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Morlet Wavelet Filtering and Phase Analysis to Reduce the Limit of Detection for Thin Film Optical Biosensors
ACS Sensors ( IF 8.2 ) Pub Date : 2021-08-13 , DOI: 10.1021/acssensors.1c00787 Simon J Ward 1 , Rabeb Layouni 2 , Sofia Arshavsky-Graham 3 , Ester Segal 3 , Sharon M Weiss 1
ACS Sensors ( IF 8.2 ) Pub Date : 2021-08-13 , DOI: 10.1021/acssensors.1c00787 Simon J Ward 1 , Rabeb Layouni 2 , Sofia Arshavsky-Graham 3 , Ester Segal 3 , Sharon M Weiss 1
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The ultimate detection limit of optical biosensors is often limited by various noise sources, including those introduced by the optical measurement setup. While sophisticated modifications to instrumentation may reduce noise, a simpler approach that can benefit all sensor platforms is the application of signal processing to minimize the deleterious effects of noise. In this work, we show that applying complex Morlet wavelet convolution to Fabry–Pérot interference fringes characteristic of thin film reflectometric biosensors effectively filters out white noise and low-frequency reflectance variations. Subsequent calculation of the average difference in extracted phase between the filtered analyte and reference signals enables a significant reduction in the limit of detection (LOD). This method is applied on experimental data sets of thin film porous silicon sensors (PSi) in buffered solution and complex media obtained from two different laboratories. The demonstrated improvement in the LOD achieved using wavelet convolution and average phase difference paves the way for PSi optical biosensors to operate with clinically relevant detection limits for medical diagnostics, environmental monitoring, and food safety.
中文翻译：
Morlet 小波滤波和相位分析以降低薄膜光学生物传感器的检测极限
光学生物传感器的最终检测限通常受到各种噪声源的限制，包括由光学测量装置引入的噪声源。虽然对仪器的复杂修改可以降低噪声，但可以使所有传感器平台受益的一种更简单的方法是应用信号处理来最大限度地减少噪声的有害影响。在这项工作中，我们表明将复杂的 Morlet 小波卷积应用于薄膜反射式生物传感器的 Fabry-Pérot 干涉条纹特征可有效滤除白噪声和低频反射率变化。随后计算过滤后的分析物和参考信号之间提取相位的平均差异，可以显着降低检测限 (LOD)。该方法应用于从两个不同实验室获得的缓冲溶液和复杂介质中的薄膜多孔硅传感器 (PSi) 的实验数据集。使用小波卷积和平均相位差实现的 LOD 改进为 PSi 光学生物传感器在医学诊断、环境监测和食品安全的临床相关检测限下运行铺平了道路。
更新日期：2021-08-27
中文翻译：
Morlet 小波滤波和相位分析以降低薄膜光学生物传感器的检测极限
光学生物传感器的最终检测限通常受到各种噪声源的限制，包括由光学测量装置引入的噪声源。虽然对仪器的复杂修改可以降低噪声，但可以使所有传感器平台受益的一种更简单的方法是应用信号处理来最大限度地减少噪声的有害影响。在这项工作中，我们表明将复杂的 Morlet 小波卷积应用于薄膜反射式生物传感器的 Fabry-Pérot 干涉条纹特征可有效滤除白噪声和低频反射率变化。随后计算过滤后的分析物和参考信号之间提取相位的平均差异，可以显着降低检测限 (LOD)。该方法应用于从两个不同实验室获得的缓冲溶液和复杂介质中的薄膜多孔硅传感器 (PSi) 的实验数据集。使用小波卷积和平均相位差实现的 LOD 改进为 PSi 光学生物传感器在医学诊断、环境监测和食品安全的临床相关检测限下运行铺平了道路。
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