基于SiPM單光子探測器的熒光光譜儀研究

張 飛，趙天琦，陳 義，張學(xué)成，金尚忠

（1.中國計量大學(xué) 光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江省現(xiàn)代計量測試技術(shù)及儀器重點實驗室，浙江 杭州 310018）

引言

近年來，生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、科學(xué)實驗等領(lǐng)域?qū)ξ⑿⌒突?、高靈敏度光譜分析儀器的需求日益迫切[1]。國外對光譜儀器微型化研究起步較早，如美國LEEMAN Labs 公司在20世紀70年代首次開發(fā)了基于光電倍增管(PMT)的ICP/Echelle 光譜儀[2]。PMT 具有很高的靈敏度，且噪聲較低，但是存在易受磁場干擾、工作電壓高、易損壞、價格昂貴等缺點[3-5]。瑞士Neuchatel 大學(xué)、荷蘭Delft 科技大學(xué)等高校也開展了相關(guān)研究，如KONG 等人研制了基于光柵分光的微型化光譜儀[6]。然而，光柵分光系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、體積龐大、光強損失嚴重等不足。相比國外而言，國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚。目前，長春光機所、武漢大學(xué)、浙江大學(xué)等單位先后研制的光譜儀樣機多使用Czerny-Turner 光路結(jié)構(gòu)，光電探測器件主要基于電荷耦合器件（CCD）[7-10]。CCD 的光譜響應(yīng)范圍寬、動態(tài)范圍大，可同時獲取多通道數(shù)據(jù)信息，然而普通CCD 靈敏度較低，限制了其在弱光光譜檢測中的應(yīng)用。

隨著新型光電探測技術(shù)的發(fā)展，硅光電倍增器（silicon photomultiplier,簡稱SiPM）作為一種新型的光電探測器被提出[11]。這種器件具備單光子靈敏度、結(jié)實耐用、體積小巧、光子數(shù)分辨能力強、對磁場不敏感等優(yōu)點[12-14]，在激光雷達、量子通信、核醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用[15-17]，然而應(yīng)用于熒光光譜儀器開發(fā)方面的報道卻較少看到。面向生物氣溶膠檢測領(lǐng)域中生物粒子與非生物粒子熒光光譜分類鑒別等光譜分辨要求較低、熒光信號極弱等應(yīng)用場景，本文基于SiPM，結(jié)合正交型光路與濾光片分光技術(shù)，提出了一種高靈敏、小型化的熒光光譜儀。

1 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

熒光光譜儀結(jié)構(gòu)如圖1所示，由激發(fā)光源、光學(xué)系統(tǒng)（聚焦透鏡、400 nm 截止濾光片、窄帶濾光片陣列組成）、SiPM單光子探測器等組成。349 nm激光經(jīng)過聚焦透鏡照射到被測樣品，在與激發(fā)光成90°方向上由光學(xué)鏡頭完成熒光信號的收集。被準直的熒光信號經(jīng)400 nm 截止濾光片濾除背景光后，由波長范圍從410 nm～690 nm（具體波段分布如圖1 中局部示意圖所示）的窄帶濾光片陣列完成分光。4×4 的SiPM 陣列耦合在窄帶濾光片陣列的出射面上，完成不同波段熒光信號的探測。對于某個波段，被測熒光強度正比于SiPM 所探測得到的光子計數(shù)率值。后者由SiPM 總計數(shù)率與其暗計數(shù)率值相減得到。16 個被測波段的光子計數(shù)率值經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，在電腦端實時顯示、分析與存儲。

1.2 小型化設(shè)計實現(xiàn)

系統(tǒng)采用正交型光路結(jié)構(gòu)，相比于共聚焦以及Czerny-Turner 光路結(jié)構(gòu)，該光路更簡單，無需復(fù)雜的透鏡組。傳統(tǒng)的光譜儀主要采用單通道光電探測器，需要配合復(fù)雜的光柵機械結(jié)構(gòu)進行熒光采集，因此體積較大[18]。本裝置采用自研的多通道窄帶濾光片陣列作為分光元件，尺寸僅為9 cm ×3.5 cm × 0.5 cm，且易于封裝和集成，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠等優(yōu)點，有助于設(shè)備小型化。

1.3 高靈敏、低成本、高穩(wěn)定性設(shè)計實現(xiàn)

激光具有單色性好、方向性好等特點，相對于傳統(tǒng)光源具有較高的靈敏度，使激光誘導(dǎo)的熒光檢測（LIFD）成為具有最高靈敏度的檢測方式之一，其濃度檢出限達到n mol·L?1～p mol·L?1,對于某些熒光效率高的物質(zhì)，通過光子計數(shù)、雙光子激發(fā)等技術(shù)甚至可以實現(xiàn)單分子檢測[19-20]。本文利用349 nm 半導(dǎo)體激光器（LD）作為光源，采用了日本濱松公司的C13369 多像素光子計數(shù)器（即SiPM陣列）作為光電探測器，能實現(xiàn)單光子量級熒光信號的檢測。此外，SiPM 是固態(tài)硅基器件，耐強光損傷，抗電磁干擾性能好，且成本低廉（單通道硅片價格可在百元人民幣水平）。

