TW201702574A - 即時空間與時間光譜量測系統及其量測模組 - Google Patents

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Abstract

本發明為一種即時空間與時間光譜量測系統及其量測模組，其中即時空間與時間光譜量測系統包括激發光源及量測模組。激發光源用以激發螢光樣品，量測模組則接收並分析螢光樣品受激發後發出之螢光。量測模組包括單光子線性掃瞄偵測器及線性CCD光譜儀，單光子線性掃瞄偵測器能選擇性攔截螢光分光分波後具有多個波長的多波長光束中的特定波長，以產生單波長時間解析訊號，而線性CCD光譜儀則能接收多波長光束並產生螢光全光譜訊號。藉由本發明之實施，可以同時觀測螢光全光譜訊號與單波長時間解析訊號，進而提高螢光光譜儀的使用便利性。

Description

即時空間與時間光譜量測系統及其量測模組
本發明為一種即時空間與時間光譜量測系統及其量測模組，特別是一種應用於螢光光譜儀之即時空間與時間光譜量測系統及其量測模組。
螢光檢測目前已可應用於各種不同的層面，例如用來分析以及監控光電材料的製程，或是在生醫影像及臨床醫學診療上用來進行血清免疫分析、幹細胞追蹤器的藥物開發或是癌症臨床醫學診療，又或是針對螢光材料建立產業規格標準。
其中，又特別可以藉由瞭解螢光生命期的長短，進而辨別螢光的不同物理機制來源，特別是對於了解發光材料或元件結構在光激發之後，所經歷的激發狀態與衰變過程，甚至於還可獲得分子層面的資訊。量測螢光生命期的方法有很多，如：Phase-Sensitive detection，Time-resolve analog detection和Streak camera detection等。
如第1A圖所示，其為習知之一種生命期感測平台示意圖。該生命期感測平台利用時間相關之單光子計數系統(Time-Correlated Single Photon Counting system,TCSPC system)，使用第一透鏡L1將半導體脈衝雷射60發出之光束聚焦至螢光樣品40上，使螢光樣品40產生螢光及雷射的反射光，特別注意需要避免雷射的反射光進入第二透鏡L2，而只讓螢光樣品40所產生的螢光訊號經由第二透鏡L2，以使得螢光樣品40發出的螢光變為平行光，再經由第三透鏡L3聚焦至光譜儀10中。在光譜儀10的狹縫入口處前放置濾片L4(Long pass filter)，以濾除波長為532±10奈米的光，以達到濾除雜光及激發光源之功效。
然而於實際操作時，第一透鏡L1與半導體脈衝雷射60可以使用單一激發光源取代，也就是說第一透鏡L1直接設置在激發光源中，並聚焦半導體脈衝雷射60發出之光束，而使激發光源直接產生已聚焦之光束；第二透鏡L2可以使用光纖取代，如第1B圖所示，其為使用光纖70將經由第一透鏡L1聚焦之光束(白色箭頭)導至螢光樣品40之示意圖，並且利用同樣的光纖接收螢光樣品40發出的螢光(黑色箭頭)並導入光譜儀10’，而光譜儀10’內部則已包括第1A圖中第三透鏡L3及濾片L4。
進行量測前，要先在光譜儀10中設定好要量測的螢光波長，也就是要旋轉調整在光譜儀10內部的光柵，以使得特定的光波長可被光譜儀10量測到。進行量測時，可利用高反應速率的光電倍增管接收螢光光子訊號，最後利用電腦PC紀錄螢光光子出現的時間，並繪出螢光強度隨時間變化之圖形。
由於習知的螢光生命期感測平台中所使用的光譜儀 10皆為固定式，缺乏機動性，並且在針對不同的波長進行量測時，還需要事先旋轉光柵，缺乏穩定性，在操作上也需要額外耗費許多設定的時間。
