TWM281174U - Polarized light absorptive biochemical optoelectronic inspecting system - Google Patents

Description

M281174 適合大批量 用，成為目 是設備複雜 染，操作亦 試手段，它 含量的方法 和吸收光度 光譜儀相似 化分析儀器 、近紅外線 用於顏色量 樣品的 前生理 ’不能 較複雜 是利用 ’包括 法等， 〇 的一種 光谱儀 測、水 9、創作說明（1) 【新型所屬之技術領域】 本創作係有關一種生化 偏振光吸收式生化光電檢測 特性之生化檢體、檢體需求 ，及雙光程之靈敏度高等優 【先前技術】 生化檢測方法基本分為 ，即利用感測器將生化量轉 試劑法，即利用化學試劑或 度法技術進行定量測量。 第一種方法具有測量簡 實現在體測量和多參數同時 度偏低，且重複性不佳。 第二種方法定量性好， 在自動生化分析儀中廣泛應 要的生化檢測方法；其缺 動，態測量，試劑對環境有 生化量試劑檢測法的主要測 ►收特性定量测定物質組成和 光光度法、螢光法、 使用儀器基本¥ i / X法 个朱構與俗稱之 /刀、光度法光譜儀是理 長區分為紫外線可 譜儀。紫外線可# / 儀 』見光譜儀常 光電檢測系統，特別是指一種 系統，其兼具可檢測具偏振光 $少、光學系統簡單且售價 點及功效。 ' _ 兩大類。一類是感測器檢測法 換為電量進行測量。另一類H 試紙檢測生化成分，進而用2 便、裝置小型、速度快、容 測量，沒有試劑污染，但準確 檢查，因听 學研究最主 進行在體禾 。光度法是 物質的光劳 士色法、令 這些方法戶f ，依適用減 和紅外線夫 質分析及兮

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四、創作說明（2) 化檢驗等，近紅外線光譜儀可應用於食品加工業、製 等的製程監測，紅外線光譜儀則常用於氣體分析。^ 乂 光譜分析的特點包括：非侵入式、非破壞性、具化風 鑑別力、具波長變通性、靈敏度高及分析速度快。&詳二 析的優點多，可應用範圍廣，例如：瓦斯、醫院、生=1 驗所、汽車板金、印刷塗料、食品加工、發光二極體 欢

