TWI805205B - 具自我補償之高穩定度波導模擬共振式生物感測系統 - Google Patents

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Abstract

一種具自我補償之高穩定度波導模擬共振式生物感測系統包含光源、偏振分光鏡、第一光偵測器、第二光偵測器、生物感測器，及運算單元。偏振分光鏡設置在光源下游，第一光偵測器與第二光偵測器分別設置在偏振分光鏡下游，且分別位在偏振分光鏡相鄰兩側，生物感測器設置在第一光偵測器與偏振分光鏡之間，運算單元與第一光偵測器及第二光偵測器連接，當光源發出的光經偏振分光鏡，會產生橫向磁場模態光及與橫向磁場模態光正交的橫向電場模態光，第一光偵測器接收橫向磁場模態光即時強度，第二光偵測器能接收橫向電場模態光即時雜訊強度，運算單元用以將橫向磁場模態光即時強度扣除補償係數乘上橫向電場模態光即時雜訊強度後的值，從而得到補償光強度訊號。

Description

具自我補償之高穩定度波導模擬共振式生物感測系統
本發明是有關於一種生物感測系統，特別是指一種具自我補償之高穩定度波導模擬共振式生物感測系統。
以現有的波導模態感測系統而言，大部分的感測系統仍是使用光譜儀，也就是透過波長飄移量做為檢測原理進行感測，然而，以此方式進行感測的速度較慢且設備成本高昂，因此，近年來逐漸使用光偵測器(Photo detector, PD)取代光譜儀，從而通過光強度變化作為檢測原理進行感測的方式，但以光強度變化為檢測原理時，則需要考慮外在環境因素對系統所帶來的雜訊影響。
通過以光強度變化作為檢測原理進行感測的量測系統中，一般是使用雷射作為入射光源，但常因其穩定性不夠，而改為使用發光二極體(LED)燈泡取代之，相較於雷射，發光二極體(LED)燈泡表現更為優秀，然而，發光二極體(LED)燈泡容易因溫度而影響其強度的穩定度。
因此，本發明的目的，即在提供一種具自我補償之高穩定度波導模擬共振式生物感測系統。
於是，本發明具自我補償之高穩定度波導模擬共振式生物感測系統包含一光源、一偏振分光鏡、一第一光偵測器、一第二光偵測器、一生物感測器，及一運算單元。該偏振分光鏡設置在該光源下游，該第一光偵測器設置在該偏振分光鏡下游，而位在該偏振分光鏡一側，該第二光偵測器設置在該偏振分光鏡下游，鄰近該第一光偵測器地位在該偏振分光鏡另一側。該生物感測器設置在該第一光偵測器與該偏振分光鏡之間。該運算單元與該第一光偵測器及該第二光偵測器連接。
當該光源發出的光經該偏振分光鏡，會產生一橫向磁場模態光及一與該橫向磁場模態光正交的橫向電場模態光，該第一光偵測器能接收該橫向磁場模態光經該生物感測器而產生的一橫向磁場模態光即時強度，該第二光偵測器能接收該橫向電場模態光產生的一橫向電場模態光即時雜訊強度，該運算單元用以將該橫向磁場模態光即時強度扣除一補償係數乘上該橫向電場模態光即時雜訊強度後的值，從而得到一補償光強度訊號。
本發明的功效在於，由該偏振分光鏡獲得兩個模態光(橫向磁場模態光(TM mode)與橫向電場模態光(TE mode))的光強度訊號後，以橫向電場模態光(TE mode)作為背景訊號(監控端)，利用設計之補償公式進行(橫向磁場模態光(TM mode)光強度訊號(量測端)補償，降低光學量測系統的架設成本與量測難度，從而建立一套雙模態訊號差值補償方式，且設計與推導能套用於此差值補償方式的訊號補償公式，從而能消除溫度對光源的影響，並降低感測系統雜訊。
在本發明被詳細描述的前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1，本發明具自我補償之高穩定度波導模擬共振式生物感測系統的一實施例，包含一光源2、一設置在該光源2下游的濾波片3、一設置在該濾波片3下游的第一透鏡41、一設置在該第一透鏡41下游的偏振分光鏡5、設置在該偏振分光鏡5下游且分別位在該偏振分光鏡5相鄰兩側的一物鏡6及一第二透鏡42、一設置在該物鏡6下游的生物感測器7、一設置在該生物感測器7下游的第三透鏡43、一設置在該第三透鏡43下游的第一光偵測器81、一設置在該第二透鏡42下游的第二光偵測器82，及一與該第一光偵測器81及該第二光偵測器82連接的運算單元9。
