TWM481403U - 含光聚焦透鏡的螢光檢測高頻電路裝置 - Google Patents
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Description
本創作係關於一種螢光檢測裝置，尤指基於雷射光激發螢光物質會產生螢光，再將激發出的螢光照射在光檢測器上則會導致光電流改變或是光檢測器等效阻抗的變化，而間接影響高頻電路的頻率響應的裝置。
先前相關於本創作之技術見於本國專利第M329777號之「串聯式光檢測振盪電路裝置」，該主要是以48MHz串聯式光檢測高頻電路裝置(series photodetector frequency circuit,SPFC)的頻率變化特性來檢測螢光濃度之定量分析。本創作研製以光檢測器匹配的串聯式光檢測高頻電路，其輸出頻率對於光檢測器的響應度具有良好的解析靈敏度，適合進行螢光檢測。經由不同響應度的光檢測器來匹配高頻電路，可以得知在相同波長的激發雷射光源中，光響應度越高的光檢測器，所量測到的頻率變化越大。由實驗中可以測得PT(phototransistor)匹配的串聯式光檢測裝置之最低螢光濃度檢測極限為100amol/3μl。根據螢光染劑U1392-HEX不同的螢光濃度100pmol/3μl~100amol/3μl與裝置的頻率變化，可以整合實驗數據建立線性相關係數R2
=0.9964的檢量曲線。(此段內容摘錄自該創作公告之專利公報。)
生物晶片的螢光檢測裝置利用DNA探針的專一性以達到分
析生物樣品的雜合反應並同時有訊號處理、資料傳輸與資料儲存的功能，具有分析速度快、靈敏度高、專一性高且可獲得完整的實驗數據等特點，可以有效地應用於生物醫學、環境監測與藥品開發上，提高醫療診斷能力與效率。然而，目前仍尚欠相關之含光聚焦透鏡的螢光檢測高頻電路裝置，此即為本創作所欲解決之問題。
本創作所解決問題之技術手段為從光源方面的角度來看，可以聚焦透鏡的方式來加強激發的螢光強度，亦即製作一個可以增強螢光訊號的透鏡。由於PDMS的穿透率平均可達90%以上，折射率約為1.44左右，對水的吸收性極低，生物的相容性極佳，另外具有彈性而不易破碎及高透氧性等優點，所以本實驗選用PDMS為材料製作聚焦透鏡應用於光學檢測上。
在此，提出一新型光電檢測裝置，具備聚焦透鏡的光檢測高頻電路；以螢光檢測原理為基礎，將光檢測器量測到的電信號結合到串聯諧振的高頻電路，藉此將螢光訊號的強弱轉換成頻率的變化，進而測得不同螢光濃度的頻率變化。此裝置不僅架構簡單、便宜且具有高頻的高靈敏度特性，可以偵測到較低的螢光濃度，並根據不同的螢光標定濃度和頻率變化而建立出兩者的線性曲線。在本創作中，將設計以光檢測器PT匹配的48MHz光檢測高頻電路來分析SPFC檢測裝置的頻率響應與螢光濃度之間的關係，並探討這種頻率檢測裝置量測螢光濃度之極限能力且為未來將光檢測高頻電路裝置應用於經由Hex螢光標定的DNA雜合實驗的基礎。
而發展本創作所經過之實驗的設備如下。
含聚焦透鏡的光檢測高頻電路裝置(第一圖)，包括(1)5mW的綠色雷射
光源100(Green Laser GLM Module，M&T OPTICS，Taiwan)及其所照射的螢光樣品200使產生被激發的螢光300(2)PDMS聚焦透鏡350和可過濾掉550nm以下波長的濾光鏡400(FSQ-OG550，NEWPORT，USA)(3)自製48MHz高頻振盪電路600，和PT(Phototransistor，TYNTEK，Taiwan)光檢測器500以搭配高頻電路(4)Agilent 53131A計頻器700(有效頻率範圍1Hz~255MHz，Agilent，USA)(5)配合GPIB卡的電腦800，利用程式將頻率信號讀取並顯示在螢幕上。全部檢測裝置與設備被安置在溫度約25℃的暗房內，以利於雷射激發螢光的實驗操作。
