TWI463131B - 光學偵測系統 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種光學偵測系統，能夠以長距離方式量測樣本微弱光學訊號。
光學偵測(Optical detection)與影像技術在生醫檢測上應用廣泛，目前已有多項光學影像技術可用於構建生醫影像，例如螢光顯微技術或非線性光學顯微技術等等。
非線性光學技術因使用波長較廣泛，因此具有較深影像穿透深度，舉例說明，生物組織下的樣本在可見光範圍穿透性較差，因此不易以其他方式得到其影像，而使用非線性光學技術則能輕易得到位於此生物組織底下樣本的影像；或是以此技術也可易於取得位於光吸收材料內部的內容物影像。
常用於生醫檢測裡之光學訊號包含螢光，拉曼散射(Raman Scattering)，乃致非線性訊號之多光子激發技術(multiphoton excitation techniques)、二倍頻波產生(second-harmonic generation,SHG)、三倍頻波產生(third-harmonic generation,THG)、同調性反史脫克拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS)等，以螢光為例，螢光光譜技術為常見方法之一，請參閱第一圖，第一圖為習知螢光入射後所放射之訊號具有空間均向性特性之示意圖，螢光為一光致發光(Photoluminescence,PL)的過程，為分子能階躍遷的途徑之一，在單光子激發機制下，螢光分子經較短波長光照射後所會放出較長波長的光，通常所放出的光具有空間均向性(isotropic)，導致原本就已經非常微弱的訊號因訊號發散的關係使得偵測該訊號相當困難，因此，若要有效收集螢光訊號，通常需要使用高數值孔徑(number aperture,N.A.)的鏡頭，才能涵蓋較大的立體角範圍，以提高偵測效率。
因此以上所述之光學訊號強度與入射光相較之下，非常微弱，若要有效偵測這些微弱訊號，則需使用更高靈敏度的光偵測器或是提高入射光強度，然而高靈敏度的光偵測器通常價格昂貴，且高入射光強度易造成樣品損害，另一提高偵測效率的方法為使用高數值孔徑的透鏡，盡可能收集所有樣品放出的訊號，但高數值孔徑之透鏡卻限制偵測距離，故如何提供一有效偵測這些微弱訊號且能以長距離方式量測之系統，實為現在須急迫解決的問題。
本發明提供一種光學偵測系統，包含了三個單元：發射單元、光學單元以及偵測單元。
發射單元包含二道光束，第一激發光束與第二受激光束。第一激發光束係用以激發樣品至受激態；第二受激光束係用以誘發該樣品受激態之分子產生一受激發射訊號，其中該受激發射訊號包含螢光訊號或/和拉曼訊號。
光學單元係為了控制第一激發光束、第二受激光束以及受激發射訊號之整合、分光或走向。光學單元包含一分光元件、一掃描器、一集光元件以及一反射光學元件。
分光元件係用以將第一激發光束與第二受激光束整合、分光或走向，再將處理後的第一激發光束與第二受激光束匯入掃描器，以去除不必要的光學條件，之後，再藉由集光元件確保第一激發光束與第二受激光束之聚焦點一致。
接著，受激發射訊號受到反射光學元件反射作用，而反射出大於一特定波長的一反射受激發射訊號。之後，偵測單元偵測以判斷反射受激發射訊號之強度變化。
偵測單元包含一分光元件、一帶通濾波元件、一集光元件、一光電偵測器以及一鎖相放大模組。
反射受激發射訊號經過反射鏡反射後，藉由分光元件將反射受激發射訊號解耦合為一待測訊號，且匯入帶通濾波元件，再藉由集光元件將該待測訊號導入光電偵測器，光電偵測器接收該待測訊號後，會進一步轉換為電子訊號，且進行放大處理，得到解調後的待測訊號。
解調後的待測訊號與樣品分子受激發射量成正比。因受激發射具有高同調性，因此可於遠端進行偵測，而不必受收集光學元件之數值孔徑與工作距離限制。
本發明藉由誘導分子產生受激發射所放射訊號的高同調性，促成遠距偵測。因此，對於螢光與拉曼散射等本為非同調性訊號之收集與增強效應特別顯著。對於其他本具高同調性之光學訊號，如諧頻訊號(harmonic generation)及反史托克拉曼散射(anti-stoke raman scattering)等，亦可利用本發明所提出之方式進行遠距偵測。
關於本發明之優點與精神，以及更詳細的實施方式可以藉由以下的實施方式以及所附圖式得到進一步的瞭解。
本發明提供一光學偵測系統，能夠克服習知技術在量測樣本所發出的弱光訊號時，距離受到限制的問題，弱光訊號的型態如前述說明包含各種類型，而在本實施例中，將同樣以螢光訊號作為舉例說明，在此須特別說明的是，本發明並不限定僅用於螢光訊號。
螢光分子於受激態至基態之躍遷包含下列方式：非輻射方式(non-radiative)、自發放射(Spontaneous transition，含螢光與磷光現象)、受激放射(stimulated emission)及能量轉移(energy transfer)。