本發明為一種即時空間與時間光譜量測系統及其量測模組，除了可以量測與螢光生命期相關的單波長時間解析訊號(即為即時時間光譜)外，也可以量測螢光全光譜訊號(即為即時空間光譜)，並藉由單光子線性掃瞄偵測器的使用，可以利用步進馬達線性移動偵測元件，進而取代傳統旋轉光柵的方式，針對單波長進行時間光譜解析並且大幅提升系統的穩定性。
本發明提供一種即時空間與時間光譜量測系統，其包括：一激發光源，用以激發一螢光樣品；以及一量測模組，用以接收並分析螢光樣品受激發後之一螢光，量測模組包括：一收光及分光光學組件，收集螢光並將螢光分光分波為具有複數個波長之多波長光束；一單光子線性掃瞄偵測器，其係以不平行於多波長光束之光路徑的方式線性移動，選擇性攔截多波長光束中之一特定波長，以產生一單波長時間解析訊號；一線性CCD光譜儀，其係位在多波長光束之光路徑上，以接收多波長光束並產生一螢光全光譜訊號；及一控制處理模組，其係接收並分析單波長時間解析訊號及螢光全光譜訊號。
本發明還提供一種應用於即時空間與時間光譜量測系統之量測模組，其包括：一收光及分光光學組件，收集一螢光 樣品受激發後之螢光並將螢光分光分波為具有複數個波長之多波長光束；一單光子線性掃瞄偵測器，其係以不平行於多波長光束之光路徑的方式線性移動，選擇性攔截多波長光束中之一特定波長，以產生一單波長時間解析訊號；一線性CCD光譜儀，其係位在多波長光束之光路徑上，以接收多波長光束並產生一螢光全光譜訊號；以及一控制處理模組，其係接收並分析單波長時間解析訊號及螢光全光譜訊號。
藉由本發明的實施，至少可達到下列進步功效：一、採用線性CCD光譜儀與單光子線性掃瞄偵測器共存模式，可同時觀測到螢光全光譜訊號與單波長時間解析訊號，提高螢光光譜儀的使用便利性；及二、使用步進馬達線性移動SPAD偵測元件，取代傳統旋轉光柵的方式針對單波長進行時間解析，可大幅提升系統的穩定性。
為了使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。
L1‧‧‧第一透鏡
L2‧‧‧第二透鏡
L3‧‧‧第三透鏡
L4‧‧‧濾片
10、10’‧‧‧光譜儀
20‧‧‧激發光源
30‧‧‧量測模組
31‧‧‧收光及分光光學組件
311‧‧‧第一離軸拋物面鏡
312‧‧‧光柵
313‧‧‧第二離軸拋物面鏡
32‧‧‧單光子線性掃瞄偵測器
321‧‧‧步進馬達
322‧‧‧步進馬達驅動器
323‧‧‧反射鏡
324‧‧‧SPAD偵測元件
325‧‧‧積分卡單元
33‧‧‧線性CCD光譜儀
34‧‧‧控制處理模組
40‧‧‧螢光樣品
50‧‧‧同步訊號轉換器
60‧‧‧半導體脈衝雷射
PC‧‧‧電腦
第1A圖為習知之一種生命期感測平台示意圖；第1B圖為使用光纖將經由第一透鏡聚焦之光束導至螢光樣品之示意圖；第2圖為本發明實施例之一種即時空間與時間光譜量測系統之方 塊圖；第3圖為本發明實施例之一種量測模組之方塊圖；第4圖至第6圖分別為本發明實施例之一種單光子線性掃瞄偵測器選擇性量測單一特定波長之方塊圖；第7圖為本發明實施例之一種螢光樣品之螢光全光譜圖；第8A圖至第8D分別為本發明實施例之一種步進馬達以不平行於多波長光束之光路徑的方式線性移動時，線性CCD光譜儀獲得之頻譜圖；第9圖為本發明實施例進一步包括同步訊號轉換器之方塊圖；第10A圖為本發明實施例之另一種螢光樣品之螢光全光譜圖；第10B圖為本發明實施例之一種反射鏡移動至第10A圖中螢光全光譜曲線峰值約為580奈米時，線性CCD光譜儀獲得之頻譜圖；及第10C圖為第10A圖中的頻譜減去第10B圖中的頻譜後，波長580奈米的螢光光譜圖。
如第2圖所示，本實施例提供一種即時空間與時間光譜量測系統，其包括：一激發光源20以及一量測模組30。
