TWI817195B - 混濁液體光學偵測的系統與方法 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示一種混濁液體光學偵測的系統。該系統主要包含：一上基板；一下基板，與該上基板相距一距離，該上基板與該下基板的組合行成一空間，可以容納一流動物質；至少一個發光二極體元件，提供一參考光，當該參考光照射到該流動物質後，會產生一偵測光；至少一光檢測器元件，該些光檢測器元件係對應於該些發光二極體元件，接收該發光二極體元件的參考光與偵測光以得到一光譜。本發明更揭示一種混濁液體光學偵測的方法。藉由本發明的系統與方法，可以快速偵測到該混濁液體存在的微量物質與其含量。
Description
本發明係有一種液體光學偵測的系統與方法，更特別是有關於一種使用發光二極體搭配光檢測器的混濁液體光學偵測的系統與方法。
液體內包羅萬象，尿液中有潛血、咖啡中有咖啡因、或游泳池水中有氯等。過去，液體內物質有幾種檢測方式，包含
1.尿液中的潛血；可以使用與血紅素進行反應的peroxidase-like活性進行檢測，也有人使用全光譜分析。
2.咖啡中有咖啡因：可以使用HPLC進行咖啡因化學鍵節判斷，也有人使用究電化學方法，電化學是利用奈米金修飾網版電極，以循環伏安法(Cyclic voltammetry，CV)方是判斷咖啡因的氧化還原電位進行判斷。
3.游泳池中的氯：一般使用測試滴劑進行判斷，但氯加在水中產生次氯酸(Hypochlorous acid)，次氯酸的吸收波長是235nm，但次氯酸會延伸出次氯酸根離子(ClO-)，次氯酸根離子吸收率是300nm。
依照液體中的光譜判斷方式，學者Beer Lambert Law表示每一個化學物質如同指紋般，在特定光譜波長下都有其吸收率。光譜偵測資訊，原理來自於比爾定律，又稱作比爾-朗伯定律(Beer-Lambert Law)。當光穿透樣品溶液時，光的吸收度(A)與吸收係數(ε)、光徑長(l)、濃度(c)三者均呈正比：A=εlc，如圖1。
其中ε為吸收係數(absorptivity，或稱absorption coefficient)，亦可稱為消光係數(extinction coefficient)。然而，若是在光徑長l使用了cm作為單位，並且濃度c使用M作為單位，吸收係數以M-1cm-1作為單位，那麼這時候的吸收係數，即可稱為莫耳吸收係數(molar absorptivity)，其符號以ε來代表。莫耳吸收係數ε的使用相當頻繁，以至於還比吸收係數ε來的常出現。因此，常見的比爾定律表示方法為：A=εcl。
此外，我們需要瞭解的另一個重要定義是光的吸收度(absorbance)。當一束光線照射到一樣品溶液時，部份的光線會被樣品溶液吸收，剩下的光線則穿透樣品溶液，即原本光入射線強度I0，穿透光線強度變為I1，此時光的穿透度T(Transmittance)，即光穿透的比例為反言之，部份光被樣品吸收，定義光的被吸收度A為
然而，紫外線光譜資訊在短波長，180nm(奈米)至350nm(奈米)之間，非常容易被有機物吸收而導致無法判斷光譜資訊。而且液體混濁時，輸入光源也無法穿透比色皿讓光譜儀偵測其資訊。雖然有特殊比色皿，但此比色皿，清洗困難，而且價格昂貴。使用光譜技術偵測混濁液體時，會因為待測液體的髒汙、或短波長時有機物的吸收率，導致無法使用光譜技術偵測液體中資訊。
綜上所述，無論測試滴劑方式、光譜方式、電化學方式都有其使用上的限制。高效能液相層析法(High Performance Liquid Chromatog-raphy，HPLC)雖然較準確，但其機器價格昂貴且耗材費高。
有鑑於上述問題，有必要提出一種新的混濁液體光學偵測的系統與方法，能夠方便使用且無耗材的快速檢測液體內含物質，以解決上述
問題。
化學物質有如同指紋的特定光譜吸收率，因此透過發光二極體(light emitting diode，LED)元件和光偵測器(photodetector，PD)元件進行液體中內含物質的檢測，可藉由特定光譜波長下的物質吸收率以進行判斷物質的存在與含量。
本發明之主要目的係在於提出一種混濁液體光學偵測的系統，透過發光二極體元件和光偵測器元件進行液體中內含物質的檢測，判斷物質的存在與含量。
本發明之另一目的係在於提出一種混濁液體光學偵測的方法，能夠方便使用且無耗材的快速檢測液體內含物質。使用在不同液體中內含物質的檢測應用時，只需要更換發光二極體元件和光偵測器元件即可進行判斷。
