TW201738550A - 光學量測裝置及其運作方法 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露一種光學量測裝置及其運作方法。光學量測裝置包含光源、載物晶片、光感測器、分析晶片及顯示器。待測樣品係均勻化地分佈於載物晶片上。光源發出感測光射向載物晶片。光感測器於複數個時間點接收通過載物晶片的感測光，以得到分別對應於複數個時間點之複數個影像。分析晶片耦接光感測器。分析晶片根據對應於複數個時間點之複數個影像分析出待測樣品中之待測物的數量及分佈隨時間之變化，並據以推估待測樣品中之待測物的本徵特性。顯示器耦接分析晶片。顯示器顯示待測樣品中之待測物的本徵特性。
Description
本發明係與光學量測有關，尤其是關於一種光學量測裝置及其運作方法。
傳統上，在生物實驗中常會對生物樣品中之微生物體的數量進行計數，例如：細菌、酵母菌及黴菌孢子之計數等。目前常見的微生物體的數量之計數方法相當多元，例如：顯微鏡觀察計數法、電子計數器計數法、平板菌落計數法、濃度比濁法、測定細胞重量法、顏色改變單位法等等。
然而，在實際應用中，上述各種習知的微生物體之數量的計數方法均有其各自的缺點以及應用上之限制，均亟待進一步克服與改善。
因此，本發明提出一種光學量測裝置及其運作方法，以克服上述先前技術所遭遇到的種種問題。
根據本發明之一較佳具體實施例為一種光學量測裝置。於此實施例中，光學量測裝置包含光源、載物晶片、光感測器及分析晶片。待測樣品係均勻化地分佈於載物晶片上。光源發出感測光射向載物
晶片。光感測器於複數個時間點接收通過載物晶片的感測光，以得到分別對應於複數個時間點之複數個影像。分析晶片耦接光感測器。分析晶片根據對應於複數個時間點之複數個影像分析出待測樣品中之待測物的數量及分佈隨時間之變化，並據以推估待測樣品中之待測物的本徵特性。
於一實施例中，光學量測裝置進一步包含顯示器。顯示器耦接分析晶片，用以顯示待測樣品中之待測物之本徵特性。
於一實施例中，載物晶片包含上蓋、板體及基板。上蓋具有至少一注入孔，用以供待測物注入。板體設置於上蓋之下方，板體具有井區對應於至少一注入孔，致使從至少一注入孔注入的待測物能均勻地分佈於井區內。基板設置於板體之下方，用以承載待測物。
於一實施例中，至少一注入孔具有導引角，用以導引待測物之注入。
於一實施例中，井區之面積大於注入孔之面積，且注入孔係對應於井區內的位置。
於一實施例中，光學量測裝置進一步包含清潔單元。清潔單元係設置於載物晶片之下方，當載物晶片移至光感測器之上方時，清潔單元接觸光感測器之表面以進行清潔之動作。
於一實施例中，光學量測裝置進一步包含卡匣。卡匣設置於光感測器之上方並鄰近光感測器，用以容置載物晶片。
根據本發明之另一具體實施例為一種光學量測裝置運作方法。於此實施例中，光學量測裝置運作方法用以運作一光學量測裝置。光學量測裝置包含一光源、一載物晶片、一光感測器及一分析晶片。分
析晶片耦接光感測器。
光學量測裝置運作方法包含下列步驟：將待測樣品均勻化地分佈於載物晶片上；透過光源發出感測光射向載物晶片；透過光感測器於複數個時間點接收通過載物晶片的感測光，以得到分別對應於該複數個時間點之複數個影像；以及透過分析晶片根據對應於該複數個時間點之該複數個影像分析出待測樣品中之待測物的數量及分佈隨時間之變化，並據以推估待測樣品中之待測物之本徵特性。
相較於先前技術，根據本發明之光學量測裝置及其運作方法可有效改善先前技術中之光學量測儀的缺點，不僅可準確計數出樣品中之待測物的數量，並可據以推估待測樣品中之待測物的本徵特性，其應用範圍相當廣泛，可應用於各種微生物體甚至是環境之檢測。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
1‧‧‧光學量測裝置
10、10A、10B、80‧‧‧光源
12‧‧‧載物晶片
14、14A、14B‧‧‧光感測器
16‧‧‧分析晶片
18‧‧‧顯示器
L、L1、L2‧‧‧感測光
SP‧‧‧待測樣品
2A、3A‧‧‧第一影像
2B、3B‧‧‧第二影像
2C、3C‧‧‧第三影像
SP1‧‧‧第一待測樣品