本發明係利用受激放射的方式來測量螢光分子的能階躍遷，因受激發射所放出的光子具有高同調性(coherence)亦即方向性的優點，因此，可避免在收集螢光訊號時受到數值孔徑之限制，解決樣本與物鏡間之距離過短的問題。
另外，對於其他弱光訊號，如拉曼訊號等，也可利用受激發射來偵測，即受激拉曼(stimulated Raman)。拉曼訊號具有分子鑑別的特徵，訊號直接來自分子本身，且不需透過螢光染色(label-free)標定。將低同調性訊號轉變為具高同調性的訊號，即為受激放射獨特的優點。
請參考第二圖，第二圖為本發明之第一激發光束用以激發樣品至
受激態後放出空間均向性的光子之示意圖，光的行徑方向由左至右；第三圖為本發明之第二受激光束用以誘發該樣品受激態之分子產生一受激發射訊號之示意圖。請參考第四圖，其係本發明之光學偵測系統之示意圖，該光學偵測系統主要包含了三個單元：發射單元200、光學單元300以及偵測單元400。
首先，發射單元200包含一第一激發光束210以及第二受激光束220。第一激發光束210係用以激發一樣品S至受激態；第二受激光束220係用以誘發受激態的樣品S之光子產生一受激發射訊號230。其中，該受激發射訊號230之光子與第二受激光束220之光子係具有同調性(coherent)。
在本實施中，第一激發光束210以及第二受激光束220皆以雷射光束為例，但並不以此為限，且該第一激發光束210與第二受激光束220不需同線性耦合，只需第一激發光束210與第二受激光束220能重疊於同一目標區域即可，第四圖僅為本發明之一實施例，本發明並不以必須同線性耦合為限。
在本實施例中，係以若丹明(Rhodamine 6G)作為樣品S的染料介質，因此下述之任何波長、頻率之數值係針對此染料介質能達成遠距偵測的實驗數據來作說明，本發明並不以此數據為限，本發明可依據不同的介質而有不同的波長、頻率等數值來達成遠距偵測；第一激發光束210為波長500nm至550nm的連續雷射光束(continuous wave laser)，而第一激發光束210波長係以532nm的連續雷射光束為最佳實施例。另外，第一激發光束210可透過一調制器211將頻率調整為30kHz至40kHz，而第一激發光束210頻率係以36kHz為最佳實施例，但並不以此為限，只要第一激發光束為波長足以激發樣品S分子至激發態的雷射光束即可。
第二受激光束220為波長560nm至580nm的雷射光束。而第二受激光束220波長係以570nm的雷射光束為最佳實施例。另外，第二受激光束220可透過一控制器221將頻率調整為70kHz至80kHz，而第二受激光束220頻率係以76kHz為最佳實施例，但並不以此為限，只要第二受激光束為波長滿足誘發該樣品受激態之分子產生受激發射訊號的雷射光束即可。
如上所述，本發明使受激態樣品經第二受激光束220誘發該受激態樣品S之分子產生一受激發射訊號230，該受激發射訊號230之光子與第二受激光束220之光子具有同調性，即為同方向性的優點，所謂光的同調性，簡單的來說，是指光的相干性，也就是光波在疊加時會有建設性與破壞性干涉的現象。
再者，光學單元300係為了控制第一激發光束210、第二受激光束220以及受激發射訊號230之整合、分光或走向。光學單元300包含一分光元件310、一掃描器320、一集光元件330以及一反射光學元件340。
分光元件310係用以將第一激發光束210與第二受激發光束220進行整合、分光或走向，再將處理後的第一激發光束210與第二受激光束220匯入掃描器320，以去除不必要的光學條件，之後，再藉由集光元件330確保處理後的第一激發光束210與第二受激光束220之聚焦點一致，在本實施例中，集光元件330以平凸透鏡(single plano-convex collimation lens)、焦距400mm為最佳實施例，而集光元件330更可為凸透鏡、漸變式折射率透鏡(GRIN Lens)、凹面鏡或菲涅耳波帶片(Fresnel Zone Plate)等，只要能用以收集或成像光學訊號皆可，本發明並不以此為限；而分光元件310可為分光鏡(beam splitter)、偏極化分光鏡(polarization beam splitter)、平面波導型分光器(PLC Splitter)或光柵(Grating)等等，本發明並不以此為限。
集光元件330能夠使處理後的第一激發光束210與第二受激光束220避免散光現象發生，而共同聚焦至樣品S，且於本實施例中，集光元件330具有工作距離D2，能夠增加量測距離；此時，第一激發光束210將樣品S激發至受激態，第二受激光束220則將誘發受激態的樣品S，產生一受激發射訊號230。
