CN212391489U - 光学检测系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种光学检测系统，包含检测试片、发光单元、聚光单元、及检测单元。检测试片具有检测带。发光单元设置于检测试片的第一侧，并架构于提供光束。聚光单元设置于发光单元与检测试片之间，并架构于将发光单元所提供的光束会聚至检测带上，其中光束会聚于检测带上的光斑直径小于检测带的宽度。检测单元设置于检测试片的第二侧，并架构于接收穿透检测带的光束并转换为电信号。

Description

光学检测系统
技术领域
本实用新型涉及一种光学检测系统，特别涉及一种生物检测装置的光学检测系统。
背景技术
生物检测装置是在装置上放置特定的生物材料(例如核酸或蛋白质)，以与待测检体中特定的生物材料发生特异性的反应，而反应后的信号可经各种感应器或感应物质定量，进而得知生物反应。现行的侧流层析法(Lateral Flow Assay，简称LFA)技术因使用方便且制程技术成熟，被广泛应用于生物快筛检测相关领域之中。举例而言，传统的快筛检测试片即利用侧流层析法进行检测，通过大孔径的微孔滤膜为载体，例如硝酸纤维膜(nitrocellulose membrane，简称NC膜)，将特异性抗体或抗原固定在NC膜上面，并以胶体金(colloidal gold)颗粒作为呈色剂，以检测检体中是否有欲检测的抗体或抗原存在。
图1即显示传统的生物检测技术示意图。如图所示，快筛检测试片1包含NC膜11、样品垫12、结合垫13、及吸收垫14，其中结合垫13具有以胶体金标记的第一抗体(Ab1-CGC)，NC膜11上的检测带T(T-line)固定有第二抗体Ab2，而控制带C(C-line)则固定有控制抗体cAb。当待测检体S滴在卡匣一端的样品垫12上时，液体会通过毛细作用侧向移动(如箭头所示方向)，并与结合垫13上以胶体金标记的第一抗体(Ab1-CGC)产生特异的免疫反应，然后再移动到NC膜11上，使得待测检体S中的抗原Ag被固定在NC膜11表面的第二抗体Ab2捕捉，并随时间聚集在检测带T上，通过检测带T的光反射信号密度，可以得到肉眼可见的显色结果，若检测带T及控制带C皆呈色即表示为阳性反应，其它未结合的标记物会通过检测带T被吸收垫14给吸收。
侧流层析法的检测结果除了肉眼判断以外，反射式光学检测及CMOS影像撷取装置亦是常见的判读技术。然而，使用肉眼判断检测的结果时，除了存在人为判断的差异外，对于呈色较不明显的微弱反应，常常导致使用者误判。而反射式光学检测技术则是仅能检测到检测试片表面的颜色变化，对于潜藏在试片纤维内部的颜色变化无法反应到检测信号中。再者，反射式光学检测信号容易受到试片表面与光学读取装置的距离变化影响，测量变异较大且需要精确的机构配合，因此无法适用于便携式检测的需求。
此外，CMOS影像撷取装置可通过相机拍摄快筛试片的影像，再通过影像分析技术来圈选特定反应区块影像的色彩或明暗并加以量化，虽然解决了肉眼判断的问题，但其灵敏度的判读极限并未有明显的提升。因此，如何提升检测仪器的方便性及灵敏度已成为检测试片读取装置发展的主要议题。
有鉴于此，为了改善现有技术的缺失，实有必要开发一种改良的光学检测系统，以降低快筛检测试片的测量变异与提升检测的灵敏度。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种改良的光学检测系统，以降低快筛检测试片的测量变异与提升检测的灵敏度。
为达上述目的，本实用新型提供一种光学检测系统，包含检测试片、发光单元、聚光单元、及检测单元。检测试片具有检测带。发光单元设置于检测试片的第一侧，并架构于提供光束。聚光单元设置于发光单元与检测试片之间，并架构于将发光单元所提供的光束会聚至检测带上，其中光束会聚于检测带上的光斑直径小于检测带的宽度。检测单元设置于检测试片的第二侧，并架构于接收穿透检测带的光束并转换为电信号。
在一实施例中，第一侧与第二侧是分别位于检测试片的两相反侧。
在一实施例中，发光单元为发光二极管。
