TW202127010A

TW202127010A - 吸收光譜偏移偵測方法

Info

Publication number: TW202127010A
Application number: TW108148651A
Authority: TW
Inventors: 郭文凱; 林煒薪
Original assignee: 國立虎尾科技大學
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2021-07-16
Also published as: TWI716247B

Abstract

本發明的吸收光譜偏移偵測方法包括接收輸出光束的吸收光譜，吸收光譜包括上升緣及下降緣；定義對應吸收光譜的上升緣及下降緣的兩偵測波長；取得兩偵測波長的光強度，兩偵測波長對應吸收光譜的上升緣及下降緣；計算兩偵測波長的光強度以得到差動信號；及比較初始的差動信號及新的差動信號，在新的差動信號不等於初始的差動信號時判斷新的差動信號對應的吸收光譜發生偏移。

Description

吸收光譜偏移偵測方法

本發明與光學感測方法有關，特別是指一種吸收光譜偏移偵測方法。

表面電漿共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是自由電子在金屬層與介電層產生縱向震盪的現象。當激發時，反射光能量會完全轉換成表面電漿波，此時特定波長的反射光強度趨近於零，此即為吸收光譜，反射光強度最低的波長稱為共振波長。當金屬厚度改變或介電層折射率有微小變化時，易造成共振波長的偏移，常被廣泛運用在物理、化學、生醫與生物感測器上。

因為改變表面電漿共振元件的表面介質的折射率改變時會讓吸收光譜的共振波長發生偏移的現象，目前對於透過表面電漿共振系統或其他類似的感測系統輸出的吸收光譜需要透過光譜分析儀才能準確地量測，且需要耗費大量地量測時間，不利於商品化。

有鑑於上述缺失，本發明的目的在於提供一種吸收光譜偏移偵測方法，其可透過偵測吸收光譜的上升緣及下降緣的光強度差動信號來偵測吸收光譜的偏移，且不需使用光譜儀，以達到簡易、低成本及快速檢測的目的。

為了達成上述目的，本發明的吸收光譜偏移偵測方法包括接收輸出光束的吸收光譜，吸收光譜包括上升緣及下降緣；定義對應吸收光譜的上升緣及下降緣的兩偵測波長；取得兩偵測波長的光強度，兩偵測波長對應吸收光譜的上升緣及下降緣；計算兩偵測波長的光強度以得到一差動信號；及比較初始的差動信號及新的差動信號，在新的差動信號不等於初始的差動信號時判斷新的差動信號對應的吸收光譜發生偏移。

如此，本發明的吸收光譜偏移偵測方法可以透過兩偵測波長的光強度的差動信號變化得知吸收光譜的偏移。

有關本發明所提供之吸收光譜偏移偵測方法的詳細環境、裝置、系統、使用或運作方式，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本發明所列舉的特定實施例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。

以下，茲配合各圖式列舉對應之較佳實施例來對本發明的吸收光譜偏移偵測方法的技術及達成功效來作說明。然各圖式中系統的構件、組成及對應流程僅用來說明本發明的技術特徵，而非對本發明構成限制。

如圖1所示，本發明的光譜偏移偵測方法的程序10包括五個步驟，分別是接收11、定義13、取得15、計算17及比較19。接收11的步驟是接收表面電漿共振(surface plasmon resonance, SPR)感測系統輸出的輸出光束的吸收光譜，吸收光譜包括上升緣及下降緣。定義13的步驟是定義對應吸收光譜的上升緣及下降緣的兩偵測波長。取得15的步驟是取得兩偵測波長的光強度，兩偵測波長對應吸收光譜的上升緣及下降緣。計算17的步驟是計算兩偵測波長的光強度以得到差動信號。比較19的步驟是比較初始的差動信號及新的差動信號，在新的差動信號不等於初始的差動信號時判斷新的差動信號對應的吸收光譜發生偏移。

應用中，當表面電漿共振感測系統的被測物有變化(例如成分改變或濃度改變等)後，輸出光束的吸收光譜特性也會有對應偏移，本發明的光譜偏移偵測方法可透過動態觀察差動信號來監視吸收光譜是否發生改變。

如圖2所示，接收11的步驟中，表面電漿共振感測系統30簡稱SPR感測系統，其包括光源31、第一凸透鏡32、偏振片33、第一光圈34、表面電漿共振裝置(簡稱SPR裝置)35、旋轉台36、第二光圈37及第二凸透鏡38。

光源31用以產生光線，本實施例中，光源31以鹵素燈為例，但其他實施例中，光源31也可以使用LED、燈泡或其他發光元件。光線可以是單頻譜光或多頻譜光，單頻譜光例如雷射光或單色光，多頻譜光例如全頻譜光。光線依序通過第一凸透鏡32、偏振片33、第一光圈34、SPR裝置35、第二光圈37及第二凸透鏡38。光線在SPR裝置35上激發表面電漿共振。