具體地說，該生物感測器7是位在該物鏡6與該第三透鏡43之間，且在本實施例中，該生物感測器7是以一光柵波導生物感測器為例作說明，將待測樣品導入光柵波導生物感測器的微流道中，透過光柵波導生物感測器的光柵部與波導層的結構，用以偵測位於其表面的待測樣品的折射率等物質特性，達到生物感測的目的，其詳細的感測機制與光柵波導生物感測器的結構為本發明所屬技術領域具有通常知識者所周知，且非本發明之重點，於此不加以贅述。
該光源2選自二次發光且發出白光的發光二極體(LED)，也就是說，該光源2所使用的發光二極體(LED)發出的白光是經激發螢光粉的二次發光，且在經該濾波片3後，能使白光轉變為發光波長介於500nm~550nm的綠光。
要說明的是，本實施例的該光源2不直接採用能發出綠光的發光二極體的原因在於，直接發出綠光的發光二極體屬於直接發光，若電壓供應不穩定時，該光源2的光強度及穩定度容易受影響，容易使後續感測結果在短時間內產生極大的變化，進而對於準確判別感測狀況有所困難。因此，相較於直接發光的發光二極體，讓該光源2改為激發螢光粉的二次發光的發光二極體，並配合該濾波片3來得到與綠光波段相符合的光，即使有電壓供應較為不穩的狀況發生不容易受影響，而能避免得到差異變化過大的訊號值。
該第一透鏡41設置在該濾波片3與該偏振分光鏡5之間，在該光源2經該濾波片3轉換發光波長後，經該第一透鏡41聚焦為平行光行進至該偏振分光鏡5。
在該光源2發出的光行進至該偏振分光鏡5後，會產生一橫向磁場模態光(transverse magnetic(TM) mode)及一與該橫向磁場模態光正交的橫向電場模態光(transverse electric(TE) mode)，使得該橫向磁場模態光與該橫向電場模態光分別正交地由該偏振分光鏡5的相鄰兩側遠離行進，也就是說，該偏振分光鏡5可將該光源2發出的光分成水平與垂直相互呈90度的該橫向磁場模態光(TM mode)及該橫向磁場模態光(TE mode)。
具體地說，該橫向磁場模態光(TM mode)是依序經該物鏡6聚焦至該生物感測器7並穿透該生物感測器7後，透過該第三透鏡43聚焦至該第一光偵測器81進行收光；該橫向電場模態光(TE mode)則是經該第二透鏡42而直接聚焦至該第二光偵測器82。本實施例透過建立具有該偏振分光鏡5的生物感測系統後，可透過該第一光偵測器81與該第二光偵測器82分別測得兩個模態的訊號，且因該偏振分光鏡5本身特性會使兩個模態的訊號強度、振幅的趨勢與大小類似。
值得一提的是，由於本案的該生物感測器7選自光柵波導生物感測器，因此，橫向磁場模態光(TM mode)相較於橫向電場模態光(TE mode)來說，橫向磁場模態光(TM mode)在該生物感測器7中的強度變化表現上較好，而可使用偏振片來分出橫向磁場模態光(TM mode)，但使用偏振片會造成能利用的光強度只剩原本的一半，反而容易影響後續感測的進行，所以在本實施例中，是以該偏振分光鏡5取代偏振片，利用被分出的橫向電場模態光(TE mode)做為訊號補償的背景訊號，不僅能避免光強度的驟減，同時能利用原本已無法使用橫向電場模態光(TE mode)。
因此，在本實施例中，透過該第一光偵測器81與該第二光偵測器82分別接收由該偏振分光鏡5獲得的橫向磁場模態光(TM mode)與橫向電場模態光(TE mode)的光強度訊號後，以橫向磁場模態光(TM mode)作為背景訊號(監控端)，並利用本實施利後續設計的補償公式進行橫向磁場模態光(TM mode)光強度訊號(量測端)補償。
