TWI397679B - 螢光感測裝置及方法 - Google Patents

Description

螢光感測裝置及方法

本發明係有關於螢光感測的裝置和方法，特別係有關於低亮度螢光感測的裝置和方法。

螢光檢測廣泛應用於生化檢測過程中。然而，螢光的亮度十分微弱且傳統感測元件本身具有暗電流雜訊，故一般的傳統感測元件(CMOS Sensor)無法有效的偵測，必須透過光電倍增管(Photomultiplier Tube，PMT)及冷卻式電荷耦合元件(Cooled Charge Coupling Device，Cooled-CCD)，或是使用雪崩式光電二極體(Avalanche Photodiode，APD)加以檢測，然而上述螢光感測方式耗時且價格昂貴，無法普及和有效應用於快速且準確地偵測微弱的螢光。

為了讓本發明能更明顯易懂，下文特舉一具體實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下：

本發明之一實施例提供一種螢光感測裝置，包括：背景雜訊產生單元，包括第一光檢知單元，背景雜訊產生單元用以感測激發光，藉以產生背景雜訊電壓，並且根據背景雜訊電壓、臨界電壓以及標準偏移電壓，產生參考訊號電壓；以及訊號檢知單元，包括第二光檢知單元，訊號檢知單元用以同時對激發光以及照射激發光之待測樣品進行螢光感測，藉以產生第一電壓，並且根據第一電壓以及參考訊號電壓，判斷待測樣品是否有螢光產生。

本發明提供一種螢光感測方法，包括校正螢光感測裝置之訊號檢知單元及背景雜訊單元，用以取得臨界電壓。接著，取得代表螢光感測裝置背景雜訊之電壓。然後，將代表背景雜訊之電壓加上臨界電壓以及標準偏移電壓，作為參考訊號電壓。接著，對待測樣品進行光感測，並產生對應之第一電壓。最後，訊號檢知單元之比較單元比較參考訊號電壓及第一電壓，當第一電壓大於參考訊號電壓時，比較單元產生具有第一邏輯準位之輸出電壓，表示待測樣品具有螢光，以及當第一電壓低於參考訊號電壓時，輸出具有第二邏輯準位之輸出電壓，表示待測樣品不具有螢光。

第1圖係為依據本發明之一實施例之光感測裝置100。在本實施例中，螢光感測裝置100包括背景雜訊產生單元102以及訊號產生單元104。背景雜訊產生單元102用以感測激發光106，藉以產生背景雜訊電壓VB，並且根據背景雜訊電壓VB以及臨界電壓Vth，產生參考訊號電壓Vref。訊號檢知單元104用以同時對激發光106以及照射激發光106之待測樣品(未圖示)進行螢光108之感測，藉以產生訊號電壓VSB，並且根據訊號電壓VSB以及參考訊號電壓Vref，判斷待測樣品是否有螢光108產生。

依據本發明之一實施例，背景雜訊產生單元102可包括光檢知單元110、取樣單元114、放大單元112、以及重置單元118。光檢知單元110用以感測激發光106並產生電壓VA。舉例而言，光檢知單元110可包括光二極體(photo-diode)PD2及電晶體M1，其中光二極體PD2具有負極與耦接於接地端之正極，並且電晶體M1具有耦接於光二極體PD2之負極的閘極、耦接於電源電壓VDD之源極，以及耦接於取樣單元114之汲極。此外，取樣單元114係為電晶體M2，耦接於電晶體M1之汲極與放大單元112之間，根據訊號檢知單元104之輸出電壓選擇性地對來自光檢知單元110之電壓VA進行取樣，並將所取樣到之電壓VA傳輸至放大單元112。放大單元112用以放大電壓VA成為背景雜訊電壓VB，其中放大單元112係為具有積分器組態之運算放大器OP1，運算放大器OP1具有可變電容C1，耦接於運算放大器OP1之正輸入端與輸出端之間，藉由調整可變電容C1而改變放大單元112之放大增益。再者，重置單元118係為電晶體M3，電晶體M3具有作為開關之閘極、耦接至電晶體M1之源極及電源電壓VDD的源極，以及耦接至電晶體M1之閘極的汲極。當電晶體M3之閘極接受高邏輯準位之電壓而導通，電晶體M3導引電源電壓VDD之對應電流流至光二極體PD2，用以清除光二極體PD2所累積之電荷，並且重置背景雜訊產生單元102。