SP2‧‧‧第二待測樣品
OB1‧‧‧第一待測物
OB2‧‧‧第二待測物
LED‧‧‧發光二極體
SR‧‧‧感測區域
IN‧‧‧進口
OUT‧‧‧出口
120‧‧‧上蓋
122‧‧‧板體
124‧‧‧基板
126‧‧‧清潔單元
H‧‧‧注入孔
W‧‧‧井區
G‧‧‧導引角
K‧‧‧網格單元
CS‧‧‧卡匣
SW、82‧‧‧開關單元
S11~S14‧‧‧步驟
圖1係繪示根據本發明之一較佳具體實施例中之光學量測裝置的功能方塊圖。
圖2係繪示於第一時間點、第二時間點及第三時間點分別得到的第一待測樣品SP1之第一影像2A、第二影像2B及第三影像2C之示意圖。
圖3係繪示於第一時間點、第二時間點及第三時間點分別得到的第二待測樣品SP2之第一影像3A、第二影像3B及第三影像3C之示意圖。
圖4A至圖4C分別繪示對待測物OB進行一維(1-D)光學感測、二維(2-D)光學感測及三維(3-D)光學感測之示意圖。
圖5A及圖5B係分別繪示載物晶片12的結構分解圖及示意圖。
圖6係繪示光源10為側向光源之一實施例。
圖7係繪示光學量測裝置1包含一卡匣CS之一實施例。
圖8A至圖8D係分別繪示光學量測裝置1還包含一開關單元SW之不同實施例。
圖9係繪示根據本發明之另一較佳具體實施例中之光學量測裝置運作方法的流程圖。
根據本發明之一較佳具體實施例為一種光學量測裝置。於此實施例中，光學量測裝置可用以偵測生物樣品中之待測物(例如生物細胞或其他微生物)的數量及分佈並進而推估出其本徵特性，但不以此為限。其實際應用範圍相當廣泛，例如食物或水樣品中的生菌數檢測、(魚、蝦、螃蟹等)養殖場之水質生菌數檢測、空氣中的懸浮粒子檢測、環境(紫外線)檢測、水質檢測、人類疾病(蛔蟲、蟯蟲)檢測、植物之病原體檢測、抗原或抗體檢測、細胞生長狀況之即時記錄等。
請參照圖1，圖1係繪示此實施例中之光學量測裝置的功能方塊圖。如圖1所示，光學量測裝置1包含光源10、載物晶片12、光感測器14、分析晶片16及顯示器18。其中，分析晶片16耦接光感測器14，顯示器18耦接分析晶片16。
光源10發出感測光L射向載物晶片12上的待測樣品SP。待測樣品SP係均勻化地分佈於載物晶片12上。當光源10所發出的感測光L射至載物晶片12上的待測樣品SP時，感測光L可能會被待測樣品SP折射、散射或吸收，而待測樣品SP亦可能會自體發光。因此，藉由光感測器14於複數個不同的時間點分別接收通過載物晶片12的感測光L，即可得到分別對應於該複數個不同的時間點之複數個影像。
接著，再由分析晶片16根據對應於該複數個不同的時間點之複數個影像分析出待測樣品SP中之待測物的數量及分佈隨時間之變化情形。然後，分析晶片16再根據待測樣品SP中之待測物的數量及分佈隨時間之變化情形推估出待測樣品SP中之待測物的本徵特性。最後，再由顯示器18顯示出待測樣品中之待測物的本徵特性。
於一實施例中，如圖2所示，假設光感測器14得到分別對應於第一時間點、第二時間點及第三時間點的第一待測樣品SP1之第一影像2A、第二影像2B及第三影像2C，由於在第一影像2A、第二影像2B及第三影像2C中，第一待測樣品SP1中之該些第一待測物OB1的數量均大致相同且其分佈亦無明顯差異，亦即從第一時間點至第三時間點來看，第一待測樣品SP1中之該些第一待測物OB1的數量及分佈隨時間之變化均相當小，幾乎可忽略不計。因此，分析晶片16即可據此推估出第一待測樣品SP1中之該些第一待測物OB1的活性非常小，甚至絕大部分的第一待測物OB1可能已死亡，並由顯示器18顯示此一推估出的待測物的本徵特性，以供使用者參考。
於另一實施例中，如圖3所示，假設光感測器14得到分別
對應於第一時間點、第二時間點及第三時間點的第二待測樣品SP2之第一影像3A、第二影像3B及第三影像3C，由於在第一影像3A、第二影像3B及第三影像3C中，第二待測樣品SP2中之該些第二待測物OB2的數量及其分佈明顯有變化，亦即從第一時間點至第三時間點來看，第二待測樣品SP2中之該些第二待測物OB2的數量及分佈隨時間之變化幅度相當大。因此，分析晶片16即可據此推估出第二待測樣品SP2中之該些第二待測物OB2絕大部分都還存活且其數量還有增加的趨勢，並由顯示器18顯示此一推估出的待測物的本徵特性，以供使用者參考。
