TWI411900B - 光電回授感測系統 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種光電感測系統，特別是有關於一種具有回授功能之光電感測系統。
目前，隨著生物科技的進展，對於生物感測的研究日趨多樣化，如DNA、RNA、酵素或其他蛋白質等特性的瞭解對於生物科技或醫學上有著極大的助益。
目前對於生物感測系統的研究中，有許多人專注於各種不同生物分子結合於生物感測單元前後特性的改變，如抗體、抗原或DNA結合於相對應的抗原、抗體或DNA功能化之生物感測單元後光學特性的改變。而在量測光學特性的方法中，可使用發光二極體或雷射所發出之光源穿透生物感測系統，並量測穿透後的光強度改變或波長改變以推算生物樣品的特性。量測波長改變的方法需體積龐大之光譜儀，攜帶不便，且費用昂貴；而量測光強度改變可使用體積較小且費用較低之光偵測單元。現今生物感測的發展一直朝著微小化的趨勢邁進，若能將生物感測系統的感測方式及操作性能設計的越簡便且更方便攜帶感測，那麼感測器的應用將會大大提升。
近幾年來奈米材料的發展愈來愈成為大家研究的焦點，舉凡
光電、通訊、醫學儀器等都紛紛加入奈米材料的研究與應用，而奈米材料之所以如此受到青睞，是因為奈米材料提供與原先物質所產生完全不同特性之性質。貴金屬奈米粒子表面的自由電子雲能受到特定頻率的電磁場所激發，進而以集體式偶極共振之現象反應出來，但此時這些活潑的電子雲卻被侷限在奈米粒子附近，所以又被稱之為定域電漿共振(Localized Plasmon Resonance：LPR)。有趣的是，當貴金屬奈米粒子感受到環境折射率改變時，此定域電漿共振譜帶的頻率與強度也會隨之產生變化。若觀察貴金屬奈米粒子的吸收譜帶，能發現當環境折射率上升時，其定域電漿共振的吸收譜帶會往長波長處位移，並伴隨著吸收度上升的現象；另外若從散射光的特性來觀察，則會發現當環境折射率上升時，其散射光的譜帶同樣也會往長波長處偏移，並伴隨著光強度增強的現象。最後藉由修飾特定辨識單元使其具有專一性的感測能力，再藉由分析共振譜帶之頻率與強度的改變程度與待測物的濃度關係後，即能對之建立檢量方法。其方法主要是將貴金屬奈米粒子修飾在光纖上，形成貴金屬奈米粒子層。上述貴金屬奈米粒子層，係由球狀貴金屬奈米粒子、方形貴金屬奈米粒子、角錐形貴金屬奈米粒子、棒狀貴金屬奈米粒子和殼體貴金屬奈米粒子其中之一所構成，且奈米粒子間基本上並不連接，貴金屬係為金，銀或白金。利用光波導多次全反射的特性，可累積貴金屬奈米粒子電漿共振之漸逝波吸收的變化量，以增加LPR的訊號，來強化感測的靈敏性。而上述結合光波導基材與定域電漿共振原理所開發而
成的感測元件，我們就稱之為光波導式定域電漿共振(Optical Waveguide-Localized Plasmon Resonance,OW-LPR)感測器，其中如以光纖為光波導元件，我們就稱之為光纖式定域電漿共振(Fiber Optic-Localized Plasmon Resonance,FO-LPR)感測器，其中如以管狀波導為光波導元件，我們就稱之為管狀波導式定域電漿共振(Tubular Waveguide-Localized Plasmon Resonance,TW-LPR)感測器，其中如以平面波導為光波導元件，我們就稱之為平面波導式定域電漿共振(Planar Waveguide-Localized Plasmon Resonance,PW-LPR)感測器，與辨識單元整合後，它同時具備著專一性、並且高靈敏性的感測能力，因此很有潛力開發成即時檢測用的感測器材。
請參閱第1圖，其係為習知技藝之光纖式定域電漿共振生物感測系統示意圖，由訊號產生器A驅動發光二極體或二極體雷射B所發出的光源通過感測光纖及微流體元件C，再由光電二極體偵測器D接收穿透之光源轉換成電性訊號傳送至鎖相放大器E分析解調，再由電腦F系統顯示解調分析過後的結果。然而由於發光二極體或二極體雷射物理特性的關係，在使用一段時間過後會使光源衰退或由於環境溫度的不同，而導致發光二極體輸出光源強度改變。因此在分析的結果中，常常會無法分辨訊號的改變是由於微流體元件中的內容物特性導致而成，或是發光單元本身輸出光源強度改變所導致。若因此而採用特殊規格之發光二極體或二極體雷射以及特殊規
