ES2618869T3 - Una nanoetiqueta de SERS de longitud de onda selectiva - Google Patents

Abstract

Una nanoetiqueta SERS selectiva en longitud de onda de onda que comprende: un núcleo de mejora de SERS; una molécula informadora activa en SERS asociada con el núcleo; un encapsulante que encapsula el núcleo y la asociación informadora; y bien: 1) un material de bloqueo asociado con el encapsulante que bloquea total o parcialmente el paso de energía luminosa a una longitud de onda seleccionada hacia la molécula informadora, o bloquea total o parcialmente la radiación de energía luminosa a una longitud de onda seleccionada desde la molécula informadora, o 2) un material de enmascaramiento asociado con el encapsulante que enmascara total o parcialmente la energía luminosa irradiada a una longitud de onda seleccionada desde la molécula informadora.

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

DESCRIPCION

Una nanoetiqueta de SERS de longitud de onda selectiva Antecedentes

Las nanoetiquetas SERS han demostrado ser utiles para la marcacion de objetos para identificacion y rastreo. Las nanoetiquetas SERS son marcas de deteccion optica en nanopartlculas que funcionan a traves de la dispersion Raman mejorada en superficie (SERS). SERS es una espectroscopla optica basada en laser que, para moleculas u otros materiales, genera un espectro vibratorio similar a una huella dactilar con caracterlsticas que son mucho mas especlficas que la fluorescencia tlpica.

Tlpicamente, una molecula activa SERS asociada con una etiqueta es excitada por luz laser a una longitud de onda de excitacion especlfica. Muchas moleculas activas en SERS pueden excitarse a varias longitudes de onda alternativas con cada longitud de onda causando la emision de un espectro SERS caracterlstico. En algunos usos de marcacion, la capacidad de una nanoetiqueta SERS conocida para ser interrogada en multiples longitudes de onda de interrogation adecuadas es una ventaja. En otras implementaciones, como la marcacion encubierta de artlculos, la capacidad de excitar una nanoetiqueta de SERS en multiples longitudes de onda es potencialmente una desventaja, ya que esto hace que las etiquetas encubiertas sean mas faciles de detectar por terceros. Sin embargo, es diflcil fabricar una nanoetiqueta de SERs que pueda ser interrogada en un numero limitado de longitudes de onda adecuadas de otro modo con las moleculas informadoras SERS convencionales.

Las realizaciones descritas en el presente documento estan dirigidas a superar estos u otros problemas asociados con las partlculas conocidas de espectroscopia mejorada de superficie.

El documento WO 2008/116093 A2 describe ensayos de diagnostico que usan partlculas activas de espectroscopla Raman mejoradas en superficie (SERS), incluyendo ensayos basados en llquidos; ensayos de captura magnetica; estructuras de satelite de micropartlculas y nanopartlculas para la amplification de senal en un ensayo; partlculas activas SERS compuestas utiles para la deteccion mejorada de dianas; y tubos de muestra y procesos para su utilization.

El documento US 2009/0140206 A1 describe nanopartlculas, metodos de preparation de las mismas y metodos para detectar una molecula diana usando formas de realization de la nanopartlcula. Una realization de una nanopartlcula de ejemplo, entre otros, incluye una nanoestructura compuesta con actividad espectroscopica Raman mejorada en superficie. La nanoestructura compuesta con actividad espectroscopica Raman mejorada en superficie incluye un nucleo, al menos una molecula informadora y un material encapsulante. La molecula informadora esta unida al nucleo. La molecula informadora se selecciona entre: un colorante isotiocianato, un colorante organico multiazufrado, un colorante organico multiheteroazufrado, un colorante benzotriazol y combinaciones de los mismos. El material de encapsulation esta dispuesto sobre el nucleo y la molecula informadora. Despues de la encapsulation con el material encapsulante, la molecula informadora tiene una firma espectroscopica Raman especifica mejorada en superficie.

Resumen de las realizaciones

Las realizaciones seleccionadas incluyen partlculas selectivas de longitud de onda tales como nanopartlculas SERS modificadas como se ha descrito. Tal como se utiliza en el presente documento, una partlcula selectiva en longitud de onda de onda es una que no puede ser excitada o interrogada eficazmente en una o mas longitudes de onda en las que una molecula informadora asociada con la partlcula producira normalmente un espectro SERS. Por ejemplo, una nanoetiqueta SERS selectiva en longitud de onda de onda puede ser activa en SERS cuando se usa una longitud de onda de excitacion de 1064 nm pero inactiva a 785 nm, donde se esperarla una actividad a 785 nm basandose en la molecula informadora presente en la nanoetiqueta SERS o en las propiedades plasmonicas de la nanopartlcula metalica.

Una realizacion de la nanoetiqueta de SERS que es selectiva en longitud de onda de onda incluye un nucleo de mejora SERS y una molecula informadora activa SERS asociada con el nucleo. La etiqueta SERS selectiva en longitud de onda de onda tambien incluye un encapsulante que rodea la asociacion nucleo/indicador. La selectividad de la longitud de onda puede impartirse mediante un material de bloqueo asociado con el encapsulante que bloquea total o parcialmente el paso de la energla luminosa a una longitud de onda especlfica a la molecula informadora y la partlcula plasmonica. Alternativamente, el material de bloqueo podrla bloquear total o parcialmente la radiation de energla luminosa a una longitud de onda seleccionada de la molecula informadora o partlcula plasmonica.

El material de bloqueo podrla ser una nanobarra, por ejemplo, una nanobarra de oro asociada con el encapsulante. Alternativamente, el material de bloqueo podrla ser una molecula de cualquier tipo que sirva para bloquear selectivamente una longitud de onda relevante. Por ejemplo, el material de bloqueo podrla ser un colorante organico o inorganico o una partlcula cuantica. Alternativamente, el material de bloqueo podrla ser un oxido metalico, sulfuro metalico, nitruro metalico u otro material similar.

En realizaciones en las que el material de bloqueo es una nanobarra, la nanobarra puede estar asociada

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

electrostaticamente con el encapsulante. Por ejemplo, la nanobarra puede estar recubierta con un pollmero cargado y la nanoetiqueta SERS recubierta con un pollmero de carga opuesta. Alternativamente, la nanobarra puede ser covalente unida al encapsulante.

En realizaciones en las que el material de bloqueo es una molecula tal como un colorante, puede asociarse una cantidad aumentada de material de bloqueo al encapsulante formando el encapsulante como una superficie porosa o mesoporosa.

Una realizacion alternativa incluye una nanoetiqueta SERS como se describe anteriormente con un material de enmascaramiento asociado con el encapsulante. Un material de enmascaramiento enmascarara total o parcialmente la energla lumlnica emitida en una longitud de onda dada por la molecula informadora. En una realizacion de enmascaramiento, el informador asociado con la nanoetiqueta de SERS seguira emitiendo un espectro Raman cuando se excita, pero la emision se enmascara o de otro modo se hace indetectable. Por ejemplo, puede seleccionarse una molecula fluorescente asociada con la nanoetiqueta de SERS para fluorescer a una longitud de onda particular, enmascarando as! el espectro de SERS a esa longitud de onda.

Realizaciones alternativas incluyen metodos de fabricacion de una nanoetiqueta de SERS selectiva a una longitud de onda como se describe anteriormente. Los metodos alternativos tambien incluyen el uso de una nanoetiqueta de SERS selectiva a una longitud de onda para la marcacion o la etiquetacion de un artlculo, sustancia, documento o artlculo, de tal manera que la etiqueta pueda ser detectada a menos frecuencias de interrogacion de lo que se esperarla basandose en la naturaleza de la molecula informadora usada con la nanoetiqueta de SERS.

Breve descripcion de los dibujos

La figura 1 es una representacion grafica de la actividad y absorbancia SERS de la mezcla de nanoetiquetas de SERS y de las nanobarras de Au del Ejemplo 1.

La figura 2 es un COMPUESTO de varias imagenes TEM de las partlculas del Ejemplo 2 que presentan nanobarras de Au electrostaticamente asociadas con nanoetiquetas SERS.

La figura 3 es una representacion grafica de las caracterlsticas de extincion de luz UV-visible y respuestas SERS normalizadas a longitudes de onda seleccionadas de las partlculas del Ejemplo 2.

La figura 4 es un compuesto de multiples imagenes SEM de las partlculas del Ejemplo 3.

La figura 5 es una representacion grafica de las caracterlsticas de extincion de la luz UV-visible y de la actividad SERS a longitudes de onda seleccionadas para las partlculas del Ejemplo 3.

La figura 6 es una representacion grafica de la actividad SERS de las partlculas del ejemplo 4.

La figura 7 es una imagen SEM de las partlculas del Ejemplo 4.

La figura 8 es una representacion grafica de la actividad SERS de las partlculas del Ejemplo 5.

La figura 9 es una representacion grafica de la actividad SERS a longitudes de onda seleccionadas para las partlculas del Ejemplo 6.

La figura 10 es una imagen de SEM de nanoetiquetas SERS que caracteriza un encapsulante de sllice mesoporoso como se describe en el Ejemplo 7.