在一实施例中，聚光单元包含至少一会聚透镜，优选为两会聚透镜。
在一实施例中，检测单元为光检测器，优选为光电二极管。
在一实施例中，光斑直径小于1mm。
在一实施例中，发光单元、聚光单元、及检测单元排列在同一光轴上。
在一实施例中，发光单元、聚光单元、及检测单元构成一穿透式光学模块，且穿透式光学模块沿检测试片的侧流方向移动以进行扫描。
在一实施例中，检测试片是以硝酸纤维膜为载体。
在一实施例中，检测带固定有可与待测目标产生特异性反应的生物分子，且生物分子为抗体或抗原。
在一实施例中，待测目标与经呈色剂标记的生物分子结合，且呈色剂为胶体金或荧光标记。
附图说明
图1显示传统的生物检测技术示意图。
图2A显示本实用新型的光学检测系统示意图。
图2B显示图2A的局部放大图及光斑示意图。
图3显示理想检测试片的穿透光波形图。
图4及图5显示光斑直径对穿透光波形的影响，其中图4的光斑直径大于检测带的宽度，而图5的光斑直径小于检测带的宽度。
图6显示不同聚光单元的光斑直径与空白检测试片穿透光信号的关系。
图7显示20个聚光单元对于空白检测试片的测量变异。
图8显示不同聚光单元的光斑直径与检测试片S/N值的关系。
其中，附图标记说明如下：
1：快筛检测试片
11：NC膜
12：样品垫
13：结合垫
14：吸收垫
S：待测检体
Ag：抗原
Ab1-CGC：以胶体金标记的第一抗体
Ab2：第二抗体
cAb：控制抗体
T：检测带
C：控制带
2：光学检测系统
21：检测试片
211：检测带
212：控制带
213：第一侧
214：第二侧
22：发光单元
23：聚光单元
24：检测单元
25：穿透式光学模块
D：光斑直径
W：检测带宽度
X：X轴
Y：Y轴
ADCB：背景信号
ADCT：检测带信号
ADCC：控制带信号
CT：检测带信号
CB1：检测带处的NC膜信号
CB2：空白NC膜信号
具体实施方式
体现本实用新型特征与优点的一些实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本实用新型能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本实用新型的范围，且其中的说明及附图在本质上为说明之用，而非用以限制本实用新型。
本实用新型的光学检测系统主要利用具有微小光点的穿透式光学模块对快筛检测试片进行扫描，以降低试片背景值变异，提高讯杂比(S/N值)与灵敏度，故可增强检测信号与降低变异。本实用新型的光学检测系统应用于检测快筛检测试片的光学信号，所述快筛检测试片是采侧流层析法进行检测，且具有检测带(T line)及控制带(C line)，当检测带上产生具特异性的抗体抗原反应而呈色时，便可经由光学检测系统进一步测得，以判读检测结果。
图2A显示本实用新型的光学检测系统示意图，图2B显示图2A的局部放大图及光斑示意图。如图所示，光学检测系统2包含一检测试片21、一发光单元22、一聚光单元23、以及一检测单元24。检测试片21具有一检测带211及一控制带212。发光单元22设置于检测试片21的一第一侧213，并架构于提供一光束。聚光单元23同样设置于检测试片21的第一侧213，且设置于发光单元22与检测试片21之间，并架构于将发光单元22所提供的光束会聚至检测试片21的检测带211上，其中光束会聚于检测带211上的一光斑直径D小于检测带211的一宽度W。检测单元24设置于检测试片21的一第二侧214，并架构于接收穿透检测带211的光束并转换为电信号。其中，第一侧213与第二侧214是分别位于检测试片21的两相反侧。换言之，检测试片21架构于发光单元22及检测单元24之间，或是检测试片21架构于聚光单元23及检测单元24之间。
在一实施例中，发光单元22为一发光二极管(Light Emitting Diode，LED)，但不以此为限。
在一实施例中，聚光单元23包含至少一会聚透镜，优选为两会聚透镜，但不以此为限。
在一实施例中，检测单元24为一光检测器，优选为光电二极管(Photodiode)，但不以此为限。