PDMS屬於熱固性材質，本創作將以微機電拋棄翻模技術來製作，並參考許多現今相關製作微透鏡的論文並加以改良的方式來製作PDMS聚焦透鏡350，本實驗PDMS聚焦透鏡350詳細製程步驟如下：步驟1：將Si wafer基板、凸型玻璃母模以RCA步驟清洗，如附件1(a)；步驟2：將PDMS(主劑：硬化劑=10：1)混合均勻澆注基板上層，如附件1(b)；步驟3：以真空幫浦將PDMS內的氣泡抽掉並利用玻璃母模進行壓模，如附件1(c)；步驟4：將其加熱至80度，10分鐘，固化後掀去玻璃母模即可製成凹型PDMS母模，如附件1(d)；步驟5：將PDMS母模加熱至120度，10分鐘，如附件1(e)；步驟6：將PDMS(主劑：硬化劑=5：1)混合澆注凹型PDMS母模內，如附件1(f)；步驟7：將其加熱至80度，5至8分鐘，固化後即可翻模，如附件1(g)，及製作完成PDMS聚焦透鏡350。
附件2為經壓模後的PDMS凹型母模成品，而附件3為直徑分別為10、8、5、3mm的PDMS聚焦透鏡350完成品。本創作先對PDMS聚焦透鏡350做初步測試，綠光雷射經多模光纖所發散出的光斑，透過PDMS聚焦透鏡350後確實能聚焦成非常強的光點，如附件4、附件5。
本創作將濃度100pmol/3μl的HEX染劑滴定在直徑5mm的尼龍薄膜上由側邊來照射，以及在上方放置不同尺寸的PDMS透鏡來量測螢光，可量測到的頻譜訊號如第三圖，由結果可以了解到尺寸越大的透鏡確實可以增加聚焦的光源強度，且可提升2倍的相對訊號強度。因此，本創作將選擇直徑10mm的PDMS聚焦透鏡350來增強激發的螢光訊號。
電路是以符合(1)必須為正回授，即輸入與輸出的相位相差0度(2)起始頻率的開迴路增益大於的巴克豪生準則(Bark-hausen criterion)為基礎，以石英晶體、邏輯閘電路與光檢測器500架構成串聯諧振高頻電路(第二圖)。
(1)TE3緩衝液(TRIS/pH8.0 10mM+EDTA 1mM，BIO BASIC，USA)。
(2)螢光染劑：U1392-Hex(PURIGO，Taiwan)，最佳吸收波長535nm與最佳螢光放射波長556nm。
(3)Probe U1392-Hex以TE3緩衝液調製為十倍稀釋的濃度如下：100pmol/3μl，10pmol/3μl，1pmol/3μl，100fmol/3μl，10fmol/3μl，1fmol/3μl，100amol/3μl，10amol/3μl與1amol/3μl。
(1)將含有螢光染劑的樣品放置於螢光檢測機台上。
(2)以532nm波長的雷射激發光照射螢光材料，產生556nm波長的螢光。
(3)光檢測器500被安置在濾光片(過濾掉550nm以下的激發光)與聚焦透鏡上方，以檢測出被激發之螢光。
(4)激發的螢光經由聚焦透鏡的加強後，增強的螢光照射在光檢測器500時會產生光電流，並引發高頻電路頻率的改變，螢光量測裝置產生的頻率資料則由Agilent 53131A計頻器700來擷取並透過GPIB卡連接到電腦800，再應用Agilent VEE 7.5的視窗程式每隔五秒量測不同的螢光濃度的頻率變化，並將頻率資料顯示在螢幕上。
本創作對照先前技術之功效為48MHz SPFC檢測裝置配合10mm PDMS聚焦透鏡350的HEX螢光檢測極限是10amol/3μl。此結果說明了經由搭配10mm PDMS聚焦透鏡350的48MHz SPFC裝置的確可以提升頻率檢測靈敏度並降低螢光濃度的檢測極限。
1‧‧‧第一個反及閘之其中一個輸入端點
2‧‧‧第一個反及閘之另一個輸入端點
3‧‧‧第一個反及閘之輸出端點
4‧‧‧第二個反及閘之其中一個輸入端點
5‧‧‧第二個反及閘之另一個輸入端點
6‧‧‧第二個反及閘之輸出端點
8‧‧‧第四個反及閘之輸出端點
9‧‧‧第四個反及閘之其中一個輸入端點
10‧‧‧第四個反及閘之另一個輸入端點
11‧‧‧第三個反及閘之輸出端點
12‧‧‧第三個反及閘之其中一個輸入端點
13‧‧‧第三個反及閘之另一個輸入端點
100‧‧‧綠色雷射光源
200‧‧‧螢光樣品
300‧‧‧被激發的螢光
350‧‧‧PDMS聚焦透鏡
400‧‧‧濾光鏡
500‧‧‧光檢測器
600‧‧‧48MHz高頻振盪電路
700‧‧‧計頻器
800‧‧‧電腦
第一圖係含光聚焦透鏡的光檢測高頻電路裝置。
第二圖係光檢測高頻電路圖
第三圖係在薄膜滴上濃度100pmol/5ul的Hex染劑經過不同PDMS透鏡之激發光譜圖(a)10mm(b)8mm(c)5mm(d)3mm(e)沒有聚焦透鏡。
第四圖係光檢測器APT匹配的48MHz高頻電路裝置應用於Hex螢光濃度100pmol/3μl~1amol/3μl檢測的頻率響應圖。