於實際應用中，光源10可以是發出可見光的可見光光源或是發出不可見光的不可見光光源，光源10可設計為單一光源或陣列式光源，可控制僅讓小角度的感測光L進入光感測器14，但不以此為限；載物晶片12可視實際需求而採用一維(1-D)感測、二維(2-D)感測或三維(3-D)感測之型式；就功能上而言，載物晶片12可以是僅具有載物功能的純載物晶片或是額外具有其他功能的功能型載物晶片，例如可預先設計載物晶片12內包含具有不同顏色、大小、形狀或對不同樣品產生反應的反應物，並計算在反應物與待測物之間的反應作用後所產生或剩餘的反應物數量，但不以此為限；待測樣品SP可以是包含待測物粒子(Particle)的流體(Fluid)，但不以此為限。
於實際應用中，光感測器14可以是感光耦合元件(Charge-Coupled Device,CCD)影像感測器或互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,CMOS)影像感測器；為了搭配載物晶片12的一維(1-D)、二維(2-D)三維(3-D)光學感測型式，光感測器14
可以是一維(1-D)的線(Line)型光感測器或是二維(2-D)的平面(Plane)型光感測器，但不以此為限。舉例而言，圖4A至圖4C分別繪示對待測物OB進行一維(1-D)光學感測、二維(2-D)光學感測及三維(3-D)光學感測之示意圖，其中於圖4A中係採用線型的光源10及線型的光感測器14；於圖4B中係採用平面型的光源10及平面型的光感測器14；於圖4C中係分別採用兩個平面型的光源10A及10B與兩個平面型的光感測器14A及14B。
分析晶片16可視實際需求選擇適合的演算法分析出影像中之待測物的數量，但不以此為限；顯示器18可以是僅顯示待測物之數量的計數顯示器或是包含互動式面板的多功能顯示器，可藉由選擇不同的系統偵測模式搭配相對應的晶片設計，以顯示包括擷取影像及待測物之數量等內容，可採用動態地(Dynamically)隨時更新或靜態顯示內容之顯示模式，但不以此為限；待測樣品中之待測物的本徵特性除了可以是待測物的生死或活性之外，亦可以是待測物的顏色、溫度、濕度，若待測物會自體發光，則待測物的本徵特性亦可以是其亮度，但不以此為限。
需進一步說明的是，若載物晶片12為功能型載物晶片，則可以有下列各種不同之應用：
(1)對細菌或抗原之檢測：載物晶片12具有多個入口流道，藉以讓抗體或細菌檢測劑與抗原或細菌充分混合後，由光電鑷夾產生抓力帶動不同大小粒子，然後再計數影像中的細菌或抗原之數量。
(2)對自體發光物之檢測：設計載物晶片12時製造多個具有不同透光度的晶片底座區塊(每個區塊可包含具有不同透光度的粒子)，並將待測物平均布於載物晶片12上，藉由偵測影像中粒子數量可得
到待測物自行發光的亮度。
(3)進行環境檢測：藉由外在環境與載物晶片12內部的反應物作用產生生成物後，透過生成物粒子數量之偵測推估外在環境的情況。
接著，將針對載物晶片12的結構進行說明。請參照圖5A及圖5B，圖5A及圖5B係分別繪示載物晶片12的結構分解圖及示意圖。如圖5A及圖5B所示，載物晶片12可包含上蓋120、板體122及基板124。上蓋120具有至少一注入孔H，用以供待測物注入。板體122設置於上蓋120之下方，板體122可具有井區W，且井區W之位置對應於注入孔H，致使從注入孔H注入的待測物能均勻地分佈於井區W內。基板124設置於板體122之下方，用以承載待測物。實際上，井區W之面積大於注入孔H之面積，且注入孔H之位置係對應於井區W內的位置；井區W之形狀可以是橢圓形、圓形或其他形狀。舉例而言，若井區W之形狀為圓形，則注入孔H之位置可對應於井區W內的任意位置，例如圓周邊緣處或圓心處。
需說明的是，上蓋120的注入孔H係具有導引角G，用以導引待測物使其較容易注入並均勻地分佈於井區W內。至於上蓋120的注入孔H之形狀可以是三角形或其他具有導引角G的形狀均可，並不以此例為限。