依據本實施例，背景雜訊產生單元102更包括加法器116，用以將背景雜訊電壓VB、臨界電壓Vth及標準偏移電壓Vδ加總，以便產生參考訊號電壓Vref，其中標準偏移電壓Vδ係由欲感測的螢光108之光子數所決定，並且臨界電壓Vth用以在沒有螢光108的情況下，匹配運算放大器OP1之正和負輸入端。舉例而言，當待測樣品產生波長為0.550μm的螢光光子，並且，對應於波長為0.550μm的光子，光二極體PD2之外量子效率為0.5，響應度為5.0V/lux-sec，轉換增益為34μV/photon。因此，34mV的標準偏移電壓大約對應於1000個波長為0.550μm的螢光光子。

訊號檢知單元104可包括光檢知單元120、取樣單元126、放大單元124、以及重置單元128。光檢知單元120用以同時對感測激發光106以及照射激發光106之待測樣品進行螢光108的感測，藉以產生電壓VC。舉例而言，光檢知單元120可包括光二極體PD1與電晶體M4，其中光二極體PD1具有負極與耦接於接地端之正極，並且電晶體M4具有閘極，耦接於光二極體PD1之負極、耦接於電源電壓VDD之源極，以及耦接於取樣單元126之汲極。此外，此外，取樣單元126係為電晶體M5，電晶體M5具有源極和汲極分別耦接至電晶體M4之汲極與放大單元124，以及閘極耦接至電晶體M2的閘極，用以根據訊號檢知單元104之輸出電壓Vout選擇性地對來自光檢知單元120之電壓VC進行取樣，並將所取樣到之電壓VC傳輸至放大單元124。放大單元124用以放大電壓VC成為電壓VSB，其中放大單元124係為具有積分器組態之運算放大器OP2，運算放大器OP2具有可變電容C2，耦接於運算放大器OP2之正輸入端與輸出端之間，藉由調整可變電容C2而改變放大單元124之放大增益。再者，重置單元128係為電晶體M6，電晶體M6具有作為開關之閘極、耦接至電晶體M4源極及電源電壓VDD之源極，以及耦接至電晶體M4閘極的汲極。當電晶體M6之閘極接受高邏輯準位之電壓而導通，電晶體M6導引電源電壓VDD之對應電流流至光二極體PD1，用以清除光二極體PD1所累積之電荷，並重置訊號檢知單元104。

比較單元122用以比較電壓VSB及參考訊號電壓Vref，並產生輸出電壓Vout。其中比較單元122係為運算放大器OP3，運算放大器OP3具有兩個輸入端分別用以接受電壓VSB及參考訊號電壓Vref，以及一個輸出端用以輸出輸出電壓Vout。當電壓VSB高於參考訊號電壓Vref時，比較單元122輸出具有高邏輯準位之輸出電壓Vout，用以表示待測樣品具有螢光。相反地，當電壓VSB低於參考訊號電壓Vref時，比較單元122輸出具有低邏輯準位之輸出電壓Vout，用以表示待測樣品並無螢光產生。再者，當比較單元輸出高邏輯準位之輸出電壓Vout時，取樣單元126及取樣單元114接受高邏輯準位之輸出電壓Vout截止而終止取樣，用以保持所取樣之電壓VC及電壓VA。

