Thiết kế, chế tạo cảm biến quang học sử dụng smartphone​

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - LÊ TRẦN THỊNH THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG HỌC SỬ DỤNG SMARTPHONE LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - LÊ TRẦN THỊNH THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG HỌC SỬ DỤNG SMARTPHONE Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8440130.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS MAI HỒNG HẠNH Hà Nội – Năm 2020 LỜI CẢM ƠN Lời em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Mai Hồng Hạnh, người tận tình hướng dẫn giúp đỡ em suốt trình làm luận văn trình học tập, nghiên cứu trường Từ tận đáy lịng em xin kính chúc gia đình mạnh khoẻ đạt nhiều thành công nghiên cứu Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô khoa Vật lý - Trường Đại học KHTN, đặc biệt thầy, cô giáo môn Quang lượng tử hướng dẫn tạo điều kiện cho em học tập hoàn thành luận văn Em xin cảm ơn thầy, giáo, cán Phịng Sau đại học, Phịng Cơng tác trị sinh viên, trường Đại học Khoa học Tự nhiên ĐHQGHN tạo điều kiện thuận lợi trình thực luận văn Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Hoàng, Tâm bạn/em khác nhóm ln hỗ trợ nhiệt tình cho tơi/anh suốt q trình hồn thành luận văn I also would like to thank International Foundation for Science (IFS), Stock-holm, Sweden, and by the Organisation for the Prohibition of Chemical Weapons (OPCW) grant for supporting this work Hà Nội, tháng năm 2020 Học viên Lê Trần Thịnh i This research was supported by the International Foundation for Science (IFS), Stockholm, Sweden, and by the Organisation for the Prohibition of Chemical Weapons (OPCW), through a grant to Dr Hanh Hong Mai Grant NO I-2-W-6258-1 ii Mục lục L˝IC MÌN MƯC LƯC Danh s¡ch h…nh v‡ Danh s¡ch b£ng Danh möc c¡c k‰ hi»u v M— U TŒng quan 1.1 Cảm biến quang học 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 iii Mục lục 1.2 Thiết bị cảm biến quang sử dụ 1.2.1 1.2.2 1.3 Một số chất hữu độc hại có 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 Thüc nghi»m 2.1 Cấu trúc thiết bị cảm biến quan 2.1.1 2.1.2 VNU University of Science Trang iv 2.2 Chuẩn hóa thiết bị 2.3 Nguồn sáng 2.3.1 2.3.2 2.4 Các thiết bị đo kiểm chứng 2.5 Ứng dụng xử lí ảnh K‚t qu£ v 3.1 Kết đo phổ hấp thụ thiết 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.2 Kết đo phổ huỳnh quang c smartphone 3.2.1 3.3 Kết đo phổ ứng dụn K‚t lu“n T i li»u tham kh£o DANH MÖC C C C˘NG TR NH KHOA HCCNG Bă LI N QUAN NLU NV N v Danh sách hình vẽ 1.1 Sơ đồ cảm biến quang học 1.2 Ống nhân quang điện [24] 1.3 Sơ đồ nguyên lí hoạt động ống nhân quang điện 1.4 Một số loại điốt quang hãng Thorlab [36] 1.5 Burried channel capacitor CCD pixel [4] 1.6 Cấu trúc CMOS [4] 1.7 Bộ lọc Bayer cách thức hoạt động lọc 1.8 Độ nhạy cảm biến CMOS có lọc Baye cảm biến CCD sử dụng máy quang p 1.9 Nội suy Bayer để tạo nên màu điểm ảnh 1.10 Hình ảnh điện thoại thông minh số hãn 1.11 Ánh sáng truyền qua dung dịch 1.12 Nguyên lý hoạt động máy đo màu [17] 1.13 Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để streptomycin hình ảnh camera ghi nhận kh qua mẫu Streptomycin) [16] 1.14 Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để tetracycline sữa (trái), thay đổi màu sắc nồng độ tetracycline thay đổi với màu hộp C D màu sắc khác hộp đựng h vi Danh sách hình vẽ 1.15 Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để thủy ngân [14] 1.16 Nguyên lý hoạt động máy quang phổ [29] 1.17 Bên máy quang phổ Ocean Optics USB400 1.18 Một khe hẹp hãng Thorlab với độ rộng khe 1.19 Một số lăng kính hãng Thorlab với vật liệu 1.20 Trong lăng kính tán sắc, chiết suất phụ thuộc vào bư màu khác khúc xạ góc khác trắng bị tách thành phổ [25] 1.21 Cách tử nhiễu xạ hãng Thorlab [38] 1.22 (a) Cách tử phản xạ: ánh sáng tới tia nhiễu phía cách tử.