激發光源20，用以激發一螢光樣品40，所使用的激發光源20可以是一超快雷射。舉例來說，超快雷射可使用中心波長為1064奈米、尖峰功率為8.5仟瓦(kW)、脈衝寬度為210飛秒(fs)及脈衝重複率約9.5兆赫(MHz)的飛秒震盪器來產生。當螢光樣品40收到超快雷射的激發後便會發出螢光，量測模組30則會接收並分析螢光樣品40受激發後之螢光。
如第3圖所示，量測模組30包括：一收光及分光光學組件31；一單光子線性掃瞄偵測器32；一線性CCD光譜儀33及一控制處理模組34。
收光及分光光學組件31是用來收集螢光並將螢光分光分波為具有複數個波長之多波長光束，以便針對螢光進行分析。
收光及分光光學組件31包括：一第一離軸拋物面鏡311、一光柵312及一第二離軸拋物面鏡313，其中第一離軸拋物面鏡311位在螢光的發射光路徑上，用以收集並反射螢光，光柵312位在多波長光束被第一離軸拋物面鏡311反射的光路徑上，進而接收被第一離軸拋物面鏡311反射之螢光，並將螢光分光分波為多波長光束，其中光柵312的反射面具有直線刻痕，並且直線刻痕的刻痕周期介於每毫米300條至2400條之間。第二離軸拋物面鏡313，其位在多波長光束的光路徑上，接收並反射多波長光束。需注意的是，當光束離開收光及分光光學組件31後，多波長光束中每一波長的光束是沿著不同的光路徑行進。
單光子線性掃瞄偵測器32，其係以不平行於多波長光束之光路徑的方式線性移動，進而選擇性攔截多波長光束中之一特定波長，以產生一單波長時間解析訊號。
如第4圖至第6圖所示，單光子線性掃瞄偵測器32包括：一步進馬達321、一步進馬達驅動器322、一反射鏡323、一單光子崩潰二極體(Single-Photon Avalanche Diode,SPAD)偵測元件324及一積分卡單元325。
步進馬達321機械結合於步進馬達驅動器322，而步進馬達驅動器322電訊連接於控制處理模組34，以受控制處理模組 34之控制，進而驅動步進馬達321進行線性移動。反射鏡323則是結合於步進馬達321上，與步進馬達321一起進行線性移動，並選擇性移動至某一特定波長的光路徑上，將特定波長反射至位在特定波長之反射光路徑上的SPAD偵測元件324中，以達到選擇性反射特定波長之目的，使得SPAD偵測元件324能夠接收被反射鏡323反射之特定波長，並產生一螢光光子偵測訊號。
由於經由光柵312分光分波後，離開收光及分光光學組件31之光束即為多波長光束，第4圖至第6圖中以不同線段表示不同波長之光束，而當反射鏡323移動至某一特定波長之光束的光路徑上時，便能選擇性量測該特定波長。
積分卡單元325，其係接收螢光光子偵測訊號並進行積分以產生單波長時間解析訊號，並傳送至控制處理模組34中。單波長時間解析訊號的產生方式乃是習知技術，在此不多加贅述。
線性CCD光譜儀33，其係位在多波長光束之光路徑上，以接收多波長光束並產生一螢光全光譜訊號。利用線性CCD光譜儀33分析並產生螢光全光譜訊號乃為習知技術，在此亦不多加敘述。
控制處理模組34，其係接收並分析單波長時間解析訊號及螢光全光譜訊號。控制處理模組34可包括電腦系統中的人機控制介面，使用者可藉由人機控制介面輸入欲移動步進馬達321的方向及距離，以選擇欲量測的波長，進而令控制處理模組34控制步進馬達驅動器322；又或是選擇同時顯示特定波長的單波長時間解析訊號及螢光樣本的螢光全光譜訊號，也可以選擇僅顯示特定波長的單波長時間解析訊號或是僅顯示螢光全光譜訊號。
請同時參考第7圖，其為一種螢光樣品之螢光全光譜頻譜圖，以下說明如何利用步進馬達321線性移動反射鏡323而量測特定波長的單波長時間解析訊號。
