多光程吸收式生化光電檢測系統 多光程吸收式生化光電檢測系統 1陳德請陳德請 2詹黃宗詹黃宗 2莊正當莊正當 1逢甲大學電機工程學系逢甲大學電機工程學系 2中科院第五研究所中科院第五研究所 摘要 摘要 多光程吸收式生化光電檢測系統，其基本原為偵測經檢體多次後的可光準直光束的衰減而得知檢體的光吸收。本系統測定的對象是檢體經生化反應後的呈色物質，測呈色物質光吸收即可測得待測檢體的濃及進一步獲得檢體中所含生化成份的濃。整套光電檢測系統包含:（1）光電收發單元； （2） 待測試之檢體； （3） 多光程光單元。多光程光單元係由反射鏡、分光鏡、折光鏡及輸出鏡等四者共同組成，因多光程作用，增加準直光束被吸收的機會而提高檢測系統偵測敏。 The biometric system of multipath absorption form whose basic principle is to detect the amount of reduction of collimated beam of visible light passing by the sample to know the absorbance of the sample. The detective object of this system is the label which the sample produces after Biochemical reaction. After measuring the absorbance of the label we can obtain the concentration of the waiting-measured sample and further obtain the concentration contained in the sample. The process of the multipath increase the opportunities that the collimated beam is absorbed which raise the detective sensitivity of this system. 簡介 簡介 多光程吸收式生化光電檢測系統，其基 本原為偵測經檢體多次後的可光準直 光束的衰減而得知檢體的光吸收。本系統 測定的對象是檢體經生化反應後的呈色物 質，由測呈色物質光吸收即可測得待測檢 體的濃，或由建呈色與生化成份的濃 關係對照表，測得檢體中所含生化成份的濃 。整套光電檢測系統包含（如圖一）:（1） 光電收發單元； （2）待測試之檢體； （3）多光 程光單元。多光程光單元係由反射鏡、分 光鏡、折光鏡及輸出鏡等四者共同組成，因多 光程作用，增加準直光束被吸收的機會，提升 對相同檢體的光吸收，以增強對低濃檢體 的檢出能。光電收發單元發射端發出的準直 光束經此多光程光單元及檢體之後，經輸 出鏡被光電收發單元接收端所接收。本系統因 使用具多光程作用的多光程光單元可提升 生化光電檢測敏，另外將電軟板、光檢 知器及光學鏡組組合成一體的組合導光單 元，低光束因光耦合被衰減及生產成本。綜 合本系統有以下三項優點： （1）多光程光具 被動式放大； （2）改變分光鏡及輸出鏡的反射 及穿透，系統可獲得同敏； （3）檢 體的所需的較少（多光程光使用，因此可 提升系統敏） 。 原 原 多光程吸收式生化光電檢測系統裝置 （如圖一） ，此多光程主要由前光程及後光程 依次循環多次經檢體所完成。前光程定義為 由光電收發單元發射端發射的準直光經分光 鏡分光之後的穿透光首先被折光鏡偏折，再 經容器（內裝待測檢體） ，抵達輸出鏡（如圖 二虛線箭頭所示） ；後光程定義為前光程的準 直光抵達輸出鏡之後分為穿透光與反射光，穿 透光被檢知器所檢知，反射光束循原前光程反 方向經容器、折光鏡及分光鏡到達反射鏡，再 被反射鏡反射及分光鏡部分分光(如圖二實線 箭頭所示)，準備進入下一個前光程光。