TWI484155B - 光波導式粒子電漿共振感測系統 - Google Patents

Description

光波導式粒子電漿共振感測系統

本發明是有關於一種感測系統，特別是有關於一種具高靈敏度和高穩定性之光波導式粒子電漿共振感測系統。

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電化學或是光譜特徵的改變。然而，很多的生化物質都不具有這些特徵，因此分析物常需要標記方能進行檢測。由於標定的步驟通常是冗長的，並且有時可能會導致錯誤。

一般生物感測器常利用二次生物分子辨識方法，使分析物具有電化學或光譜特徵，例如：ELISA會使用二次抗體。但使用二次生物分子辨識不但會增加分析的時間、檢測流程較複雜也會增加經費。此外，此兩種流程皆無法提供分析物的即時檢測。因此發展免標記檢測方法是非常必要的。

而在免標記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、峰值波長改變或共振角改變以推算生物樣品的特性。常用之方法包 括表面電漿共振(Surface Plasmon Resonance，簡稱SPR)感測器，以峰值波長(peak wavelength)改變或共振角(resonance angle)改變為主。量測峰值波長改變或共振角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檢測單元。

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逐漸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。貴金屬奈米粒子受白光激發時會產生特性消光光譜(extinction spectrum)，此特性譜帶稱為粒子電漿共振譜帶。而粒子電漿共振感測系統的基本感測原理是：當貴金屬奈米粒子感受到環境折射率改變時，此粒子電漿共振譜帶的峰值波長與消光截面積(extinction cross-section)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，其粒子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。

藉由修飾特定辨識單元於貴金屬奈米粒子表面可使其具有專一性 的感測能力，當貴金屬奈米粒子上的辨識單元與分析物結合，因而會覆蓋在貴金屬奈米粒子表面附近，使得貴金屬奈米粒子所處的介電環境產生變化，其峰值波長與消光截面積對外在環境的改變相當敏感，而造成粒子電漿共振譜帶的變化，如峰值波長偏移及消光截面積改變；最後再藉由分析共振譜帶之波長偏移或消光度(extinction)的改變程度與分析物的濃度關係後，即能對之建立檢量方法。由於偵測是靠分析物結合在奈米粒子的表面導致介電性質的改變時所造成的特性消光譜帶的變化，因此不必因為分析物沒有特殊的光譜特性(例如螢光、放射線團…等)而需要進行額外的標記動作。

由於習知技藝表面電漿共振(Surface Plasmon Resonance，簡稱SPR)感測器，為非本質共振(Not Intrinsically Resonant)，必須利用光柵或稜鏡耦合器來激發貴金屬薄膜(~50nm)產生表面電漿共振，因此造成感測系統架構複雜、體積龐大，攜帶不便、價格昂貴，且對於複雜樣品檢測較為困難…等缺點。

本發明則採用本質共振(Intrinsically Resonant)之粒子電漿共振(Particle Plasmon Resonance，簡稱PPR)結合光波導(optical waveguide)原理開發新一代感測系統。

此外；光波導式粒子電漿共振其感測靈敏度與穩定性優於表面電漿共振系統，主要因素為此感測系統主要由三大裝置所相互加成的效果所致。三大裝置分別為光訊號輸出穩定裝置、光波導粒子電漿共振感測裝置、訊號擷取與處理(signal acquisition and processing)裝置。

此三大裝置為結合光電、機械、電子電路、化學以及微流體…等技術開發而成的感測系統，其性能超越傳統感測系統，能大大提升系統的訊雜比(signal-to-noise ratio)，具有高靈敏度與高穩定性的感測能力，此外亦具備體積微小化和攜帶方便、成本低、架構簡單、具多重感測能力…等優點，為一創新且新穎、具高科技之感測系統。

根據本發明之目的，提出一種光波導式粒子電漿共振感測系統，其包含光訊號輸出穩定裝置、光波導粒子電漿共振感測裝置、訊號擷取與處理(signal acquisition and processing)裝置。光訊號輸出穩定裝置包含穩定光源驅動模組(如定電壓控制模組、加熱敏電阻之定電壓控制模組或定電流控制模組)、發光單元(如發光二極體或雷射光源)與光源溫度穩定模組。由於發光單元易受外在環境(如溫度、氣流擾動)之影響，而造成光訊號飄移，可使用被動式或主動式光源溫度穩定模組以對該發光單元進行恆溫控制，進一步提升光訊號穩定度。光波導粒子電漿共振感測裝置包含一感測平台，另可增設一感測平台溫度控制模組和一樣品進樣溫度控制模組。感測平台接收該光訊號，並具有一光波導基材和複數個貴金屬奈米粒子，該複數個貴金屬奈米粒子係設置於該光波導基材上，一待測樣品接觸該貴金屬奈米粒子以產生一電漿共振訊號。感測平台溫度控制模組連接該感測平台，該感測平台溫度控制模組控制該感測平台工作於一工作溫度。樣品進樣溫度控制模組係連接該感測平台，且該樣品進樣溫度控制模組透過一調溫裝置使該待測樣品調整至該工作溫度。訊號擷取與處理裝置接收該電漿共振訊號，並將該電漿共振訊號轉為電訊號。

承上所述，依本發明之光波導式粒子電漿共振感測系統，其可具有一或多個下述優點：

(一)PPR感測器不需像傳統的SPR感測器使用稜鏡或是光柵來激發貴金屬薄膜產生表面電漿共振，光學架構比較簡單，因此PPR感測器有很高的潛力可以發展成攜帶式裝置。

(二)相較於SPR感測器常使用濺鍍法以製備貴金屬薄膜，PPR感測器可使用簡單的化學還原法來製備各種形式與尺寸的貴金屬奈米粒子，因此具有較低成本之優勢，且其感測基材在形狀上之選擇性更加廣泛。