在一实施例中，光斑直径D小于1mm，优选为0.5mm至0.75mm，但不以此为限。
在一实施例中，检测试片21是以硝酸纤维膜(NC膜)为载体，其中检测带211固定有可与待测目标产生特异性反应的生物分子，例如抗体或抗原，且待测目标会先与经呈色剂标记的生物分子结合，并在流经检测带211时被具特异性反应的生物分子捕捉。呈色剂可为胶体金或荧光标记，但不以此为限。
举例来说，当待测目标为一抗原时，该待测抗原可先与以胶体金标记的第一抗体结合，且在流经检测带时进一步被固定在检测带上的第二抗体捕捉，并随时间聚集在检测带上而呈色。另一方面，控制带上则固定有可与第一抗体结合的控制抗体，故同样会呈色，以作为有效检测的对照组。
根据本公开的构想，发光单元22、聚光单元23、及检测单元24构成一穿透式光学模块25，且发光单元22、聚光单元23、及检测单元24排列在同一光轴上，例如沿图2A的Y轴方向排列。另一方面，穿透式光学模块25的扫描移动方向、检测试片21的侧流方向、及检测带211的宽度W延伸方向则平行于X轴。在检测过程中，穿透式光学模块25例如会沿着检测试片21的侧流方向(X轴方向)移动以进行扫描，且由检测单元24检测穿透检测试片21的光信号并转换为电信号，再经模拟/数字转换器(Analog-to-digital converter，ADC)转换后，可分别得到背景信号ADCB、检测带信号ADCT、及控制带信号ADCC。图3显示理想检测试片的穿透光波形图。当检测结果为阳性反应时，由于检测带211及控制带212皆呈色，故会降低穿透光信号，使得检测带211及控制带212出现明显的波谷。
根据上述构想，本实用新型的重要技术特征在于，光学检测系统2采用穿透式光学检测，亦即发光单元22及检测单元24分别设置于检测试片21的两相反侧，且发光单元22提供的光束经聚光单元23会聚后，照射于检测试片21的检测带211上的光斑直径D是小于检测带211的宽度W。兹进一步分析此技术特征可增强检测信号与降低变异的原因如下。
图4及图5显示光斑直径对穿透光波形的影响，其中图4的光斑直径大于检测带的宽度，而图5的光斑直径小于检测带的宽度。如图4所示，当光斑直径D大于检测试片21上检测带211的宽度W时，检测单元24会收集到检测带信号CT、检测带处的NC膜信号CB1、以及空白NC膜信号CB2，并计算检测单元24吸收光信号S1如下：
Figure BDA0002525338950000061
而如图5所示，本实用新型的光学检测系统2因在发光单元22与检测试片21之间设置聚光单元23，且使照射于检测试片21的检测带211上的光斑直径D小于检测带211的宽度W。也因此，检测单元24仅收集到检测带信号CT、及检测带处的NC膜信号CB1，并计算检测单元24吸收光信号S2如下：
Figure BDA0002525338950000071
根据上述S1与S2的关系，可以得到S2>S1。因此本实用新型的光学检测系统2通过使照射于检测试片21的检测带211上的光斑直径D小于检测带211的宽度W，而可提升S/N值以增加灵敏度，亦可使S/N值为定值以降低变异性。此外，从图4及图5也可看出，当光斑直径D小于检测带211的宽度W时，所得到的穿透光波形图具有较明显的尖峰特征。
另一方面，发光单元22的温度会影响NC膜的吸收率，且一般材料吸收率会随温度升高而降低。本实用新型在发光单元22与检测试片21之间置入聚光单元23，可使材料的吸收率较不会受到发光单元22投影到检测试片21的光束影响而造成测量变异。
以下将以实例说明本实用新型的光学检测系统可降低测量变异及提升检测灵敏度的技术效果。
图6显示不同聚光单元的光斑直径与空白检测试片穿透光信号的关系。本实例是选择Troponin I快筛试纸作为检测试片，且其检测带宽度为1mm。利用侧流层析法测试空白检体，并分别以光斑直径为0.75mm、1.5mm、及2.5mm等三种聚光单元安装于光学检测系统，进行穿透光波形测量并计算S/N值(ADCB-ACTT/ADCB)。所有聚光单元先以ND 3.1的滤片进行光强度的校正，其中，光斑直径愈小会需要更大的发光功率才能补偿至一样的光强度。由图6结果得知，即使经过校正使光强度大致相近，不同的光斑直径对于空白检测试片呈现变异，且光斑直径愈大，空白检测试片的背景值也愈大。