(Light Emitting Diode，簡稱LED) ····等，但是在 目前工業界普及率並不高，其原因可能是光譜儀的單&價古 、體積大、日常維護及波長校正等程序繁複。 、问 一般市售生化檢驗用之光譜儀種類相當多，大型光言並 儀體積大、昂貴等缺點在此不贅述。而微型光譜分析儀^ 有許多大型光譜儀所不具備的優點，如重量輕、体積小了 檢測速度快、使用方便、可集成化、可大量製造以^成本 低廉等，微型光譜儀有著像普通光譜儀一樣的廣大應 場。 〜 Φ 請參閲第一圖，傳統式微型光譜儀系統之基本架構由 光學系統與電子電路（圖中未示）兩部分所構成。光學系統 部伤至少包含集光用之光學鏡頭9丨、由鎢絲燈或發光二極 體（LED )構成之傳統光源92、由分光鏡或光纖耦合元件 構成之分光元件93、微繞射元件94及感光元件95。 此集光用之光學鏡頭91可將光輻射收集進入微型光譜 儀系統中’透鏡的數值孔徑（Numerjcai Aperture，簡稱 % Ν· Α·)必需與採用之導光光纖匹配。鎢絲燈或LED之傳統光 ，源92所放射光譜需足夠廣，並能位於該感測元件95的吸收 M281174 四、創作說明（3) I* =微型光譜之分光元件9 3係用以分離經由光纖導 -杜二*由於光線離開光纖後為發散光，因此微型分光 :弁元：ot具f分離光譜之能力，亦應具備將光線收斂皇 2強度。之此力，感光元件95所得之光強度即為各光譜 出。ίΐί3係執行記錄光譜強度並轉換成類比訊號輸 驅動電路與 、钒萝前罟说丄 要力月匕為鍉供感測元件所需時序 ，此；基；：ΐ考？比:數位(a/d)轉換與影像傳送等功能 整體結構相ί;;:昂；避免採用高壓或高頻電路設計， 傳統大型或微型之井★显禮+ 規格之矩形石英容i (ΐ;曰儀；測试時均使用生化用標準 檢體的央*V求(車Γ大乘以底面積為—公分見方，等於 液(體必==患之關節的滑 液，然而-般人之關節的滑液入=icc之關節的滑 抽太多以免傷及關節），當抽 ^出量很低（也不能 檢，驗。 不足日守，會導致無法進行 此外，由於檢體之種類眾多， 例如：蔗糖（係比旋光度66.6度之六有#些^檢體（參閱附件一） (係比旋光度52. 5度之右旋性物質）疋罢生物質）、葡萄糖 -91. 9度之左旋性物質）等皆 偏 糖（係比旋光度 般光源來檢測，所測得之數據盘特性物質，若以一 像〃只際值間之誤差很大（或 第7頁 M281174 四、創作說明（4) 無法檢測）。 而具有偏振光特性之物質尚包括：自然界之寶石及礦 物質（石英）、人體的印子纺錘體、膠原蛋白、尿酸結晶鹽 、蛋白質、氨基酸、糖、立體結構光學不對稱的生物分子 。由於有些礦物質的光學性質因方向而異，對光波的選擇 吸收和吸收總強度也隨方向改變，若用非偏振光來檢測時 ，誤差會很大（或無法檢測）。 舉例而口，對於痛風患者，其關節之滑液中含有尿酸 鹽之結晶成份，且尿酸鹽之結晶具有"偏振光特性，，，但是 ，傳統生化光電檢測結構並沒有可以檢測具偏光特性之生 化檢體的設計，因此，所測得之數據與實 大，，法精確且迅速的確定患者病情（痛風之嚴門重之:度）， 不僅谷易誤判，也無法施予正確的治療。 所以’傳統檢測系統之缺點可條列如下： [1 ]·無法檢測具偏振光特性的生化檢體。 [2]·檢體所需的量較多。 [3 ]·光學系統複雜且售價高。 [4]·單光程之靈敏度低。 因此，有必要開發出新技術以解決上述缺點。 【創作内容】 ’ 本創作之主要目的，在於提供一種偏振光吸收式生化 光電檢測系統，其可檢測具偏振光特性之生化檢體。 夬雷浐Ji ί : ί目的’在於提供一種偏振光吸收式生化 光電k測系、、先，其所需檢體需求量少。

M281174 3、創作說明（5) 本創作之又一目的，在於提供—種偏振光吸收 ^電檢測系統，其具備光學系統簡單且售價低的市場競^ 本創作之再一目的，在於提供一種偏振光吸收 光電檢測系統’其為雙光程之設計，靈敏度高。 其包ί創作係、提供—種偏振光吸收式生化光電檢測系統， 柱容器有一預定之凹部深度及—預定 直：之圓形容納凹部’用以容置一檢體， ： —第一端及一第二端； 口狂备具有 :平面鏡，設於該圓柱容器之第—端附近， 射其上之光束沿原路徑反射回去； 、才又 一準直透鏡，設於該圓柱容器之第二端外側· 光纖一偏=分割器，具有一偏振光分光稜鏡、-導入 九纖、一導出光纖及一雙向光纖； 々入 之第：f以產生一預定波長範圍且具有-初始強度 相互轉：分之一波片，'以作為線偏振光與圓偏振光間之 ，一檢知器，用以檢知所接收之光之最終強 一 Λ 5虎比較單元，用以比較該導 又 最終強度與該初始強度之差異；ν出先纖所接收之光的 ^此，該導入光纖係將具有線偏振特性之 並牙透該偏振光束分割器之偏振光分光稜鏡，變=