也就是說，該第一光偵測器81與該第二光偵測器82在接收兩種模態光後，會經該運算單元9進行補償公式運算，在本實施例中，利用在該運算單元9中的Labview模擬系統獲得該第一光偵測器81與該第二光偵測器82的即時檢測的光強度訊號，並代入本實施例設計的補償計算公式，以獲得最後的補償訊號，其相關補償計算方式如下說明。
詳細地說，為了更有效的降低系統的不穩定性，本實施例設計了一套能夠補償橫向磁場模態光(TM mode)與橫向電場模態光(TE mode)的計算公式。
首先，由於橫向磁場模態光(TM mode)與橫向電場模態光(TE mode)的初始訊號強度不同，若直接以其強度差值做補償運算，其抑制雜訊的效果不佳，故應先找出橫向磁場模態光(TM mode)與橫向電場模態光(TE mode)雜訊強度之間的倍率關係，以此倍率調整橫向磁場模態光(TM mode)與橫向電場模態光(TE mode)的訊號強度，且需要改進在訊號強度本身不穩定的情況下，計算結果的誤差及計算後強度變化趨勢。
該第一光偵測器81能接收該橫向磁場模態光(TM mode)經該生物感測器7而產生的一橫向磁場模態光即時強度
Figure 02_image001
，該第二光偵測器82能接收該橫向電場模態光(TE mode)產生的一橫向電場模態光即時雜訊強度
Figure 02_image003
，該運算單元9用以將該橫向磁場模態光即時強度
Figure 02_image001
扣除一補償係數
Figure 02_image005
乘上該橫向電場模態光即時雜訊強度
Figure 02_image003
後的值，從而得到一補償光強度訊號
Figure 02_image007
，也就是說，該補強光強度訊號
Figure 02_image007
可表示為以下公式(1)：
Figure 02_image009
………………………………………(1)
其中，該補償係數
Figure 02_image005
的設計主要來自標準差的想法而能表示成如下公式(2)：
Figure 02_image011
……………………………(2)
其各項參數說明如下，
Figure 02_image013
為在該生物感測器7注入空白溶液後而測得的一注入空白溶液時的橫向磁場模態光即時雜訊強度，
Figure 02_image015
為在該生物感測器注入一空白溶液後而測得的一注入空白溶液時的橫向電場模態光即時雜訊強度，
Figure 02_image017
為橫向磁場模態光即時雜訊強度平均值，
Figure 02_image019
為橫向電場模態光即時雜訊強度平均值。
該第一光偵測器81能接收該橫向磁場模態光(TM mode)經該生物感測器7而產生的一橫向磁場模態光即時雜訊強度
Figure 02_image021
，在該生物感測器7注入該空白溶液後，該第一光偵測器81能接收該橫向磁場模態光經該生物感測器7而產生的一注入空白溶液時的橫向磁場模態光即時強度
Figure 02_image023
，該第二光偵測器82能接收該橫向電場模態光產生的一注入空白溶液時的橫向電場模態光即時強度
Figure 02_image025
，
該注入空白溶液時的橫向磁場模態光即時雜訊強度
Figure 02_image013
可表示為
Figure 02_image027
，該注入空白溶液時的橫向電場模態光即時雜訊強度
Figure 02_image015
可表示為
Figure 02_image029
，
Figure 02_image031
與
Figure 02_image033
分別為一橫向磁場模態光即時強度平均值，及一橫向電場模態光即時強度平均值。
本發明具自我補償之高穩定度波導模擬共振式生物感測系統主要是利用在生物感測器7上注入不同折射率溶液而量測其光強度訊號值，並以強度訊號的變化量的改變程度，從而求得該生物感測器7對於系統的靈敏度與折射率解析度。
參閱圖2至圖4，並配合使用公式(1)與公式(2)，利用標準差的方式計算出補償係數