此外，如圖5A及圖5B所示，載物晶片12之基板124下方亦可設置有清潔單元126。當載物晶片12移至光感測器14(例如CCD影像感測器)之上方時，由於載物晶片12之基板124與光感測器14相當接近，使得位於基板124下方的清潔單元126會接觸到光感測器14之表面，藉以順便
對光感測器14之表面(例如CCD影像感測器之鏡頭表面)進行清潔之動作。實際上，清潔單元126可以是沾有酒精的棉片，但不以此為限。
需說明的是，上述實施例中之載物晶片12係採用三層結構，於實際應用中，載物晶片12亦可採用其他不同的結構。舉例而言，載物晶片12亦可採用僅包含上蓋120與基板124的雙層結構，只需直接於基板124上挖出凹槽形成井區W，然後再與上蓋120黏合即可，但不以此為限。
於一實施例中，如圖6所示，光源10亦可作為一側向光源，設置於載物晶片12之上蓋120的一側邊。光源10發出的感測光L射入上蓋120內並被上蓋120的內壁反射而向上蓋120的另一側邊前進。當感測光L射至上蓋120內的網格單元K時，感測光L會被網格單元K折射/散射至板體122內的待測物OB。
於實際應用中，光學量測裝置1可包含一外殼(圖未示)，並且光學量測裝置1的外殼可具有防水、防塵、防震、防摔、防刮、防紫外光等功能；光學量測裝置1可設計為桌上型裝置或可攜式裝置，可連線至電腦、智慧型手機或雲端資料庫，但不以此為限。
此外，如圖7及圖8A所示，光學量測裝置1可包含一卡匣CS。卡匣CS係設置於光感測器14(例如CCD影像感測器)之上方並相當接近光感測器14，用以容置載物晶片12。卡匣內可設置有卡合單元(圖未示)，用以供載物晶片12卡合至定位，以利後續的量測。
如圖8A所示，於一實施例中，光學量測裝置1還包含一開關單元SW。當卡匣CS移動至定位而與開關單元SW接觸時，開關單元SW
即會啟動光學量測裝置1的光學量測功能。
如圖8B所示，於另一實施例中，當卡匣CS尚未移動至定位時，開關單元SW並未與卡匣接觸，故開關單元SW仍維持關閉的狀態，而不會啟動光學量測裝置1的光學量測功能；如圖8C所示，當卡匣CS已移動至定位而與開關單元SW接觸時，開關單元SW即會切換為開啟的狀態並啟動光學量測裝置1的光學量測功能。
如圖8D所示，於另一實施例中，當卡匣CS移動至定位而使光源80發出的光線L能夠穿過缺口N而射至開關單元82，開關單元82即會啟動光學量測裝置1的光學量測功能。
於實際應用中，為了避免待測樣品SP中之多個待測物彼此重疊而導致計數結果失真，光學量測裝置1亦可包含一震動模組(圖未示)，用以在光學量測裝置1開始進行量測之前先對容置載物晶片12的卡匣進行震動，以使得載物晶片12之待測樣品SP中之原本重疊的待測物能夠分離，以得到較為正確的計數結果。
此外，為了避免載物晶片12之待測樣品SP中之該些待測物分佈不均，除了上述透過上蓋120的注入孔H之導引角G導引待測物均勻地分佈於井區W內之外，亦可透過震動模組(圖未示)以特定震動頻率進行震動之方式使得待測物之分佈變得較為均勻，以得到較為正確的計數結果。
根據本發明之另一具體實施例為一種光學量測裝置運作方法。於此實施例中，光學量測裝置運作方法用以運作一光學量測裝置。光學量測裝置包含一光源、一載物晶片、一光感測器及一分析晶片。分
析晶片耦接光感測器。
請參照圖9，圖9係繪示根據此實施例中之光學量測裝置運作方法的流程圖。如圖9所示，光學量測裝置運作方法包含下列步驟：步驟S11：將待測樣品均勻化地分佈於載物晶片上；步驟S12：透過光源發出感測光射向載物晶片；步驟S13：透過光感測器於複數個時間點接收通過載物晶片的感測光，以得到分別對應於該複數個時間點之複數個影像；以及步驟S14：透過分析晶片根據對應於該複數個時間點之該複數個影像分析出待測樣品中之待測物的數量及分佈隨時間之變化，並據以推估待測樣品中之待測物之本徵特性。關於光學量測裝置之運作的其餘詳細內容請參照前述實施例，於此不另行贅述。
相較於先前技術，根據本發明之光學量測裝置及其運作方法可有效改善先前技術中之光學量測儀的缺點，不僅可準確計數出樣品中之待測物的數量，並可據以推估待測樣品中之待測物的本徵特性，其應用範圍相當廣泛，可應用於各種微生物體甚至是環境之檢測。
由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍
