de nanopartículas.



Se describen un sistema y un método de detección y caracterización de nanopartículas basado en un micropolarímetro-interferómetro con dos modos de funcionamiento, con uno o dos brazos, para la caracterización y detección en tiempo real de nanopartículas. Se utilizan un polarizador (3) encargado de polarizar el haz de luz generado por la fuente de luz (2) y a continuación un modulador fotoelástico (10) adaptado para modular la fase periódica en estado de polarización de la luz generada por la fuente (2). Las nanopartículas circulan secuencialmente hacia una región donde la luz ha sido focalizada por una lente (17) por un portamuestras (11) que se encuentra alineado con el primer brazo (7).

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201000017.

Solicitante: UNIVERSIDAD DE BARCELONA.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: JOVER COMAS,ERIC, BERTRAN SERRA,ENRIC, CANILLAS BIOSCA,ADOLF, ARTEAGA BARRIEL,ORIOL, BARROSO BOIXADER,FERRAN.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • B82Y35/00 TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES.B82 NANOTECNOLOGIA.B82Y USOS O APLICACIONES ESPECIFICOS DE NANOESTRUCTURAS; MEDIDA O ANALISIS DE NANOESTRUCTURAS; FABRICACION O TRATAMIENTO DE NANOESTRUCTURAS.Métodos o aparatos para medida o análisis de nanoestructuras.
  • G01B9/02 FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01B MEDIDA DE LA LONGITUD, ESPESOR O DIMENSIONES LINEALES ANALOGAS; MEDIDA DE ANGULOS; MEDIDA DE AREAS; MEDIDA DE IRREGULARIDADES DE SUPERFICIES O CONTORNOS.G01B 9/00 Instrumentos según se especifica en los subgrupos y caracterizados por la utilización de medios de medida ópticos (disposiciones para la medida de parámetros particulares G01B 11/00). › Interferómetros.
  • G01N15/02 G01 […] › G01N INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION DE SUS PROPIEDADES QUIMICAS O FISICAS (procedimientos de medida, de investigación o de análisis diferentes de los ensayos inmunológicos, en los que intervienen enzimas o microorganismos C12M, C12Q). › G01N 15/00 Investigación de características de partículas; Investigación de la permeabilidad, del volumen de los poros o del área superficial efectiva de los materiales porosos (identificación de microorganismos C12Q). › Investigación de la dimensión o de la distribución de dimensiones de partículas (G01N 15/04, G01N 15/10 tienen prioridad; por medida de la presión osmótica G01N 7/10).
SISTEMA Y MÉTODO DE DETECCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE NANOPARTÍCULAS.

Fragmento de la descripción:

Sistema y método de detección y caracterización de nanopartículas.

La presente invención se refiere a un sistema de detección y caracterización de nanopartículas. El objeto de la invención consiste en la detección y caracterización en línea, en vivo y en tiempo real de nanopartículas y entes biológicos nanométricos de tamaño reducido.

Estado de la técnica En la actualidad son cada vez más necesarias las técnicas de detección y seguimiento de nanopartículas, según las numerosas aplicaciones en todos los ámbitos científicos y tecnológicos, como por ejemplo las arquitecturas sublongitud de onda para óptica integrada, la microscopía óptica de campo próximo (SNOM) , el mareaje de biomoléculas y la ablación fototérmica de tumores y terapias contra el cáncer.

Todo lo anterior hace necesario el desarrollo de sistemas fiables de detección de nanopartículas que tienen utilidad para productores y fabricantes, así como para operarios y usuarios de este tipo de materiales que, en general, desconocen la presencia y cantidad de nanopartículas en su ambiente de trabajo o hábitat. Por otra parte la necesidad de mejorar las técnicas de detección de nanopartículas también se hace evidente si atendemos al impacto medioambiental de ciertas partículas nanométricas, tales como las originadas en la combustión de hidrocarburos, o de los diversos tipos de virus infecciosos presentes en el aire y, más en general, si atendemos a la cuestión que se plantea del hecho de que las propiedades de las nanopartículas puedan ser diferentes con respecto a partículas macroscópicas con la misma composición química.