首先，步進馬達321的初始狀態在線性CCD光譜儀33的量測區域之外，由於多波長光束並未有任何一部分被單光子線性掃瞄偵測器32攔截，因此線性CCD光譜儀33便可在空間光譜中觀測全波段(400奈米至700奈米之間)的頻譜。
接著，藉由控制處理模組34控制步進馬達驅動器322，以使得步進馬達321線性移動並改變反射鏡323的位置，並將特定波長的光反射至SPAD偵測元件324，進而使單光子線性掃瞄偵測器32產生時間解析的頻譜。如第8A圖至第8D圖所示，其分別為步進馬達321以不平行於多波長光束之光路徑的方式線性移動時，線性CCD光譜儀33獲得之頻譜。由第8A圖至第8D圖所示之頻譜可知，當單光子線性掃瞄偵測器32選擇性量測460奈米、505奈米、557奈米及631奈米時，線性CCD光譜儀33並無法接收到該波長，因此確實可使用單光子線性掃瞄偵測器32準確地選擇特定波長進行量測。
本實施例之即時空間與時間光譜量測系統具有分別量測螢光全光譜訊號及單波長時間解析訊號的功能，因此能大幅提高即時空間與時間光譜量測系統的使用便利性。
如第9圖所示，即時空間與時間光譜量測系統可以進一步包括一同步訊號轉換器50，可利用分光元件(圖未示)使得部份激發光源20發出之光束朝向同步訊號轉換器50發射，進而使同步訊號轉換器50受到激發光源20之光觸發，以產生一觸發電訊號並 傳送至積分卡單元325。也就是說，同步訊號轉換器50需位在激發光源20之光路徑上，並且電訊連接於積分卡單元325。當同步訊號轉換器50受到光觸發後，積分卡單元325可以開始計時並根據螢光光子偵測訊號產生單波長時間解析訊號。
請同時參考第10A圖至第10C圖，本實施例之即時空間與時間光譜量測系統也可針對特定波長觀測其空間解析的頻譜。如第10A圖所示，其為步進馬達321的初始狀態在線性CCD光譜儀33量測區域之外，於空間光譜中觀測全波段的頻譜。又如第10B圖所示，藉由控制步進馬達321使得反射鏡323移動至螢光曲線的峰值約為580奈米的位置，第10B圖即為線性CCD光譜儀33此時所獲得之頻譜。最後，利用控制處理模組34經過計算及處理，將第10A圖中的頻譜減去第10B圖中的頻譜，便能獲得如第10C圖所示，波長為580奈米的螢光光譜。
由於單光子線性掃瞄偵測器32可產生單波長時間解析訊號，並於人機介面上顯示特定波長的時間解析頻譜，再藉由上述的訊號處理方式，也能夠同時在人機介面上同時觀測該特定波長的空間解析頻譜。如此一來，便能同時觀測特定波長的空間及時間解析頻譜，進而大幅提升即時空間與時間光譜量測系統的功能性。
惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。
31‧‧‧收光及分光光學組件
311‧‧‧第一離軸拋物面鏡
312‧‧‧光柵
313‧‧‧第二離軸拋物面鏡
32‧‧‧單光子線性掃瞄偵測器
321‧‧‧步進馬達
322‧‧‧步進馬達驅動器
323‧‧‧反射鏡
324‧‧‧SPAD偵測元件
325‧‧‧積分卡單元
33‧‧‧線性CCD光譜儀
34‧‧‧控制處理模組
40‧‧‧螢光樣品

Claims (10)

  1. 一種即時空間與時間光譜量測系統，其包括：一激發光源，用以激發一螢光樣品；以及一量測模組，用以接收並分析該螢光樣品受激發後之一螢光，該量測模組包括：一收光及分光光學組件，收集該螢光並將該螢光分光分波為具有複數個波長之多波長光束；一單光子線性掃瞄偵測器，其係以不平行於該多波長光束之光路徑的方式線性移動，選擇性攔截該多波長光束中之一特定波長，以產生一單波長時間解析訊號；一線性CCD光譜儀，其係位在該多波長光束之光路徑上，以接收該多波長光束並產生一螢光全光譜訊號；及一控制處理模組，其係接收並分析該單波長時間解析訊號及該螢光全光譜訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之即時空間與時間光譜量測系統，其中該激發光源為一超快雷射。