(b) Cách tử truyền qua: ánh s nhiễu xạ nằm hai phía cách tử [5] 1.23 Cách tử nhiễu xạ lý tưởng cách tử DVD 1.24 Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để đ thu từ thiết bị với dung dịch có nồng đ từ đến tăng dần tương ứng từ (i) đến (vii) [1 1.25 Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để kết thu từ thiết bị với dung dịch ABTS glucose theo thời gian [15] 1.26 Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone đa kên ELISA (trái), hình ảnh chụp từ camera c nồng độ BSA từ 0.125–1.5 mg/mL (phải)[8] 2.1 Sơ đồ nguyên lý đo phổ hấp thụ kênh 2.2 a) Phổ đèn LED trước (Io) sau qua mẫ damine B (I) đo thiết bị Avantes, b) Phổ damine B sau tính tốn 2.3 VNU University of Science Sơ đồ nguyên lý phép đo huỳnh quang k Trang vii Danh sách hình vẽ 2.4 Mơ hình tồn thiết bị dựng phần 2.5 Hình vẽ phối cảnh phận gá mẫu nguồn s cho phép đo hấp thụ 2.6 Hình vẽ từ xuống phận gá mẫu 2.7 Hình vẽ phối cảnh phận gá mẫu nguồn sáng cho phép đo huỳnh quang 2.8 Hình vẽ phối cảnh phận cách tử 2.9 Hình ảnh thiết bị chưa lắp thêm phần nguồ đo huỳnh quang 2.10 Hình ảnh thiết bị lắp thêm phần nguồn s huỳnh quang 2.11 Hình ảnh đèn thủy ngân (trái), phổ đèn thủy ngân bị Avantes (phải) 2.12 Phổ đèn thủy ngân thu từ thiết bị cảm biến qua phone 2.13 Sự phụ thuộc bước sóng vào vị trí điểm ảnh 2.14 Hình ảnh laser điơt sử dụng phép đo phổ tương ứng laser điôt (phải) 2.15 Công suất laser điot theo thời gian 2.16 Hình ảnh đèn LED gắn thiết bị cảm bi smartphone (trái),và phổ tương ứng đèn LED (p bị cảm biến quang (nét liền) đo thiết bị Ava 2.17 Hai vị trí bước sóng 449 nm 534 nm phổ c 2.18 Tỉ số I=Io theo thời gian (Io cường độ sáng v 2.19 Phổ đèn LED đo thiết bị cảm biến quang tạ 2.20 Bộ thiết bị quang phổ hãng Avantes 2.21 Thiết bị AvaSpec-ULS2048LTEC-RS-USB2 2.22 Hệ gá mẫu CUV-ALL-UV/VIS (trái), sợi quang FC- VNU University of Science Trang viii CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 3.6 biểu diễn đường chuẩn hai thiết bị cảm biến quang thiết bị phịng thí nghiệm (Avantes) Hai đường gần trùng với độ dốc (slope) 94.50 R (R-square) 0.9966 cho thiết bị Avantes; với thiết bị cảm biến quang độ dốc 98.86 tương đương với độ nhạy 98.86 a.u./mM R 0.9956 Sai số thiết bị cảm biến quang so với Avantes tính qua độ dốc 4.61% LOD thiết bị cảm biến quang với Rodamine B 0.074 mM Từ so sánh thấy độ nhạy thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone gần tương đương với thiết bị phịng thí nghiệm (Avantes) kết đo phổ hấp thụ Rodamine B từ thiết bị cảm biến quang xác độ tin cậy cao 3.2 K‚t qu£ o phŒ huýnh quang cıa thi‚t bà c£m bi‚n quang sß dưng smartphone 3.2.1 K‚t qu£ o phŒ huýnh quang cıa Coumarin Để thử nghiệm đo huỳnh quang tiến hành xác định nồng độ chất hữu Coumarin Coumarin hóa chất sử dụng để thị sinh học chất tạo màu phụ gia bị cấm công nghiệp thực phẩm Kênh 0.007 mM 0.017 mM Bảng 3.4: Nồng độ mẫu Coumarin VNU University of Science Trang 70 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Với Coumarin, chúng tơi tiến hành thử nghiệm với mẫu có nồng độ từ 0.002 mM (2 mM) đến 0.017 mM (17 mM) là: 0.002, 0.005, 0.007, 0.010, 0.015, 0.017 (mM) (Bảng 3.4) Mẫu Coumarin đo phép đo huỳnh quang biểu diễn phổ cường độ huỳnh quang (Intensity) theo bước sóng khoảng từ 450 đến 650 nm Đơn vị cường độ đơn vị khơng thứ ngun (arbitrary unit – a.u.) Hình 3.7: a) Phổ huỳnh quang Coumarin đo thiết bị cảm biến quang với nồng độ Coumarin từ 0.002 mM – 0.017 mM b) phổ huỳnh quang Coumarin đo thiết bị Avantes với nồng độ Coumarin từ 0.002 mM – 0.017 mM Hình 3.7a biểu diễn phổ huỳnh quang Coumarin thu từ thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone với nồng độ từ 0.002 mM – 0.017 mM Hình 3.7b biểu diễn phổ huỳnh quang Coumarin thu từ thiết bị đo quang phổ phịng thí nghiệm (Avantes) với nồng độ tương tự từ 0.002 mM – 0.017 mM Kết thu từ hai thiết bị có vùng phổ huỳnh quang nằm khoảng từ 475 nm đến 625 nm Dạng phổ thu từ thiết bị cảm biến quang thiết bị phịng thí nghiệm (Avantes) khác biệt giới hạn độ nhạy camera bước sóng khoảng 570 nm VNU University of Science Trang 71 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN đưa hình 1.8 Chúng tơi chọn bước sóng 526 nm để đưa đường chuẩn hai thiết bị từ so sánh đánh giá độ xác thiết bị cảm biến quang Hình 3.8: Đường chuẩn đo phổ huỳnh quang Coumarin thiết bị cảm biến quang (ký hiệu - hình trịn) thiết bị Avantes (ký hiệu - hình vng) đo bước sóng 526 nm với nồng độ Coumarin từ 0.002 mM – 0.017 mM Hình 3.11 biểu diễn đường chuẩn hai thiết bị cảm biến quang thiết bị phịng thí nghiệm (Avantes) Hai đường gần trùng với độ dốc (slope) 485.66 R (R-square) 0.9981 cho thiết bị Avantes; với thiết bị cảm biến quang độ dốc 494.63 tương đương với độ nhạy 494.63 a.u./mM R 0.9980 Sai số thiết bị cảm biến quang so với Avantes tính qua độ dốc 1.84% LOD thiết bị cảm biến quang với Coumarin 0.072 mM Từ so sánh thấy độ nhạy thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone gần tương đương với thiết VNU University of Science Trang 72 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN bị phòng thí nghiệm (Avantes) kết đo phổ huỳnh quang Coumarin từ thiết bị cảm biến quang xác độ tin cậy cao 3.3 K‚t qu£ o ph bng ứng dửng xò lỵ Ênh th nghim việc xử lý ảnh ứng dụng, tiến hành đo phổ hấp thụ Rohdamin B Mẫu Rohdamin B có nồng độ từ 0.0025 mM (2.5 mM) đến 0.009 mM (9 mM) là: 0.0025, 0.005, 0.006, 0.007, 0.008, 0.009 (mM) tương ứng với kênh 1, 2, 3, 4, 5, Hình 3.9 giao diện Ứng dụng (App) sau xử lý ảnh cho đồ thị biểu diễn phổ hấp thụ theo bước sóng Rohdamin B sáu kênh Kênh 0.0060 mM 0.0090 mM Bảng 3.5: Nồng độ mẫu Rhodamine B VNU University of Science Trang 73 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 3.9: Giao diện Ứng dụng (App) sau xử lý ảnh cho đồ thị biểu diễn phổ hấp thụ theo bước sóng Rohdamin B sáu kênh Từ đồ thị thấy phổ hấp thụ Rohdamine B tăng nồng độ dung dịch tăng lên dạng phổ hấp thụ Rohdamin B thu tương đương với thiết bị phịng thí nghiệm Avantes Ứng dụng gần tương đương với kết xử lí máy tính Từ thấy Ứng dụng có độ tin cậy cao sử dụng thực tế VNU University of Science Trang 74 Chương Kết luận Trong luận văn này, cảm biến quang học sử dụng smartphone dựa nguyên lý đo phổ hấp thụ phổ huỳnh quang nghiên cứu phát triển Sau thiết bị đưa vào kiểm nghiệm thực tế thông qua việc đo nồng độ số chất độc nước Nghiên cứu thu kết sau: • Chế tạo cảm biến quang học sử dụng smartphone từ linh kiện có giá thành thấp với thiết kế đơn giản đo mẫu lúc phép đo • Đo phổ hấp thụ chất Methyl Orange, Methyl Violet, Rodamine B nguồn đèn LED Cường độ đỉnh phổ hấp thụ đặc trưng chất tăng nồng độ chất dung mơi tăng Từ tác giả đưa đường chuẩn (calibration curve) so sánh với kết thu từ máy quang phổ phòng thí nghiệm, đường chuẩn cảm biến quang dựa smartphone máy quang phổ gần trùng với chứng minh độ nhạy, độ tin cậy cảm biến Cụ thể là, cảm biến xác định nồng độ Methyl Orange dải từ mM đến 