為實現上述主要目的，本發明提出一種混濁液體光學偵測的系統，包括：一上基板；一下基板，與該上基板相距一距離d，該上基板與該下基板的組合行成一空間，可以容納一流動物質；一上承載板；一下承載板，與該上承載板結合，可以容納該上基板與該下基板所組成的該空間；該上承載板與該下承載板設置有至少一個發光二極體元件與至少一光檢測器元件；該些發光二極體元件，提供一參考光，當該參考光照射到該流動物質後，會產生一偵測光；該些光檢測器元件，該些光檢測器元件係對應於該些發光二極體元件，接收該發光二極體元件的參考光與偵測光以得到一光譜。
根據本發明之一特徵，當流動物質含有潛血時，該些發光二極體元件的參考光之波長為660nm，偵測光之波長為415nm。
根據本發明之一特徵，當流動物質含有咖啡因與綠原酸時，該些發光二極體元件的參考光之波長為660nm，偵測光之波長為273nm和325nm。
根據本發明之一特徵，當流動物質含有氯時，該些發光二極體元件的參考光之波長為660nm，偵測光之波長為235nm和300nm。
根據本發明之一特徵，當流動物質含有槲皮素時，該些發光二極體元件的參考光之波長為660nm，偵測光之波長為380nm。
為實現上述另一目的，本發明提出一種混濁液體光學偵測的方法，其步驟包括：將一流動物質放置於一上基板與一下基板之間，該上基板與該下基板相距一距離d，結合組成一空間；至少一個發光二極體元件提供一參考光，當該參考光照射到該流動物質後，會產生一偵測光；以及至少一光檢測器元件接收該發光二極體元件的參考光與偵測光以得到一光譜。
根據本發明之一特徵，當流動物質含有槲皮素時，該些發光二極體元件的參考光之波長為660Ⅷ，偵測光之波長為380nm。
綜上所述，本發明之混濁液體光學偵測的系統與方法，具有以下功效：
1.能夠方便使用，且不需要耗材，達到快速檢測液體內含物質。
2.使用在不同液體中內含物質的檢測應用時，只需要更換發光二極體元件和光偵測器元件即可進行判斷。
100:混濁液體光學偵測的系統
110:上承載板
112:上基板
115a、115b:發光二極體元件
120:下承載板
122:下基板
125a、125b、125c:光檢測器元件
130:空間
132:流動物質
140:反射鏡
150:滴定口
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
第1圖為本發明之混濁液體光學偵測的系統之第一實施例的結構示意圖。
第2圖為本發明之混濁液體光學偵測的系統之第二實施例的結構示意圖。
第3圖為該上基板與該下基板的組合示意圖。
第4圖為本發明之混濁液體光學偵測的方法之實施例流程圖。
雖然本發明可表現為不同形式之實施例，但附圖所示者及於本文中說明者係為本發明可之較佳實施例。熟習此項技術者將瞭解，本文所特定描述且在附圖中繪示之裝置及方法係考量為本發明之一範例，非限制性例示性實施例，且本發明之範疇僅由申請專利範圍加以界定。結合一例示性實施例繪示或描述之特徵可與其他實施例之諸特徵進行結合。此等修飾及變動將包括於本發明之範疇內。
除非另有定義，本文使用的所有技術和科學術語與本發明所屬領域的普通技術人員通常理解的含義相同。如有衝突，以本文件(包括定義)為準。優選的方法和材料如下所述，儘管與本文所述的那些相似或等效的方法和材料可用於本發明的實踐或測試中。在此提及的所有出版物、專利申請、專利和其他參考文獻均通過引用整體併入。本文公開的材料、方法和示例僅是說明性的，並不旨在進行限制。關於數量所使用的術語“大約”包括與所述數量相當的所述數量的變化，例如與用於預期目的或功能的所述數量無本質不同的數量。
現請參考第1圖與第3圖，第1圖為本發明混濁液體光學偵測
的系統100之第一實施例的結構示意圖。第3圖為該上基板與該下基板的組合示意圖。該混濁液體光學偵測的系統100，包括：一上承載板110、一下承載板120、一上基板112與一下基板122。該上基板112與該下基板122相距一距離d，該上基板112與該下基板122的組合形成一空間130，可以容納一流動物質132。注意的是，為了形成該空間130，該上基板112與該下基板122之任一個，係可以是L型或凹型，且不等長，因此可以形成該空間130，且可以設置出一個滴定口150。該距離d係在1mm(公厘)至1cm(公分)之間。該上基板112與該下基板122係為一石英基板。該上承載板110與該下承載板120是金屬材質。該上承載板110與該下承載板120結合，可以容納該上基板112與該下基板122所組成的該空間。該上基板112與該下基板122形成的組合可以隨時抽換至該上承載板110與該下承載板120之間。當要檢測不同流動物質132，可以抽換該上基板112與該下基板122形成的組合。該流動物質132可似用滴定的方式放入該上基板112與該下基板122所形成的該空間130。當該上基板112與該下基板122形成的該空間130放入該上承載板110與該下承載板120之間時候，該上基板112與該下基板122形成的組合的滴定口可以設置在該該上承載板110與該下承載板120的外邊，方便滴定入該流動物質132。