第9頁 M281174 創作說明（6) 有線偏振特性之第二光束，3第二光束經該雙向光纖進入 該準直透豸，且在導出該準直透鏡時擴散成—接近該凹部 直徑，具有線偏振特性之第三光束； °亥第—光束進入並導出該圓柱容器後，變成一具有線 偏振特性之第四光束，該第四光束經過該四分之一波片後 變成一具有圓偏振特性之第五光束；該第五 平面鏡後’變成—具有圓偏振特性之第六光束並射，在 紅過，四刀之一波片後變成一具有線偏振特性之第七光束 t第=光束進入並導出該微量容器後變成一具有線偏振 之ΐί光束，1亥第八光束經過該準直透鏡後變成光束 ί: 線偏振特性之第九光束，該第九光束沿該雙向 偏振光分光稜鏡處，變成具有線偏振特性之第十 t束^皮反射轉向至該導出光纖而抵達該檢知器，進而由 兀計算出該圓柱容器中之檢體之吸收係數； 並配合調整该四分之-波片產生之校正 算出該檢體之濃度。 月度 本創作之上述目的與優點，不難 也—p t 之詳細說明與附圖I獲得深人瞭t下切選用貫施例 、實：：：】列實施例並配合圖式詳細說明本創作於後： .請參閱第二及第三圖，本創作係泛 生化光電檢測系統，其包括：一圓一種偏振光吸收式 、-準直透鏡3G、-偏振光束分割^器1G…平面鏡20 知器60及一訊號比較單元7〇。 °° ϋ、—光源50、一檢

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一第二端10B。 此平面鏡20，係設於該圓柱容器1〇之第一端1〇A附近 以將該光源50投射於其上之光束沿原路徑反射回去 該準直透鏡30，設於該圓柱容器1〇之第二端1〇β外侧 ，、有一偏振光分光稜鏡41、一 、一雙向光纖44及一四分之一 波片4 5係設於該平面鏡2 0與該 該偏振光束分割器4 0，具有 Μ導入光纖42、一導出光纖43、一 波片45，其中，該四分之一波片 圓柱容器10之間，用以作線偏振光與圓偏振光間的相^轉 該光源50，用以產生一預定波長範圍且具有一初始強 度之第一光束L1 ; 該檢知器60，用以檢知該導出光纖43所接收之光之最 終強度； 該訊號比較單元70 ’用以比較該導出光纖43所接收之 •光的最終強度與該初始強度之差異； 藉此，該光源5 0發出之具有線偏振特性之第一光束L j (例如為P波），係經該導入光纖42導入（參閱第四圖），並 在穿透該偏振光束分割器40之偏振光分光稜鏡41時變成具 -有線偏振特性之第二光束L2，再經該雙向光纖44進入該準 •直透鏡3〇，且在離開該準直透鏡30時擴散成一接近該圓柱

第11頁 M281174 四、創作說明（8) 容、10之凹部直徑D之具有線偏振特性之第三光束L3(理論 上其強度大體等於該第二光束L2，且仍為P波）；該第三光 束L3進入再導出該圓柱容器1 0後變成一具有線偏振特性之 第四光束（理論上因部份光束被該檢體1 2線偏振偏轉及吸 收，所以該第四光束L4比該第三光束L3弱，但仍為p波）， 該第四光束L4穿過該四分之一波片45後，變成一具有圓偏 振特性之第五光束L 5，該第五光束L 5照射至該平面鏡2 〇後 ’變成仍然具有圓偏振特性之第六光束L 6反射，並在進入 丨_且導出該四分之一波片4 5後，變成一具有線偏振特性之第 七光束L 7 (例如為S波）’該弟七光束L 7經過該圓柱容哭1 〇 後變成一具有線偏振特性之第八光束L8 (理論上因部份光 束再一次被檢體1 2線偏振偏轉及吸收，所以該第八光束L8 比弟七光束L 7弱’但仍為S波）’該第八光束l 8在經過該準 直透鏡30後變成光束集中且具線偏振特性之第九光束匕9 (理論上強度等於第八光束L8，且仍為S波），該具線偏振 特性之第九光束L9沿該雙向光纖44回到偏振光分光稜鏡41 處，由於與該二第光束L2相差90度，故無法穿透該偏振光 分光棱鏡4 1 ’反射出後變成具線偏振特性之第十光束^ 1 〇 #(係為S波），並經由該導出光纖43而抵達該檢知器6〇，進 而由該訊號比較單元70計算出該圓柱容器1〇中之檢體12之 吸收係數，並配合藉由調整該四分之一波片45之校正偏 角度，即可換算出該檢體1 2之濃度。 理論上，該第三光束L3在經過該檢體12時，