旋轉台37承載SPR裝置35，且可透過轉動改變SPR裝置35的角度。

如圖2所示，分離13的步驟是透過分光系統50，分光系統50是為了正確地定義兩偵測波長，以使兩偵測波長對應吸收光譜的上升緣及下降緣。本實施例中，分光系統50包括分光器(Beam Splitter)51、反射鏡53及帶通濾光器55。

分光器51接收第二凸透鏡38射出的輸出光束，且將輸出光束分離成第一偵測光束及第二偵測光束。第一偵測光束是以第一入射角通過帶通濾光器55。第二偵測光束是透過反射鏡53改變入射角度後，以第二入射角通過帶通濾光器55。第一偵測光束及第二偵測光束是對應兩偵測波長(如圖4的λ₁ 及λ₂ )的位置，因此，本實施例可透過調整帶通濾光器55的角度來調整兩偵測波長，以使兩偵測波長大致位在輸出光束的吸收光譜的上升緣及下降緣的中間，且兩者是對齊的。

如此，中間位置可以獲得較靈敏的檢測，在輸出光束的光譜發生位移時，監視光譜的上升緣及下降緣的中間具有較佳地檢測靈敏度。

帶通濾光器55的濾波範圍是可以被調整的，本實施例的帶通濾光器53的濾波範圍是620 nm-700 nm，帶通寬度是13nm，其他實施例的可以選用其他能力的帶通濾光器53來調整濾波範圍及帶通寬度。

其他實施例中，如圖3所示，分光系統60包括第一反射式濾光器61及第二反射式濾光器63。第一反射式濾光器61接收第二凸透鏡38射出的輸出光束，以產生第一偵測光束及一穿透光束，第一偵測光束被反射至差動處理系統70，穿透光束通過第一反射式濾光器61。第二反射式濾光器63接收穿透光束，以反射第二偵測光束至差動處理系統70。第一偵測光束及第二偵測光束分別對應兩偵測波長(如圖4的λ₁ 及λ₂ )。如此，分光系統60也能透過第一反射式濾光器61及第二反射式濾光器63來偵測兩偵測波長的光強度。

如圖2所示，取得15、計算17及比較19的步驟是透過差動處理系統70，其接收帶通濾光器55輸出的對應第一偵測光束及第二偵測光束的兩帶通光束，並將光轉換成電信號，所以差動處理系統70也稱為光電轉換系統。透過上述說明可知，兩偵測波長大致位在吸收光譜的上升緣及下降緣的中間，且兩者是對齊的，因此，初始時兩偵測波長的光強度應是一致，透過差動處理系統70計算後初始的兩偵測波長的光強度的差動信號應為零。其他實施例中，初始的差動信號也可以不為零。

差動處理系統70包括第一光偵測裝置71、第二光偵測裝置72、低雜訊放大裝置(或稱差動訊號放大裝置)73、資料擷取卡74及電腦75。第一光偵測裝置71及第二光偵測裝置72分別接收兩帶通光束，並調整光強度，以平衡兩帶通光束的光強度。

本實施例中，第一光偵測裝置71包括透鏡711、光圈713及光偵測元件715，第二光偵測裝置72包括透鏡721及光偵測元件723，其中，光圈713用以管制入射光的光強度，以平衡第一光偵測裝置71及第二光偵測裝置72的入射光的光強度，光偵測元件713、725是用以將光信號轉換為電信號。

低雜訊放大裝置73是接收光偵測元件713、725輸出的電信號。資料擷取卡74依序處理電信號，並將處理後的電信號匯入電腦75中。低雜訊放大裝置73是使用Stanford Research SR560，以提供處理後的電信號給資料擷取卡74及電腦75。

如圖4所示，初始的輸出光束(實線)的兩偵測波長λ₁ 及λ₂ 的光強度的差動信號應為零，圖上可明顯得到新的輸出光束(雙點鏈線)相較於輸出光束(實線)發生偏移，因此，發生偏移現象時新的輸出光束在兩偵測波長λ₁ 及λ₂ 的位置所獲得的光強度是不同的，經計算及比較後可得新的輸出光束在兩偵測波長λ₁ 及λ₂ 的差動信號與初始的差動信號不相等，偵測波長λ₁ 的光強度大於偵測波長λ₂ 的光強度，初始與新的兩偵測波長λ₁ 及λ₂ 的存在光強度差ΔR。此外，從圖上可看出光強度差ΔR的變化程度較波長變化程度Δλ更為明顯。

如圖5所示，第一偵測光束及第二偵測光束分別對準入射角30度及48度，而得到48度的吸收光譜(實線)及30度得吸收光譜(單點鏈線)，並透過輸出光束的吸收光譜(粗虛線)可看出兩偵測波長大致是位在上升緣及下降緣的中間。