該上承載板110與該下承載板120設置有至少一個發光二極體元件115a、115b與至少一光檢測器元件125a、125b、125c。該些發光二極體元件115a、115b，提供一參考光，當該參考光照射到該流動物質132後，會產生一偵測光。該些光檢測器元件125a、125b係對應於該些發光二極體元件115a、115b，接收該發光二極體元件115a與115b的參考光與偵測光以得到一光譜。該些發光二極體元件115a、115b可以是相同的或不同的發光二極體元件。同樣的，該些光檢測器元件125a、125b、125c也可以是相同的或不同的光檢測器元件。
現請參考第2圖，其為本發明混濁液體光學偵測的系統100之
第二實施例的結構示意圖。需注意的是，在第1圖中，該些發光二極體元件115a、115b與該些光檢測器元件125a、125b、125c設置於不同承載板上。但事實上，該些發光二極體元件115a、115b與該些光檢測器元件125a、125b、125c係可以設置於相同承載板上，只要在該上基板112與該下基板122加裝一反射鏡140即可。例如，在第2圖中，該些發光二極體元件115a、115b，與該些光檢測器元件125a、125b、125c設置在該下承載板120上，則該上基板112可以設置該反射片140即可得到與第1圖相同的結果。若該些發光二極體元件115a、115b，與該些光檢測器元件125a、125b、125c設置在該上承載板110上，則該下基板122可以設置該反射片140，即可得到與第1圖相同的結果。
現請同時參考第3圖，其為本發明混濁液體光學偵測的方法之實施例流程圖。同時配合第1圖與第2圖混濁液體光學偵測的系統100。該混濁液體光學偵測的方法，主要包括下列步驟：步驟1：將一流動物質132放置於該上基板112與該下基板122之間，該上基板112與該下基板122相距一距離d，結合組成一空間130；步驟2：至少一個發光二極體元件115a與115b提供一參考光，當該參考光照射到一流動物質132後，會產生一偵測光；以及步驟3：至少一光檢測器元件125a、125b、125c接收該發光二極體元件的參考光與偵測光以得到一光譜。
以下詳細說明該本發明混濁液體光學偵測的系統與方法。液體(水)中血液的吸收率是415nm，液體中咖啡因的吸收率是273nm，綠原酸是325nm，次氯酸的吸收波長是235nm與次氯酸根離子吸收率是300nm。上述吸收光譜說明，化學物質如同指紋般，在特定光譜波長下都有其吸收率。需要知道的前提是，1.訊號強與弱，都必須要有一個比較點，亦即是參考點。2.除了吸收光譜外，沒有其他吸收波長。
在發明人研究發現，咖啡因在273nm有吸收，但超過300nm幾乎無吸收；綠原酸在325nm有吸收，但超過450nm幾乎無吸收；HOCL在235nm，ClO-在300nm，但超過400nm幾乎無吸收；血液潛血在415nm有吸收，但超過600nm後幾乎無吸收。
因此，除了特定吸收光波長外，其餘波長(無吸收處)可做為參考訊號端。亦即，本發明之參考光之波長係選自該流動物質132中物質對該些發光二極體元件115a與115b發出的光沒有吸收之波長。本發明之偵測光之波長係選自該流動物質132中物質對該些發光二極體元件115a與115b發出的光具有特定吸收之波長。
在一實施例中，當流動物質含有潛血時，該些發光二極體元件115的參考光之波長為660nm，偵測光之波長為415nm。
在一實施例中，當流動物質132含有咖啡因與綠原酸時，該些發光二極體元件的參考光之波長為660nm，偵測光之波長為273nm和325nm。
在一實施例中，當流動物質132含有氯時，該些發光二極體元件115的參考光之波長為660nm，偵測光之波長為235nm和300nm。
在一實施例中，當流動物質132含有槲皮素時，該些發光二極體元件115的參考光之波長為660nm，偵測光之波長為380nm。
以流動物質132含有咖啡因與綠原酸為例說明偵測時的原理。由於咖啡因會吸收波長在273nm的光，綠原酸會吸收波長在325nm的光，因此絕對無吸收的波長660nm的光可做為參考光。由於有流動物質132內含有兩個不同物質，實際的實施方式可以是，該些發光二極體元件115具有兩個該些發光二極體元件115a與115b。該發光二極體元件115a發出偵測光之波長為273nm，該發光二極體元115b發出偵測光之波長為325nm。