La figura 11 es una representacion grafica de los espectros Raman en longitudes de onda seleccionadas de nanoetiquetas SERS despues de mezclar con un agente de enmascaramiento fluorescente como se describe en el Ejemplo 8.

Descripcion detallada

Las realizaciones descritas en el presente documento se refieren a partlculas que son espectroscopicamente activas. En particular, las partlculas y metodos descritos son espectroscopla mejorada en superficie (SES) activa. Las tecnicas SES representativas incluyen pero no se limitan a SERS, SERRS y otras. Se ha observado la mejora de la superficie en diversos otros metodos o sistemas de espectroscopla. Los estudios mas ampliamente estudiados han sido la dispersion Raman mejorada en superficie y la fluorescencia mejorada en superficie (SEF). Sin embargo, se ha observado una variedad de otros fenomenos mejorada en superficie incluyendo dispersion hiper Raman mejorada en superficie (SERHS), dispersion hiper Raman mejorada en superficie de resonancia (SEHRRS), dispersion de Rayleigh mejorada en superficie, generacion de segundo armonico mejorado en superficie (SHG), reflectancia de absorcion infrarroja mejorada en superficie (SEIRA), y ionizacion de desorcion por laser mejorada en superficie (SELDI). Estos son parte de un campo mas amplio conocido como la mejora de plasmon o espectroscopla de plasmon mejorada, que ademas de los fenomenos mencionados anteriormente incluye emision mejorada de plasmon en superficie (como SPASERS - amplificacion por plasmon en superficie de emision espontanea de radiacion), difraccion de plasmon mejorada, y plasmon de transmision optica mejorada. La mejora en plasmon es

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

tambien un metodo para aumentar la eficiencia de las celulas solares. Como se usa a lo largo de esta descripcion, SES incluye las tecnicas espectroscopicas listadas anteriormente y cualquier tecnica espectroscopica relacionada o similar.

Muchos de los ejemplos aqul descritos se describen con respecto a SERS. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que los metodos, composiciones y partlculas descritos en el presente documento son igualmente aplicables a SeRRS, SEHRS, SEF, SEHRRS, ShG, SEIRA, SPASERS u otra tecnica de SES mejorada en superficie o plasmon.

En general, los marcadores son materiales, sustancias, moleculas, iones, pollmeros, nanopartlculas, micropartlculas u otras materias, incorporados, sobre o asociados de otro modo a objetos con fines de identificacion o cuantificacion. Mas especlficamente, los etiquetadores se usan en actividades y productos que incluyen, pero no se limitan a, medidas de deteccion, analisis y/o cuantificacion relacionadas con la seguridad de marca, proteccion de marca, proteccion de marca comercial, seguridad de producto, identificacion de producto, desviacion de marca, codigo de barras, remediacion del mercado gris, analisis de amigos o enemigos, analisis del ciclo de vida del producto, falsificacion, lucha contra la falsificacion, analisis forense de la autenticidad, autenticacion, biometrla, seguimiento de objetos, analisis de cadena de custodia, manipulacion de productos, anti-contrabando, deteccion de contrabando, seguimiento de la cadena de suministro, seguimiento de productos, recuperacion de ingresos perdidos, serializacion de productos, autenticacion serializada, seguimiento de la frescura, seguimiento de la fecha de caducidad, seguimiento de la fecha de uso y deteccion/identificacion de punto muerto.

Pueden anadirse etiquetadores a todas las formas de materia, incluyendo pero sin limitarse a solidos, llquidos, gases, geles, espumas, semisolidos, vidrios, plasmas, cristales llquidos, solidos amorfos y magneticamente ordenados, superconductores, superfluidos, condensados de Bose-Einstein y supersolidos.

Muchos metodos conocidos de deteccion de etiquetadores utilizan una de varias tecnicas espectroscopicas, por ejemplo, tecnicas de espectroscopla mejorada en superficie (SES) tales como SERS o SERRS. Hablando en terminos generales, los materiales adecuados caen en dos categorlas: nano/microescala y macroscopica. Por ejemplo, se sabe que ciertos tamanos y formas de nanopartlculas de Ag y Au y sus agregados soportan SERS. Del mismo modo, se han descrito en la bibliografla una gran variedad de sustratos macroscopicos de SERS, incluyendo electrodos, pellculas evaporadas, pellculas de Langmuir-Blodgett, matrices planas bidimensionales, etc.

Los procedimientos de marcacion conocidos de la tecnica anterior que utilizan etiquetas activas de SERS incluyen tlpicamente una molecula informadora o un colorante con caracterlsticas Activa para SERSs conocidas. Por ejemplo, se puede anadir un agente qulmico SERS conocido como colorante para la marcacion de un combustible y un espectro SERS posterior obtenido cuando el colorante SERS activo es asociado con una partlcula o sustrato de metal activo SERS. Solo se conocen un numero limitado de productos qulmicos activos en SERS.

Muchas de las realizaciones descritas en el presente documento incluyen el uso de un marcador activo de espectroscopla mejorada en superficie (SES). Los estudios mas ampliamente estudiados han sido la dispersion Raman mejorada en superficie y la fluorescencia mejorada en superficie (SEF). Sin embargo, se ha observado una variedad de otros fenomenos de mejora en superficie incluyendo hiper mayor superficie de dispersion Raman (SERHS), hiper mayor superficie de dispersion Raman de resonancia (SEHRRS), una mayor superficie de dispersion de Rayleigh, generacion de segundo armonico de superficie mayor (GAA), la superficie (SEIRA), y la ionizacion de desorcion por laser (SELDI), mejorada por superficie. Estos son parte de un campo mas amplio conocido como la mejora de plasmon o espectroscopla de plasmon mejorada, que ademas de los fenomenos mencionado anteriormente incluye plasmon de superficie de emision mejorada (como SPASERS - amplificacion de plasmon de superficie de la emision espontanea de radiacion), difraccion de plasmon mejorada, y plasmon de transmision optica mejorada. La mejora de plasmon es tambien un metodo para aumentar la eficiencia de las celdas solares. Como se usa a lo largo de esta descripcion, SES incluye la tecnica espectroscopica mencionada anteriormente y cualquier tecnica espectroscopica relacionada o similar.

Muchos de los ejemplos aqul descritos se describen con respecto a SERS. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que los metodos, composiciones y partlculas descritos en el presente documento son igualmente aplicables a SeRRS, SEHRS, SEF, SEHRRS, ShG, SEIRA, SPASERS u otra tecnica de SES mejorada en superficie o plasmon.

Las partlculas activas de dispersion Raman (SERS) mejoradas en superficie son utiles en una variedad de aplicaciones. Una aplicacion interesante es la lucha contra la falsificacion, y mas especlficamente para verificar la autenticidad, origen, edad y/o ruta de distribucion de los billetes, sellos fiscales, banderolas, pasaportes, tarjetas de identificacion, licencias de conducir, permisos de trabajo, documentos fiduciarios, acciones y bonos certificados y otros documentos valiosos que contienen tinta. Igualmente, las partlculas activas de SERS se pueden usar con fines similares para la marcacion o la etiquetacion de una variedad de otros materiales que contienen impresion o letras compuestas de tinta o laca, incluyendo pero no limitandose a software, partes de maquinas tales como partes de avion o partes de automoviles, instrumentacion, productos farmaceuticos y de diagnostico, dispositivos medicos, artlculos de lujo, bienes de consumo de movimiento rapido, CDs, DVDs y otros componentes de almacenamiento electronico, entre otros. Ademas, cualquier envase que contenga tinta o laca para cualquier tipo de producto en un lugar viable para la introduccion de partlculas activas de SERS para fines de lucha contra la falsificacion o autenticacion. Las aplicaciones adicionales estrechamente relacionadas con las partlculas activas de SERS

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

incluyen: seguridad de la marca, proteccion de la marca, proteccion de la marca comercial, seguridad del producto, identification del producto, desviacion de la marca, codigo de barras, remediation del mercado gris, analisis amigo- o-enemigo, analisis del ciclo de vida del producto, falsification, analisis forense, analisis de autenticidad, biometrla, seguimiento de documentos, analisis de cadena de custodia, manipulation de productos, anticontrabando, detection de contrabando, seguimiento de la cadena de suministro, seguimiento de productos, recuperation de ingresos perdidos, serialization de productos, autenticacion serializada, seguimiento de frescura, seguimiento de fechas de venta, el seguimiento de fechas de uso, seguimiento de objetos, la deteccion de punto muerto y/o identificacion de punto muerto. Ademas, las partlculas activas de SERS se pueden utilizar para combinaciones de estas aplicaciones, incluyendo pero no limitandose a una combination de autenticacion y seguimiento de venta por fecha. Colectivamente, estas aplicaciones se denominan Seguridad Industrial.

Un tipo no exclusivo y no limitativo de etiqueta que se describe en el presente documento y que puede modificarse de acuerdo con los metodos descritos y con los materiales descritos es una nanoetiqueta SERS tambien denominada etiqueta SERS. Las nanoetiquetas SERS son marcas de deteccion optica en nanopartlculas que funcionan a traves de la dispersion Raman mejorada en superficie (SERS). SERS es una espectroscopla optica basada en laser que, para moleculas, genera un espectro vibratorio similar a una huella dactilar con caracterlsticas que son mucho mas especlficas que la fluorescencia tlpica.