Entre las técnicas de caracterización de nanopartículas hay que destacar la microscopia electrónica en las diferentes variantes: la microscopía electrónica de barrido (SEM) y la microscopia electrónica de transmisión (TEM) , así como la microscopia de fuerzas atómicas (AFM) o la microscopia de efecto túnel (STM) . Estas técnicas tienen mucha resolución; por ejemplo, en el caso de los microscopios TEM de alta resolución se pueden detectar partículas de tamaños muy pequeños, inferiores a 0, 1 nm, como en el One-Angstrom Microscope (OAM) del National Center for Electron Microscopy.

Estas técnicas sin embargo, son sólo aplicables a la caracterización ex situ. Además, en el caso de partículas biológicas estas técnicas generalmente alteran el estado biológico de la partícula y, por lo tanto, no permiten la caracterización llamada in vivo.

Los sistemas de monitorización de nanopartículas existentes actualmente en el mercado (Horiba Jobin-Yvon y Nanosight, entre otros) se basan en técnicas ópticas y permiten obtener ex situ la distribución de las tamaños de nanopartículas en un rango típico entre 10 y 1.000 nm en disoluciones a partir de concentraciones de algunas ppm. En cambio, los sistemas de detección y análisis in situ son del todo inexistentes desde el punto de vista comercial y únicamente podemos encontrar prototipos de estas características en laboratorios de investigación. Por otra parte, la producción de nanopartículas en reactores de depósito puede ser monitorizada en tiempo real a partir de la medida de la luz dispersada directamente por las partículas y, mediante la técnica del elipsometría de dispersión de Mié. La mayor parte de las técnicas ópticas se basan en la medida de la intensidad de la luz dispersada por las partículas que depende con la sexta potencia del tamaño de las nanopartículas. Este hecho provoca que las partículas más pequeñas se conviertan en invisibles y que la detección de nanopartículas individuales sólo haya sido llevada cabo con medios indirectos. Por ejemplo, con la inmovilización en una superficie y el subsecuente análisis con microscopía de campo oscuro.

Explicación de la invención El objeto de la invención está basado en un dispositivo que permite llevar a cabo una técnica de detección polarimétrica e interferométrica que hace pasar luz láser verde, generada con un diodo láser de alta potencia (DLAP) , a través de un objetivo de microscopio de inmersión enfocando la muestra de nanopartículas que se encuentra en un portamuestras.

Mediante dicha incidencia, la interferencia del haz dispersado por las nanopartículas con la reflexión producida en la interfaz entre la superficie de la muestra y el aceite, un aceite con un índice de refracción muy similar al de la fibra hueca (o microcanal por donde circulan las nanopartículas) , en el que se encuentra sumergida la lente del objetivo del microscopio, puede provocar que la intensidad detectada sea proporcional a la tercera potencia del tamaño de la nanopartícula; como resultado se pueden caracterizar nanopartículas de 5 nm de diámetro nominal con una apertura numérica del objetivo de microscopio establecida en N = 1, 4.

El dispositivo objeto de la invención permite trabajar con láseres de longitud de onda diferente y "en línea", es decir, con un muestreo continuo y en tiempo real, con dos modos de funcionamiento: con 1 brazo (del interferómetro) y con dependencia proporcional a la sexta potencia del tamaño, o bien con los dos brazos, con una dependencia proporcional a la tercera potencia del tamaño. En ambos casos se realiza la detección de la luz dispersada por las nanopartículas a estudiar, donde dicha radiación está modulada a alta frecuencia (50 kHz) .

La detección con el segundo brazo permite trabajar con interferencia destructiva (o casi destructiva) y por lo tanto también permite aumentar considerablemente la sensibilidad del sistema (detección con fondo negro) y una relación señal ruido (SNR) elevada.

La configuración del micropolarímetro de fase modulada acoplado a un interferómetro objeto de la invención hace que la luz dispersada detectada a corresponda a un ángulo sólido grande, de este modo se detecta luz en un cono con un semiángulo en el vértice próximo a los 63º , haciendo que el sistema registre la señal modulada para después realizar un cálculo FFT (Fast Fourier Transform) y extrae la intensidad del componente continuo, la del primer armónico y la del segundo armónico. Una variación de la señal continua indica el paso o la detección del paso de la nanopartícula, mientras que una variación de la relación de las intensidades (normalizadas con la señal continua) del primero y segundo armónicos están relacionadas con el tamaño y las características ópticas de la nanopartícula (índice de refracción complejo: partes real e imaginaria) . Con una sola longitud de onda se pueden determinar únicamente dos de los tres parámetros (tamaño, y partes real e imaginaria del índice de refracción) .