該發光二極體元件115a與該發光二極體元115b透過時序方式切換，以發出273奈米與325奈米之偵測光，但其對應的該光檢測器元件125a與該光檢測器元件125b一直讀取訊號。假如流動物質132中有咖啡因和綠原酸，因為吸收度的關係，該光檢測器元件125的接收數值會下降，亦即是當咖啡因和綠原酸的含量越多，該光檢測器元件125的該光譜的輸出訊號就越小。
該光檢測器元件125a沒有一個對應的參考數據，所以接收可見光波長的該光檢測器元件125c作為判斷，理論上在咖啡因與綠原酸的液體中吸收率為0，該光檢測器元件125c輸出應該要等於供給電壓。
假如流動物質132有髒汙，可以透過該光檢測器元件125c接收的660nm判斷，因為髒污不是化學物質，可能是灰塵或眼睛可判斷的物質，660nm即可以判斷。
以該光檢測器元件125c的變化率作為參考光的判斷依據，該光檢測器元件125a與該光檢測器元件125b作為變化量。就可以抓取液體中咖啡因與綠原酸含量。依據不同使用方式，可以更換該發光二極體元件115與該光檢測器元件125，即可達到偵測目的。
由於該發光二極體元115與該光檢測器元件125雖然設置於該些承載板上，但其表面可能會浸泡在液體中，所以需要保護殼或保護層包覆。
綜上所述，本發明之混濁液體光學偵測的系統與方法，具有以下功效：
1.能夠方便使用，且不需要耗材，達到快速檢測液體內含物質。
2.使用在不同液體中內含物質的檢測應用時，只需要更換發光二極體元件和光偵測器元件即可進行判斷。
雖然本發明已以前述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。如上述的解釋，都可以作各型式的修正與變化，而不會破壞此發明的精神。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:混濁液體光學偵測的系統
110:上承載板
112:上基板
115a、115b:發光二極體元件
120:下承載板
122:下基板
125a、125b、125c:光檢測器元件
130:空間
132:流動物質
140:反射鏡
150:滴定口
Claims (10)
- 一種混濁液體光學偵測的系統，包括：一上基板；一下基板，與該上基板相距一距離，該上基板與該下基板的組合行成一空間，可以容納一流動物質，該流動物質內至少含有兩種不同物質的液體；一上承載板；一下承載板，與該上承載板結合，可以容納該上基板與該下基板所組成的該空間；該上承載板與該下承載板設置有至少二個發光二極體元件，與至少二個光檢測器元件；該些發光二極體元件均提供一相同波長的參考光，當該相同波長的參考光照射到該流動物質後，會產生至少兩種不同波長的偵測光；且該些光檢測器元件係對應於該些發光二極體元件，接收該些發光二極體元件的參考光與偵測光以得到一光譜。
- 如請求項1所述之混濁液體光學偵測的系統，其中該上基板與該下基板係為一石英基板。
- 如請求項1所述之混濁液體光學偵測的系統，其中該上承載板與該下承載板是金屬材質。
- 如請求項1所述之混濁液體光學偵測的系統，其中該距離係在1mm (公厘)至1cm(公分)之間。
- 如請求項1所述之混濁液體光學偵測的系統，其中該流動物質用滴定的方式放入該上基板與該下基板所形成的該空間。
- 一種混濁液體光學偵測的方法，其步驟包括：將一含有多種不同液體的流動物質放置於一上基板與一下基板之間，該上基板與該下基板相距一距離，結合組成一空間；該上基板設置有多個發光二極體元件輪流提供多個相同波長的參考光，且該下基板設置有多個光檢測器元件，該些光檢測器元件係對應於該些發光二極體元件；當該多個相同波長的參考光照射到該含有多種不同液體的流動物質後，會產生多個不同波長的偵測光；以及接收該多個發光二極體元件的參考光與偵測光以得到一光譜。
- 如請求項6所述之混濁液體光學偵測的方法，其中當流動物質含有潛血時，該些發光二極體元件的參考光之波長為660nm，偵測光之波長為415nm。
- 如請求項6所述之混濁液體光學偵測的方法，其中當流動物質含有咖啡因與綠原酸時，該些發光二極體元件的參考光之波長為660nm，偵測光之波長為273nm和325nm。
- 如請求項6所述之混濁液體光學偵測的方法，其中當流動物質含有氯時， 該些發光二極體元件的參考光之波長為660nm，偵測光之波長為235nm和300nm。
- 如請求項6所述之混濁液體光學偵測的方法，其中當流動物質含有槲皮素時，該些發光二極體元件的參考光之波長為660nm，偵測光之波長為380nm。
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2021
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2022
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