第五圖係48MHz光檢測高頻電路裝置配合10mm PDMS聚焦透鏡的頻率變化與Hex螢光濃度(100pmol/3μl~100amol/3μl)的線性關係圖。
於第一圖中的光檢測器500與48MHz高頻振盪電路600係以串聯諧振高頻電路來實施，如第二圖所示，其中，訊號由端點1與2經第一個反及閘後，輸出至端點3，再串聯電阻R2
，再由端點4與5經第二個反及閘後，輸出至端點6，再由端點12與13經第三個反及閘後，輸出至端點11，再由端點9與10經第四個反及閘後，輸出至端點8；且其中，第一個反及閘係與電阻R1
與電容C1
並聯，第二個反及閘係與電阻R3
並聯，48MHz石英晶體、光檢測器500與電容C2
串聯起來且將串聯後的輸入和輸出分別接至端點1、2和端點6。該圖中之四個直接或間接串聯之反及閘均為在一棵反及閘IC內。
而細節方面，如下。
因此如果在驅動電路的設計上，使用一個相位差θ的放大器時，回授的電路就必需是具有-θ的相位差來符合先前所說的巴克豪生振盪條件。在本創作中SPFC裝置是使用放大器產生正回授振盪，因此它的電路阻抗的實數部分與虛數部分必須符合相位差的要求：-θ=tan-1
(X/R) (1)
由式(1)的等式中設A=tanθ可歸納化簡出下式：
從式(2)中計算出頻率與光檢測器500的電導Gp
的相關式，經泰勒級數(Taylor series)展開來簡化得光檢測器500電導Gp
和角頻率ω的關係式如下：
其中ω 0
=2πF 0
， F 0
為石英晶體共振頻率等式(3)是SPFC的頻率響應之數學函數。
頻率響應靈敏度即是電導Gp
和角頻率ω的微分，在此可以偏微分計算求出：
E 3
=(ω 0 C p
-AG p
)(2G p
-ω 0 C 0 A
)
另外，光檢測器500電容效應Cp
對於角頻率ω的微分，亦可以偏微分得到：
從等式(4)(5)中，可以看出SPFC的靈敏度隨著電路的參數和光檢測器
500等效電導Gp與等效電容Cp而改變，且與皆為常數，(4)(5)
兩式的結果代表著串聯式光檢測高頻電路裝置的頻率響應會隨著光檢測器500的阻抗變化(Gp與Cp)而呈現線性關係。以高頻率的石英晶體來進行SPFC的實驗，有較好的靈敏度。又假如將振盪電路之各項參數固定，則SPFC的頻率就單純受光檢測器500的電導G p
，和等效電容C p
影響。
而實施結果與討論，如下。
光檢測器500需加上偏壓並以光源照射在光檢測器500接收端，才能量得光電壓或光電流的效應，故無法直接以阻抗分析儀來量測加上偏壓後的光檢測器500的等效阻抗。之前，創作人利用光二極體與光電晶體的光響應度(Responsivity)來推論不同的光檢測器500在不同強度的激發螢光下所產生的頻率響應。並且得到在相同濃度的螢光激發下，光檢測器500的響應度越大，其所匹配的高頻電路頻率則下降越多。
為了了解APT光檢測器500匹配的48MHz高頻電路配合10mm PDMS聚焦透鏡350所能量測到的螢光濃度極限，本創作將Hex染劑以十倍稀釋調配為不同的螢光濃度100pmol/3μl~1amol/3μl，每隔五秒量測不同螢光濃度的頻率響應，來測試光檢測高頻電路的響應。SPFC裝置實驗所得的頻率響應如第四圖所示。❶則為未加樣品所對應的頻率值，❷~❿分別為稀釋的螢光濃度1amol/3μl~100pmol/3μl所對應的頻率值。由第四圖，對於螢光濃度
由高至低，其頻率響應曲線呈現下降曲線。由實驗結果可以得知48MHz SPFC配合10mmPDMS聚焦透鏡350的螢光濃度檢測極限為10amol/3μl。根據不同螢光濃度頻率與未加樣品頻率的頻率差異值(△F)與螢光濃度(取Log值)，可得到線性迴歸分析如第五圖所示。
y=0.0278x-16.561 (6)
R2
=0.9986
於實施方式所述僅為本創作之一個實施例，即：經由搭配10mm PDMS聚焦透鏡350的48MHz SPFC裝置的確可以提升頻率檢測靈敏度並降低螢光濃度的檢測極限；然，本創作仍可隨時因應需要而作多方面之更改、擴充、應用，使更擴大其功能，該些亦仍屬本創作的申請專利範圍內。
100‧‧‧綠色雷射光源
200‧‧‧螢光樣品
300‧‧‧被激發的螢光
350‧‧‧PDMS聚焦透鏡
