便攜式熒光檢測儀設(shè)計(jì)

韓雪寧 金明 張昕宇 王巖

摘要：熒光光譜技術(shù)是通過特定波長的入射光激發(fā)樣品產(chǎn)生特異性熒光信號，具有準(zhǔn)確度高、誤報率低的優(yōu)勢[1-3]。本文中，設(shè)計(jì)了一種基于熒光的便攜式檢測裝置，構(gòu)建了樣機(jī)，對樣機(jī)的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量。

關(guān)鍵詞：便攜;熒光;探測器

便攜式熒光檢測儀的設(shè)計(jì)下圖1所示，主要由光源（LED模塊）、光路（透鏡、濾光片和樣品室）、探測器、信號放大與處理電路和顯示屏組成。

一、儀器結(jié)構(gòu)及元器件選型

檢測儀定位于小型化、便攜式的檢測裝置，所以簡化了探測部分的光路和元器件。為提高檢測裝置的靈敏度，最直接的方案就是提高激發(fā)光強(qiáng)度。LED具有體積小、能量集中、成本低的優(yōu)勢[4-5]，因此，本裝置定制了紫外LED模塊，如圖2所示。在30×30×3 mm3的鋁基板上，集成了12顆永霖光電265 nm波長的LED（圖中紫色方形為LED），這些LED被固定在直徑為2 cm的圓形范圍內(nèi)（圖中黑色虛線）。LED模塊的電功率2.5 W，理論輸出光功率為24 mW。經(jīng)過實(shí)際測量，LED模塊輸出的光功率為20.57 mW，光斑直徑約為2.68 cm。

光路中，采用索雷博的265 nm帶通濾光片（帶寬12 nm）濾掉激發(fā)光中的雜散光;信號光路采用索雷博270 nm長通濾光片選擇樣品的熒光信號;準(zhǔn)直和聚焦鏡選用直徑25 mm焦距為30 mm的石英透鏡。

對于微弱信號，高靈敏、低噪聲、快響應(yīng)的光電探測器是決定檢測是否成功的關(guān)鍵。目前，廣泛應(yīng)用的紫外探測器主要是光電倍增管（PMT）和硅基紫外光電管。常規(guī)的熒光檢測儀大都選用PMT作為探測器，具有響應(yīng)速度快，靈敏度高的優(yōu)勢，但是工作電壓比較高，而且體積和重量都相對還是比較大不適合集成到小型化、便攜式的裝置中。硅基紫外光電管技術(shù)成熟，價格相對低廉，但是靈敏度低，尤其是對深紫外波段的相應(yīng)很弱，無法滿足熒光檢測儀的需求。

近年來，美國、日本、歐洲等國家一直盡力于新型紫外探測器的研發(fā)，其中III族氮化物寬禁帶半導(dǎo)體材料以獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，為小型化、高靈敏紫外探測器的研發(fā)和應(yīng)用注入了新的活力。以氮化鎵（GaN）為代表，歸屬于直接帶隙半導(dǎo)體，在溫下禁帶寬度為3.4 eV，吸收截止波長365 nm，因此GaN探測器不需要做成淺結(jié)，也無須濾光就可以在可見、背景下探測紫外光光信號。以GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體逐漸發(fā)展成為制備紫外探測器的理想材料之一，基于GaN的半導(dǎo)體器件和產(chǎn)業(yè)已經(jīng)得到了快速發(fā)展。國際上，GE、Cree、Philips等知名公司研發(fā)了不同規(guī)格的GaN紫外探測器，可以實(shí)現(xiàn)從200-360 nm范圍的探測，但是這些公司的探測器成本較高，且采購周期較長。經(jīng)過調(diào)研，國內(nèi)與南京大學(xué)合作的鎮(zhèn)江鎵芯光電科技有限公司研發(fā)的GaN紫外光敏管，技術(shù)成熟，檢測靈敏度高，而且售價較低，適合大規(guī)模應(yīng)用。綜合考慮，本裝置選用了鎮(zhèn)江鎵芯光電科技有限公司研發(fā)的GT-ABC-XL GaN光敏二極管（圖3 a）作為探測器，該光敏管的受光面積為4 m2，重量僅為10 g，工作電壓3.5-5 V，相應(yīng)波長和相應(yīng)率如下圖3（b）所示?？梢钥闯龆O管在250-360 nm波段有比較好的相應(yīng)，符合本裝置的需求。