如第2圖所示，在本實施例中，從螢光108產生至被本發明之螢光感測裝置100所感測並輸出高邏輯準位之輸出電壓Vout約為2.4毫秒，遠小於即時處理之時間(一般約為30毫秒)，故本發明一實施例之螢光感測裝置可更快地判斷螢光是否產生。再者，本發明一實施例之螢光感測裝置之光檢知單元110與120、取樣單元114與126以及放大單元112與124係可以個別地使用兩個完全相同之元件。舉例而言，光檢知單元110與120係使用兩個完全相同之互補式金屬氧化物半導體(CMOS)感測元件、取樣單元114與126使用兩個完全相同之P型金屬氧化物半導體場效電晶體(P-MOSFET)以及放大單元112與124係使用兩個完全相同且具有積分器組態之運算放大器，因此，本發明一實施例之螢光感測裝置具有造價低廉的優點。

本發明之一實施例亦提供一種螢光感測方法，第3圖係顯示本發明一實施例之螢光感測方法的流程圖。在步驟300中，校正螢光感測裝置100之訊號檢知單元104及背景雜訊產生單元102，用以取得臨界電壓Vth。舉例而言，先設定訊號檢知單元104之光檢知單元120與背景雜訊產生單元102之光檢知單元110照射激發光106的最小曝光時間Tmin、訊號檢知單元104之放大單元124與背景雜訊產生單元102之放大單元112的放大增益以及臨界電壓Vth的初始數值。然後，對訊號檢知單元104及背景雜訊產生單元102同時照射激發光106一段大於最小曝光時間Tmin的時間間距T，並且螢光感測裝置100之比較單元122產生對應的輸出電壓Vout。其中比較單元係為運算放大器OP3，具有一個輸出端用以產生螢光感測裝置100之輸出電壓Vout，以及兩個輸入端，用以接受代表螢光感測裝置100背景雜訊之背景雜訊電壓VB及代表螢光感測裝置100背景雜訊與螢光訊號之電壓VSB。若輸出電壓Vout為正值，則表示臨界電壓Vth之初始數值設定的太小而使得電壓VSB大於參考訊號電壓Vref，必須增加臨界電壓Vth的初始數值直到輸出電壓Vout等於零為止；反之，若輸出電壓Vout為負值，則表示臨界電壓Vth之初始數值設定的太大而使得電壓VSB大於參考訊號電壓Vref，必須降低臨界電壓Vth的初始數值直到輸出電壓Vout等於零為止。綜合以上所述，藉由調整臨界電壓Vth，運算放大器OP3在無螢光產生的情況下，兩個輸入端不匹配的情況可以被校正，以便取得使輸出電壓Vout等於零之臨界電壓Vth。

在步驟302中，取得代表螢光感測裝置100之背景雜訊的電壓VB。在步驟302中，取得電壓VB的方法更包括背景雜訊產生單元102之光檢知單元110感測激發光106並產生電壓VA，以及背景雜訊產生單元102之放大單元112放大電壓VA作為電壓VB。

在步驟304中，將電壓VB加上臨界電壓Vth以及標準偏移電壓Vδ，作為參考訊號電壓Vref。其中標準偏移電壓Vδ係由欲感測的螢光108之光子數所決定。舉例而言，5mV的標準偏移電壓Vδ大約對應於1000個波長0.442μm的光子所產生的螢光。

在步驟306中，對待測樣品進行光感測，並產生對應之電壓VSB。舉例而言，訊號檢知單元104之光檢知單元120對激發光106以及照射激發光106之待測樣品進行螢光108的感測，並產生電壓VC，以及訊號檢知單元104之放大單元124放大電壓VC作為電壓VSB。

最後，在步驟308中，根據參考訊號電壓Vref及電壓VSB，判斷待測樣品是否有螢光產生。舉例而言，比較單元122比較電壓VSB與參考訊號電壓Vref，當電壓VSB高於參考訊號電壓Vref時，比較單元122輸出具有高邏輯準位之輸出電壓Vout，表示待測樣品具有螢光，以及當電壓VSB低於參考訊號電壓Vref時，比較單元122輸出具有低邏輯準位之輸出電壓Vout，表示待測樣品不具有螢光。

