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1、161 雙光程吸收式生化光電檢測系統雙光程吸收式生化光電檢測系統 李世文 1 莊正當2陳德請3陳育聖4 1中華技術學院電機工程學系 2中山科學研究院 3逢甲大學電機工程學系 4逢甲大學光電學系 摘要摘要 本研究的目的是在設計一種偵測行經生 化檢體兩次後的可見光準直光的衰減量而得 知檢體的光吸收度的雙光程吸收式生化光電 檢測系統，其優點為所需檢體量少、光學系 統簡單且成本低、雙光程靈敏度高且因使用 發光二極體為光源可省去使用濾光片及無發 熱問題。 關鍵字：光電檢測、生化、雙光程。 Abstract The purpose of this research is to design a kind
2、of detect the amount of reduction of collimatedbeam of visible light passing by the sample to know the absorbance of the sample. The detective object of this system is the lable which the sample produces after Biochemical reaction. After measuring the absorbance of the lable we can obtain the concen
3、tration of the waiting-measured sample and further obtain the concentration contained in the sample. The process of the doublepath increase the opportunities that the collimatedbeam is absorbed which raise the detective sensitivity of this system to measure the electric circuit. Keywords : photo det
4、ection , bio-chemical , doublepath. . 前言前言 光機電整合系統應用於量測方面是科 技進展不可避免的趨勢，而此研究目的在 設計一簡單易攜帶的雙光程吸收式生化光 電感測系統。雙光程吸收式生化光電檢測 系統主要分為四大部份：導光光纖單元、 光電感測單元（含光發射端、光接收端） 、 稜鏡反射鏡及數位訊號處理單元（含資料 處理及顯示介面電路） 。 . 雙光程吸收式生化光電檢測原理雙光程吸收式生化光電檢測原理 雙光程吸收式生化光電檢測系統，其 基本原理為偵測行經檢體兩次後的可見光 的衰減量而得知檢體的光吸收度。本系統 測定的對象是檢體經生化反應後的呈色物 質，呈色物質
5、溶液的顏色深淺與其濃度有 一定的關係，量測呈色物質的某一波長光 吸收度，即可測得待測檢體的濃度，由建 立光吸收度與生化成份濃度關係的對照表， 來獲得檢體中所含生化成份的濃度。由 Beers Law 知道，一般單色光穿過被測檢 體溶液時，被該檢體吸收的量與該檢體的 濃度和檢體的厚度(光路長度)成正比，其關 係如下式：；T 為透LCETA*log 光率；A 為光吸收度；E 為吸收係数，C 為溶液中所含被測檢體的濃度，L 為溶液 厚度，從以上公式可知增加溶液厚度或是 162 增加單色光在被測檢體溶液光路程，就可增 加光吸收度，本系統採用增加光路程即偵測 行經檢體溶液兩次後可見光的光吸收度，讓 可見光
6、準直光行經檢體溶液兩次方法是使用 稜鏡反射鏡，系統架構如圖 1 所示； 圖 1. . 雙光程吸收式生化光電檢測系統圖 因為增加溶液厚度即需增加檢體的量， 相對就增加檢測成本，但是有時候根本無法 獲得那麼多檢體的量，利用此系統即可改善 此因素。整套光電檢測系統包含(1)光電感測 單元如圖 2 所示、(2)導光光纖單元、(3)待測 試之檢體及(4)稜鏡反射鏡。其中光電感測單 元包含：光發射端及光接收端。 圖 2. 光電感測單元示意圖 系統中的稜鏡反射片功能係將光電感測 單元發射端發出的準直光波穿越檢體之後， 行反射作用，使準直光波又穿越檢體一次， 回到光電感測單元接收端，雙光程光學架 構如圖 3
7、所示。 圖 3. 雙光程光學架構示意圖 本系統因使用準直光及稜鏡反射鏡， 對對焦較不敏感，另外此光電感測單元中 光源為經調變的發光二極體，使系統具抗 外界光源干擾能力。發光二極體放射光譜 峰值剛好位於呈色物質的吸收光譜帶峰值， 因此可省去濾光片。綜合本系統有以下四 項優點：（1）對光容易（稜鏡反射鏡及平 行光的使用） 、 （2）光學系統得以簡化（與 一般穿透式相比；使用反射式） ；（3）檢 體的所需的量較少（使用微量容器的設計） ； 雙光程使用吸收光程增加一倍（與一般穿 透式相比） ，因此可提升系統靈敏度； （4）光源使用發光二極體具省電、不必使 用濾光片（輻射光譜與呈色物質之光譜相 匹配）及
8、無發熱的問題。 .1.1 光發射端光發射端 此光電檢測電路使用發光二極體 （LED）為光源，與一般光源如鎢絲燈比較 之下，發光二極體具有以下幾項優點，包 括體積小、反應速度快、高亮度、壽命長、 穩定性佳等，且使用發光二極體所需的 163 驅動電路製作成本又比半導體雷射低。因為 LED 所發射的光源必須是發射波長峰值匹配 生化檢體吸收波長峰值，所以我們此光電感 測單元發射光源採用發射光波長峰值在 540 nm 的綠光 LED 如圖 4。 圖 4. LED 光源發射光譜圖 LED 是一種由電流驅動元件而非由電壓 驅動，因此要使 LED 產生較強的發射光束， 必須供給較大的順向電流 IF，但發射光束