(三)利用光波導元件(例如：光纖、管狀波導、平面波導等)，通過多次全內反射(multiple total internal reflection)可以大幅增加漸逝波(evanescent-wave)吸收的變化量，進而大幅增加PPR感測器之靈敏度。

1‧‧‧光波導式粒子電漿共振感測系統

11‧‧‧光訊號輸出穩定裝置

111‧‧‧穩定光源驅動模組

1111‧‧‧波形產生器

112‧‧‧光源溫度穩定模組

1120‧‧‧定電壓控制模組

11201‧‧‧定電壓電源供應器

1121‧‧‧熱敏電阻之定電壓控制模組

11211‧‧‧熱敏電阻

1122‧‧‧定電流控制模組

11221‧‧‧定電流電源供應器

1131‧‧‧電腦

1132‧‧‧PID溫度控制板

1133‧‧‧電源供應器

1134‧‧‧溫度回饋感測器

1135‧‧‧發光單元夾持機構

1136‧‧‧致冷晶片

114‧‧‧發光單元

115‧‧‧發光二極體

116‧‧‧被動式光源溫度穩定模組

117‧‧‧絕熱裝置

119‧‧‧主動式光源溫度穩定模組

12‧‧‧光波導粒子電漿共振感測裝置

121‧‧‧感測平台

1211‧‧‧光波導基材

1212‧‧‧複數個貴金屬奈米粒子

1213‧‧‧基板

1214‧‧‧波導層

1215‧‧‧光柵

1216‧‧‧待測樣品

1217‧‧‧反射層

122‧‧‧感測平台溫度控制模組

1221‧‧‧感測平台固定機構

1222‧‧‧溫度回饋感測器

1223‧‧‧致冷晶片

1224‧‧‧散熱片

123‧‧‧樣品進樣溫度控制模組

1231‧‧‧調溫裝置

12311‧‧‧致冷晶片

12312‧‧‧熱交換器

13‧‧‧訊號擷取與處理裝置

131‧‧‧光檢測元件

132‧‧‧電流/電壓轉換放大電路

133‧‧‧鎖相放大模組

第1圖 係為本發明之光波導式粒子電漿共振感測系統之示意圖；第2圖 係為本發明之光訊號輸出穩定裝置之示意圖；第3圖 係為本發明之穩定光源驅動模組之第一實施例示意圖；第4圖 係為本發明之穩定光源驅動模組之第二實施例示意圖；第5圖 係為本發明之穩定光源驅動模組之第三實施例示意圖；第6圖 係為本發明之被動式光源溫度穩定模組之示意圖；第7圖 係為本發明之主動式光源溫度穩定模組之示意圖；第8圖 係為本發明之光波導粒子電漿共振感測裝置之示意圖；第9A圖 係為本發明之穿透式光纖感測元件之示意圖；第9B圖 係為本發明之平面光波導感測元件之示意圖； 第9C圖 係為本發明之管狀光波導感測元件之示意圖；第9D圖 係為本發明之探針式光纖感測元件之示意圖；第10圖 係為本發明之感測平台溫度控制模組之示意圖；第11圖 係為本發明之樣品進樣溫度控制模組之示意圖；第12圖 係為本發明之訊號擷取與處理模組之示意圖；第13圖 係為習知技術之未添加光訊號穩定模組之訊號與時間關係示意圖；第14圖 係為本發明之添加光訊號穩定模組之訊號與時間關係示意圖；第15圖 係為本發明在不同樣品溫度下使用被動式光源溫度穩定模組之訊號與時間關係示意圖；第16圖 係為習知技藝之訊號與時間關係第一實施例示意圖；第17圖 係為本發明之樣品進樣溫度控制模組之訊號與時間關係第二實施例示意圖；第18圖 係為本發明之光波導式粒子電漿共振感測系統訊號與時間關係之第一實施例示意圖；第19圖 係為本發明之光波導式粒子電漿共振感測系統訊號與時間關係之第二實施例示意圖；以及第20圖 係為本發明之光波導式粒子電漿共振感測系統溫度變化量與相對訊號改變量關係之示意圖。

請參閱第1圖，第1圖係為本發明之光波導式粒子電漿共振感測系統之示意圖。如圖所示，光波導式粒子電漿共振感測系統1包含光訊號輸出穩定裝置11、光波導粒子電漿共振感測裝置12及訊號 擷取與處理裝置13。

光訊號輸出穩定裝置11，主要是針對感測系統的光源而設計，能有效補償光源發光時，產生溫度變化所造成光源之不穩定，使光源能發出一固定頻率且能長時間持續穩定的光訊號，並根據此光訊號具備之特定波長，來激發貴金屬奈米粒子產生粒子電漿共振效應。並利用光源溫度穩定模組使光源本身的溫度維持恆定，進一步提升光訊號穩定度。

光波導粒子電漿共振感測裝置12，為感測系統核心，其感測區之光學架構開發，可選擇不同光波導基材來設計(如穿透式光纖、反射式光纖、平面光波導、管狀光波導)。

訊號擷取與處理模組13，主要是接收感測裝置12檢測後的光訊號，進行光轉為電訊號之接收擷取，並監控比對前端裝置的特定頻率來濾除雜訊，可使系統訊雜比大大提高，藉此提升感測系統之檢測靈敏度。

為了讓 鈞審更了解本發明三大裝置的技術特徵，發明人進一步說明如下。

1.光訊號輸出穩定裝置11

習知技藝之感測光學量測系統，由於發光單元物理特性的關係，在使用一段時間過後光源會衰退或由於環境溫度的不同，而導致發光單元之輸出光強度改變。因此在分析的結果中，常常會無法分辨訊號的改變是由於感測元件中的內容物特性、或系統本身儀器的誤差導致而成，或是發光單元本身輸出光強度改變所導致。若因此採用特殊規格之發光單元以及特殊規格之光檢測器，不但 價格昂貴、操作繁雜且體積龐大，而使得感測光學量測系統之成本大幅提高且不利於小型化。