雖然本發明已以具體實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟知技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．螢光感測裝置

102．．．背景雜訊產生單元

104．．．訊號檢知單元

106．．．激發光

108．．．螢光

110、120．．．光檢知單元

112、124．．．放大單元

114、126．．．取樣單元

116．．．加法器

122．．．比較單元

118、128．．．重置單元

OP1、OP2、OP3．．．運算放大器

C1、C2．．．可變電容

M1、M2、M3、M4、M5、M6．．．電晶體

VA、VB、VC、VSB．．．電壓

Vth．．．臨界電壓

Vref．．．參考訊號電壓

Vout．．．輸出電壓

VGND．．．接地電壓

VDD．．．電源電壓

PD1、PD2．．．光二極體

第1圖係為依據本發明一實施例之螢光感測裝置的示意圖。

第2圖係為依據本發明一實施例之螢光感測裝置的輸出電壓示意圖。

第3圖係為依據本發明一實施例之螢光感測方法的流程圖。

100．．．螢光感測裝置

102．．．背景雜訊產生單元

104．．．訊號檢知單元

106．．．激發光

108．．．螢光

110、120．．．光檢知單元

112、124．．．放大單元

114、126．．．取樣單元

116．．．加法器

122．．．比較單元

118、128．．．重置單元

OP1、OP2、OP3．．．運算放大器

C1、C2．．．可變電容

M1、M2、M3、M4、M5、M6．．．電晶體

VA、VB、VC、VSB．．．電壓

Vth．．．臨界電壓

Vref．．．參考訊號電壓

Vout．．．輸出電壓

VGND．．．接地電壓

VDD．．．電源電壓

PD1、PD2．．．光二極體

Claims (17)