因此，通过在光学检测系统加入聚光单元并控制光斑直径的设计，可进一步控制检测试片的测量变异。图7显示20个聚光单元对于空白检测试片的测量变异。本实例实际比较20个聚光单元，此20个聚光单元的光斑直径是控制在0.5mm至0.75mm之间，且每个聚光单元都进行穿透光波形测量并计算S/N值。由图7结果得知，将聚光单元的光斑直径控制在0.5mm至0.75mm之间可使检测试片的测量变异小于1％，故可有效降低测量变异。
图8显示不同聚光单元的光斑直径与检测试片S/N值的关系。本实例同样选择Troponin I快筛试纸作为检测试片，且其检测带宽度为1mm。利用侧流层析法测试具1ng/mL的Troponin I血清检体，以进行性能评估。经过10分钟的反应以后，分别以光斑直径为0.75mm、1.5mm、及2.5mm等三种聚光单元安装于光学检测系统，进行穿透光波形测量并计算S/N值(ADCB-ACTT/ADCB)。由图8结果得知，当光斑直径为0.75mm，小于检测试片的检测带宽度1mm时，可得到最高的S/N信号，故可有效提升检测灵敏度。
综上所述，本实用新型的光学检测系统采用穿透式光学检测，将发光单元及检测单元分别设置于检测试片的两相反侧，并将聚光单元设置于发光单元与检测试片之间，以将发光单元所提供的光束会聚至检测试片的检测带上，并使光斑直径小于检测带的宽度，借此降低试片背景值变异，提高讯杂比与灵敏度，故可有效增强检测信号与降低变异，为使用者提供便利且标准化的定量分析。
纵使本新型已由上述实施例详细叙述而可由熟悉本技艺人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附权利要求所欲保护者。

Claims (15)

1.一种光学检测系统，其特征在于，包含：
一检测试片，具有一检测带；
一发光单元，设置于该检测试片的一第一侧，并架构于提供一光束；
一聚光单元，设置于该发光单元与该检测试片之间，并架构于将该发光单元所提供的该光束会聚至该检测带上，其中该光束会聚于该检测带上的一光斑直径小于该检测带的一宽度；以及
一检测单元，设置于该检测试片的一第二侧，并架构于接收穿透该检测带的该光束并转换为电信号。
2.如权利要求1所述的光学检测系统，其特征在于，该第一侧与该第二侧是分别位于该检测试片的两相反侧。
3.如权利要求1所述的光学检测系统，其特征在于，该发光单元为一发光二极管。
4.如权利要求1所述的光学检测系统，其特征在于，该聚光单元包含至少一会聚透镜。
5.如权利要求1所述的光学检测系统，其特征在于，该聚光单元包含两会聚透镜。
6.如权利要求1所述的光学检测系统，其特征在于，该检测单元为一光检测器。
7.如权利要求1所述的光学检测系统，其特征在于，该检测单元为一光电二极管。
8.如权利要求1所述的光学检测系统，其特征在于，该光斑直径小于1mm。
9.如权利要求1所述的光学检测系统，其特征在于，该发光单元、该聚光单元、及该检测单元排列在同一光轴上。
10.如权利要求1所述的光学检测系统，其特征在于，该发光单元、该聚光单元、及该检测单元构成一穿透式光学模块，且该穿透式光学模块沿该检测试片的一侧流方向移动以进行扫描。
11.如权利要求1所述的光学检测系统，其特征在于，该检测试片是以硝酸纤维膜为载体。
12.如权利要求1所述的光学检测系统，其特征在于，该检测带固定有可与一待测目标产生特异性反应的一生物分子。
13.如权利要求12所述的光学检测系统，其特征在于，该生物分子为一抗体或一抗原。
14.如权利要求12所述的光学检测系统，其特征在于，该待测目标与经一呈色剂标记的另一生物分子结合。
15.如权利要求14所述的光学检测系统，其特征在于，该呈色剂为一胶体金或一荧光标记。
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