Una nanoetiqueta SERS tlpica incluye un nucleo de nanopartlculas de metal y un SiO2 (vidrio) u otro encapsulante que contiene silicio. Otros materiales incluyendo pero no limitados a varios tipos de pollmeros tambien pueden usarse como un encapsulante o cubiertas. Los detalles relativos al uso, fabrication y caracterlsticas de una nanoetiqueta SERS tlpica estan incluidos en la Patente de Estados Unidos No. 6,514,767, titulada "Surface Enhanced Spectroscopy-Active Nanoparticles Composite"; Patente de Estados Unidos No. 7,192,778, titulada "Surface Enhanced Spectroscopy - Active Composite Nanoparticles "; La Patente de Estados Unidos No. 7,443,489, titulada "Surface Enhanced Spectroscopy - Active Nanoparticles Composite"; y la Solicitud de Patente publicada US No. 2006-0054506, titulada "Surface Enhanced Spectrometry - Active Nanoparticles Composite".

Aunque las realizaciones descritas aqul se describen en terminos de nanopartlculas de SERS preparadas a partir de nucleos de nanopartlculas individuales, debe entenderse que pueden utilizarse grupos o agregados de nucleo de nanopartlculas en la preparation de nanoetiquetas de SERS. Los metodos para la preparation de grupos de agregados de coloides metalicos son conocidos por los expertos en la tecnica. Tambien se contempla el uso de partlculas de tipo sandwich como se describe en la Patente de Estados Unidos No. 6,861,263, titulada "Surface Enhanced Spectroscopy - Active Sandwich Nanoparticles".

El nucleo de nanopartlculas puede ser de cualquier material que se sabe que mejora en Raman, a traves de factores plasmonicos (electromagneticos), factores qulmicos o una combinacion de factores. Los nucleos de nanopartlculas pueden ser isotropicos o anisotropicos. Las nanopartlculas adecuadas para ser el nucleo de una nanoetiqueta SERS incluyen metal coloidal, nanobarras huecas o rellenas, nanopartlculas magneticas, paramagneticas, conductoras o aislantes, partlculas sinteticas, hidrogeles (coloides o barras) y similares. Las nanopartlculas pueden existir como nanopartlculas individuales, o como grupos o agregados de las nanopartlculas.

Las nanopartlculas pueden existir en una variedad de formas, incluyendo, pero sin limitarse a, esferoides, barras, discos, piramides, cubos, cilindros, nanohelices, nanorresortes, nanoanillos, nanopartlcluas en forma de barra, nanopartlculas en forma de flecha, nanopartlculas en forma de lagrima, nanopartlculas en forma de tetrapodos, nanopartlculas en forma de prismas y una pluralidad de otras formas geometricas y no geometricas. Otra clase de nanopartlculas que se ha descrito incluye aquellas con area de superficie interna. Estos incluyen partlculas huecas y partlculas porosas o semiporosas. Aunque se reconoce que la forma de las partlculas y la relation de aspecto pueden afectar las caracterlsticas flsicas, opticas y electronicas de las nanopartlculas, la forma especlfica, la relacion de aspecto o la presencia/ausencia del area de superficie interna no afectan a la calificacion de una partlcula como una nanopartlcula. Una nanopartlcula como se define aqul tambien incluye una nanopartlcula en la que la portion metalica incluye un componente adicional, tal como en una partlcula de nucleo-cubierta.

Cada nanoetiqueta de SERS se codifica tlpicamente con uno o multiples informadores unicos, que comprenden una molecula organica o inorganica o un material organico o inorganico en la interfaz entre el nucleo de nanopartlculas encapsulado de vidrio u otro encapsulante adecuado. Esta aproximacion a las etiquetas de deteccion aprovecha las ventajas de la dispersion Raman como una herramienta de espectroscopla molecular de alta resolution y las mejoras asociadas con SERS, al tiempo que se superan las deficiencias que se encuentran frecuentemente al hacer sustratos SERS autonomos tales como la reproducibilidad y la falta de selectividad. Las nanoetiquetas SERS exhiben espectros intensos (factores de mejora superiores a 106) a 633 nm, 785 nm, 1064 nm u otras longitudes de onda de excitation adecuadas, cuyas longitudes de onda pueden seleccionarse para evitar la fluorescencia intrlnseca de fondo en muestras biologicas tales como sangre completa y en matrices como vidrio y el plastico.

El encapsulante, que es esencialmente SERS-inactivo o debilmente SERS-activo relativamente, estabiliza las partlculas contra la agregacion, evita que el informador se difunda lejos, evita la adsorcion competitiva de especies no deseadas y proporciona una superficie excepcionalmente bien establecida. El vidrio, sllice, silicatos u otras especies que contienen silicio son bien adecuados como encapsulantes.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Las nanoetiquetas SERS tlpicas no muestran respuesta dependiente de la longitud de onda. Por lo tanto, las etiquetas conocidas devolveran un espectro identificable cuando se excitan en una de varias longitudes de onda de excitacion. Por ejemplo, una etiqueta conocida puede ser excitable y devolver un espectro de SERS detectable a ambas longitudes de onda de excitacion de 785 nm y 1064 nm. Una etiqueta selectiva en longitud de onda de onda serla util para muchos propositos, incluyendo, pero sin limitarse a, la marcacion encubierta de materiales o documentos. Tal como se usa en el presente documento, una partlcula selectiva en longitud de onda es una que no puede ser excitada o interrogada eficazmente en una o mas longitudes de onda donde la combinacion de molecula informadora/nanopartlcula metalica seleccionada normalmente producirla un espectro SERS.

Por ejemplo, una nanoetiqueta de SERS de longitud de onda selectiva podrla ser activa para SERS cuando se usa una longitud de onda de excitacion de 1064 nm pero inactiva a 785 nm, donde se esperarla una actividad a 785 nm basada en el informador. Es importante observar que muchos de los ejemplos discutidos en el presente documento tienen etiquetas que no serlan activas con SERS a 785 nm, pero se reconocerlan facilmente usando excitacion de 1064 nm. Esta selectividad en longitud de onda particular es solo representativa. Los procedimientos divulgados o similares podrlan usarse para fabricar la etiqueta inversa, mostrando un espectro a 785 nm pero ninguno a 1064 nm. Ademas, los metodos y materiales descritos pueden ser adaptables a otras longitudes de onda adecuadas. Ademas, se pueden utilizar combinaciones de efectos (o materiales) para generar perfiles de respuesta de longitud de onda mas complejos. Por ejemplo, una etiqueta SERS puede excitarse a 633, 785 y 1064 nm. La partlcula se recubre entonces con materiales que adsorben ligeramente la luz a 633 y 1064 nm, pero no a 785 nm. La excitacion en cualquiera de las frecuencias anteriores no producirla un espectro, pero la excitacion en este ultimo lo harla. Alternativamente, el perfil podrla ser invertido de modo que los espectros de SERS se puedan obtener a excitacion de 633 nm y 1064 nm pero no a excitacion de 785 nm. Todas las permutaciones de la selectividad de la longitud de onda estan dentro del alcance de esta descripcion.

Un metodo para impartir la selectividad de longitud de onda a una etiqueta no selectiva de otro modo es anadir un recubrimiento a una etiqueta que bloquee la luz que de otro modo causarla excitacion. Por ejemplo, el revestimiento de una nanoetiqueta SERS tlpica como se ha descrito anteriormente puede complementarse con nanobarras de Au que bloquean la luz a 785 nm, pero no a 1064 nm. Este metodo se discute mas detalladamente en los Ejemplos 1-5 a continuacion.

Un enfoque similar para ajustar la selectividad de longitud de onda de una etiqueta SERS en una aplicacion de autenticacion es revestir una capa de nanoetiquetas SERS con una segunda capa de material que bloquea la absorcion a una longitud de onda dada. Por ejemplo, si una etiqueta SERS que responde a una excitacion de 785 y 1064 nm se coloca en un barniz y se recubre sobre un trozo de papel, la interrogacion en cualquier longitud de onda producira un espectro SERS. Sin embargo, si se aplica una capa de tinta negra que absorbe fuertemente a 785 nm pero se transmite completamente a 1064 nm sobre el recubrimiento de etiqueta SERS, no se vera ningun espectro de SERS a excitacion de 785 nm, pero se vera un espectro normal a 1064 nm de excitacion .

Otro enfoque consiste en utilizar un informador que tiene una extincion no nula a la longitud de onda de excitacion, dando lugar a una espectroscopla Raman de resonancia mejorada en superficie (SERRS). Si bien es cierto que absorbancias mayores de la molecula informadora a la longitud de onda de excitacion dan lugar a mayores mejoras resonantes, tambien es cierto que mayores absorbancias tambien conducen necesariamente a una mayor probabilidad de procesos de desactivacion irreversibles desde el estado excitado, lo que podrla conducir a una disminucion de la estabilidad de la etiqueta.