格之光接收器，不但價格昂貴、操作繁雜且體積龐大，而使得生物感測光學量測系統之成本大幅提高或不易小型化，故設計此光電回授感測系統來提高發光源之穩定度。
有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種光電回授感測系統，以解決光源對於環境溫度變異或光源老化衰退所導致的發光強度改變。
根據本發明之目的，提出一種光電回授感測系統，包含有發光單元、感測裝置、第一光偵測單元、第二光偵測單元、微處理器以及回授電路。
發光單元可發出一第一光訊號。第一光偵測單元接收第一光訊號，根據第一光訊號之強度產生第一電訊號。第二光偵測單元接收第二光訊號，根據第二光訊號之強度產生第二電訊號。微處理器產生驅動訊號，以驅動發光單元；並連接第二光偵測單元以接收第二電訊號，且將第二電訊號轉換成數位訊號。回授電路連接該發光單元、第一光偵測單元及微處理器，回授電路藉由監控第一電訊號來回授控制驅動訊號以調制發光單元，以使第一光訊號之強度穩定。
其中，第一光偵測單元及第二光偵測單元匹配及溫度參數相似。
其中，驅動訊號係為週期性之一方波，同時作為調制/解調制、鎖相放大之同步參考訊號。
其中，光電回授感測系統更包含有一電流/電壓轉換放大電路連接於該第一發光模組與該微處理之間，以將該第二電訊號轉換成一電壓訊號再進行放大動作。
其中，處理器更包含有一驅動訊號產生單元、一鎖相放大/解調電路單元，以及一類比/數位轉換單元，以接收該驅動訊號及該第二級電壓放大動作後之該電壓訊號，並以驅動訊號之頻率作為參考值將第二級電壓放大動作後之電壓訊號進行鎖相放大及同步解調動作後，再轉換成數位訊號。
其中，感測裝置為光波導式感測(OW-LPR)感測器，其包含光波導元件和貴金屬奈米粒子層，利用光波導元件多次全反射的特性，以累積貴金屬奈米粒子層電漿共振之漸逝波吸收的變化量。
其中，感測裝置為光纖式定域電漿感測(FO-LPR)感測器，其包含光纖元件和貴金屬奈米粒子層，利用光纖元件多次全反射的特性，以累積貴金屬奈米粒子層電漿共振之漸逝波吸收的變化量。
其中，感測裝置為管狀波導式定域電漿感測(TW-LPR)感測器，其包含管狀波導元件和貴金屬奈米粒子層，利用管狀波導元件多次全反射的特性，以累積貴金屬奈米粒子層電漿共振之漸逝波吸收的變化量。
其中，感測裝置為平面波導式定域電漿感測(PW-LPR)感測器，其包含平面波導元件和貴金屬奈米粒子層，利用平面波導
元件多次全反射的特性，以累積貴金屬奈米粒子層電漿共振之漸逝波吸收的變化量。
承上所述，依本發明之光電回授感測系統，其可具有一或多個下述優點：
(1)此光電回授感測系統可藉由回授電路使發光單元輸出光強度穩定之第一光訊號，藉此以解決在不同溫度或發光單元老化衰退的因素所導致的光源強度不穩定之問題。
(2)此光電回授感測系統可使用一般市售之發光二極體或二極體雷射及一般光偵測器，藉此以解決必須使用特殊規格之發光單元或光偵測器而使成本大幅提升之問題。
(3)第一光偵測單元及第二光偵測單元匹配架構，使光源穿透比穩定及可有效補償溫度變化之影響。
(4)驅動訊號為週期性之調制方波，配合鎖相放大電路，可抗雜訊干擾。
1、2‧‧‧光電回授感測系統
11、21‧‧‧發光單元
12、22‧‧‧感測裝置
13、23‧‧‧第一光偵測單元
14、24‧‧‧第二光偵測單元
15、25‧‧‧微處理器
16、26‧‧‧回授電路
251‧‧‧鎖相放大/解調模組
252‧‧‧類比/數位轉換模組
253‧‧‧驅動模組
27‧‧‧電流/電壓轉換放大電路
271‧‧‧第一級運算放大器
272‧‧‧第二級運算放大器
A‧‧‧訊號產生器
B‧‧‧發光二極體
C‧‧‧感測光纖及微流體元件
D‧‧‧光電二極體偵測器
E‧‧‧鎖相放大器
F‧‧‧電腦
C1‧‧‧第一電容
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
R3‧‧‧第三電阻
R4‧‧‧第四電阻
Va‧‧‧節點Va
第1圖係為習知技藝之光纖式定域電漿共振生物感測系統示意圖；第2圖係為本發明之光電回授感測系統之第一實施例之方塊圖；第3圖係為本發明之光電回授感測系統之第二實施例之方塊圖；第4圖係為第3圖之電流/電壓轉換放大電路之示意圖；