1. 一種螢光感測裝置，包括：一背景雜訊產生單元，包括一第一光檢知單元，上述背景雜訊產生單元用以感測一激發光，藉以產生一背景雜訊電壓，並且根據上述背景雜訊電壓、一臨界電壓以及一標準偏移電壓，產生一參考訊號電壓；以及一訊號檢知單元，包括一第二光檢知單元，上述訊號檢知單元用以同時對上述激發光以及照射上述激發光之一待測樣品進行螢光感測，藉以產生一第一電壓，並且根據上述第一電壓以及上述參考訊號電壓，判斷上述待測樣品是否有螢光產生。
2. 如申請專利範圍第1項所述之螢光感測裝置，其中上述標準偏移電壓係由上述螢光之光子數目決定。
3. 如申請專利範圍第2項所述之螢光感測裝置，其中上述背景雜訊產生單元更包括一加法器，用以將上述背景雜訊電壓、上述臨界電壓以及上述標準偏移電壓加總，以便產生上述參考訊號電壓，其中上述標準偏移電壓係由上述螢光之光子數目決定。
4. 如申請專利範圍第2項所述之螢光感測裝置，其中上述訊號檢知單元更包括一比較單元，用以比較上述第一電壓及參考訊號電壓，當上述第一電壓高於上述參考訊號電壓，產生具有一第一邏輯準位之一輸出電壓，用以表示上述待測樣品具有螢光。
5. 如申請專利範圍第1項所述之螢光感測裝置，其中上述第一光檢知單元用以感測上述激發光並產生一第二電壓，並且上述背景雜訊產生單元更包括：一第一放大單元，用以，放大上述第二電壓成為一第三電壓；一第一取樣單元，耦接於上述第一光檢知單元與上述第一放大單元之間，根據上述訊號檢知單元之一輸出電壓選擇性地對來自上述第一光檢知單元之上述第二電壓進行取樣，並將所取樣到之上述第二電壓傳輸至上述第一放大單元；以及一加法器，用以將上述背景雜訊電壓、上述臨界電壓以及一標準偏移電壓加總，以便產生上述參考訊號電壓。
6. 如申請專利範圍第5項所述之螢光感測裝置，其中上述背景雜訊產生單元更包括一第一重置單元，用以清除上述第一光檢知單元所累積之電荷，藉以重置上述背景雜訊產生單元。
7. 如申請專利範圍第1項所述之螢光感測裝置，其中上述第二光檢知單元用以同時對感測上述激發光以及照射上述激發光之上述待測樣品進行螢光感測，藉以產生一第四電壓，並且上述訊號檢知單元更包括：一比較單元，用以比較上述第一電壓及上述參考訊號電壓，並產生上述輸出電壓，以便判斷上述待測樣品是否有螢光產生；一第二放大單元，用以放大上述第四電壓成為上述第一電壓；以及一第二取樣單元，耦接於上述第二光檢知單元與上述第二放大單元之間，用以根據上述輸出電壓，選擇性地對來自上述第二光檢知單元之上述第三電壓進行取樣，並將所取樣到之上述第三電壓傳輸至上述第二放大單元。
8. 如申請專利範圍第7項所述之螢光感測裝置，其中上述訊號檢知單元更包括一第二重置單元，用以清除上述第二光檢知單元所累積之電荷並重置上述訊號檢知單元。
9. 如申請專利範圍第7項所述之螢光感測裝置，其中當上述第一電壓高於上述參考訊號電壓時，上述比較單元輸出具有一第一邏輯準位之上述輸出電壓，用以表示上述待測樣品具有螢光；當上述第一電壓低於上述參考訊號電壓時，上述比較單元輸出具有一第二邏輯準位之上述輸出電壓，用以表示上述待測樣品並無螢光產生。
10. 如申請專利範圍第9項所述之螢光感測裝置，其中當上述輸出電壓具有上述第一邏輯準位時，上述第一、第二取樣單元中止取樣，以便保持住所取樣到之上述第二電壓以及所取樣到之上述第三電壓。
11. 一種螢光感測方法，包括：校正一螢光感測裝置之一訊號檢知單元及一背景雜訊產生單元，用以取得一臨界電壓；取得代表上述螢光感測裝置之背景雜訊的一第一電壓；將上述第一電壓加上上述臨界電壓以及一標準偏移電壓，作為一參考訊號電壓；對一待測樣品進行光感測，並產生對應之一第二電壓；以及根據上述參考訊號電壓及上述第二電壓，判斷上述待測樣品是否有螢光產生。
12. 如申請專利範圍第11項所述之螢光感測方法，其中取得上述第一電壓的步驟包括：感測一激發光並產生一第三電壓；以及放大上述第三電壓作為上述第一電壓。
13. 如申請專利範圍第11項所述之螢光感測方法，其中產生上述第二電壓的步驟包括：感測上述激發光以及照射上述激發光之上述待測樣品，用以產生一第四電壓；以及放大上述第四電壓作為上述第二電壓。
14. 如申請專利範圍第12項所述之螢光感測方法，其中上述第三電壓係藉由上述背景雜訊產生單元之一第一光檢知單元感測上述激發光所產生。
15. 如申請專利範圍第13項所述之螢光感測方法，其中上述第四電壓係藉由上述訊號檢知單元之一第二光檢知單元同時對上述激發光以及照射上述激發光之上述待測樣品進行光感測所產生。
16. 如申請專利第11項所述之螢光感測方法，更包括：當上述第二電壓高於上述參考訊號電壓時，輸出具有一第一邏輯準位之一輸出電壓，表示上述待測樣品具有螢光；以及當上述第二電壓低於上述參考訊號電壓時，輸出具有一第二邏輯準位之上述輸出電壓，表示上述待測樣品不具有螢光。
17. 如申請專利第11項所述之螢光感測方法，其中上述標準偏移電壓係由上述螢光之光子數目決定。