受激發射訊號230沿著原本的方向前進，則將會受到光學單元300中的反射光學元件340進行反射作用，在本實施例中，反射光學元件340為具短波長濾波功能(short-pass filtering)之濾波器或濾鏡，如一二向色低通濾波鏡(dichroic short-pass mirror)，但並不以此為限，反射光學元件340僅會反射波長超過540nm的訊號，因此受激發射訊號230透過反射光學元件340的反射後，則會反射出大於一特定波長的一反射受激發射訊號231。
之後，偵測單元400偵測反射受激發射訊號231以判斷樣品S受激發射後的微弱訊號之強度變化。其中，偵測單元400包含一分光元件410、一帶通濾波元件420(band-pass filter)、一集光元件430、一光電偵測器440以及一鎖相放大模組450(lock-in amplifier)，該分光元件410及集光元件430與前述之分光元件310及集光元件330相同，在此不再贅述。
反射受激發射訊號231經過反射光學元件340反射後，藉由分光元件410將反射受激發射訊號231解耦合為一待測訊號232，且匯入帶通濾波元件420(band-pass filter)，在本實施例中，帶通濾波元件420可為具長波長濾波功能(long-pass filtering)之濾波器或濾鏡，如一二向色高通濾波鏡(dichroic long-pass filter)或是一極化濾鏡(polarisation filter)，但並不以此為限，主要目的是去除不必要波段的訊號或是整合為極化光束；本實施例中，如上所述，反射光學元件340僅會反射大於一特定波長的反射受激發射訊號231，因此反射出的為長波段的訊號，而此時待測訊號232再通過帶通濾波元件420則是更進一步篩選出特定波長的待測訊號232。
待測訊號232再藉由集光元件430將訊號導入光電偵測器440，光電偵測器440接收光訊號後，會進一步轉換為電子訊號，且進行放大處理，該光電偵測器440可為光電倍增管(photomultiplier tube,PMT)、雪崩光電二極體(Avalanche Photodiode)或矽晶光電二極體(silica photodiode)等等，本發明並不以此為限。
鎖相放大模組450除了與調整第二受激光束220之控制器221連接，也與光電偵測器440進行連接，目的是配合控制器221調整第二受激光束220的參數分析光電偵測器440內的待測訊號232。
簡單來說，本發明主要係利用第一激發光束210將樣品S激發至受激態，再以第二受激光束220作用於處於受激態樣品S分子上，誘發該受激態樣品S分子產生一受激發射訊號230，受激發射訊號230與第二受激光束220具有同調性。
在測量上，直接測量受激發射訊號230在產生受激發射後強度增加的訊號非常困難，因此須利用鎖相放大模組450來測量受激發射訊號230強度之變化。先將第一激發光束210以頻率f做強度調變(intensity modulation)後激發樣品S，再以第二受激光束220作用於處於受激態樣品S分子上，最後利用鎖相放大模組450將待測訊號232的強度以頻率f解調(demodulation)並測量解調訊號，此解調後的訊號即與樣品S分子受激發射量成正比。
因誘發之受激發射訊號具有高同調性，因此可於遠端進行偵測，而不必受收集光學元件之數值孔徑與工作距離限制。
本發明能夠達到長距離偵測的效果，可以被使用在影像引導手術(Image-guided surgery)或生物和環境監測等。相對於顯微鏡的應用，本發明之光學系統成像視野較大且較遠，因此偵測的距離，即樣品和檢測裝置之距離，已可輕易達到數公尺或更遠。
本發明雖以較佳實例闡明如上，然其並非用以限定本發明精神與發明實體僅止於上述實施例爾。對熟悉此項技術者，當可輕易了解並利用其它元件或方式來產生相同的功效。是以，在不脫離本發明之精神與範圍內所作之修改，均應包含在下述之申請專利範圍內。
S．．．樣品
110．．．樣品S所發射出的光範圍
200．．．發射單元
210．．．第一激發光束
211．．．調制器
220．．．第二受激光束
221．．．控制器
230．．．受激發射訊號
231．．．反射受激發射訊號
232．．．待測訊號
300．．．光學單元
310、410．．．分光元件
320．．．掃描器
330、430．．．集光元件
340．．．反射光學元件
D2．．．工作距離
400．．．偵測單元
420．．．帶通濾波元件
440．．．光電偵測器
450．．．鎖相放大模組
藉由以下詳細之描述結合所附圖示，將可輕易的了解上述內容及此項發明之諸多優點，其中：
第一圖為習知螢光在入射光激發後所放射之訊號具有空間均向性特性之示意圖；
第二圖為本發明之第一激發光束用以激發樣品至受激態後放出空間均向性的光子之示意圖；
第三圖為本發明之第二受激光束用以刺激該受激態樣品之分子促使其產生一受激發射訊號之示意圖；以及
第四圖為本發明之光學偵測系統之示意圖。
S．．．樣品
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210．．．第一激發光束
211．．．調制器