請參閱第2圖，第2圖係為本發明之光訊號輸出穩定裝置之示意圖。

有鑑於上述習知技藝之問題，故本系統開發光訊號輸出穩定裝置11來提升發光單元之穩定性。為使發光單元發出一特定波長與固定頻率之光訊號，且此光訊號能維持一長時間穩定。此光訊號輸出穩定裝置11可包含穩定光源驅動模組111、光源溫度穩定模組112及發光單元114。穩定光源驅動模組111為電性連接至發光單元114，可包含定電壓控制模組、加熱敏電阻之定電壓控制模組或定電流控制模組，其中定電壓控制模組或定電流控制模組可使用波形產生器。

發光單元114經穩定光源驅動模組111驅動後產生光訊號，發光單元114則可採用貴金屬奈米粒子所需的適當波長範圍之發光二極體或雷射來激發貴金屬奈米粒子，產生特有之物理現象。此發光單元114較佳者為發光二極體(Light-Emitting Diode，LED)。由於發光二極體所產生之光訊號會受溫度變化與電訊干擾，以致光訊號會產生基線漂移，而使感測系統訊雜比變小，導致感測系統靈敏度降低。

為克服此問題，本系統所開發的穩定光源驅動模組111，此模組分別採用三種方式：定電壓控制模組、加熱敏電阻之定電壓控制模組、定電流控制模組，以使發光單元114輸出穩定的光訊號。

<定電壓控制模組1120>

請參閱第3圖，第3圖係為本發明之穩定光源驅動模組111之第一實施例示意圖。光輸出穩定裝置11包含一波形產生器1111。

就波形產生器1111而言，其組成元件為一微處理器搭配簡易電子電路組裝設計而成之微小化裝置。波形產生器1111可產生一函數驅動訊號，提供一固定頻率與一固定電壓來驅動發光單元114，此訊號之波形可為週期性方波、正弦波、三角波…等，視檢測需求而定。較佳為一週期性方波，此方波頻率較佳為1kHZ至數kHz範圍附近，此驅動訊號之固定頻率可同時作為後端裝置(即訊號擷取與處理裝置13)調制/解調制、鎖相放大之同步參考訊號。另較佳為一週期正弦波，因正弦波即為一個基本波，而方波是由正弦波的奇次諧波組成，進行鎖相放大時需個別針對奇次諧波之結果進行相加，且通常只取較低次諧波(一次、三次和五次諧波)，因此在解調出來的訊號有些微失真的風險性，而且會降低訊號的S/N Ratio，而若使用正弦波來進行鎖相放大，可完整將檢測弱訊號解調出來，確保檢測訊號的完整度且維持訊號的S/N Ratio，此驅動訊號可同時作為後端裝置(即訊號擷取與處理裝置13)調制/解調制、鎖相放大之同步參考訊號。

控制電壓之波形產生器1111連接發光單元114，不管負載阻抗變化定電壓電源供應器11201皆會維持供應固定的電壓給發光單元114，使發光單元114能在長時間下輸出一高穩定性之光訊號。其中，發光單元114可為一發光二極體115。

<加熱敏電阻之定電壓控制模組1121>

請參閱第4圖，第4圖其係為本發明之穩定光源驅動模組111之第二實施例示意圖。熱敏電阻11211可採用負溫度係數熱敏電阻， 其係連接於波形產生器1111與發光單元114之間來做溫度補償，並搭配精密電阻做參數修正。此負溫度係數熱敏電阻為高精密性、且具有較快的響應時間之特性，可補償發光單元114發光時溫度變化所造成光訊號的不穩定。其中，發光單元114可為一發光二極體115。

<定電流控制模組1122>

請參閱第5圖，第5圖係為本發明之穩定光源驅動模組111之第三實施例示意圖。定電流控制模組主要是採用定電流電源供應器11221連接於波形產生器111與發光單元114之間。不管負載阻抗變化定電流電源供應器11221皆會自動調整電壓以維持供應固定的電流給發光單元114，使發光單元114能在長時間下輸出一高穩定性之光訊號。其中，發光單元114可為一發光二極體115。

此三種方式經由實驗測試後皆可有效提升光源穩定度，藉此大幅提高訊雜比，在應用可依個別需求選擇所需搭配之穩定光源驅動模組111。以下為三種穩定光源驅動模組111之敘述與功用：

(1)定電壓控制模組1120之穩定光源驅動模組111：主要是利用一定電壓電源供應器11201，此模組能輸出一穩定電壓來驅動發光二極體115，發光二極體是一種施加適當電壓便會發出光亮的半導體，透過此一穩定輸出電壓使發光二極體能夠持續地維持在一個穩定的發光狀態下，產生穩定的光訊號量，減少光訊號因電壓不穩時振幅過大之現象。

(2)加熱敏電阻之定電壓控制模組1121之穩定光源驅動模組111：主要是利用一負溫度係數熱敏電阻11211來補償發光二極體115發光時溫度的效應，提升光訊號的穩定性並使波長變換達到最小 化，使發光二極體能夠持續地維持在一個穩定的發光狀態下，減少溫度效應引起光訊號飄移的現象。

(3)定電流控制模組1122之穩定光源驅動模組111：主要是利用一定電流電源供應器11221，此裝置能輸出一穩定電流來驅動發光二極體115。一般常見定電壓控制的電源供應器其特點是輸出電壓固定而輸出電流則是該供應器能產生的最大電流，至於使用多少電流則視該裝置的需求自動調整，若電流不夠發光二極體使用時，通常會有壓降產生使發光二極體動作異常。定電流控制模組：不管負載阻抗變化會自動調整電壓以維持供應一定的電流。就發光二極體的電源供應來說，發光二極體與傳統燈泡發光方式不同之處在於燈泡是靠電子流過產生的熱能而發光，而發光二極體是靠電子流過激發出光子來發光；故轉換效率越高，或是電子數量越大，光就越亮，因此為得到更好的亮度，驅動電流都會設計到逼近發光二極體的最大電流上限值，因處於臨界值，要避免危險，應選用定電流方式驅動，會比電流不恆定的定電壓驅動方式優良。使用定電流驅動不論在亮度、穩定度及壽命均會優於同樣亮度的定電壓驅動燈源。