第5圖係第1圖之光源強度之示意圖；第6圖係為本發明之光電回授感測系統之第二實施例之回授後第一電訊號示意圖；第7A圖係為本發明之光電回授感測系統之第二實施例在不同濃度的糖水下所得之訊號強度下降趨勢圖；第7B圖係為本發明之光電回授感測系統之第二實施例在不同濃度的糖水下，取各個平衡時的相對訊號(I/I0)對折射率進行數據分析之結果關係圖；第8A圖係為本發明之光電回授感測系統之第二實施例在不同濃度的抗二硝基苯(Anti-DNP)下所得之訊號強度下降趨勢圖；以及第8B圖係為本發明之光電回授感測系統之第二實施例在不同濃度的抗二硝基苯(Anti-DNP)下，取各個平衡時的相對訊號(I/I0)對濃度對數進行數據分析之結果關係圖。
請參閱第2圖，其係為本發明之光電回授感測系統之第一實施例之方塊圖。圖中，本發明之光電回授感測系統1包含有一發光單元11、一感測裝置12、一第一光偵測單元13、一第二光偵測單元14、一微處理器15及一回授電路16。
發光單元11可發出第一光訊號以通過感測裝置12，由於感測裝置12內容物的特性，使得感測裝置12輸出第二光訊號。其中，此發光單元11較佳者為發光二極體(Light Emitting Diode，LED)，此感測裝置12較佳者係由一感測光纖以及一
微流體元件組成，並用以感測生物分子或化學分子。在感測光纖上可建置一貴金屬奈米粒子層，此金屬奈米粒子層係由複數個貴金屬奈米粒子所組成。
感測裝置可為光波導式感測(OW-LPR)感測器，其包含光波導元件和貴金屬奈米粒子層，利用光波導元件多次全反射的特性，以累積貴金屬奈米粒子層電漿共振之漸逝波吸收的變化量。
感測裝置可為光纖式定域電漿感測(FO-LPR)感測器，其包含光纖元件和貴金屬奈米粒子層，利用光纖元件多次全反射的特性，以累積貴金屬奈米粒子層電漿共振之漸逝波吸收的變化量。
感測裝置可為管狀波導式定域電漿感測(TW-LPR)感測器，其包含管狀波導元件和貴金屬奈米粒子層，利用管狀波導元件多次全反射的特性，以累積貴金屬奈米粒子層電漿共振之漸逝波吸收的變化量。
感測裝置可為平面波導式定域電漿感測(PW-LPR)感測器，其包含平面波導元件和貴金屬奈米粒子層，利用平面波導元件多次全反射的特性，以累積貴金屬奈米粒子層電漿共振之漸逝波吸收的變化量。
第一光偵測單元13接收此第一光訊號，並根據此第一光訊號之強度對應產生第一電訊號。第二光偵測單元14接收此第二光訊號，並根據此第二光訊號之強度對應產生第二電訊號。
其中，此第一光偵測單元13及第二光偵測單元14較佳者為光電二極體偵測器(Photodiode)或光電晶體偵測器(Phototransistor)。且第一光偵測單元13以及第二光偵測單元14溫度匹配，亦即環境溫度對第一光偵測單元13以及第二光偵測單元14的影響相同，故當第一光偵測單元13以及第二光偵測單元14處在相同的溫度環境下時，能輸出強度穩定之電訊號。
微處理器15產生一驅動訊號。此驅動訊號較佳者為一週期性之方波，且此方波之頻率較佳者介於1,000赫茲至20,000赫茲之間；此外，微處理器15並連接第二光偵測單元14，以接收第二電訊號，並將此第二電訊號經過數位處理後轉換成數位訊號。
回授電路16連接於發光單元11、第一光偵測單元13及該微處理器15，藉由監控第一電訊號來回授控制驅動訊號以調制發光單元11，使發光單元11於接收驅動訊號期間內輸出光強度穩定之第一光訊號，藉此以使發光單元11發出趨近於預設強度之光源，若環境溫度有變化時，第一光偵測單元13以及第二光偵測單元14會受到環境溫度變化而導致輸出電訊號改變，但因為第一光偵測單元13以及第二光偵測單元14溫度參數相似，可藉此補償環境溫度變化造成的影響。其中，此回授電路較佳者為一自動增益控制(Auto Gain Control，AGC)迴路。
請參閱第3圖，其係為本發明之光電回授感測系統之第二實
施例之方塊圖。與第一實施例相較，其差異在於第二光偵測單元24與微處理器25之間更串接了電流/電壓轉換放大電路27，微處理器25更包含了鎖相放大/解調模組251、類比/數位轉換模組252以及驅動模組253。其他部分與第1實施例相似，就不在此贅述。