9、強 度與供給電流量不完全成正比，因為暗電流 也會隨 IF增大而增大。當 IF大到某一種程度 時元件會呈飽和工作狀態，若 IF再大會使元 件崩潰。而元件長時間處於大電流工作狀態 下，久而久之元件發光效率也會因材料發熱 老化而衰減。為避免 LED 發光效率衰減過快， 改以脈衝電流推動元件，即在固定週期下供 給一個瞬間定電流。我們使用運算放大器 (LM324M)搭配電容器成為多諧振盪電路。 .2.2 光接收端光接收端 光電檢測系統的準直光路徑是來回反射 檢體，入射光與反射光皆由導光光纖傳送， 光接收端將反射光由聚光鏡聚焦在檢知元件 上，光接收端包括檢知器、濾波電路與放大 器。 常用的受光元件為光二極
10、體，其特性為 入射光量與輸出電流成線性正比變化，但隨 受光量的增加，P-N 接面的 I-V 特性曲線會 往下改變，而使 P-N 接面的少數載子電流 增大，即所謂的暗電流（Dark Current）增 加，而光二極體的反應速度與 P-N 接面電 容大小有關。而在使用光二極體時有兩種 工作狀態 photoconductive（PC）與 photovoltaic（PV）可以選擇，PC 工作狀態 是施加逆向偏壓在光二極體兩端，這樣可 以擁有較小的接面電容與較高的頻率響應， 反應速度也較快，適合用在需高速反應場 合，但施加偏壓也會使得光二極體暗電流 增大。PV 工作狀態時則不外加偏壓於光二 極體上，因此
11、可以減少暗電流的產生，以 及可獲得不錯的受光線性度。光二極體受 光後會產生電流，由於在電路上是要量測 電壓的變化，所以要先將電流訊號轉換成 電壓訊號，在 PC 或 PV 工作狀態下都可以 用外加電阻或搭配放大器來將電流轉換成 電壓，但因光二極體受光後輸出的電流很 微小，轉換成電壓輸出時通常只有 mV 或 uV，不利我們量測，所以若光二極體以外 加電阻方式轉換電流成電壓，需將電阻值 加到很大，但這樣會因電阻的增大而增大 雜訊。所以我們選擇使用運算放大器 （LM324M）來做電流電壓轉換與訊號放大 的工作，因加上放大器的關係，所以光二 極體兩端視為接地，電壓差視為 0V，這使 得兩端的接面電容可以
12、忽略，而可獲得不 錯的頻率響應。而為了要增大可接收發光 源波長範圍，我們使用光電晶體當作受光 元件，光電晶體是由一個加逆向偏壓的光 二極體與電晶體所組成，即讓光二極體以 PC 工作狀態操作，光譜響應曲線如圖 5 所 示。 164 圖 5. 光電晶體光譜響應曲線圖 在濾波電路前加上一個可變電阻，藉由 電阻值的改變，我們可以微調此檢知器的靈 敏度。為避免所接收的光訊號裡包含了不想 一起放大的雜訊，如日光燈訊號，我們利用 電容與電阻所組成的高通濾波器（High Pass Filter）將日光燈所產生的 120Hz 訊號去除掉。 因為光電晶體所產生的電流訊號很微小，為 了使之後輸出的電壓變化訊號量測易
13、於分析， 所以我們利用放大器（LM324M）元件將輸 出訊號藉由負回授加以放大。光二極體在有 外加逆向偏壓或受足夠光照射時，外在環境 所存在的電磁波干擾對電路影響不大，但若 沒在上述條件工作時，電磁波的干擾將會變 的很明顯，因此為避免外在電場所生成的電 磁波影響輸出訊號，我們在光電感測單元電 路外圍加上金屬屏蔽，以降低電磁場對電路 系統的影響。檢知器、濾波電路與放大電路 設計如圖 6 所示。 圖 6.電路設計圖 . 討論討論 165 本研究已設計及研製完成了雙光程微 量吸收式生化光電檢測系統，完成的硬體 部分包括了，LED 光源發射驅動電路、檢 知器電路、濾波電路、放大電路。光電感 測單元電路
14、經過系統組測後，其輸出電壓 變化範圍在 3V 之內。系統功能驗證我們是 使用金膠體加逆滲透(R.O.)過濾水稀釋，來 測試系統的靈敏度，經測試結果如下：圖 7a，濃度高於原始試劑的十分之一，電子 信號即無法檢出。濃度界於 1%0.1%之間 的線性度還可以。圖 7b 所示，當濃度低於 原始試劑的千分之一即無法分辨。因此， 當某一待測檢體之測試後光吸收度落在上 述可靠的線性區間中，則可以反推出其相 對濃度值。 圖 7a. 檢體相對濃度與吸收度關係 圖 7b. 檢體相對濃度與吸收度關係 圖 8. LED 光源發射頻率與強度 此硬體特色為製作成本所費不高且 其大小符合易攜帶要求，以後只要對其 發射光源
15、波長做改變，即可檢測各種不 同的生化檢體，而不需在設計另一種光 電感測單元電路。目前輸出訊號部分只 在於電壓變化量分析，因為運用電腦來 作數據分析，是目前科技發展所不可避 免的趨勢，將來若能將後續輸出訊號的 資料處理單元與數位顯示介面完成，並 將電路以 SOC 方式製作，以後將能透過 簡易的光電量測系統，快速地對生化檢 體作初步分析。 . 參考文獻參考文獻 166 1. D.Renker, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 527, p.15, 2004. 2. John Wilson and John Hawkes, Optoelectronics, Prentice Hall, p.293, 1998. 3. 翁三偉, 微光偵測器的設計, 台灣大 學碩士論文, 2002. 4. 羅煥茂, 感測器, 電子技術出版社, p.65, 1995. 5. 鐘國家、謝勝治, 感測器原理與應用 實習, 全華科技圖書股份有限公司, p.7-1, 1996.