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12濃度較濃，則該第三光束]^3 (仍為s波）之偏轉角度較大 ’ t可由調整（例如手動轉動該四分之一波片45之角度）兮 四分之一波片45校正偏轉角度，使該第九光束L9(仍為s Λ 波）回到該偏振光分光稜鏡4 1處，變成具有線偏振特性之 ^十光束L10並被反射轉向至該導出光纖43而抵達該檢知 器6 0 〇 故’由該訊號比較單元70計算出該圓柱容器丨〇中之檢 2之吸收係數及該四分之一波片45校正偏轉角度，可換 •I算或對應出該檢體1 2之濃度。 、 關於本創作之光束行經路徑已於上段詳述，而本創作 之基本原理係利用偵測行經檢體丨2兩次後的可見光偏振光 準i光波的衰減量或偏振光偏轉角度（即每經過檢體丨2 一 -人將衰減一次）’而得知該具偏振特性之檢體丨2的光吸收 度或比旋光度。本系統測定的對象是具偏振特性之檢體i 2 &生化反應後的呈色物質或比旋光度，呈色物質溶液的顏 色深淺或比旋光度與其濃度有一定的關係，濃度大時色深 或比旋光度大，濃度小時色淺或比旋光度小，量測呈色物 質顏色的深淺或比旋光度大小即可測得待測檢體丨2的濃度 •，由建立呈色度與生化成份的濃度關係對照表，來測得檢 體1 2中所含生化成份的濃度。 以旋光儀測量物質之比旋光度，顯示溶液之比旋光度 與溶液中所含物質之旋光能力、溶液性質、溶液濃度、樣 品管長度及溫度等均有關係。其應用實例、相對關係及計 算方式請參閱附件一。

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生化檢測中的免疫反應抗原或抗體常接上金膠體做為 呈色物質。當呈色物質（Blue Latex)濃度變化時，光電感 測卑元之電壓大小也隨著改變，電壓大小與濃度變化的量 有一定關係，濃度變化的量可由數位三用電錶直接量測光 電感測單元之類比輸出端電壓而獲得。經實驗獲得呈色物 貝（B 1 u e L a t e X );辰度變化與電壓大小關係曲線圖與『比 爾-藍柏特（Beer-Lambert)定律』一致。 貫務上’本案之部份元件之較佳使用規格如下： 各光纖（含導入光纖4 2、導出光纖4 3及雙向光纖44)為 凹部直徑1.00mm ;數值孔徑為0.44之多模塑膠光纖； 光源50為發光二極體，其光譜如第五圖所示，峰值波 長為590nm; 檢知器60為石夕光檢知器（Si PIN photo detectQr〇， <光纖麵合後之輸出功率為5 〇 # W。 圓柱谷器1 0的圓形容納凹部11之凹部直徑D為5釐书 (5cm)，而其凹部深度D約〇·ΐ微米（0.0 00 1 cm)，所以檢體 U之體積只有（3.14x52)/4x〇.〇〇〇i = 〇.〇02cc，即約千分之 二 CC ° 綜上所述’本創作之優點及功效可歸納為·· [1].可檢測具有偏振光特性的檢體。針對具偏振光 性之檢體（如尿酸結晶鹽、膠原蛋白等等），由於本創' 用線偏振光來穿透檢體，故可對具有偏振光特性之檢體淮 行檢測，以精確的計算出該容器中之檢體之比旋光度（产 度），進而能進行後續的分析、研判或診斷。 展

第14頁 M281174 四、創作說明（11) """ — 1 [2 ]·檢體所需的量極少。本創作之圓柱容器所需之檢 體之體積極/、，約為千分之二cc，約為傳統最低檢體量 1 CC之五百分之一，換言之，極少量的檢體即可進行檢測 ，，在醫事或生化檢驗上之可適用性更廣。 制[3 ]·光學系統簡單且售價低。本創作之系統簡單，可 ΞΠί特性之檢體之專用機型，例如痛風患者檢體 g =儀，八偏振光特性結晶體之濃度檢測儀，商業推廣性 [4 ]·雙光各之靈敏度高。本創 光束穿透檢體之戈IΛ A @ β A Α 雙先耘设計將 度提高。m…人k成兩次，因此，整體之靈敏 以上僅曰从 施例所做的佳實施例詳細說明本創作，對於該實 與範圍。_間早修改與變化，皆不脫離本創作之精； 由以上註4 Μ 確可達成前述二曰月’可使熟：本項技藝者明瞭本創作的 專利申請。目的，實已符合專利法之規I爰提出= 【附件】 附件一：以旋氺美 疋九儀測量物質之比旋光度 昇方式。 〈軏例及其相關計