本發明的吸收光譜偏移偵測方法只需要偵測波長的光強度差動變化即可獲得吸收光譜偏移狀態，因此，本發明可以達成快速檢測的目的。

再者，透過差動處理系統來消除兩帶通光譜的共通雜訊(common noise)來獲得更好的檢測能力，共通雜訊例如光源浮動與背景光的雜訊等，使本發明對環境雜訊有更好的免疫性，因為光學檢測的過程中環境雜訊容易影響實驗結果，因此，本發明可以達到即時監控數據並消除雜訊，使靈敏度與解析度得到良好的提升。

實驗中，依次在SPR裝置內增加水的蔗糖濃度，以在三個不同的時間點將液體的折射率從0％更改為0.179％，0.304％和0.396％。圖6是差分處理系統的電壓相對時間的信號圖，圖7是差分處理系統中電壓相對折射率的信號圖。圖中顯示，對於折射率小於1.3336可獲得良好的線性度，系統的靈敏度為1429 V / RIU。從圖6中的局部放大5000倍圖可以發現本發明能將雜訊限制(壓低)在0.01 V(0.865V-0.875V)的雜訊峰值。

最後，再次強調，本發明於前揭實施例中所揭露的構成元件，僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他等效元件的替代或變化，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。

10:程序 11:接收 13:定義 15:取得 17:計算 19:比較 30:表面電漿共振感測系統 31:光源 32:第一凸透鏡 33:偏振片 34:第一光圈 35:表面電漿共振裝置 36:旋轉台 37:第二光圈 38:第二凸透鏡 50:分光系統 51:分光器 53:反射鏡 55:帶通濾光器 60:分光系統 61:第一反射式濾光器 63:第二反射式濾光器 70:差動處理系統 71:第一光偵測裝置 711:透鏡 713光圈 715:光偵測元件 72:第二光偵測裝置 721:透鏡 723:光偵測元件 73:低雜訊放大裝置 74:資料擷取卡 75:電腦 λ₁ 、λ₂ :偵測波長

圖1是本發明的吸收光譜偏移偵測方法的步驟流程圖。圖2是應用本發明吸收光譜偏移偵測方法的實施例的環境的示意圖。圖3是應用本發明吸收光譜偏移偵測方法的實施例的另一環境的示意圖。圖4是初始的輸出光束及新的輸出光束的光譜圖。圖5是初始的輸出光束、第一偵測光束及第二偵測光束的吸收光譜的光譜圖。圖6是圖2中差分處理系統產生的電壓-時間信號圖。圖7是圖2中差分處理系統產生的電壓-折射率的信號圖。

10:程序

11:接收

13:定義

15:取得

17:計算

19:比較

Claims

吸收光譜偏移偵測方法，包括下列步驟：接收一輸出光束的一吸收光譜，該吸收光譜包括一上升緣及一下降緣；定義對應該吸收光譜的該上升緣及該下降緣的兩偵測波長；取得該兩偵測波長的光強度，該兩偵測波長對應該吸收光譜的該上升緣及該下降緣；計算該兩偵測波長的光強度以得到一差動信號；及比較初始的該差動信號及新的該差動信號，在新的該差動信號不等於初始的該差動信號時判斷新的該差動信號對應的該吸收光譜發生偏移。
如申請專利範圍第1項所述的吸收光譜偏移偵測方法，其中，該輸出光束是透過一表面電漿共振感測系統產生。
如申請專利範圍第1項所述的吸收光譜偏移偵測方法，其中，該定義包括一分光系統來決定該兩偵測波長。
如申請專利範圍第3項所述的吸收光譜偏移偵測方法，其中，該分光系統包括一分光器、一反射鏡及一帶通濾光器，該分光器接收該輸出光束以產生一第一偵測光束及一第二偵測光束，該反射鏡反射該第二偵測光束，該帶通濾光器接收該第一偵測光束及該第二偵測光束，該第一偵測光束及該第二偵測光束是對應該兩偵測波長。
如申請專利範圍第4項所述的吸收光譜偏移偵測方法，其中，該取得、該計算及該比較包括一差動處理系統，接收及處理該第一偵測光束及該第二偵測光束以獲得對應的光強度。
如申請專利範圍第3項所述的吸收光譜偏移偵測方法，其中，該分光系統包括一第一反射式濾光器及一第二反射式濾光器，該第一反射式濾光器接收該輸出光束以產生一第一偵測光束及一穿透光束，該第二反射式濾光器接收該穿透光束以產生一第二偵測光束，該第一偵測光束及該第二偵測光束是對應該兩偵測波長。
如申請專利範圍第6項所述的吸收光譜偏移偵測方法，其中，該取得、該計算及該比較包括一差動處理系統，接收及處理該第一偵測光束及該第二偵測光束以獲得對應的光強度。
如申請專利範圍第1項所述的吸收光譜偏移偵測方法，其中，初始的該差動信號等於零。
如申請專利範圍第1項或第8項所述的吸收光譜偏移偵測方法，其中，該兩偵測波長是對應該吸收光譜的該上升緣及該下降緣的中間。