Figure 02_image005
，之所以需要乘上該補償係數
Figure 02_image005
因子的原因在於，TM mode是有通過該生物感測器7，而TE mode則是沒有通過該生物感測器7，因此，若是直接以扣除的方式進行計算會造成補償訊號與量測訊號的趨勢相反，且補償的效果也不佳，因此透過上該補償係數
Figure 02_image005
，並配合該公式(1)進行補償計算，從圖2至圖4中可知，訊號經過補償後明顯變的平穩。
綜上所述，將該光源2從直接發光的綠光發光二極體(LED)更換成二次發光的白光發光二極體(LED)，使系統雜訊進行第一步的有效改善，並透過以往不被使用橫向電場模態光(TE mode)做為訊號補償的背景光源，降低光學量測系統的架設成本與量測難度，從而建立一套雙模態訊號差值補償方式，且設計與推導能套用於此差值補償方式的訊號補償公式，更進一步的將系統雜訊改善，故確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
2:光源 3:濾波片 41:第一透鏡 42:第二透鏡 43:第三透鏡 5:偏振分光鏡 6:物鏡 7:生物感測器 81:第一光偵測器 82:第二光偵測器 9:運算單元
Figure 02_image001
:橫向磁場模態光即時強度
Figure 02_image035
:橫向電場模態光即時強度
Figure 02_image031
:橫向磁場模態光即時強度平均值
Figure 02_image033
:橫向電場模態光即時強度平均值
Figure 02_image037
:橫向磁場模態光即時雜訊強度
Figure 02_image003
:橫向電場模態光即時雜訊強度
Figure 02_image017
:橫向磁場模態光即時雜訊強度平均值
Figure 02_image019
:橫向電場模態光即時雜訊強度平均值
Figure 02_image023
:注入空白溶液時的橫向磁場模態光即時強度
Figure 02_image025
:注入空白溶液時的橫向電場模態光即時強度
Figure 02_image039
:注入空白溶液時的橫向磁場模態光即時雜訊強度
Figure 02_image015
:注入空白溶液時的橫向電場模態光即時雜訊強度
Figure 02_image005
:補償係數
Figure 02_image007
:補償光強度訊號 TM mode:橫向磁場模態光 TE mode:橫向電場模態光
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一示意圖，說明本發明具自我補償之高穩定度波導模擬共振式生物感測系統的一實施例； 圖2是一強度對時間的關係圖，說明補償前後的TM mode振幅強度變化； 圖3是一平均強度對折射率的關係圖，說明補償前後的TM mode振幅平均光強度變化趨勢；及 圖4是一歸一化強度對時間關係圖，說明有補償與未補償之訊號差異。
2:光源
3:濾波片
41:第一透鏡
42:第二透鏡
43:第三透鏡
5:偏振分光鏡
6:物鏡
7:生物感測器
81:第一光偵測器
82:第二光偵測器
9:運算單元

Claims (9)

  1. 一種具自我補償之高穩定度波導模擬共振式生物感測系統，包含： 一光源； 一偏振分光鏡，設置在該光源下游； 一第一光偵測器，設置在該偏振分光鏡下游，而位在該偏振分光鏡一側； 一第二光偵測器，設置在該偏振分光鏡下游，鄰近該第一光偵測器地位在該偏振分光鏡另一側； 一生物感測器，設置在該第一光偵測器與該偏振分光鏡之間；及 一運算單元，與該第一光偵測器及該第二光偵測器連接； 其中，當該光源發出的光經該偏振分光鏡，會產生一橫向磁場模態光及一與該橫向磁場模態光正交的橫向電場模態光，該第一光偵測器能接收該橫向磁場模態光經該生物感測器而產生的一橫向磁場模態光即時強度，該第二光偵測器能接收該橫向電場模態光產生的一橫向電場模態光即時雜訊強度，該運算單元用以將該橫向磁場模態光即時強度扣除一補償係數乘上該橫向電場模態光即時雜訊強度後的值，從而得到一補償光強度訊號。