的範疇內。
1‧‧‧光學量測裝置
10‧‧‧光源
12‧‧‧載物晶片
14‧‧‧光感測器
16‧‧‧分析晶片
18‧‧‧顯示器
L‧‧‧感測光
SP‧‧‧待測樣品
Claims (14)
- 一種光學量測裝置，包含：一載物晶片，待測樣品係均勻化地分佈於該載物晶片上；一光源，用以發出感測光射向該載物晶片；一光感測器，用以於複數個時間點接收通過該載物晶片的該感測光，以得到分別對應於該複數個時間點之複數個影像；以及一分析晶片，耦接該光感測器，用以根據對應於該複數個時間點之該複數個影像分析出該待測樣品中之待測物的數量及分佈隨時間之變化，並據以推估該待測樣品中之該待測物之本徵特性。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學量測裝置，進一步包含：一顯示器，耦接該分析晶片，用以顯示該待測樣品中之該待測物之該本徵特性。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學量測裝置，其中該載物晶片包含：一上蓋，具有至少一注入孔，用以供該待測物注入；一板體，設置於該上蓋之下方，該板體具有一井區對應於該至少一注入孔，致使從該至少一注入孔注入的該待測物能均勻地分佈於該井區內；以及一基板，設置於該板體之下方，用以承載該待測物。
- 如申請專利範圍第3項所述之光學量測裝置，其中該至少一注入孔具有一導引角，用以導引該待測物之注入。
- 如申請專利範圍第3項所述之光學量測裝置，其中該井區之面積大於該注入孔之面積，且該注入孔係對應於該井區內的位置。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學量測裝置，進一步包含： 一清潔單元，係設置於該載物晶片之下方，當該載物晶片移至該光感測器之上方時，該清潔單元接觸該光感測器之表面以進行清潔之動作。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學量測裝置，進一步包含：一卡匣，設置於該光感測器之上方並鄰近該光感測器，用以容置該載物晶片。
- 一種光學量測裝置運作方法，用以運作一光學量測裝置，該光學量測裝置包含一光源、一載物晶片、一光感測器及一分析晶片，該分析晶片耦接該光感測器，該光學量測裝置運作方法包含下列步驟：將待測樣品均勻化地分佈於該載物晶片上；透過該光源發出感測光射向該載物晶片；透過該光感測器於複數個時間點接收通過該載物晶片的該感測光，以得到分別對應於該複數個時間點之複數個影像；以及透過該分析晶片根據對應於該複數個時間點之該複數個影像分析出該待測樣品中之待測物的數量及分佈隨時間之變化，並據以推估該待測樣品中之該待測物之本徵特性。
- 如申請專利範圍第8項所述之光學量測裝置運作方法，其中該光學量測裝置進一步包含一顯示器，該顯示器耦接該分析晶片，用以顯示該待測樣品中之該待測物之該本徵特性。
- 如申請專利範圍第8項所述之光學量測裝置運作方法，其中該載物晶片包含一上蓋、一板體及一基板，該上蓋具有至少一注入孔，用以供該待測物注入；該板體設置於該上蓋之下方，該板體具有一井區對應於該至少一注入孔，致使從該至少一注入孔注入的該待測物能均勻地分佈於該井區內；該基板設置於該板體之下方，用以承載 該待測物。
- 如申請專利範圍第10項所述之光學量測裝置運作方法，其中該至少一注入孔具有一導引角，用以導引該待測物之注入。
- 如申請專利範圍第10項所述之光學量測裝置運作方法，其中該井區之面積大於該注入孔之面積，且該注入孔係對應於該井區內的位置。
- 如申請專利範圍第8項所述之光學量測裝置運作方法，其中該光學量測裝置進一步包含一清潔單元，該清潔單元係設置於該載物晶片之下方，當該載物晶片移至該光感測器之上方時，該清潔單元接觸該光感測器之表面以進行清潔之動作。
- 如申請專利範圍第8項所述之光學量測裝置運作方法，其中該光學量測裝置進一步包含一卡匣，設置於該光感測器之上方並鄰近該光感測器，用以容置該載物晶片。
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