Ejemplo 1 - Nanobarras de Au asociado con nanoetiquetas SERS

Se prepararon varias mezclas flsicas de nanoetiquetas de SERS y nanobarras de Au. La extincion de luz UV-visible y el comportamiento SERS de la mezcla a 785 y 1064 nm se representan graficamente en la Fig. 1. En particular, se ilustran los espectros Raman de las mezclas de nanoetiqueta/ nanobarra de Au se SERS con datos adquiridos a 785 nm (grafico 102) y 1064 nm (grafico 104). Las concentraciones de nanoetiqueta de SERS se mantuvieron constantes y las concentraciones de nanobarra se variaron como se indica en los graficos 102 y 104. Los espectros de extincion UV-visible de las muestras tambien se muestran en el grafico 106, as! como un grafico de respuesta SERS frente a concentracion de nanobarra en el grafico 108. Puede observarse una supresion completa de la senal a 785 nm, mientras que la senal a 1064 nm no es afectada relativamente. Tambien puede observarse que la muestra que contiene la mayorla de las nanobarras no pudo ser medida por UV-visible porque su extincion era demasiado alta para que el instrumento pudiera leer.

Ejemplo 2 - Nanobarras de Au asociadas electrostaticamente con nanoetiquetas SERS

Mientras que los resultados obtenidos en el Ejemplo 1 demuestran que el primer metodo descrito para impartir la selectividad de longitud de onda es conceptualmente solido, la adsorcion de una cantidad adecuada de nanobarras de Au a las nanoetiquetas es un desaflo. Se han hecho progresos convincentes para superar el desaflo de la adsorcion usando metodos electrostaticos para unir nanobarras a las nanoetiquetas encapsuladas en vidrio. Generalmente, la tecnica de adsorcion mejorada implica asociar un recubrimiento cargado con las nanobarras y un revestimiento cargado de forma opuesta con las nanoetiquetas SERS. Por ejemplo, tal como se produjo inicialmente, las nanobarras usadas en el Ejemplo 1 pueden estabilizarse mediante una bicapa cargada positivamente de CTAB

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

(bromuro de cetiltrimetilamonio). Sin embargo, la eliminacion del exceso de CTAB (que impide la adsorcion) puede desestabilizar las barras y causar agregacion. El recubrimiento de las nanobarras con polimeros cargados negativamente, permite una limpieza mas completa. Para implementar completamente este metodo, las nanoetiquetas de SERS deben ser recubiertas con un polimero cargado positivamente, tambien.

Ademas, los metodos de combination electrostatica pueden ser mejorados mediante la asociacion de las nanobarras con otra molecula. En el Ejemplo 2, las nanobarras se mezclaron con una pequena cantidad de un informador SERS resonante, identificado como SERS-817. Posteriormente, las nanobarras se estabilizaron mediante un polimero cargado negativamente y se limpiaron extensivamente. Se preparo una mezcla fisica con nanoetiquetas de SERS que habian sido recubiertas previamente con un polimero cargado positivamente, promoviendo cierta adsorcion de las barras a particulas SERS. Despues de un periodo de incubation suficiente, la mezcla se estabilizo mediante la adicion de un exceso de polimero cargado negativamente ("encapsulando" los conjuntos de nanoetiqueta/nanobarra y permitiendo que se limpiaran mas facilmente). Los ensamblajes se limpiaron brevemente para eliminar la mayoria de nanobarras no unidas y polimeros en exceso, despues de lo cual se encapsularon en vidrio. Los ensamblajes de particulas resultantes se muestran en las imagenes TEM de la Fig. 2. Se observa que las particulas son bastante gruesas y no muestran una senal SERS particularmente fuerte a 1064 nm. Como se muestra en la Figura 3, estas particulas tienen sin embargo firmas distintas y unicas en 785 (traza de grafico 302) y 1064 nm (traza de grafico 304), con la firma de 1064 nm correspondiente al informador BPE en las nanoetiquetas SERS y con el espectro 785 correspondiente al SERS espectro del informador SERS-817 que se anadio a las nanobarras en una etapa inicial. Por lo tanto, este resultado, como se ilustra en la Figura 3 demuestra que a 785 nm, los fotones no estan alcanzando el nucleo interno o la molecula informadora interna. Si la luz de excitation de 785 nm llegaba al nucleo de las nanoetiquetas de SERS, estaria presente un espectro intenso del informador de BPE.

Ejemplo 3 - Nanobarras de Au como absorbentes de plasmon

Las caracteristicas de adsorcion de nanobarras asociadas con nanoetiquetas de SERS se pueden mejorar para aumentar la selectividad de longitud de onda de las particulas resultantes. Las imagenes TEM de la Figura 4 son de una muestra de nanoetiqueta que fue recubierta con nanobarras (via adsorcion electrostatica, segun lo descrito previamente). Sin embargo, esta muestra utilizo nanobarras que debido a la forma, tamano o relation de aspecto de la nanobarra son inherentemente mas adecuadas para bloquear energia de excitacion de 785 nm. Por consiguiente, como se muestra en la Figura 5, las nanoetiquetas de SERS del Ejemplo 3 muestran una respuesta significativamente menor de SERS a 785 nm que las etiquetas originales (vease el trazado de grafico 502). Todos los datos de la Figura 5 se adquirieron a una concentration de oro de 12.5 pg/ml. La reduction observada en la senal es aproximadamente diez veces menor que las etiquetas no modificadas. Sin embargo, la extincion de la nanobarra parece haberse ampliado, probablemente debido a la agregacion, haciendo que la senal en 1064 nm sea afectada perceptiblemente (traza del grafico 504). Este resultado es una evidencia adicional de que los absorbentes de plasmon pueden utilizarse eficazmente para amortiguar la respuesta de SERS a una longitud de onda dada, y asi crear particulas selectivas de longitud de onda.

Ejemplo 4 - Nanobarras de Au revestidas con vidrio como absorbentes de plasmon

Las propiedades plasmonicas de nanobarras asociadas con las nanoetiquetas de SERS pueden estabilizarse antes de la asociacion con las nanoetiquetas de SERS para evitar cambios en las propiedades plasmonicas causadas por las interacciones nanobarra-nanobarra. En este ejemplo, las nanobarras de oro se recubrieron primero con una fina envoltura de vidrio. Esta envoltura de vidrio previene los cambios plasmonicos causados por la agregacion o coalescencia de las nanobarras antes o durante su adsorcion a las nanoetiquetas de SERS. De este modo, se conservan las propiedades opticas de las nanobarras de oro y se observa una respuesta de longitud de onda mucho mas especifica. Como se ha descrito anteriormente, las nanobarras recubiertas de vidrio pueden ser facilmente adsorbidas directamente a las nanoetiquetas SERS usando metodos electrostaticos. La Figura 6 muestra los espectros Raman de nanoetiquetas SERS antes y despues del tratamiento con nanobarras recubiertas con silice. La intensidad de SERS a 785 nm frente a 1064 nm se reduce aproximadamente 8 veces despues del tratamiento. La Figura 7 muestra una SEM de las particulas compuestas nanobarra-nanoetiqueta.

Ejemplo 5 - Carcasas de plasmon como absorbentes de plasmon

Pueden disenarse estructuras nucleo-carcasa con nucleos dielectricos rodeados por carcasas metalicas a nanoescala para tener resonancias de plasmon en el IR cercano. Vease, por ejemplo, el espectro de absorbancia de una particula de nucleo de silice-AG de la Figura 8. En particular, las dimensiones relativas del nucleo y la carcasa pueden disenarse para producir una resonancia plasmonica alrededor de 785 nm. Tal estructura atenuaria la respuesta de SERS de una nanoetiqueta de SERS incrustada dentro de la estructura ya que la resonancia del plasmon de la carcasa impediria que la luz del laser de excitacion alcanzara la nanoetiqueta, y tambien evitar que la luz dispersada de Raman escapara. Dado que la resonancia de plasmon puede ser disenada para absorber mmimamente a 1064 nm, la geometria de particula puede ajustarse para impactar mmimamente la senal SERS de la nanoetiqueta a 1064 nm.

Metodos alternativos de creation de particulas de SERS selectivas de longitud de onda

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

A. Absorbentes moleculares

Pueden utilizarse absorbentes moleculares para bloquear una longitud de onda seleccionada, por ejemplo bien la fuente de excitacion de 785 nm (u otra longitud de onda), o la emision resultante de SERS. Sin embargo, la seccion transversal de los absorbentes qulmicos tlpicos sera mucho menor que la de las nanobarras de Au, requiriendo as! que este presente una cantidad significativamente mayor de la molecula. Esto, sin embargo, puede ser ventajoso ya que muchos de estos absorbentes moleculares exhiben fluorescencia debil. A altas concentraciones, esta fluorescencia puede ser anulada, dando como resultado una partlcula con una emision minima, sin rasgos distintivos.