前面所述之穩定光源驅動模組111可克服光源本身的衰弱及外界溫度小幅度變化的因素，但若在室溫變化較劇烈的條件下或有外在環境變化下(氣流擾動或壓力變化)，可另行增設被動式或主動式光源溫度穩定模組以對該發光單元進行恆溫控制。被動式光源溫度穩定模組主要是利用絕熱裝置進行隔絕，使發光光源模組獨立成一腔體，阻絕外在環境影響。主動式光源溫度穩定模組就必須由一光源溫度穩定模組112根據所量測的溫度回饋穩定光源驅 動模組之驅動參數來克服，以降低因外在環境和溫度變化時造成光源之不穩定性。

<被動式光源溫度穩定模組116>

請參閱第6圖，第6圖係為本發明之被動式光源溫度穩定模組之示意圖。為了減低外在環境干擾與溫度的變化，首先在光源所處的空間外層，設計一隔絕獨立之腔體，透過此腔體空間四周適當加入隔絕材料(如隔熱棉和隔熱板與具有隔熱效果之高分子聚合材料、或具有抗電磁材質之材料…等)，使光源所處環境可先透過此被動隔離空間來阻隔外在環境干擾與溫度變化，讓光源的波動變化量降低，以維持固定光訊號量，提升本感測系統的光源穩定度。

<主動式光源溫度穩定模組119>

請參閱第7圖，第7圖係為本發明之主動式光源溫度穩定模組之示意圖。主動式光源溫度穩定模組119包含電腦1131、PID(proportional-integral-derivative，比例-積分-微分)溫度控制板1132、電源供應器1133、溫度回饋感測器1134、發光單元夾持機構1135、致冷晶片1136。發光單元挾持機構1135用以挾持發光單元114。溫度回饋感測器1134連接發光單元挾持機構1135，以感測發光單元114之溫度。致冷晶片1136連結發光單元挾持機構1135，以對發光單元114進行降溫。PID溫度控制板1132電性連接溫度回饋感測器1134和致冷晶片1136，PID溫度控制板1132根據溫度回饋感測器1134所量測的溫度，以控制該致冷晶片1136進行恆溫控制。電源供應器1133電性連接PID溫度控制板1132，以提供PID溫度控制板1132一電源。電腦1131係電性連接PID溫度 控制板1132，以供使用者藉由電腦1131設定PID溫度控制板1132的溫度。

電腦1131可透過溫度回饋感測器1134即時讀得發光單元夾持機構1135的溫度，再由電腦1131設定欲控制的溫度及相關參數，將其傳送至PID溫度控制板1132，由PID溫度控制板1132控制致冷晶片1136的工作方式。其中發光單元夾持機構1135需與致冷晶片1136接觸，以達到溫度控制目的。

在不同的環境溫度下，PID溫度控制板1132將利用致冷晶片1136的特性來達到控制發光單元114之溫度。當環境溫度較高時，致冷晶片1136將以冷卻方式來達到發光單元114之溫控；反之，則以加熱方式來達到發光單元114之溫控。如此雙向的溫度控制，可讓使用者不再受限於外界的環境溫度變化，並能更快速地達到欲控制的溫度。

2.光波導粒子電漿共振感測裝置12

請參閱第8圖，第8圖係為本發明之光波導粒子電漿共振感測裝置之示意圖。圖中，光波導粒子電漿共振感測裝置12可包含感測平台121、感測平台溫度控制模組122、樣品進樣溫度控制模組123，感測平台溫度控制模組122及樣品進樣溫度控制模組133為分別連接感測平台121。

<感測平台121>

感測平台121可具有光波導基材1211和複數個貴金屬奈米粒子1212，可將複數個貴金屬奈米粒子1212固定在光波導基材1211上，光波導基材1211可為光纖、平面光波導、管狀光波導…等，感 測平台121亦可進一步搭配微流體載體模組(未繪示)。

當複數個貴金屬奈米粒子建置於光波導基材時，即成為本發明的感測元件。

感測元件是利用以PPR原理所建立而成的感測器材。而這些貴金屬奈米顆粒的裸露面上，則能藉由修飾特定辨識單元的動作，以達到高專一性的檢測能力。

請參閱第9A圖，第9A圖係為本發明之穿透式光纖感測元件之實施例之示意圖。以光纖作為光波導基材1211為例，在第9A圖中，光纖的纖衣(fiber cladding)為整圈或部份剝除的，因此可於剝除區域修飾上複數個貴金屬奈米粒子1212，以進行感測。又光纖之末端可具有一反射層(未繪示)以製作反射式光纖感測元件。

請參閱第9B圖，第9B圖係為本發明之平面光波導感測元件之實施例之示意圖。以平面光波導作為光波導基材1211為例，此平面光波導感測元件具有一基板1213、波導層1214及複數個貴金屬奈米粒子1212。波導層1214設置於基板1213上，而貴金屬奈米粒子1212係建置於波導層1214上。光源可透過光柵1215的輔助，使入射光於波導層1214進行全內反射。

請參閱第9C圖，第9C圖係為本發明之管狀光波導感測元件之實施例之示意圖。以管狀光波導作為光波導基材1211為例，此管狀光波導感測元件可作為一容器，以容納待測樣品1216，此管狀光波導感測元件更具有一管狀內壁，並於其上修飾貴金屬奈米粒子1212。當一光束耦合至管狀光波導感測元件時，光束會與貴金屬奈米粒子1212產生電漿共振，進而產生PPR訊號。