請參閱第4圖，其係為第3圖之電流/電壓轉換放大電路之示意圖。圖中，電流/電壓轉換放大電路27包含有一第一級運算放大器271、一第二級運算放大器272、兩個第一電容C1、兩個第一電阻R1、兩個第二電阻R2、兩個第三電阻R3以及兩個第四電阻R4。第一電容C1以及第一電阻R1分別並聯於第一運算放大器271及第二運算放大器272之正輸入端，以濾除高頻雜訊，第二電阻R2、第三電阻R3以及第四電阻R4用以控制第一級運算放大器271及第二級運算放大器272的回授增益。第二電訊號為一電流訊號，電流/電壓轉換放大電路27藉由第一級運算放大器271將此第二電訊號由一電流訊號放大轉換成一電壓訊號，以完成第一級電壓放大動作，再藉由第二級運算放大器272將電壓訊號再次放大，並輸出於節點Va，以完成第二級電壓放大動作。
微處理器25連接於節點Va，以接收電流/電壓轉換放大電路27中第二級電壓放大動作後之電壓訊號，並以驅動模組253產生的驅動訊號之頻率作為參考值，藉由其鎖相放大/解調模組251將第二級電壓放大動作後之電壓訊號中與驅動訊號具有相同頻率的部分進行鎖相放大及同步解調等動作，再由
類比/數位轉換模組252將解調過後之訊號轉換成一數位訊號。此類比訊號可顯示於與微處理器25相連接之顯示裝置或電子裝置，以提供實驗數據。而驅動模組253則提供調制過後之驅動訊號傳送至回授電路26以及鎖相放大/解調模組251。
回授電路26連接於發光單元21、第一光感測單元23及該微處理器25，回授電路26接收第一電訊號以及驅動訊號，回授電路26藉由監控第一電訊號來回授控制驅動訊號以調制發光單元21，以使發光單元21於接收驅動訊號期間內輸出光強度穩定之第一光訊號。當第一光訊號之強度降低時，回授電路26會提高輸入驅動訊號之電壓值，當第一光訊號之強度增加時，回授電路26會降低輸入驅動訊號之電壓值，以使發光單元21所發出之第一光訊號之強度穩定。
請參閱第5圖，其係第1圖之光源強度之示意圖。圖中，由於習知技藝之光纖式定域電漿共振生物感測系統為一開迴路，當發光二極體B由訊號產生器A驅動一段時間後，其光源強度有所變異，因此由電腦F系統會誤判此變異是由感測光纖及微流體元件C所造成。
請一併參閱第6圖，其係為本發明之光電回授感測系統之第二實施例之回授後光源強度示意圖。圖中，第一光訊號強度持續穩定維持，並不會如第5圖中之光訊號強度隨著時間偏移，此光訊號強度之波峰對波峰(Peak to Peak)穩定值(Stability)為0.073%，其相對標準偏差(Relative Standard Deviation，RSD)可維持在0.022%的穩定值。
請參閱7圖，其係為本發明之光電回授感測系統之第二實施例之溶液折射率測試實驗結果。在不同濃度的糖水下溶液折射率的改變，利用定域電漿共振感測光纖所得之訊號強度下降趨勢圖(圖7A)及檢量線(圖7B)，圖7B中I為不同濃度糖水的訊號，I0為空白樣品的訊號。結果顯示相對訊號(I/I0)對溶液折射率呈現一個良好的線性關係，其線性關係(R)值為0.997，其偵測解析度為7.4x10-5 RIU，比習知技藝感測系統所得的偵測解析度好。
請參閱第8圖，其係為本發明之光電回授感測系統之第二實施例之生化樣品的檢測實驗結果。利用二硝基苯(DNP)探針修飾之定域電漿共振感測光纖去偵測不同濃度的抗二硝基苯(Anti-DNP)，由圖8A可看出利用二硝基苯(DNP)偵測不同濃度的抗二硝基苯(Anti-DNP)可明顯看出訊號的下降量，主要是二硝基苯(DNP)與抗二硝基苯(Anti-DNP)進行結合反應而產生的訊號變化呈現分子結合動力學曲線。取各個平衡時的相對訊號(I/I0)對濃度對數進行數據分析的結果所得線性係數為0.997(如第8B圖所示)，其中圖8B中I為不同濃度之抗二硝基苯的訊號，I0為空白樣品的訊號，並推算其偵測極限為3.8×10-11 M，比習知技藝感測系統所得的偵測極限好。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1‧‧‧光電回授感測系統
11‧‧‧發光單元
12‧‧‧感測裝置
13‧‧‧第一光偵測單元
14‧‧‧第二光偵測單元
15‧‧‧微處理器
16‧‧‧回授電路
Claims (15)