Un metodo que puede proporcionar altos niveles de dopaje es crear una carcasa de vidrio poroso que tenga una superficie muy alta. Si los absorbentes de IR cercanos pueden adsorberse flsicamente al vidrio, la partlcula entera podrla ser tapada con una capa de sllice adicional. La presencia de tensoactivos en el proceso de crecimiento del vidrio puede conducir a revestimientos mesoporosos, con areas superficiales muy elevadas. Ademas, los metodos de transformation pseudomorficos pueden permitir que las nanoetiquetas de SERS ya preparadas se conviertan en etiquetas con cubiertas mesoporosas. Los poros pueden entonces, opcionalmente, ser tapados para evitar el escape del colorante o la molecula de bloqueo.

Alternativamente, un absorbente puede unirse covalentemente a la superficie de sllice de una nanoetiqueta de SERS a traves de un reactivo de silano tal como 3-aminopropiltrimetoxisilano (APTMS) o cualquier otro agente de acoplamiento. De esta manera, las moleculas se pueden incorporar a traves de la sllice a medida que se forman capas de vidrio mas gruesas.

Cualquier material que absorba luz a una longitud de onda de interes puede usarse potencialmente para una aplicacion de absorbente molecular. Por ejemplo, las etiquetas pueden ser incorporadas en una tinta que absorbe a la longitud de onda deseada.

Ejemplo 6 - Nanoetiquetas SERS rodeadas por absorbentes moleculares

Los datos representados en la Figura 9 demuestran que los absorbentes moleculares pueden usarse para enmascarar la senal de una nanoetiqueta de SERS utilizando una excitacion de 785 nm, dejando inalterada la senal desde la excitacion de 1064 nm. Para el Ejemplo 6, las nanoetiquetas de SERS se suspendieron en soluciones acuosas que no contenian ningun absorbente molecular, y 10 y 100 pg/ml de un absorbente molecular identificado como IRA-800. La concentration de nanoetiquetas SERS fue la misma en todos los casos. A 10 pg/ml del absorbente molecular, la senal de SERS a 785 nm de la nanoetiqueta de SERS no es facilmente evidente, aunque se observa fluorescencia debil del absorbente molecular. Sin embargo, a una concentracion de absorbente de 100 pg/ml, no solo la senal de SERS esta completamente enmascarada, sino que la fluorescencia del absorbente molecular tambien se apaga, dando como resultado una emision debil y sin rasgos en 785. En contraste, la respuesta de SERS a 1064 nm virtualmente no tiene cambios en estas soluciones.

Ejemplo 7 - Nanoetiquetas SERS con encapsulante mesoporoso

Las particulas del Ejemplo 7 presentan un recubrimiento de vidrio adicional hecho en presencia de un tensoactivo, CTAB, para preparar un encapsulante mesoporoso como se ha descrito anteriormente. Aunque es dificil determinar si el vidrio es realmente poroso, como se muestra en la Figura 10, el recubrimiento claramente difiere de los recubrimientos lisos que se obtienen a partir de procesos de encapsulation de nanoetiqueta SERS tipicos. Se espera que estos poros tengan un tamano <5 nm.

B. Ajuste del plasmon de superficie

Un metodo alternativo para impartir la selectividad de longitud de onda a una nanoetiqueta de SERS es producir marcadores de mejora con una respuesta inherentemente mejor a 1064 nm que a 785 nm (por ejemplo). Esta afinacion puede lograrse mediante una election juiciosa del material, forma, tamano o grado de agregacion de la etiqueta.

C. Uso de informadores resonantes

Las moleculas con caracteristicas de absorcion proximas a 1064 nm pueden proporcionar mejora de resonancia. Por ejemplo, el colorante IR-1048 (Sigma-Aldrich) tiene una fuerte absorcion molecular centrada a 1048 nm mientras que el colorante IR-27 tiene una absorbancia maxima a 988 nm.

D. Resonancia de transferencia de carga

Otras clases de moleculas que dan respuesta mejorada a 1064 nm frente a otras longitudes de onda incluyen azopiridina, diversas AZP/benzocinolinas (moleculas especificamente mejores a 1064 nm que 785 nm), complejos fluoroforos/metal, moleculas fotocromicas/termocromicas (espiropiranos) y otros.

E. Enmascaramiento de la senal SERS

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Algunos ejemplos detallados anteriormente imparten la selectividad de la longitud de onda a una nanoetiqueta de SERS bloqueando la incidencia de una longitud de onda de excitacion o bloqueando la emision de un espectro de SERS causado por la excitacion a la longitud de onda seleccionada. Alternativamente, la senal SERS de una nanoetiqueta SERS puede ser generada, pero efectivamente enmascarada antes de la deteccion. Por ejemplo, una molecula o material puede estar asociado con un encapsulante que es fuertemente fluorescente usando excitacion de 785 nm. La deteccion de SERS puede entonces ocurrir con excitacion de 1064 nm.

Ejemplo 8 - Senal SERS enmascarada por fluorescencia

La Figura 11 muestra dos espectros obtenidos a partir de una mezcla que contiene el colorante IR-140 (100 nM) y una muestra de etiquetas SERS. Cuando se excita a 785 nm se observa un fuerte espectro 1102 de emision de fluorescencia debido a IR-140 y no se puede detectar la presencia de la etiqueta SERS. La fluorescencia enmascara efectivamente el hecho de que esta presente un marcador Raman. Cuando se excita a 1064 nm, se detecta el espectro Raman de la etiqueta SERS 1104. Este resultado se obtuvo mezclando flsicamente las dos sustancias. Alternativamente, se podrla incorporar un material fluorescente en la estructura de la etiqueta SERS.

Observese que el SERS a 785 nm esta completamente oscurecido por fluorescencia, pero no hay fluorescencia cuando se excita a 1064 nm. La cantidad de colorante anadido a las partlculas corresponde a mucho menos que la cobertura de monocapa, lo que implica que muy pocos fluoroforos tendrlan que ser incorporados en la etiqueta SERS para una etiqueta selectiva en longitud de onda efectiva.

F. Metodos alternativos de lectura

Pueden usarse metodos de lectura alternativos para impartir la selectividad de longitud de onda a las nanoetiquetas de SERS. Normalmente la dispersion Raman ocurre en la escala de tiempo de picosegundos mientras que la fluorescencia como muy rapido ocurre en el regimen del nanosegundo y otros procesos luminiscentes pueden ser mucho mas lentos. Debido a esta diferencia en el comportamiento temporal es posible detectar la dispersion Raman incluso cuando la luminiscencia esta ocurriendo en las mismas longitudes de onda. La deteccion resuelta en el tiempo se puede utilizar excitando tanto la dispersion Raman como la luminiscencia con impulsos de luz que son mucho mas cortos que la vida luminiscente. La deteccion temporizada puede usarse entonces para medir la dispersion Raman mientras se rechaza la mayor parte de la luminiscencia. Alternativamente, en el dominio de la frecuencia, la amplitud de la fuente de excitacion puede ser modulada a alta frecuencia. De esta manera, los procesos con respuesta rapida (es decir, dispersion Raman) siguen la frecuencia de modulacion y pueden detectarse con un detector sensible a la frecuencia y la fase. La senal de procesos con respuesta mas lenta puede ser rechazada por el detector sensible a la frecuencia. Por lo tanto, el material que posee fluorescencia no resuelta espectralmente y dispersion Raman se puede usar como una etiqueta Raman.

G. Fotorreduccion transitoria

Es posible utilizar fuertes impulsos de luz que causan la absorcion de una molecula para saturarla. Esto sucede cuando la velocidad a la que los fotones son absorbidos excede la velocidad a la cual el estado excitado puede ser despoblado. En ese punto los fotones entrantes estarlan libres para excitar la dispersion Raman y SERS. Un sistema de lectura adecuado requerirla una fuente de luz pulsada y sistemas de deteccion rapida.

Formas de realizacion alternativas incluyen procedimientos para fabricar una nanoetiqueta de SERS de longitud de onda como se ha descrito anteriormente.

Metodos alternativos incluyen tambien el uso de una nanoetiqueta de SERS selectiva de longitud de onda para la marcacion o la etiquetacion de un artlculo, sustancia, documento o artlculo, de manera que la etiqueta pueda detectarse con menos frecuencias de interrogacion de las que se esperarla basandose en la naturaleza de la molecula informadora utilizada con la nanoetiqueta SERS. Los metodos de etiquetado comprenden proporcionar una partlcula activa SERS como se ha descrito anteriormente y asociar la partlcula con un material u objeto de interes. El metodo de marcacion puede incluir ademas la obtencion de un espectro de SERS y otra informacion de identification de la partlcula en asociacion con el material de interes y, de este modo, identificar el objeto o sustancia marcada. Se puede asociar informacion de identificacion suplementaria con la etiqueta o el objeto, tal como se describe en el presente documento.

La naturaleza pequena, robusta, no toxica y facilmente acoplable de las partlculas descritas en el presente documento permite su uso para etiquetar virtualmente cualquier objeto deseado. El objeto marcado puede estar hecho de material solido, llquido o en fase gaseosa o cualquier combination de fases. El material puede ser un objeto solido discreto, tal como un recipiente, plldora o pieza de joyerla, o un material continuo o granular, tal como pintura, tinta, combustible o pieza extendida de, por ejemplo, textil, papel o plastico, en cuyo caso las partlculas estan tlpicamente distribuidas a traves del material.