請參閱第9D圖，第9D圖係為本發明之探針式光纖感測元件之實施例之示意圖。以光纖作為光波導基材1211為例，光纖之末端修飾貴金屬奈米粒子1212，以進行PPR訊號感測。

當於光波導基材1211上修飾貴金屬粒子1212時，可進行PPR訊號的感測。相較於SPR感測器必須利用金箔層，其感測基材之選擇性更加廣泛，而某些感測基材有助於模組之設計能小型化、樣品微量化、簡單…等優點。

本系統構想開發設計此一即時偵測之感測平台121，以達到快速檢測之目的。環境或生物真實樣品或檢體，可透過現場即時採樣裝置浸入或刺入到特定區域中，便能完成檢測，因此適合開發成醫療或即時抽樣檢驗之器材。

另外，本發明之光波導粒子電漿共振感測系統對於溫度變化與氣流擾動、機械強度之剛性皆會影響干擾檢測結果，因此將感測平台121獨立成一腔體，杜絕外在的因素造成訊號飄移。並且針對此腔體設計一感測平台溫度控制模組122，不但能降低環境溫度變化之干擾，亦能配合針對某些特定生物分子樣品必須在所適應的溫度下做檢測，以求得檢測時有更廣的應用範圍與靈敏度。

<感測平台溫度控制模組122>

請參閱第10圖，第10圖係為本發明之感測平台溫度控制模組之示意圖。此感測平台溫度控制模組122包含感測平台固定機構1221、溫度回饋感測器1222、致冷晶片1223、散熱片1224。感測平台固定機構1221係用以固定感測平台121。溫度回饋感測器1222連接感測平台固定機構1221以感測該感測平台121之溫度，並透過 一致冷晶片1223或一散熱片1224，使該感測平台121維持於工作溫度。

<樣品進樣溫度控制模組123>

請參閱第11圖，第11圖係為本發明之樣品進樣溫度控制模組之示意圖。圖中，樣品進樣溫度控制模組123連接感測平台121，且樣品進樣溫度控制模組123透過一調溫裝置1231使該待測樣品1216調整至該工作溫度。此調溫裝置1231可為一致冷晶片12311和一熱交換器12312。

藉由設計一樣品進樣溫度控制模組123，使進入感測平台121之待測樣品1216需經過加熱或冷卻後，再注入感測平台121中，以保證溶液溫度與感測平台121溫度一致，增加檢測結果之可靠度。

3.訊號擷取與處理模組13

請參閱第12圖，第12圖係為本發明之訊號擷取與處理模組之示意圖。此訊號擷取與處理模組13包含有一光檢測元件131、一電流/電壓轉換放大電路132、一鎖相放大模組133。

光檢測單元131接收光波導粒子電漿共振感測裝置12檢測後之光訊號，並根據此光訊號之強度對應產生電訊號。其中，光檢測元件131較佳者為光電二極體檢測器(Photodiode)或光電晶體檢測器(Phototransistor)。

電流/電壓轉換放大電路132連接於光檢測元件131與鎖相放大模組133之間，以將電訊號轉換成一電壓訊號再進行放大動作。

鎖相放大模組133接收此電壓訊號進行鎖相放大/解調之動作。而本系統所開發之鎖相放大模組133分別採用兩種方式：類比式、 數位式。

類比式鎖相放大模組(未繪示)接收電流/電壓轉換放大電路中電壓放大動作後之電壓訊號，並以波形產生器111產生的驅動訊號之頻率作為參考值，將上述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，再經由類比/數位轉換將解調過後之訊號轉換成一數位訊號。此數位訊號可顯示於與微處理器相連接之顯示裝置或電子裝置，以提供實驗數據。

其中，傳統實驗中需進行鎖相放大/解調之動作時大都以市售類比式鎖相放大器(Lock-in Amplifier)來達成，由於其訊號擷取後是經由硬體電路處理運算以達成鎖相放大/解調之動作，故其解析度將會受限於儀器本身電路中微處理器的運算速度。

數位式鎖相放大模組(未繪示)包含有一類比/數位轉換裝置，將電流/電壓轉換放大電路中電壓放大動作後之電壓訊號與波形產生器產生的驅動訊號轉換成數位訊號傳送至電腦端，在電腦端透過自行撰寫之軟體程式(LabVIEW)對此兩組訊號進行一連串數學運算，達成鎖相放大及同步解調等動作，以此使訊雜比大大提升，提升檢測系統之靈敏度與解析度。

此一方式不但能有助於系統體積微小化，也因電腦的運算速度夠快，將能大大提升鎖相放大模組133之解析度。利用此兩種鎖相放大模組133進行實驗測試，測試所得之訊雜比幾乎一致，唯數位式其解析度比類比式好一個數量級以上。對於感測系統之設計，可依個別使用需求選擇所需搭配之鎖相放大模組。

其中，光檢測元件131較佳者為光電二極體檢測器(Photodiode) 或光電晶體檢測器(Phototransistor)。本系統開發採用光電二極體檢測器來接收前端模組之光訊號，接著藉由一電流/電壓轉換放大電路，以將電訊號轉換成一電壓訊號再進行放大動作。

應用實例(一)：習知技藝之感測號穩定度測試

判斷此感測系統光訊號穩定度之方式主要是利用感測訊號之均方根雜訊(Root-Mean-Square Noise，n_rms)除以訊號之平均值()，以下文中提及感測訊號穩定度時，皆是以此計算而得。

在未添加光訊號輸出穩定裝置時，習知技藝之光纖式感測光學量測系統為一開迴路，當發光二極體由波形產生器1111驅動一段時間後，其光源強度有所變異，因此由電腦系統會誤判此變異是由感測元件所造成。一般未添加光訊號輸出穩定裝置的感測訊號穩定度為0.1%左右，對於檢測所需之感測訊號穩定度必須在0.05%以下，因此不符合檢測需求。