其 檢測方法：首先將待測檢體（如已接上呈色物 質的抗原）注入容器內，將者一起置入系統 中，光電收發單元發射端的發光二極體光束經 組合導光單元(含準直光學組件)輸出成為準 直光，準直光經分光鏡分光之後的穿透光循前 光程通過容器(內裝待測檢體)及抵達輸出鏡之後分為穿透光與反射光，穿透光進入接收端 組合導光單元（含集光組件） ，被光電收發單 元的檢知器所檢知，反射光則循後光程及前光 程又再進入接收端組合導光單元，被光電收 發單元的檢知器所檢知，如此依次循環多次 經檢體即完成所謂多光程檢知。光檢知器將偵 測到的光信號轉為電信號，此微弱電信號又經 放大電所放大，顯示器將此放大電信號顯示 出（或顯示此檢體的光吸收） 。一般分光光 光譜儀敏低，所需檢體的較大，這個系 統敏高，檢體所需的可較少。由 Beer-Lambert定知道，一般單色光射穿過 被測物質溶液時，被該物質吸收的與該物質 的濃和液層的厚(光長)成正比，其關 係如下式：A=log T ECL；T 為透光；A 為光吸收；E 為吸收係数，採用的表示方法 是（E1 1cm） ，即吸收換算成溶液濃為 1(g/ml)，液層厚為 1cm的数值；C 為 100ml溶液中所含被測物質的重；L 為液層 厚(光長)，cm。由以上公式得知增加光 長可增加被測物質的吸收機會，可提高系 採的敏。至於多光程可獲得的敏，我 們分析如下：此多光程主要由前及後光程依 次循環所完成。在多光程系統中各道光的前光 程及後光程光信號經整如表一所示，接收端 最後所接收到的光信號為：(T1 TS T2)/(1-R1 2 TS 2 R2)。經預估一般單光程吸收式生化光電 檢測系統如果可測得透光為一千五百分之 一，則多光程吸收式生化光電檢測系統如果可 測得透光為三千分之一。 結 結 試驗相關條件如下為(1)試劑： Blue-Latex 加 RO 逆滲透過水稀釋；(2)使 用 500l 容器承裝，試液有效光程長 5mm， 如圖三所示；(3)使用波長 650nm 的 LED 如圖 四，此 LED 放射波長峰值剛好是 Blue-Latex 的吸收峰值。試驗結果濃在原試劑稀釋十分 之一以內，電子信號即無法檢出如圖五(a)。 濃界於 1%0.1%之間的線性還可以，如圖 五(b)所示。濃低於原始試劑的千分之一即 無法分辨。即試劑的濃太高及太低生化光電 檢測系統無法檢測到。此處試驗顯示，檢測 系統的敏好壞除與光電檢測系統設計有 關之外，有與(1)多光程光單元元件品質及 光單元光學對準(Optical Alignment)及(2) 容器光學面如前後面的平及平整有 很大關係。 考資考資： 1.Smith ,Warren J., Modern Optics Engineering, McGraw Hill, N.Y., 1990. 2.Smith ,Warren J., Modern Lens Design, McGraw Hill, N.Y., 1992. 3.Kingslake, Rudolf, Optical System Design, Academic Press, N.Y., 1983 4.Jenkins and White, Fundamentals of Optics, McGraw Hill, N.Y., 1957. 5.http:/elchem.kaist.ac.kr/vt/chem-ed/spec/beers law.htm 6.http:/elchem.kaist.ac.kr/vt/chem-ed/spec/spect ros.htm表表 一一 前光程光源部份 後光程檢知器部份 1 (T1TS)(R2TSR1) T1TST22 (T1TS)(R2TSR1)(R1TSR2TS) (T1TS)(R2TSR1)(R1TST2) 3 (T1TS)(R2TSR1)(R1TSR2TS)2(T1TS)(R2TSR1)(R1TS)(R2TSR1)(R1TST2) n (T1TS)(R2TSR1)(R1TSR2TS)(n-1)(T1TST2)(R12TS2R2)n T1TST2+ (T1TS)(R2TSR1)(R1TST2)+ (T1TS)(R2TSR1)(R1TS)(R2TSR1)(R1TST2)+ (T1TST2)(R12TS2R2)n-1 (T1 TS T2)/(1-R1 R1 TS TS R2)