Ejemplos de materiales u objetos especlficos que pueden ser marcados con las partlculas descritas en el presente documento, o en los que las partlculas pueden incorporarse incluyen, pero no se limitan a:

Embalaje, incluyendo adhesivos, papel, plasticos, etiquetas y sellos

Agroqulmicos, semillas y cultivos Obra de arte Chips de ordenador Cosmeticos y perfumes

5 Discos compactos (CD), discos de video digital (DVD) y cintas de video

Documentos, dinero y otros productos de papel (por ejemplo, etiquetas, pasaportes, certificados de acciones)

Tintas, pinturas, barnices, lacas, recubrimientos, acabados y tintes Dispositivos electronicos Explosivos y armas 10 Alimentos y bebidas, tabaco

Textiles, ropa, calzado, productos de diseno y etiquetas de prendas de vestir Pollmeros

Insectos, aves, reptiles y mamlferos Polvos

15 Productos de lujo

Otras sustancias o materiales antifalsificacion, tales como hologramas, dispositivos opticamente variables, tintas que cambian de color, hilos y partlculas opticamente activas

Residuos peligrosos

Objetos de publicidad y conmemorativos de cine, objetos conmemorativos y prendas de vestir deportivos

20 Fabricacion de partes, partes de automoviles, partes de aviones, partes de camiones

Petroleo, combustible, lubricantes, gasolina, petroleo crudo, combustible diesel, paquetes de aditivos para combustibles, petroleo crudo

Productos farmaceuticos, medicamentos recetados, medicamentos de venta libre y vacunas

Las partlculas aqul descritas pueden estar asociadas con el material de cualquier manera que mantenga su 25 asociacion, al menos hasta que se lean las partlculas. Dependiendo del material que va a ser marcado, las partlculas pueden incorporarse durante la produccion o asociarse con un producto acabado. Debido a que son tan pequenas, es poco probable que las partlculas tengan un efecto perjudicial en el proceso de fabricacion o en el producto acabado. Las partlculas pueden estar asociadas o unidas al material a traves de cualquier medio quimico o fisico que no interfiera inherentemente con la funcionalidad de las partlculas. Por ejemplo, las partlculas se pueden 30 mezclar y distribuir a traves de una sustancia liquida tal como pintura, aceite o tinta y luego aplicarse a una superficie. Pueden enrollarse dentro de fibras de un textil, papel u otro producto fibroso o tejido, o atrapadas entre capas de una etiqueta multicapa. Las partlculas se pueden incorporar durante la produccion de un material polimerico o en suspension y se unen durante la polimerizacion o secado del material. Adicionalmente, las superficies de las partlculas pueden formar derivados quimicamente con grupos funcionales de cualquier 35 caracteristica deseada, para la union covalente o no covalente al material. Cuando las partlculas se aplican a un producto acabado, pueden aplicarse manualmente mediante, por ejemplo, una pipeta, o automaticamente mediante una pipeta, boquilla de pulverizacion o similar. Las partlculas se pueden aplicar en disolucion en un disolvente adecuado (por ejemplo, etanol), que luego se evapora.

Las partlculas descritas en la presente invencion tienen un numero de propiedades inherentes que son ventajosas 40 para etiquetar, rastrear e identificar aplicaciones. Ofrecen un gran numero de codigos posibles. Por ejemplo, si un panel de partlculas esta construido con 20 espectros Raman distinguibles, y un objeto esta etiquetado con dos partlculas, hay 20*19/2 = 190 codigos diferentes. Si el numero de partlculas por objeto se incrementa a 5, hay 15.504 codigos posibles. Diez partlculas por objeto producen 1.1 x 106 codigos diferentes. Un monocromador mas sofisticado aumenta el numero de espectros distinguibles a, por ejemplo, 50, aumentando grandemente el numero 45 de codigos posibles. Alternativamente, pueden usarse diferentes cantidades de partlculas para generar un numero aumentado exponencialmente de codigos posibles. Por ejemplo, con solo cuatro tipos diferentes de partlculas (N=4), presentes en tres niveles de intensidad diferentes (por ejemplo, Alto, Medio, Bajo) (L=3), elegidos tres a la vez (P=3), pueden generar 58 diferentes codigos. Con N=10, P=3, L=1, el numero de codigos es 175. Con N=50, P=5, L=4,

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

mas de mil millones de codigos son posibles.

En algunas realizaciones, las partlculas se pueden aplicar a un documento u otro artlculo en una tinta u otro material de marcacion. Las tintas incluyen, pero no se limitan a, tinta flexografica, tinta litografica, tinta de serigrafla, tinta de huecograbado, tinta de sangrado, tinta reactiva a monedas, tinta borrable, tinta reactiva para pluma, tinta reactiva al calor, tinta infrarroja visible, tinta opticamente variable y tinta penetrante, tinta fotocromica, tinta reactiva solvente/agente qulmico, tinta termocromica y tinta fugitiva de agua. Una partlcula tambien se puede aplicar en maquinas electrofotograficas y de impresion por chorro de tinta y otros sistemas que incluyen litografla offset, tipografla, huecograbado, heliograbado, xerografla, fotografla, sistemas de grabado en seda, sistemas para depositar en forma de imagenes cantidades discretas de un material de marcacion sobre una superficie de sustrato, tales como sistemas de deposicion de pintura, agentes qulmicos y pellcula; y sistemas para la integration de materiales colorantes en una superficie expuesta de un sustrato fibroso, tales como sistemas de impresion textil.

Debe observarse que pueden incluirse o utilizarse caracterlsticas de seguridad adicionales junto con las etiquetas descritas para un artlculo o documentos particulares. Una de estas caracterlsticas de seguridad adicional puede ser una tinta de seguridad separada, tal como tinta de sangrado, tinta reactiva a monedas, tinta borrable, tinta reactiva de pluma, tinta reactiva al calor, tinta infrarroja visible, tinta opticamente variable, tinta penetrante, tinta fotocromica, tinta reactiva solvente/agente qulmico, tinta termocromica o tinta fugitiva de agua. Las etiquetas se pueden aplicar como parte de la tinta, o en una etapa separada. Otras caracterlsticas de seguridad no basadas en tinta que pueden utilizarse ademas de las etiquetas descritas para la marcacion de documentos o artlculos incluyen el uso de un numero de serie ascendente (formato horizontal y/o vertical), codigo de barras y numeros, fibras coloreadas, hilo de seguridad incorporado (registro transparente), impresiones de lamina, hologramas, impresiones latentes, microimpresion, dispositivos opticos variables (OVD), planchetas, marcas elevadas, hilos de seguridad segmentados y marcas de agua.

Las partlculas descritas pueden aplicarse recubriendo una imagen, incluyendo pero sin limitarse a una imagen de holograma, hecha con composiciones de toner o tinta conocidas en la tecnica, como con un barniz de recubrimiento, o un revestimiento de almidon.

En el caso de documentos con otras caracterlsticas de seguridad, tales como aquellas que incluyen hilos de pollmero o laminas metalicas, las partlculas pueden aplicarse a una caracterlstica adicional, tal como el hilo o la lamina. Se pueden considerar marcas unicas para representar una pequena cantidad de datos que pueden ser cambiables de acuerdo con los metodos descritos en el presente documento. Por lo tanto, los grupos de partlculas distinguibles descritos en el presente documento se pueden aplicar para constituir un "alfabeto" y combinarse como palabras o information codificada, que puede ser selectivamente variable o variable en el tiempo.

Las partlculas aqul descritas pueden identificarse utilizando un espectrometro convencional, por ejemplo un espectrometro Raman. De hecho, uno de los beneficios de utilizar partlculas SERS es la versatilidad de las fuentes de excitation y la instrumentation de detection que puede emplearse para la espectroscopla Raman. Para generar espectros Raman se pueden utilizar laseres visibles o de IR cercano de diferentes tamanos y configuraciones. Los instrumentos portatiles, de tamano de mano y estuche son comunes. Al mismo tiempo, los monocromadores mas sofisticados con mayor poder de resolution espectral permiten un aumento en el numero de etiquetas unicas que se pueden emplear dentro de una region espectral dada. Por ejemplo, la capacidad de distinguir entre dos picos Raman cuyos maximos difieren solo en 3 cm-1 es rutinario.

Tlpicamente, si se proporciona una gula de ondas adecuada (por ejemplo, fibra optica) para transmitir luz hacia y desde el objeto, la fuente de excitacion y el detector pueden estar flsicamente alejados del objeto que se esta verificando. Esto permite que las partlculas descritas se utilicen en lugares en los que es diflcil colocar fuentes de luz o detectores convencionales. La naturaleza de la dispersion Raman y la excitacion monocromatica basada en laser es tal que no es necesario situar la fuente de excitacion muy cerca de las especies activas en Raman. Ademas, las partlculas descritas en la presente invention son susceptibles de ser utilizadas con todas las formas conocidas de espectrometros Raman, incluyendo algunas implementaciones mas recientes, incluyendo espectros de absorcion Raman separados espacialmente, espectrometros Raman de absorcion, instrumentos para medir la actividad optica Raman y as! sucesivamente.