而利用本發明光訊號輸出穩定裝置11的穩定光源驅動模組111及光源溫度穩定模組112連結光波導粒子電漿共振感測裝置12與訊號擷取與處理裝置13進行應用實例之穩定性測試，以改善習知技藝之光訊號飄動問題，以利於本系統之光訊號輸出穩定裝置11設定與開發，使感測系統穩定度達到加成之作用。

應用實例(二)：利用添加負溫度係數熱敏電阻補償發光單元提升感測訊號穩定度之測試

採用本發明之光訊號輸出穩定裝置11之實施例之添加負溫度係數熱敏電阻系統後整體感測訊號穩定度之測試。結果顯示利用添加負溫度的熱敏電阻11211，其感測訊號穩定度可達0.0163%，且系 統能維持一長時間穩定。

應用實例(三)：利用固定電流系統提升感測訊號穩定度之測試

使用本發明之光訊號輸出穩定裝置之實施例之固定電流系統感測訊號穩定度之測試。由實驗結果來看，利用搭配定電流電源供應器11221驅動發光二極體115之感測訊號穩定度進行測試，所得結果比習知技藝的訊雜比(S/N)明顯提升，其感測訊號穩定度為0.0167%。

由上述光訊號輸出穩定裝置實施應用實例中，皆能大大提升感測系統光源之感測訊號穩定性，且其穩定性優於傳統感測器。另外，對於未來欲設計光訊號輸出穩定裝置亦有多種選擇性。

請參閱第13圖，第13圖係為習知技術之未添加光訊號穩定模組之訊號與時間關係示意圖，顯示在無溫控的冷氣房內其溫度與感測平台121的感測訊號隨時間的變化，可觀察到溫度有一週期性變化，此乃與冷氣機的壓縮機運轉方式有關。在此光源端採用的是定電壓控制模組1120，可觀察到感測訊號亦具有週期性的變化，而此一週期恰與冷氣運作週期相同，且感測訊號穩定度大於0.05%，並不符合實驗需求。

請一併參閱第14圖，第14圖係為本發明之添加光訊號穩定裝置之訊號與時間關係示意圖，長時間感測訊號穩定度之測試，圖所示為最後所得之溫度與感測訊號強度隨時間變化之示意圖。圖中，發光二極體115之溫度持續穩定維持，並不會如冷氣房之室溫隨著時間週期性變化，且其感測訊號強度亦維持穩定，其感測訊號穩定度可維持在0.02%。

應用實例(四)：被動式光源溫度穩定模組，長時間感測訊號穩定度之測試

請一併參閱第15圖，第15圖係為本發明在不同樣品溫度下使用被動式光源溫度穩定模組之訊號與時間關係示意圖。利用感測平台溫度控制模組122(含加溫板，未繪示)加熱於晶片所在之腔體，使腔體溫度能夠到達檢測的預定溫度，在不同樣品溫度下使用被動式光源溫度穩定模組116目的在於做檢測時不因環境溫度的變化而使所得感測訊號振幅太大，而影響到感測器的靈敏度。如第15圖所示，為利用所開發之被動式光源溫度穩定模組116在不同固定溫度下所進行測試之結果。

結果顯示，當在腔體內固定一溫度下長時間監控，其感測訊號強度亦能維持相當好的穩定度，以此成功對粒子電漿共振感測模組建立溫控系統。

應用實例(五)：樣品進樣溫度控制模組，測訊號穩定度之測試

請一併參閱第16圖，第16圖係為習知技藝之訊號與時間關係第一實施例示意圖。習知技藝中當待測樣品液或緩衝液在進入感測晶片時，因腔體溫度與待測樣品兩者之間可能有溫度差異之問題。且由圖中可明顯看出，當注入待測樣品1216後，腔體內部之溫度與所注入之待測樣品溫度有不同時，可觀察出有明顯之感測訊號變化量。故設計進樣溫控系統使待測樣品溫度與腔體溫度一致，增加檢測結果的可信性。

請參閱第17圖，第17圖係為本發明之樣品進樣溫度控制模組之訊號與時間關係第二實施例示意圖。在第17圖中，利用樣品進樣溫度控制模組123測試，使待測樣品1216與腔體內部溫度一致，接 著分別注入待測樣品三次，可看出其感測訊號不會因注入待測樣品時，溫度不一致而產生訊號改變，且能持續維持穩定。此結果顯示本發明已克服進樣時因溫度差異造成感測訊號之不穩定性，以此成功對粒子電漿共振感測裝置12建立樣品進樣溫度控制模組123。

應用實例(六)：感測系統經整合後，感測訊號穩定度之測試

請參閱第18圖，第18圖係為本發明之光波導式粒子電漿共振感測系統訊號與時間關係之第一實施例示意圖。利用本發明之光訊號輸出穩定裝置11(具定電壓控制模組1120之穩定光源驅動模組111、光源溫度穩定模組112)，連接光波導粒子電漿共振感測裝置12(光纖式微流體晶片、感測平台溫控模組122)，最後與訊號擷取與處理裝置13(類比式鎖相放大模組133)進行系統整合應用實例之感測訊號穩定性測試，使感測器靈敏度達到加成之作用。如第18圖所示為測試結果，感測訊號對時間作圖，感測訊號強度可維持一長時間穩定，感測訊號穩定度為0.0106%。

應用實例(七)：感測系統經整合後，利用類比式/數位式鎖相放大模組對感測訊號穩定度作同步之測試

在此光源部分是採用定電壓控制模組1120之穩定光源驅動模組111與光源溫度穩定模組112，感測平台則是採用光纖式微流體晶片。所得之結果分別為數位式鎖相放大模組之穩定度為0.0167%，類位式鎖相放大模組之穩定度為0.0163%，兩種模式之感測訊號強度皆能持續穩定維持。