LED激發(fā)待測樣品產(chǎn)生熒光，照射到光敏二極管端面，由光能轉(zhuǎn)化成電流對外輸出。樣品本身的熒光信號很弱，另外，受目前光電材料限制，即使是對紫外波段相對靈敏的GaN探測器，在深紫外波段的量子效率低于40%，這樣使得光敏管輸出的電流很小，在納安量級;而一般電路的噪聲都在微安量級，因此，熒光信號很容易被噪聲湮沒，這給信號處理造成了很大困難。因此，后端濾波和放大電路的設(shè)計(jì)也變得至關(guān)重要，一定程度上決定了檢測的靈敏度和準(zhǔn)確度。本文設(shè)計(jì)了信號放大與處理電路，目的是使光敏管輸出的電信號轉(zhuǎn)化為兩路差分信號，有用信號（熒光信號）為差模信號，由光源及電路元器件等引起的噪聲是隨機(jī)波動的，可近似認(rèn)為是共模噪聲。經(jīng)電路預(yù)處理后，噪聲被差分電路壓制，在放大有用信號的基礎(chǔ)上，提高了信噪比。

電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。恒流源作為偏置，輸入級的作用是通過對信號的偏置和箝位，進(jìn)而抑制由光電二極管產(chǎn)生的噪聲。A區(qū)的作用相當(dāng)于積分放大器，電路原理圖如圖5左半部分所示。當(dāng)輸入的光電電流I18增大時，則Ib（Q20）和Ic（Q20）增大，這會導(dǎo)致 Ib（Q18）和Ie（Q18）減小，進(jìn)一步導(dǎo)致 Ib（Q9）減小，于是將輸入的光電電流 I18 轉(zhuǎn)化為差分對管Q9的基極輸入電流。

圖5右半部分展示了差分級電路的原理圖。電流首先流入Q9的基極，此時Ie（Q9）的部分電流經(jīng)過電阻R1變?yōu)闉镼10的反相交變電流。當(dāng)Ib（Q9）減小時，Ie（Q9）同時減小;由于Q9、Q10的射極都連接著恒流源，因此從Q10 發(fā)射極流向Q9發(fā)射極的電流I（ R1） 增大，即Ie（Q10）增大，Ib（Q10）增大。此時Q9和Q10集電極電阻R2 、R3的作用，將差分的集電極電流轉(zhuǎn)化為集電極的差分輸出電壓，因此電路可以將輸入光電電流信號轉(zhuǎn)化為差分輸出電壓信號。電壓信號輸入自帶A/D轉(zhuǎn)換電路的顯示屏，顯示的電壓數(shù)值可認(rèn)為是熒光信號光強(qiáng)度。

便攜式熒光檢測儀采用內(nèi)置鋰電池供電，進(jìn)一步提高了裝置使用的方便。定制了電路板，可對外輸出兩路不同規(guī)格的電壓，一路是給探測器和信號處理與放大電路供電的5 V電壓，另一路給LED供電，電壓10 V，電流為250 mA。

二、實(shí)驗(yàn)測量

測量了不同濃度的氯化鈉樣本，得到了熒光信號強(qiáng)度值，如下表1所示。結(jié)果顯示，裝置本身電路的底噪很小，小于1 μV;當(dāng)樣本加入樣品池中，信號強(qiáng)度明顯增加了十倍以上，這表明測量得到的確實(shí)是來源于樣本的熒光信號，而非水對激發(fā)光的散射;當(dāng)濃度逐漸降低至250 μg/ml時，樣本的信號光強(qiáng)度接近于溶劑（水）的散射強(qiáng)度，此時不能確認(rèn)信號是否來源于樣本的熒光。綜上所述，構(gòu)建的便攜式熒光檢測儀，用于檢測樣本是可行的，檢測限在250-500 μg/ml。

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