30 mM với LOD 0.97 mM độ nhạy 32.28 a.u./mM; Methyl Violet dải nồng độ từ 10 mM đến 35 mM với LOD 0.88 mM độ nhạy 28.25 a.u./mM; Rhodamine B dải nồng độ từ 2.5 mM đến mM với LOD 0.074 mM độ nhạy 98.86 a.u./mM • Đo phổ huỳnh quang chất Coumarin nguồn đèn Laser có bước sóng 405 nm Cường độ phổ huỳnh quang Coumarin tăng nồng độ dung môi tăng Tác giả đưa đường chuẩn (calibration curve) so sánh 75 CHƯƠNG KẾT LUẬN với kết thu từ máy quang phổ phòng thí nghiệm, đường chuẩn hai thiết bị song song với chứng minh độ nhạy, độ tin cậy cảm biến Với Coumarin, cảm biến xác định nồng độ dải từ mM đến 17 mM với giới hạn đo 0.072 mM độ nhạy 494.63 a.u./mM • Phát triển ứng dụng xử lí ảnh chạy thiết bị điện tử smartphone, tablet Phần mềm có khả xử lí nhanh tự động nhằm tiết kiệm thời gian đồng thời giúp cho người không đào tạo Quang học xử lý ảnh thể sử dụng dễ dàng VNU University of Science Trang 76 Tài liệu tham khảo T i li»u ti‚ng Vi»t [1] http://dwrm.gov.vn/index.php? language=vi&nv=news&op=Tai-nguyen-nuoc/Xu-ly-nuoc-thai-dothi-con-nhieu-thach-thuc-5623 [2] http://ytdphanoi.gov.vn/695n/o-nhiem-moi-truong-nuoc-va-motso-van-de-ve-suc-khoe.html [3] http://dwrm.gov.vn/index.php?language=vi&nv=news&op=Tai-nguyennuoc/Tren-ca-nuoc-co-37-lang-ung-thu-do-nguon-nuoc-o-nhiem-nang-4022 T i li»u ti‚ng Anh [4] Catalin Matasaru, Markku HAUTA-KASARI, CTO Petri PIIRAINEN (2014), Mobile Phone Camera Possibilities for Spectral Imaging, Defended at the Uni-versity of Eastern Finland, Joensuu, Finland [5] Christopher Palmer, Erwin Loewen, DIFFRACTION GRATING HANDBOOK (6th), Newport Corporation, 20 - 62 [6] Hojeong Yu, Huy M Le, Eliangiringa Kaale, Kenneth D Long, Thomas Layloff, Steven S Lumetta, Brian T Cunningham (2016), Characterization of drug au-thenticity using thin-layer chromatography imaging with a mobile phone, Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 125 (2016) 85–93 77 Tài liệu tham khảo [7] Kort Bremer1, Bernhard (2015), Rothoptic surface plasmon resonance sensor system designed for smartphones, Optical Express, Vol 23, No 13 [8] Li-Ju Wang, Yu-Chung Chang, Rongrong Sun, Lei Li (2017), A multichan-nel smartphone optical biosensor for high-throughput point-ofcare diagnostics, Biosensors and Bioelectronics 87 (2017), 686–692 [9] Md Arafat Hossain, John Canning, Kevin Cook, Abbas Jamalipour (2016), Opti-cal fiber smartphone spectrometer, Optical Letter, Vol 41, No 10 [10] Md Arafat Hossaina, John Canning, Sandra Ast, Teh Li Yen, Peter Rutledge, Abbas Jamalipour (2014), A smartphone fluorometer – the lab-in-a-phone, Ad-vanced Photonics, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2014), paper SeTh2C.1 [11] Nahid Negar, Drew Williams, Jaclyn Schwartz, Sheikh Iqbal Ahamed1, and Roger O Smith Smartphone-based Light Intensity Calculation Application for Accessibility Measurement, RESNA Annual Conference - 2014 [12] Prinya Masawat, Antony Harfield, Anan Namwong (2015), An iPhone-based digital image colorimeter for detecting tetracycline in milk, Food Chemistry 184 (2015) 23–29 [13] Sibasish Dutta, Dhrubajyoti Sarma, and Pabitra Nath (2015), Ground and river water quality monitoring using a smartphone-based pH sensor, AIP Advances 5, 057151 (2015) [14] Wei Xiao, Meng Xiao, Qiangqiang Fu, Shiting Yu, Haicong Shen, Hongfen Bian, Yong Tang (2016), A Portable Smart-Phone Readout Device for the Detec-tion of Mercury Contamination Based on an Aptamer-Assay Nanosensor, Sensors 2016, 16, 1871 [15] Yi Wang, Xiaohu Liu, Peng Chen, Nhung Thi Tran, Jinling Zhang, Wei Sheng Chia, Souhir Boujday, Bo Liedberg (2016), Smartphone spectrometer for colori- VNU University of Science Trang 78 Tài liệu tham khảo metric biosensing, Analyst, 2016,141, 3233-3238 [16] Zhonggang Liu, Yali Zhang, Shujia Xu, Heng Zhang, Yixun Tan, Chenming Ma, Rong Song, Lelun Jiang, Changqing Yi (2017), A 3D printed smartphone optosensing platform for point-of-need food safety inspection, Analytica Chimica Acta 2017, Vol 966, 81-89 [17] https://byjus.com/chemistry/colorimeter [18] https://blog.oceanoptics.com/5-great-things-favoritespectrometers [19] https://en.wikipedia.org/wiki/Bayer_filter [20] https://en.wikipedia.org/wiki/Beer-Lambert_law [21] https://en.wikipedia.org/wiki/Colorimeter_(chemistry) [22] https://en.wikipedia.org/wiki/Coumarin [23] https://en.wikipedia.org/wiki/Photodiode [24] https://en.wikipedia.org/wiki/Photomultiplier [25] https://en.wikipedia.org/wiki/Prism [26] https://en.wikipedia.org/wiki/Methyl_orange [27] https://en.wikipedia.org/wiki/Methyl_violet [28] https://en.wikipedia.org/wiki/Rhodamine_B [29] https://en.wikipedia.org/wiki/Spectrometer [30] https://sisu.ut.ee/lcms_method_validation/93-estimating-lod [31] https://www.avantes.com/products/accessories/item/266cuvette-sample-holders [32] https://www.avantes.com/products/fiber-optics/item/262-fiberoptic-cables [33] https://www.avantes.com/products/spectrometers/sensline/item/3 33-avaspec-uls-tec VNU University of Science Trang 79 Tài liệu tham khảo [34] http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=13374 [35] https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm? objectgroup_id=142 [36] https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm? objectgroup_id=285 [37] https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm? objectgroup_id=1464 [38] https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm? objectgroup_id=8626 VNU University of Science Trang 80 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC Đà CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN B i b¡o cæng bŁ quŁc t‚ Hong Hanh Mai, Tran Thinh Le, “Test edible oil authenticity by using smart-phone based spectrometer”, Computer Optics, 2019 (accepted) S¡ng ch‚ sð hœu tr‰ tu» Mai Hồng Hạnh, Lê Trần Thịnh (2019) Tên sáng chế: Thiết bị đo nồng độ chất hữu có dung dịch Số đơn sáng chế: 1-2019-07222 Loại sáng chế: G01J3/00 Chủ đơn: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà Nội Mai Hồng Hạnh, Lê Trần Thịnh (2019) Tên sáng chế: Thiết bị đo nồng độ chất hữu có dung dịch Số đơn sáng chế: 1-2019-07223 Loại sáng chế: G01J3/00 Chủ đơn: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà Nội 81 Tài liệu tham khảo B¡o c¡o hºi nghà Tran Thinh Le, Hong Hanh Mai, “Multichannel smartphone based spectrom-eter and its application in analyzing enhancement of photocatalytic degradation of methyl blue by Zinc Oxide Nanorods”, 2019 Hanoi International Symposium on Ad-vanced Materials and Devices (HISAMD2019), 01/2019 VNU University of Science Trang 82 ...ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - LÊ TRẦN THỊNH THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG HỌC SỬ DỤNG SMARTPHONE Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8440130.05... với loại cảm biến khác cảm biến điện tử, điện hóa, hóa học học, cảm biến quang bật với ưu điểm cho kết nhanh, xác, bị ảnh hưởng yếu tố bên đặc biệt không phá hủy mẫu Cảm biến quang học sử dụng nhiều... đặc biệt Việt Nam hạn chế Do tác giả đưa đề tài: "Thiết kế, chế tạo cảm biến quang học sử dụng smartphone", nhằm hướng tới việc tạo thiết bị sử dụng smartphone để xác định nồng độ chất hữu độc