應用實例(八)：感測系統經整合後，利用類比式/數位式鎖相放大模組對感測訊號作同步之溶液折射率變化測試

分別利用類比式/數位式鎖相放大模組訊號搭配前端兩大模組進行針對不同溶液折射率變化進行測試。此光源部分是採用定電壓控制模組之穩定光源驅動模組與光源溫度穩定模組，感測平台則是採用光纖式微流體晶片。透過測試結果比較此兩種類比式/數位式鎖相放大模組的感測訊號在穩定度及靈敏度上是否有差異，以同步方式進行檢測。由測試結果所得線性係數個別為0.993與0.992，並推算其感測靈敏度分別為2×10^-5與2.4×10^-5RIU，與習知技藝感測系統相比較所得的線性相關係數(R)與偵測極限相似。

應用實例(九)：感測系統經整合後，檢測生化樣品之測試

請參閱第19圖，第19圖係為本發明之光波導式粒子電漿共振感測系統訊號與時間關係之第二實施例示意圖。

利用整合後之光波導式粒子電漿共振感測系統12進行測試(在此光源部分是採用定電壓控制模組1120之穩定光源驅動模組111與光源溫度穩定模組112，感測元件則是採用光纖式微流體晶片，並採用一數位式鎖相放大模組)，所得結果其光訊號背景穩定度皆優於一般傳統感測系統，於是本開發系統進行一系列生化樣品檢測實驗，確立其感測靈敏度與再現性。在此舉一例做說明，利用二硝基苯(DNP)偵測不同濃度的抗二硝基苯(Anti-DNP)做檢測。由第19圖中可看出利用二硝基苯(DNP)偵測不同濃度的抗二硝基苯(Anti-DNP)皆可明顯看出感測訊號的下降量，主要是二硝基苯(DNP)與抗二硝基苯(Anti-DNP)進行結合反應，而產生的感測訊號變化呈現分子結合動力學曲線。取各個平衡時的相對感測訊號對濃度對數進行數據分析的結果所得線性係數為0.997，並推 算偵測極限為1.0×10^-8(g/ml)。

應用實例(十)：感測平台溫度控制模組與樣品進樣溫度控制模組

在習知技藝中，某些生化樣品須在特定溫度下進行反應。以雙股DNA為例，在進行雜交過程中變性(Denaturation)和復性(Renaturation)有特殊之化學與物理特性，使反應之溫度對於感測結果有很大之影響。

在變性過程中加熱反應取決於DNA自身性質所需之溫度(又稱為溶解溫度；Melting Temperature)，加熱過程會使待測DNA分子雙鏈解開，進而可與貴金屬奈米粒子表面修飾之DNA探針結合，使感測靈敏度增加。而復性過程則必須低於變性反應之溫度，才能恢復到雙螺旋結構，為一逆轉反應。

另外；在檢測單核苷酸同質多形(single nucleotide polymorphism)時，適當待測樣品溫度的選擇可以增加檢測的專一性。故在進行某些生化檢測時，反應溫度需進行適當地調控，以增加檢測結果的可靠度與靈敏度。

此外，貴金屬奈米粒子對於外在環境改變時(如溫度、介電常數…)有高度之敏感性，且當環境折射率改變時，其粒子電漿共振譜帶的峰值波長與消光截面積也會隨之產生變化。在此為了確認本感測系統中，外界環境折射率改變及外界環境溫度改變時是否對貴金屬奈米粒子有相互影響，故設計下列幾項實驗來加以驗證。

首先利用所開發之感測系統於固定溫度下進行不同折射率糖水測 試，並利用相對訊號改變量對折射率作圖，其結果顯示貴金屬奈米粒子對外在折射率有高敏感性。

接著利用折射率儀，以不同溫度的去離子水(deionized water)作為待測樣品進行測試，測試結果顯示當待測液溫度改變時，其折射率亦隨之改變，由結果即可換算得待測液溫度改變1℃時，相對訊號改變量約為0.05%。

請參閱第20圖，第20圖係為本發明之光波導式粒子電漿共振感測系統溫度變化量與相對訊號改變量關係之示意圖。

接著利用所開發之感測系統進行注入不同溫度待測液(去離子水)之測試，結果顯示當待測液溫度改變時，訊號會隨之改變。且利用感測平台與進樣樣品溫度差異值對相對訊號改變量作圖，如第20圖所示，結果顯示兩者溫差越大，相對訊號變化量亦越大，成一正比關係。由圖中可得知當兩者溫差為1℃時，相對訊號改變量為0.25%。與上述折射率儀測試所得結果比較，其相對訊號改變量增加了五倍，此結果與先前理論有所不同。

先前理論認為粒子電漿共振譜帶受溫度之影響應可忽略，然而本實驗說明貴金屬奈米粒子之電漿共振譜帶除了會受外在折射率改變影響外，亦會受外在環境溫度所影響。由上述實驗所得之結果(溫度差1℃，相對訊號改變量0.25%)與本開發系統訊號對雜訊之容忍度作一比較，在此，利用三倍的相對均方根雜訊(Relative root-mean-square noise)訂為本開發系統訊號對雜訊之容忍度，即為0.15%。此一結果顯示溫度改變量須控制在0.6℃之內，可將溫度效應對本系統之影響降至最低。因此為使系統不受溫度效 應干擾，必須設計一溫度控制模組使感測平台與進樣樣品溫度一致，使感測系統其訊號更加穩定，並增加檢測結果之可靠度。

於是本系統亦針對光波導式粒子電漿共振感測平台設計一感測平台溫度控制模組，配合所設計之樣品進樣溫度控制模組，以確保待測溶液溫度與感測平台溫度一致。

本發明的光訊號輸出穩定裝置，主要是針對感測系統的光源而設計，能有效補償光源發光時，產生溫度變化所造成光源之不穩定，使光源能發出一固定頻率且能長時間持續穩定的光訊號，並根據此光訊號具備之特定波長，來激發貴金屬奈米粒子產生粒子電漿共振效應。並利用光源溫度穩定模組使光源本身的溫度維持恆定，進一步提升光訊號穩定度。