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之即時空間與時間光譜量測系統，其中該收光及分光光學組件包括：一第一離軸拋物面鏡，其係收集並反射該螢光；一光柵，其係接收由該第一離軸拋物面鏡反射之該螢光，並將該螢光分光分波為該多波長光束；及一第二離軸拋物面鏡，其係接收並反射該多波長光束。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之即時空間與時間光譜量測系統，其中該光柵的反射面具有複數條直線刻痕，且該些直線刻痕之 刻痕周期介於每毫米300條至2400條之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之即時空間與時間光譜量測系統，其中該單光子線性掃瞄偵測器包括：一步進馬達；一步進馬達驅動器，其係受該控制處理模組之控制，驅動該步進馬達進行線性移動；一反射鏡，其係結合於該步進馬達且隨該步進馬達線性移動，以選擇性反射該特定波長；一單光子崩潰二極體(Single-Photon Avalanche Diode,SPAD)偵測元件，其係位在該特定波長之反射光路徑上，以接收被該反射鏡反射之該特定波長，並產生一螢光光子偵測訊號；及一積分卡單元，其係接收該螢光光子偵測訊號並進行積分以產生該單波長時間解析訊號。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之即時空間與時間光譜量測系統，其進一步包括一同步訊號轉換器，其係受該激發光源之光觸發以產生一觸發電訊號至該積分卡單元。
  7. 一種應用於即時空間與時間光譜量測系統之量測模組，其包括：一收光及分光光學組件，收集一螢光樣品受激發後之螢光並將該螢光分光分波為具有複數個波長之多波長光束；一單光子線性掃瞄偵測器，其係以不平行於該多波長光束之光路徑的方式線性移動，選擇性攔截該多波長光束中之一特定波長，以產生一單波長時間解析訊號；一線性CCD光譜儀，其係位在該多波長光束之光路徑上，以接 收該多波長光束並產生一螢光全光譜訊號；以及一控制處理模組，其係接收並分析該單波長時間解析訊號及該螢光全光譜訊號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之量測模組，其中該收光及分光光學組件包括：一第一離軸拋物面鏡，其係收集並反射該螢光；一光柵，其係接收由該第一離軸拋物面鏡反射之該螢光，並將該螢光分光分波為該多波長光束；及一第二離軸拋物面鏡，其係接收並反射該多波長光束。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之量測模組，其中該光柵的反射面具有複數條直線刻痕，且該些直線刻痕之刻痕周期介於每毫米300條至2400條之間。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之量測模組，其中該單光子線性掃瞄偵測器包括：一步進馬達；一步進馬達驅動器，其係驅動該步進馬達進行線性移動；一反射鏡，其係結合於該步進馬達上隨該步進馬達線性移動，以選擇性反射該特定波長；一單光子崩潰二極體偵測元件，其係位在該特定波長之反射光路徑上，以接收被該反射鏡反射之該特定波長，並產生一螢光光子偵測訊號；及一積分卡單元，其係接收該螢光光子偵測訊號並進行積分以產生該單波長時間解析訊號。
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