220．．．第二受激光束
221．．．控制器
230．．．受激發射訊號
231．．．反射受激發射訊號
232．．．待測訊號
300．．．光學單元
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320．．．掃描器
330、430．．．集光元件
340．．．反射光學元件
D2．．．工作距離
400．．．偵測單元
420．．．帶通濾波元件
440．．．光電偵測器
450．．．鎖相放大模組
Claims (18)
- 一種光學偵測系統，包含：一發射單元，包含：一第一激發光束，係以一特定頻率進行調變(modulation)，激發一樣品至受激態；一第二受激光束，誘發該樣品受激態之分子，產生一受激發射訊號，且該受激發射訊號係為一與該第二受激光束具有同調性(coherent)之光束；以及一偵測單元，係由一解調訊號與該第二受激光束於該特定頻率解調之差值，量測該受激發射訊號強度之變化，包含：一光電偵測器，偵測該受激發射訊號；一鎖相放大模組(lock-in amplifier)，係由該光電偵測器取得一電訊號，以該特定頻率解調(demodulation)該電訊號，取得該解調訊號。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學偵測系統，其中該受激發射訊號包含螢光訊號或/和拉曼訊號。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學偵測系統，更包含一光學單元，其中該發射單元係經由該光學單元連結該偵測單元，以控制該第一激發光束、該第二受激光束以及該受激發射訊號之整合、分光或走向。
- 如申請專利範圍第3項所述之光學偵測系統，其中該光學單元包含一分光元件，以將該第一激發光束與該第二受激光束進行整合、分光或走向。
- 如申請專利範圍第3項所述之光學偵測系統，其中該光學單元包含一掃描器。
- 如申請專利範圍第3項所述之光學偵測系統，其中該光學單元包含一集光元件，用以收集或成像光學訊號，並確定通過該集光元件的該第一激發光束與該第二受激光束之聚焦點一致。
- 如申請專利範圍第3項所述之光學偵測系統，其中該光學單元包含一反射光學元件，用以反射該受激發射訊號。
- 如申請專利範圍第7項所述之光學偵測系統，其中該反射光學元件為具短波長濾波功能(short-pass filtering)之濾波器或濾鏡。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學偵測系統，其中該第一激發光束以及該第二受激光束重疊於該樣本之區域。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學偵測系統，其中該第一激發光束為波長足以激發樣品分子至激發態的雷射光束(continuous wave laser)。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學偵測系統，其中該第二受激光束為波長滿足誘發該樣品受激態之分子產生受激發射訊號的雷射光束。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學偵測系統，其中該偵測單元更包含一分光元件。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學偵測系統，其中該偵測單元更包含一帶通濾波元件(band-pass filter)。
- 如申請專利範圍第13項所述之光學偵測系統，其中該帶通濾波元件為具長波長濾波功能(long-pass filtering)之濾波器或濾鏡。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學偵測系統，其中該偵測單元更包含一集光元件。
- 如申請專利範圍第6或15項所述之光學偵測系統，其中該集光元件可為凸透鏡、漸變式折射率透鏡(GRIN Lens)、凹面鏡或菲涅耳波帶片(Fresnel Zone Plate)。
- 如申請專利範圍第4或12項所述之光學偵測系統，其中該分光元件可為分光鏡(beam splitter)、偏極化分光鏡(polarization beam splitter)、平面波導型分光器(PLC Splitter)或光柵(Grating)。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學偵測系統，其中該光電偵測器可為光電倍增管(photomultiplier tube,PMT)、雪崩光電二極體(Avalanche Photodiode)或矽晶光電二極體(silica photodiode)。
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