400‧‧‧濾光鏡
500‧‧‧光檢測器
600‧‧‧48MHz高頻振盪電路
700‧‧‧計頻器
800‧‧‧電腦
Claims (2)
- 一種含光聚焦透鏡的螢光檢測高頻電路裝置，包含：可發出5mW綠色雷射光的光源、位於該光源側上方的聚焦透鏡、位於該聚焦透鏡上方且可過濾掉550nm以下波長之光的濾光鏡、置於該濾光鏡上方之光檢測器、連接該光檢測器之48MHz高頻振盪電路、接至該48MHz高頻振盪電路輸出端之1Hz~255MHz計頻器以及連接該計頻器之具介面卡與匯流排的電腦，其中的光檢測器係為搭配高頻電路之用。
- 如請求項1所述的含光聚焦透鏡的螢光檢測高頻電路裝置，其中的48MHz高頻振盪電路與光檢測器係以串聯諧振高頻電路來連接，即該連接後的電路除含光檢測器外，亦含四個反及閘、三個電阻、二個電容以及一個48MHz石英晶體；第一個反及閘之二輸入點相接且輸出點串聯至電阻R2 ，該電阻R2 亦串聯至第二個反及閘之二輸入點，其輸出點串聯至第三個反及閘之二輸入點，其輸出點串聯至第四個反及閘之二輸入點；且其中，第一個反及閘係與電阻R1 與電容C1 並聯，第二個反及閘係與電阻R3 並聯，48MHz石英晶體、光檢測器與電容C2 串聯起來且將串聯後的輸入點和輸出點分別接至第一個反及閘之二輸入點和第四個反及閘之輸出點，該輸出點則接至1Hz~255MHz計頻器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW103205147U TWM481403U (zh) | 2014-03-25 | 2014-03-25 | 含光聚焦透鏡的螢光檢測高頻電路裝置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW103205147U TWM481403U (zh) | 2014-03-25 | 2014-03-25 | 含光聚焦透鏡的螢光檢測高頻電路裝置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWM481403U true TWM481403U (zh) | 2014-07-01 |
Family
ID=51723554
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| TW103205147U TWM481403U (zh) | 2014-03-25 | 2014-03-25 | 含光聚焦透鏡的螢光檢測高頻電路裝置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWM481403U (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI735023B (zh) * | 2019-01-08 | 2021-08-01 | 新加坡商台達電子國際（新加坡）私人有限公司 | 多色螢光激發及偵測裝置 |
| US11768327B2 (en) | 2018-12-03 | 2023-09-26 | Panduit Corp. | Optical channel bandwidth analyzer |
-
2014
- 2014-03-25 TW TW103205147U patent/TWM481403U/zh not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11768327B2 (en) | 2018-12-03 | 2023-09-26 | Panduit Corp. | Optical channel bandwidth analyzer |
| TWI831879B (zh) * | 2018-12-03 | 2024-02-11 | 美商班狄特公司 | 光學通道頻寬分析器 |
| TWI735023B (zh) * | 2019-01-08 | 2021-08-01 | 新加坡商台達電子國際（新加坡）私人有限公司 | 多色螢光激發及偵測裝置 |
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