Otra caracterlstica de las partlculas reveladas es que la medicion de sus espectros no necesita limitarse estrictamente a la deteccion de "llnea de vision", como sucede con, por ejemplo, marcadores fluorescentes. Asl, su espectro puede ser adquirido sin retirar las partlculas del objeto marcado, con la condition de que el material sea parcialmente transparente tanto a la longitud de onda de excitacion como al foton Raman. Por ejemplo, el agua tiene una actividad Raman despreciable y no absorbe radiation visible, permitiendo que las partlculas aqul descritas en agua sean detectadas. Las partlculas tambien pueden detectarse cuando estan embebidas en, por ejemplo, plastico, papel o ciertas tintas transparentes.

Las partlculas divulgadas tambien permiten la verification cuantitativa, porque la intensidad de la senal es una funcion aproximadamente lineal del numero de moleculas del analito. Para las partlculas estandarizadas (distribucion uniforme del analito), la intensidad de la senal medida refleja el numero o la densidad de las partlculas. Si las partlculas se anaden a una concentration conocida, la intensidad de senal medida puede usarse para detectar

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

dilucion no deseada de materiales llquidos o granulares.

En otra realizacion, las partlculas SERS en elementos marcados se detectan con un instrumento capaz de medir luz dispersada de forma no elastica y determinar la identidad de las partlculas SERS y por extension el elemento marcado. En una realizacion, el instrumento requiere una fuente de excitacion que ilumine el elemento marcado. Se recoge la luz dispersada de forma no elastica de las partlculas de SERS. Se analiza el espectro de luz dispersada y se determina la identidad de las partlculas, y por lo tanto el elemento. El lector puede ser un espectrometro Raman. El instrumento para recoger y analizar el espectro Raman (el lector) puede ser tan pequeno como 1 millmetro cubico y tan grande como 1000 metros cubicos.

La fuente de luz utilizada para excitar las partlculas puede ser una luz monocromatica de un laser que funciona en estado solido, gaseoso o llquido. El laser puede ser continuo o pulsado. Un laser continuo puede tener potencias desde 01. femtovatios hasta 1 megavatio. Un laser pulsado puede tener potencia total similar con pulsos tan cortos como menos de 1 femtosegundo, y con una tasa de repeticion de impulsos de hasta 1 terahertz. Alternativamente, se pueden usar multiples fuentes de luz. En una realizacion, se utilizan longitudes de onda de excitacion separadas multiples para determinar la presencia o ausencia de partlculas selectivas de longitud de onda como se ha descrito anteriormente o para compensar detectores que tienen bajas eficiencias de conversion de fotones a electrones en ciertas regiones espectrales, usando una longitud de onda de excitacion para cubrir una cierta porcion de la ventana de desplazamiento Raman (por ejemplo, 100-1800 cm-1), y la segunda para cubrir otra (por ejemplo, 1801-3600 cm1).

Ademas de los laseres, la luz puede provenir de un material electroluminiscente tal como un diodo emisor de luz. Alternativamente, la luz de excitacion puede provenir de una fuente de luz incandescente o fluorescente. En todas las realizaciones, el intervalo de longitud de onda de excitacion puede ser de 100 nm a 100 micras. La luz de excitacion se puede filtrar espectralmente con filtros discretos o elementos espacialmente dispersantes.

En una realizacion, la anchura espectral de la luz monocromatica es inferior a 0,5 nm. En otras realizaciones, la anchura espectral es de 0,01 nm de ancho de banda a 100 nm de ancho de banda. La excitacion y la luz recogida pueden dirigirse hacia y desde el objeto bajo interrogacion con lentes, espejos, tubos de luz, rejillas, gulas de ondas, fibra optica o cualquier otro componente. Todos los elementos opticos y mecanicos pueden, pero no necesitan, ser integrados en una sola plataforma.

En una realizacion, la fuente de excitacion y el sistema de recoleccion estan conectados a la optica de suministro de muestras con tubos de luz o fibras opticas. En otras realizaciones, elementos opticos discretos conectan la fuente de excitacion y el elemento de deteccion. La optica discreta incluye lentes, espejos u otras gulas de ondas. En otras realizaciones, la fuente de excitacion, el espectrometro de recoleccion o todos los artlculos se fabrican utilizando tecnicas de microfabricacion tales como LIGA, moldeo, grabado, MEMS, NEMS, litografla, fotolitografla u otros metodos monollticos. El punto iluminado de la fuente de excitacion puede ser mayor de 100 micrometros de diametro. En otras realizaciones, el punto iluminado puede ser tan pequeno como 100 nanometros cuadrados y tan grande como 1 metro cuadrado.

En una realizacion la luz recolectada se analiza mediante un espectrometro. El espectrometro utiliza una rejilla para dispersar la luz recolectada sobre un detector de arreglo de area, preferiblemente un dispositivo acoplado de carga (CCD). El CCD divide el espectro en compartimientos, con cada compartimiento correspondiente a un determinado rango de longitud de onda. El numero de contenedores utilizados puede variar de 1 bandeja a muchos miles de bandejas. En una realizacion, el numero de bandejas es mayor que 20.

La optica del espectrometro tiene tlpicamente una resolucion espectral especlfica. Por ejemplo, la resolucion puede ser inferior a 10 nm o entre 1 nm a 4 nm. En otras realizaciones, la resolucion es de 0,01 nm a 5000 nm. La resolucion seleccionada puede ser de 0,01 cm-1 a 40000 cm-1 expresada como numero de onda.

En una realizacion, el metodo de separacion optica de luz en bandejas usa cualquier forma de dispersion de luz con un prisma, rejilla o cualquier elemento espacialmente dispersante. En otras realizaciones, se utiliza un arreglo de microespejos digitales para dispersar espacialmente la luz. Se usan otros filtros espectrales sintonizables, incluyendo filtros sintonizables acustico-opticos, filtros sintonizables de electro-optica, filtros sintonizables de cristal llquido. Cualquier forma de analisis espectral de barrido se puede utilizar as! como la espectroscopia de correlacion con Transformadas de Fourier. En otra realizacion, se puede usar un unico elemento de deteccion o una matriz de elementos de deteccion. El espectro se analiza con filtros opticos discretos o con los otros metodos de filtrado espectral antes mencionados.

En una realizacion, el elemento detector es una matriz CCD o fotodiodo hecha de silicio, InGAs o cualquier otro semiconductor. Recientemente, se han descrito detectores hechos de materiales organicos (por ejemplo, pollmeros conductores) y de compuestos a base de carbono. En otras realizaciones, el elemento de deteccion es cualquier elemento que convierte energla electromagnetica, es decir fotones en electrones u otra energla electrica o energla termica o energla sonora.

La energla electrica convertida se analiza mediante un circuito electrico. El circuito tlpicamente, si es necesario, convierte la senal analogica del detector en una senal digital que es almacenada o analizada por un ordenador. La

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

senal digital se puede analizar para determinar la presencia de la etiqueta. La senal digital puede ser un nivel de senal discreta o una corriente de niveles de senal correspondiente a un espectro. En otras realizaciones, el circuito puede usar elementos logicos analogicos para determinar el nivel de senal de la etiqueta y si el elemento esta marcado o no.

En una realizacion, el espectro adquirido es analizado por un ordenador para determinar la presencia de las partlculas de SERS despues de tener en cuenta la presencia de otros materiales que contribuyen al espectro, es decir, otras tintas, materiales que ensucian etc. Por ejemplo, partlculas SERS con un Espectrometro Raman disponible comercialmente, como el Delta Nu Reporter. El espectrometro Raman puede ser controlado por un pequeno ordenador en un telefono u otro asistente de datos personales. El pequeno ordenador puede comunicarse con el Espectrometro Raman a traves de una conexion inalambrica, ya sea Bluetooh o wi-fi u otro protocolo inalambrico. En esta realizacion, el pequeno ordenador puede recibir el espectro adquirido del Espectrometro Raman, analiza el espectro e identifica el elemento.

En otra realizacion, el sistema lector es parte de otra maquina. El lector utiliza una senal de la maquina para iniciar la deteccion de la etiqueta y realizar la clasificacion en tiempo real. La maquina contiene un procesador central que identifica el elemento etiquetado y toma una decision sobre el elemento si es real o no y si la etiqueta es correcta. La maquina puede ser utilizada en el procesamiento, emision, clasificacion, recuento, criba, rastreo o autenticacion de billetes o divisas, o para cualquier otra aplicacion de seguridad industrial, y donde los artlculos marcados pueden ser pastillas, balas, prendas de vestir, partes de maquinas, software, alimentos, bebidas o cualquier otro elemento al que se apliquen partlculas SERS.

En otras realizaciones, la maquina es una prensa de impresion de moneda o sellos o de documentos o impresora de inyeccion de tinta o impresora digital o cualquier otro tipo de instrumentation de impresion donde se usa el lector para la monitorizacion del proceso. En otras realizaciones, la maquina es parte de una llnea de envasado o etiquetado final en la que las etiquetas se comprueban como una etapa final.