  2. 如請求項1所述具自我補償之高穩定度波導模擬共振式生物感測系統，其中，該補強光強度訊號表示為
    Figure 03_image009
    ，
    Figure 03_image007
    為補強光強度訊號，
    Figure 03_image001
    為該橫向磁場模態光即時強度，
    Figure 03_image003
    為該橫向電場模態光即時雜訊強度，
    Figure 03_image005
    為該補償係數。
  3. 如請求項2所述具自我補償之高穩定度波導模擬共振式生物感測系統，其中，該補償係數
    Figure 03_image005
    可表示為
    Figure 03_image011
    ，
    Figure 03_image013
    為在該生物感測器注入一空白溶液後而測得的一注入空白溶液時的橫向磁場模態光即時雜訊強度，
    Figure 03_image040
    為在該生物感測器注入一空白溶液後而測得的一注入空白溶液時的橫向電場模態光即時雜訊強度，
    Figure 03_image017
    為橫向磁場模態光即時雜訊強度平均值，
    Figure 03_image019
    為橫向電場模態光即時雜訊強度平均值。
  4. 如請求項3所述具自我補償之高穩定度波導模擬共振式生物感測系統，其中，該第一光偵測器能接收該橫向磁場模態光經該生物感測器而產生的一橫向磁場模態光即時雜訊強度
    Figure 03_image021
    ，而在該生物感測器注入該空白溶液後，該第一光偵測器能接收該橫向磁場模態光經該生物感測器而產生的一注入空白溶液時的橫向磁場模態光即時強度
    Figure 03_image023
    ，該第二光偵測器能接收該橫向電場模態光產生的一注入空白溶液時的橫向電場模態光即時強度
    Figure 03_image025
    ，該注入空白溶液時的橫向磁場模態光即時雜訊強度
    Figure 03_image013
    可表示為
    Figure 03_image027
    ，該注入空白溶液時的橫向電場模態光即時雜訊強度
    Figure 03_image015
    可表示為
    Figure 03_image029
    ，
    Figure 03_image031
    與
    Figure 03_image033
    分別為一橫向磁場模態光即時強度平均值，及一橫向電場模態光即時強度平均值。
  5. 如請求項1所述具自我補償之高穩定度波導模擬共振式生物感測系統，其中，該光源選自發光二極體，且具自我補償之高穩定度波導模擬共振式生物感測系統還包含一設置在該光源與該偏振分光鏡之間的濾波片。
  6. 如請求項5所述具自我補償之高穩定度波導模擬共振式生物感測系統，其中，該光源發出的光為二次發光且為白光，而經該濾波片，使其發光波長介於500nm~550nm。
  7. 如請求項5所述具自我補償之高穩定度波導模擬共振式生物感測系統，還包含一設置在該濾波片與該偏振分光鏡之間的第一透鏡、一設置在該生物感測器與該第一光偵測器之間的第二透鏡，及一設置在該偏振分光鏡與該第二光偵測器之間的第三透鏡。
  8. 如請求項1所述具自我補償之高穩定度波導模擬共振式生物感測系統，還包含一設置在該偏振分光鏡與該生物感測器之間的物鏡。
  9. 如請求項1所述具自我補償之高穩定度波導模擬共振式生物感測系統，其中，該生物感測器為一光柵波導生物感測器。
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