La modulación realizada permite trabajar siempre con todas las polarizaciones, desde lineal hasta elíptica; para ello el sistema objeto de la invención utiliza un modulador fotoelástico propio de los sistemas elipsométricos PME (phase-modulated-ellipsometr y ) . En el sistema objeto de la invención, el frente de onda de la sonda de luz, que ejerce como iluminación de la nanopartícula, no es plano sino quasi-esférico debido a la fuerte focalización del objetivo del microscopio en el medio citado anteriormente formado por aceite con un índice de refracción muy similar al de la fibra de cuarzo que conduce las nanopartículas.

El sistema objeto de la invención permite detectar la luz dispersada en una forma global para todos los ángulos de dispersión (cono de dispersión) , lo cual es importante teniendo en cuenta que el estado de polarización y la intensidad de la luz dispersada depende del ángulo de dispersión, lo cual significa que hace falta deconvolucionar la señal detectada con el fin de extraer los parámetros ópticos de la nanopartícula.

Por último cabe destacar que el sistema objeto de la invención utiliza un único fotomultiplicador para registrar la señal, a diferencia de otros sistemas conocidos que utilizan dos o cuatro cuadrantes y fotodiodos.

A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención. Además, la presente invención cubre todas las posibles combinaciones de realizaciones particulares y preferidas aquí indicadas....

 


Reivindicaciones:

1. Sistema (1) de detección y caracterización de nanopartículas que comprende:

- al menos una fuente de luz (2) encargada de generar haces de luz,

- un polarizador (3) encargado de polarizar el haz de luz generada por la fuente de luz (2) ,

- un modulador fotoelástico (10) adaptado para modular la fase periódica en estado de polarización de la luz generada por la fuente de luz (2) ,

- un divisor de haz (6) encargado de dividir el haz de luz en al menos un primer brazo (7) el cual llega hasta un portamuestras (11) que se encuentra alineado con dicho primer brazo (7) y por el cual circulan secuencialmente las nanopartículas hacia una región donde la luz ha sido focalizada por la lente del microscopio (17) , y

- un sistema óptico de análisis que comprende al menos un analizador (20) y un detector (12) adaptados para generar señales hacia los medios electrónicos de detección y control (18) encargados de generar información de medida basada en dichas señales.

2. Sistema según la reivindicación 1, donde la fuente de luz (2) comprende un láser o un diodo emisor de luz.

3. Sistema según la reivindicación1ó2, que adicionalmente comprende un colimador (4) del haz de luz.

4. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que adicionalmente comprende unos medios electrónicos de detección y control (18) destinados a controlar al menos el colimador (4) , la fuente de luz (2) y el modulador fotoelástico (10) .

5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que adicionalmente comprende unos primeros medios optomecánicos encargados de alinear el haz de luz de la fuente de luz (2) con el divisor de haz (6) .

6. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que adicionalmente comprende unos segundos medios optomecánicos encargados de alinear el primer brazo (7) con el portamuestras (11) .

7. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que adicionalmente comprende un segundo brazo (19) generado por el divisor de haz (6) , un atenuador (8) por el cual pasa dicho segundo brazo (19) , y un espejo (9) al cual llega dicho segundo brazo (19) .

8. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que adicionalmente comprende un sistema óptico de formación de imagen (13) .

9. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los medios electrónicos de detección y control (18) comprenden al menos:

- un preamplificador (14) adaptado para recibir una señal proveniente del detector (12) y generar una señal de salida preamplificada, y

- una tarjeta de adquisición rápida (15) adaptada para recibir la señal preamplificada y generar una señal de salida digital hacia unos medios de procesamiento digital (16) encargados de recibir la señal digital de la tarjeta de adquisición rápida (15) , de extraer un componente continuo DC mediante un análisis de Fourier a partir de la señal digital a frecuencias ω y2ω, y de producir valores representativos de la señal de entrada expresada en términos de los elementos correspondientes de la matriz de Mueller.

10. Sistema según la reivindicación anterior, donde la tarjeta de adquisición rápida (15) está adaptada para proporcionar señales a 20 MS/s para un número sucesivo de períodos de trabajo del modulador (10) .