- 一種光電回授感測系統，其包含：一發光單元，係發出一第一光訊號；一感測裝置，係接收該第一光訊號，並由該感測裝置內容物之特性，使得該感測裝置輸出一第二光訊號；一第一光偵測單元，係接收該第一光訊號，根據該第一光訊號之強度產生一第一電訊號；一第二光偵測單元，係接收該第二光訊號，根據該第二光訊號之強度產生一第二電訊號；一微處理器，係產生一驅動訊號，並連接該第二光偵測單元以接收該第二電訊號，且將該第二電訊號轉換成一數位訊號；以及一回授電路，係連接該發光單元、該第一光偵測單元及該微處理器，係藉由監控該第一電訊號來回授控制該驅動訊號以調制該發光單元，使該第一光訊號之強度穩定。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電回授感測系統，其中該第一光偵測單元及該第二光偵測單元溫度匹配，亦即環境溫度對該第一光偵測單元及該第二光偵測單元影響相同。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電回授感測系統，其中該驅動訊號係為週期性之一方波。
- 如申請專利範圍第3項所述之光電回授感測系統，其中該方波之頻率介於1 kHz至20 kHz之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電回授感測系統，其中該光電回授感測系統更包含有一電流/電壓轉換放大電路，連接於該第二光偵測單元與該微處理器之間，以將該第二電訊號轉換成一電壓訊號再進行放大動作。
- 如申請專利範圍第5項所述之光電回授感測系統，其中該電流/電壓轉換放大電路係以一第一級運算放大器將該第一電訊號由一電流訊號轉換成一電壓訊號，並且進行一第一級電壓放大動作，再由一第二級運算放大器將該電壓訊號進行一第二級電壓放大動作。
- 如申請專利範圍第6項所述之光電回授感測系統，其中該微處理器更包含有一鎖相放大/解調模組，該鎖相放大/解調模組接收該第二級電壓放大動作後之該電壓訊號，並以該驅動訊號之頻率作為同步參考值將該第二級電壓放大動作後之該電壓訊號進行鎖相放大及同步解調動作。
- 如申請專利範圍第7項所述之光電回授感測系統，其中該微處理器更包含有一類比/數位轉換模組以及一驅動模組，分別使鎖相放大及同步解調後之該電壓訊號轉換成該數位訊號以及產生該驅動訊號。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電回授感測系統，其中該回授電路係為一自動增益控制(Auto Gain Control，AGC)迴路。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電回授感測系統，其中該感測裝置係由一感測光纖以一微流體元件組成。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電回授感測系統，其中該發 光單元係為一發光二極體或二極體雷射。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電回授感測系統，其中該感測裝置係為一光波導式感測(OW-LPR)感測器，係包含一光波導元件和一貴金屬奈米粒子層，利用該光波導元件多次全反射的特性，以累積該貴金屬奈米粒子層電漿共振之漸逝波吸收的變化量。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電回授感測系統，其中該感測裝置係為一光纖式定域電漿感測(FO-LPR)感測器，係包含一光纖元件和一貴金屬奈米粒子層，利用該光纖元件多次全反射的特性，以累積該貴金屬奈米粒子層電漿共振之漸逝波吸收的變化量。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電回授感測系統，其中該感測裝置係為一管狀波導式定域電漿感測(TW-LPR)感測器，係包含一管狀波導元件和一貴金屬奈米粒子層，利用該管狀波導元件多次全反射的特性，以累積該貴金屬奈米粒子層電漿共振之漸逝波吸收的變化量。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電回授感測系統，其中該感測裝置係為一平面波導式定域電漿感測(PW-LPR)感測器，係包含一平面波導元件和一貴金屬奈米粒子層，利用該平面波導元件多次全反射的特性，以累積該貴金屬奈米粒子層電漿共振之漸逝波吸收的變化量。
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