第15頁 M281174 m 圖式簡單說明 【圖式簡早說明】 第一圖係傳統式微 第二圖係本創作之 第三圖係本創作之 第四圖係本創作之 第五圖係本創作之 【圖式元件符號說 1 0圓柱容器 10B第二端 12檢體 30準直透鏡 41偏振光分光稜鏡 43導出光纖 45四分之一波片 6 0,檢知器 9 1光學鏡頭 9 3分光元件 9 5感光元件 D凹部直徑 L2第二光束 L4第四光束 L6第六光束 L8第八光束 L10第十光束 型光譜儀糸統之基本架構之不意圖 糸統架構之不意圖 光學糸統部份之不意圖 光束路徑簡化之示意圖 光源之光譜之示意圖 明】 1 0 A第一端 11圓形容納凹部 2 0平面鏡 4 0偏振光束分割器 42導入光纖 4 4雙向光纖 5 0光源 7 0訊號比較單元 9 2傳統光源 94微繞射元件 Η凹部深度 L1第一光束 L3第三光束 L5第五光束 L7第七光束 L9第九光束

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Claims (1)

1. M281174 五、申請專利範圍 其包括： 及一預定之凹 體，該圓柱容 一種偏振光吸收式生化光電檢測系統， 一圓柱容器，具有一預定之凹部深度 部直徑之圓形容納凹部，用以容置一檢 器具有一第一端及一第二端； 一平面鏡，設於該圓柱容器之第一端附近，用以將 投射其上之光束沿原路徑反射回去； 一準直透鏡，設於該圓柱容器之第二端外側； 一偏振光束分割器，具有一偏振光分光稜鏡、一導 入光纖、一導出光纖及一雙向光纖； 一光源’用以產生-預定波長範圍且—初始強 度之第一光束； 一四分之一波片 之相互轉換； 用以作為線偏振光與圓偏振光間 一檢知器，用以檢知所接收之光之最終強度； :訊號比較單元’用以比較該導出光纖“收之光 的最終強度與該初始強度之差異；

   、藉此，該導入光纖係將具有線偏振特性之第一光束 導入並穿透該偏振光束分割器之偏振光分光稜鏡，變 成一具有線偏振特性之第二光束，該第二光束經該雙 向光纖進入該準直透鏡，且在導出該準直透鏡時擴散 成一接近該凹部直徑之具有線偏振特性之第三光束； 該第三光束進入並導出該圓柱容器後，變成一具有線 偏振特性之第四光束，該第四光束經過該四分之一波 片後變成一具有圓偏振特性之第五光束；該第五光束

   第17頁 M281174 五、申請專利範圍

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   照射至該平面鏡後，變成 束並反射，在經過該四分 振特性之第七光束，該第 器後變成一具有線偏振特 經過該準直透鏡後變成光 第九光束，該第九光束沿 稜鏡處，變成具有線偏振 向至該導出光纖而抵達該 單元計算出該圓柱容器中 調整該四分之一波片產生 出該檢體之濃度。 如申請專利範圍第1項所 檢測系統，其中，該圓柱 平板，其上刻有一圓形平 圓形容納凹部之凹部直徑 度介於0· 05至1 · 5微米間。 如申請專利範圍第1項所 檢測系統，其中，該檢體 該第三光束之強度大體 該第四光束之強度比該 該第八光束比第七光束 該第九光束與該第二光 該偏振光分光稜鏡而直接 該第九光束之強度大體 一具有圓偏振特性之第六光 之一波片後變成一具有線偏 七光束進入並導出該微量容 性之第八光束，該第八光束 束集中之具有線偏振特性之 該雙向光纖回到偏振光分光 特性之第十光束並被反射轉 檢知器，進而由該訊號比較 之檢體之吸收係數；並配合 之校正偏轉角度，即可換算 述之偏振光吸收式生化光電 谷器係為一長方形透明塑膠 凹槽狀之圓形容納部，且該 為4至6釐米，而其凹部深 述之偏振光吸收式生化光電 係具有偏振光特性者，且： 等於該第二光束； 第三光束弱； 弱； 束相差約90度’故無法 反射； U 等於第八光束。