11. Sistema según la reivindicación 9 ó 10, donde los medios de procesamiento digital (16) están adaptados para proporcionar S0, Sω yS2ω a partir de la señal, donde Sω yS2ω corresponden a las amplitudes de frecuencias ω y2ω respectivamente, y S0 corresponde a una parte continua de la señal.

12. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el portamuestras (11) es un canal microfluídico.

13. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, donde el portamuestras (11) es una fibra hueca.

14. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que adicionalmente comprende un sistema de bombeo (5) que se encuentra conectado al portamuestras (11) y está encargado de regular la velocidad de bombeo.

15. Método de detección y caracterización de nanopartículas en un portamuestras (11) que hace uso del sistema (1) descrito en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, que comprende las siguientes fases: -iluminar la nanopartícula con un haz de luz incidente generada por la fuente de luz (2) provocando la dispersión de un flujo luminoso por la nanopartícula,

- analizar dicho flujo mediante el analizador (20) , y

- caracterizar la nanopartícula a partir del resultado de la fase anterior mediante los medios electrónicos de detec

ción y control (18) .

OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

Nº solicitud: 201000017

ESPAÑA

Fecha de presentación de la solicitud: 23.12.2009

Fecha de prioridad:

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

51 Int. Cl. : G01N15/02 (2006.01) G01B9/02 (2006.01)

DOCUMENTOS RELEVANTES

Categoría Documentos citados Reivindicaciones afectadas A US 2007030492 A1 (NOVOTNY et al.) 08.02.2007, 1, 7, 12, 15 resumen; párrafos [3-19]; figura 1. A US 4886363 A (JUNGQUIST) 12.12.1989, 1, 15 resumen; columna 1, línea 5 - columna 2, línea 55; figura 1. A US 5282015 A (REMO) 25.01.1994, 1, 15 resumen; columna 1, línea 10 - columna 2, línea 36; figuras 1-2. Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº : Fecha de realización del informe 06.06.2011 Examinador A. Figuera González Página 1/4

INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

Nº de solicitud: 201000017

Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) G01N, G01B Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, TXTEN, Internet, INSPEC, COMPENDEX, XPESP

Informe del Estado de la Técnica Página 2/4

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201000017

Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 06.06.2011

Declaración

Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986) Reivindicaciones Reivindicaciones 1 -15 SI NO Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986) Reivindicaciones Reivindicaciones 1 -15 SI NO

Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986) .

Base de la Opinión.

La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

Informe del Estado de la Técnica Página 3/4

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201000017

1. Documentos considerados.

A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

Documento Número Publicación o Identificación Fecha Publicación D01 US 2007030492 A1 (NOVOTNY et al.) 08.02.2007 D02 US 4886363 A (JUNGQUIST) 12.12.1989 D03 US 5282015 A (REMO) 25.01.1994

2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración El documento D01 refleja el estado de la técnica más próximo al objeto de las reivindicaciones, pero no recoge la incorporación de un polarizador y un modulador fotoelástico entre la fuente de iluminación y el divisor de haz, siendo estos elementos los que permiten analizar partículas más pequeñas. En el documento D01, párrafo 12, se menciona la posibilidad de conseguir mayores sensibilidades utilizando la modulación de fase en el haz de referencia, no en el haz que va de la fuente de iluminación al divisor de haz. Además no se detalla ninguna manera concreta de llevar a cabo esta modulación.

En el documento D02 se realiza una modulación en el haz de luz generado por la fuente, pero dicha modulación se realiza manipulando la propia fuente y no utilizando un modulador entre la fuente y el divisor de haz. Véase D02, columna 2, líneas 47 a 55.

En el documento D03 se utiliza un modulador de haz electro-óptico entre la fuente de luz y el divisor de haz. Véase D03, columna 2, líneas 26 a 36 y figura 2.

No obstante los documentos D02 y D03 tienen por objeto resolver problemas técnicos diferentes no relacionados con la detección y caracterización de nanopartículas.

Se considera pues que no hubiera sido obvio para una persona experta en la materia aplicar las características de los documentos citados y llegar a la invención como se revela en las reivindicaciones 1 a 15.

Por lo tanto, el objeto de las reivindicaciones 1 a 15 cumple los requisitos de novedad y actividad inventiva de acuerdo con los artículos 6 y 8 de la Ley de Patentes.

Informe del Estado de la Técnica Página 4/4


 

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