光波導粒子電漿共振感測模組，為感測系統核心，其感測區之光學架構開發，可選擇不同光波導架構來設計(如穿透式光纖、反射式光纖、平面光波導、管狀光波導)，並在光波導基材上修飾貴金屬粒子進行感測。相較於SPR感測器必須利用金箔層，其感測基材之選擇性更加廣泛，而某些感測基材有助於模組之設計能小型化、樣品微量化、簡單…等優點。此外針對某些特定分析物，如生化樣品中的DNA雜交過程或細菌檢測，需要在不同溫度條件下進行檢測，進而設計溫度控制模組，以增加檢測的應用範圍，並達到最佳的檢測效果。

訊號擷取與處理模組，主要是接收感測模組檢測後的光訊號，進行光轉為電訊號之接收擷取，並監控比對前端模組的特定頻率來濾除雜訊，可使系統訊雜比大大提高，藉此提升感測系統之檢測 靈敏度。

本發明的光波導式粒子電漿共振感測系統及其方法，對於光源穩定度、感測平台之溫度控制及後端雜訊濾除之要求都相當高，且對於檢測靈敏度及結果之可靠度影響甚鉅。

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‧‧‧光波導式粒子電漿共振感測系統

11‧‧‧光訊號輸出穩定裝置

12‧‧‧光波導粒子電漿共振感測裝置

13‧‧‧訊號擷取與處理裝置

Claims (14)

1. 一種光波導式粒子電漿共振感測系統，其用以穩定一光訊號之強度，係包含：一光訊號輸出穩定裝置，包含：一發光單元及一穩定光源驅動模組，該穩定光源驅動模組電性連接至該發光單元，該穩定光源驅動模組係透過一定電壓控制模組、加熱敏電阻之一定電壓控制模組或一定電流控制模組，使該發光單元輸出穩定之該光訊號；一光波導粒子電漿共振感測裝置，包含：一感測平台，係接收該光訊號，並具有一光波導基材和複數個貴金屬奈米粒子，該複數個貴金屬奈米粒子係設置於該光波導基材上，一待測樣品接觸該貴金屬奈米粒子以產生一電漿共振訊號；以及一訊號擷取與處理裝置，係接收該電漿共振訊號，並將該電漿共振訊號轉為電訊號；其中該光訊號輸出穩定裝置更包含一光源溫度穩定模組，以對該發光單元進行一恆溫控制。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光波導式粒子電漿共振感測系統，其中該光波導粒子電漿共振感測裝置更包含一感測平台溫度控制模組及一樣品進樣溫度控制模組，該感測平台溫度控制模組係連接該感測平台，該感測平台溫度控制模組控制該感測平台工作於一工作溫度，該樣品進樣溫度控制模組係連接該感測平台，且該 樣品進樣溫度控制模組透過一調溫裝置使該待測樣品調整至該工作溫度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光波導式粒子電漿共振感測系統，其中該光源溫度穩定模組係包含：一發光單元挾持機構，係挾持該發光單元；以及一絕熱裝置，係隔絕該發光單元與一外在環境，以阻絕該外在環境影響。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光波導式粒子電漿共振感測系統，其中該光源溫度穩定模組係包含：一發光單元挾持機構，係挾持該發光單元；一溫度回饋感測器，係連接該發光單元挾持機構，以感測該發光單元之溫度；一致冷晶片，係連結該發光單元挾持機構，以對該發光單元進行降溫；以及一PID溫度控制板，係電性連接該溫度感測器和該致冷晶片，該PID溫度控制板根據該溫度回饋感測器所量測的溫度，以控制該致冷晶片進行該恆溫控制。
5. 如申請專利範圍第4項所述之光波導式粒子電漿共振感測系統，其中該光源溫度穩定模組更包含一電源供應器，該電源供應器係電性連接該PID溫度控制板，以提供電源至該PID溫度控制板。
6. 如申請專利範圍第5項所述之光波導式粒子電漿共振感測系統，其中該光源溫度穩定模組更包含一電腦，該電腦係電性連接該PID溫度控制板，以供使用者藉由該電腦控制該PID溫度控制板。
7. 如申請專利範圍第1項所述之光波導式粒子電漿共振感測系統，其中該穩定光源驅動模組更包含一波形產生器，係產生一固定頻 率與一固定電壓之函數驅動訊號，以驅動該發光單元產生該光訊號。
8. 如申請專利範圍第7項所述之光波導式粒子電漿共振感測系統，其中該熱敏電阻係設置於該波形產生器和該發光單元之間，使該發光單元輸出穩定的該光訊號。
9. 如申請專利範圍第8項所述之光波導式粒子電漿共振感測系統，其中該熱敏電阻係為一負溫度係數之熱敏電阻。
10. 如申請專利範圍第7項所述之光波導式粒子電漿共振感測系統，其中該穩定光源驅動模組更包含一定電流電源供應器，該穩定光源驅動模組利用該定電流電源供應器進行一定電流控制程序，使該發光單元輸出穩定之光訊號。
11. 如申請專利範圍第1項所述之光波導式粒子電漿共振感測系統，其中該光波導基材係為一穿透式光纖感測元件、平面光波導感測元件、管狀光波導感測元件或反射式光纖感測元件。
12. 如申請專利範圍第2項所述之光波導式粒子電漿共振感測系統，其中該感測平台溫度控制模組係透過一溫度回饋感測器以感測該感測平台，並透過一致冷晶片或一散熱片，使該感測平台維持於該工作溫度。
13. 如申請專利範圍第2項所述之光波導式粒子電漿共振感測系統，其中該調溫裝置係為一致冷晶片或一熱交換器。
14. 如申請專利範圍第1項所述之光波導式粒子電漿共振感測系統，其中該訊號擷取與處理裝置之一鎖相放大模組利用該函數驅動訊號作為調制及鎖相放大之同步參考訊號。