Ademas del analisis espectral Raman, la instrumentacion o el lector puede realizar otras funciones. Por ejemplo, el instrumento puede medir dispersion de luz elastica o no elastica. Alternativamente, el instrumento puede adquirir una imagen optica de un elemento as! como una firma espectral. Del mismo modo, el instrumento puede medir un espectro de fluorescencia en una ventana espectral y un espectro Raman en otra ventana espectral.

El espectro puede ser analizado para picos, anchuras, alturas y posiciones espectrales, numeros de picos, relaciones de picos, o combinaciones de los mismos. El espectro puede analizarse por cualquier numero de metodos matematicos, incluyendo, pero sin limitarse a, analisis de ondlculas, analisis de componentes principales, regresion lineal y no lineal, o combinaciones de los mismos. Ademas, la transformadas de Fourier, las transformadas de Laplace, las transformadas de Hildebrand, las transformadas de Hadamard o cualquier otro metodo matematico, es decir, desde primeras a derivadas de orden superior, integrales de primer o de orden superior o cualquier otro analisis, pueden usarse para manipular la information espectral. Todos los metodos anteriores pueden usarse para eliminar cualquier senal interferente o extrana o no deseada, incluyendo pero sin limitarse a: (a) interferencias estandar, incluyendo pero no limitadas a la luz del dla, impurezas, papel, tinta, hilo, fibra, metal, llquidos, solidos, disolventes, humedad, (b) senales relacionadas con el uso, incluyendo las de suciedad, manchas (por ejemplo, cafe, cerveza, llquidos para la piel), polvo, carbon, trazas de drogas (por ejemplo, cocalna), y (c) senales opticas de interferencia, incluidas pero sin limitarse a fluorescencia, luminiscencia, absorbancia, dispersion, fosforescencia y quimioluminiscencia.

En una realizacion, las partlculas de SERS selectivas de longitud de onda se usan solas o en combinaciones para hacer codigos. Las etiquetas y sus combinaciones estan organizadas en una base de datos que puede ser correlacionada con productos, numeros de lote u otros atributos. Se pueden usar bibliotecas de espectros de marcacion conocida para encontrar los espectros de etiquetas deseados. Las bibliotecas pueden incluir todos los demas compuestos, imitaciones o cualquier otro material anticipado. Los fondos y otros componentes se pueden separar usando los mismos metodos. Los fondos y otros contaminantes pueden ser modelados sinteticamente usando un polinomio u otra funcion matematica, substraccion del clrculo de rodadura y filtration espectral.

La informacion de la base de datos se puede almacenar en el dispositivo de deteccion o almacenarse en un ordenador remoto. El equipo remoto podrla ser parte de un telefono celular u otro dispositivo movil que este vinculado a un solo o multiples instrumentos. El ordenador remoto podrla ser un ordenador personal, un ordenador portatil o una nube de computation central que se comunique con una variedad de instrumentos, de 1 a 2 millones, a traves de la conexion a Internet u otro protocolo de comunicacion. Los instrumentos y los ordenadores se pueden conectar a traves de una red inalambrica.

Pueden usarse multiples atributos de las partlculas SERS para determinar la identidad de un elemento marcado. Estos atributos incluyen la cantidad de material y la calidad del espectro, la cantidad de material con respecto a otro material, los espectros relativos a otros espectros.

La clasificacion de un codigo o combination de partlculas SERS se puede realizar utilizando metodos estadlsticos, tales como los metodos Bayesianos. Estos metodos se pueden utilizar para asignar probabilidades de que la

5

10

15

20

25

30

muestra contiene el codigo. En otros metodos se establece un umbral para un atributo.

Aunque los ejemplos antes mencionados estan dirigidos a la selectividad de la longitud de onda en las etiquetas SERS, los expertos en la tecnica reconoceran que la incorporacion de caracterlsticas selectivas de longitud de onda puede ser introducida en partlculas disenadas para otros metodos de deteccion optica, incluyendo pero no limitandose a fluorescencia, luminiscencia, fosforescencia, (Rayleigh) dispersion de luz, conversion ascendente, conversion descendente y procesos de fotones multiples. A menos que se indique otra cosa, todos los numeros que expresan cantidades de ingredientes, dimensiones, condiciones de reaccion, etc., utilizados en la especificacion y en las reivindicaciones, deben entenderse como modificados en todos los casos por el termino "aproximadamente".

En esta solicitud y en las reivindicaciones, el uso del singular incluye el plural a menos que se indique especlficamente lo contrario. Ademas, el uso de "o" significa "y/o" a menos que se indique lo contrario. Ademas, el uso del termino "incluyendo", as! como otras formas, tales como "incluye" e "incluido", no es limitante. Ademas, terminos tales como "elemento" o "componente" abarcan elementos y componentes que comprenden una unidad y elementos y componentes que comprenden mas de una unidad a menos que se indique especlficamente lo contrario.

Diversas realizaciones de la descripcion podrlan incluir tambien permutaciones de los diversos elementos enumerados en las reivindicaciones como si cada reivindicacion dependiente fuera una reivindicacion dependiente multiple que incorpora las limitaciones de cada una de las reivindicaciones dependientes precedentes as! como las reivindicaciones independientes. Tales permutaciones estan expresamente dentro del alcance de esta descripcion.

Aunque las realizaciones se han mostrado y descrito en particular con referencia a una serie de ejemplos, los expertos en la tecnica entenderlan que pueden hacerse cambios en la forma y detalles en las diversas realizaciones descritas en el presente documento sin apartarse del alcance de la invencion de acuerdo con las reivindicaciones adjuntas y que las diversas realizaciones descritas en el presente documento no pretenden actuar como limitaciones en el alcance de las reivindicaciones.

La descripcion se ha presentado con fines de ilustracion y descripcion, pero no pretende ser exhaustiva o limitante de la invencion a la forma descrita. El alcance de la presente invencion esta limitado solamente por el alcance de las siguientes reivindicaciones. Muchas modificaciones y variaciones seran evidentes para los expertos en la tecnica. La realizacion descrita y mostrada en las figuras se eligio y describio con el fin de explicar mejor los principios de la invencion, la aplicacion practica, y para permitir que otros expertos en la tecnica entiendan la invencion para diversas realizaciones con diversas modificaciones como son adecuadas para el uso particular contemplado.

Claims (9)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   REIVINDICACIONES

   1. Una nanoetiqueta SERS selectiva en longitud de onda de onda que comprende: un nucleo de mejora de SERS;

   una molecula informadora activa en SERS asociada con el nucleo; un encapsulante que encapsula el nucleo y la asociacion informadora; y bien:

   1) un material de bloqueo asociado con el encapsulante que bloquea total o parcialmente el paso de energla luminosa a una longitud de onda seleccionada hacia la molecula informadora, o bloquea total o parcialmente la radiacion de energla luminosa a una longitud de onda seleccionada desde la molecula informadora, o

   2) un material de enmascaramiento asociado con el encapsulante que enmascara total o parcialmente la energla luminosa irradiada a una longitud de onda seleccionada desde la molecula informadora.
2. 2. La nanoetiqueta de SERS selectiva en longitud de onda de la opcion 1 de la reivindicacion 1, en la que el material de bloqueo comprende una nanobarra asociada con el encapsulante.
3. 3. La nanoetiqueta de SERS selectiva en longitud de onda de la reivindicacion 2, en la que la nanobarra es una nanobarra de Au.
4. 4. La nanoetiqueta de SERS selectiva en longitud de onda de la reivindicacion 2, en la que la nanobarra esta asociada electrostaticamente con el encapsulante.
5. 5. La nanoetiqueta SERS selectiva en longitud de onda de la reivindicacion 4, que comprende ademas un pollmero cargado asociado con la nanobarra; y un pollmero de carga opuesta asociado con la nanoetiqueta de SERS.
6. 6. La nanoetiqueta de SERS selectiva en longitud de onda de la opcion 1 de la reivindicacion 1, en la que el material de bloqueo es un tinte.
7. 7. La nanoetiqueta de SERS selectiva en longitud de onda de la reivindicacion 6, en la que el encapsulante comprende una superficie mesoporosa.
8. 8. La nanoetiqueta de SERS selectiva en longitud de onda de la reivindicacion 6, en la que el material de bloqueo es un tinte fluorescente.
9. 9. Un metodo para fabricar una nanoetiqueta de SERS selectiva en longitud de onda que comprende: proporcionar un nucleo de mejora de SERS;

   asociar una molecula informadora activa en SERS con el nucleo; encapsular el nucleo y la asociacion informadora con un encapsulante; y bien

   1) asociar un material de bloqueo con el encapsulante que bloquea total o parcialmente el paso de energla luminosa a una longitud de onda seleccionada hacia la molecula informadora, o bloquea total o parcialmente el paso de energla luminosa a una longitud de onda seleccionada irradiada desde la molecula informadora; o 2) asociar un material de enmascaramiento con el encapsulante que enmascara total o parcialmente la energla luminosa irradiada a una longitud de onda seleccionada desde la molecula informadora.