2 系統(tǒng)定標

熒光光譜儀的定標系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)由LED 光源、積分球、被定標的熒光光譜采集模塊（包括400 nm 截止濾光片、窄帶濾光片陣列、4×4 的SiPM 陣列）以及光譜輻射計HAAS-2000 組成。通過定標熒光光譜采集模塊即可完成對熒光光譜儀的定標。LED 光源包含380 nm～780 nm 的輻射光譜，被放置于積分球進光孔處，經(jīng)過積分球勻光作用，所發(fā)出的光被已知光譜響應(yīng)特性的光譜輻射計和被定標熒光光譜采集模塊同時響應(yīng)。通過對比光譜輻射計測量所得LED 發(fā)光光譜與熒光光譜采集模塊中SiPM 陣列不同通道輸出信號強度，完成被定標熒光光譜采集模塊不同通道光譜響應(yīng)特性的定標。

在此基礎(chǔ)上，利用日本日立公司生產(chǎn)的熒光光譜儀F-2700 和自研熒光光譜儀分別測量羅丹明6G和熒光微球的熒光光譜，測試結(jié)果如圖3所示。證明了自研熒光光譜儀具備較高的光譜檢測準確度。

3 性能參數(shù)測定

3.1 檢測限

儀器檢測限是指分析儀器能檢測出與噪聲相區(qū)別的最小信號對應(yīng)的待測物質(zhì)的量。通過配置一定濃度的稀溶液進行測量。精密稱取干燥恒重的熒光素鈉0.189 g 倒入燒杯中，加入5 mL 去離子水溶解稀釋、搖勻，配置熒光素鈉儲備液1×10?1mol·L?1。通過稀釋熒光素鈉儲備液，制備濃度分別為1×10?9mol·L?1、5×10?10mol·L?1、2.5×10?10mol·L?1、1×10?10mol·L?1、5×10?11mol·L?1的熒光素鈉樣品溶液。依次將上述5 個濃度的熒光素鈉樣本溶液放到自研熒光光譜儀待檢區(qū)域中對其熒光光譜進行測量。在測量中將蒸餾水采集的光強作為背景，Blank 對應(yīng)蒸餾水樣本。激發(fā)激光光源的波長349 nm、功率10 mW、SiPM單光子探測器的積分時間為10 ms。測量結(jié)果如圖4所示。熒光素鈉溶液被檢測的熒光光子計數(shù)率值隨溶液濃度降低而減小。其中5×10?11mol·L?1濃度樣品的熒光強度較弱，但依舊可以看出顯著區(qū)別于蒸餾水，表明自研的光譜儀對熒光素鈉溶液的檢測限可以低于5×10?11mol·L?1。

3.2 線性度

分別對上述5 種濃度的熒光素鈉溶液進行了檢測。不同濃度樣品對應(yīng)檢測得到的熒光光子計數(shù)率值如圖5所示。對于從5×10?11mol·L?1到1×10?9mol·L?1的熒光素鈉溶液,溶液濃度與所測熒光光子計數(shù)率值呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)R= 0.998 39，證明了自研的光譜儀具有較好的線性度與較寬的線性測量范圍。

3.3 重復(fù)性

對于檢測類儀器，可重復(fù)性原則是衡量其儀器性能的重要指標。以上述5 種濃度的熒光素鈉溶液為標準樣品，分別對每種溶液進行5 次重復(fù)性測試。不同濃度樣品對應(yīng)檢測得到的熒光光子計數(shù)率值測試結(jié)果如表1所示。5 組數(shù)據(jù)的相對標準差均小于10%，表明自研的光譜儀重復(fù)性良好。隨著被測物濃度降低，熒光信號逐漸變?nèi)?，系統(tǒng)信噪比變差，其相對標準差也逐漸增大，但總體低于10%。

表1 不同濃度樣品對應(yīng)檢測得到的熒光光子計數(shù)率值測試結(jié)果Table 1 Test results of fluorescence photon count rate values for samples with different concentrations kHz

4 自研熒光光譜儀與國外同類產(chǎn)品的指標對比

自研的熒光光譜儀與日本日立公司生產(chǎn)的F-2700 型熒光光譜儀的指標對比結(jié)果如表2所示。自研光譜儀體積僅為F-2700 的1/7，質(zhì)量僅為其1/2，功率僅為其1/7 500。靈敏度達到了與F-2700 相同的水平。

表2 自研光譜儀與F-2 700 光譜儀的體積、質(zhì)量、功率以及靈敏度對比Table 2 Comparison of volume,weight,power and sensitivity between self-developed spectrometer and F-2 700 spectrometer

5 結(jié)論

本文基于SiPM，結(jié)合正交型光路與濾光片分光技術(shù)，提出了一種高靈敏、小型化的熒光光譜儀。以熒光素鈉對其性能進行了測試，得到檢測限優(yōu)于5×10?11mol·L?1；溶液濃度在5×10?11mol·L?1到1×10?9mol·L?1的范圍內(nèi)，熒光強度的線性關(guān)系達到99.839%，線性范圍達到3 個數(shù)量級；重復(fù)性實驗中，熒光光子計數(shù)率值相對標準差小于10%。相比日本日立生產(chǎn)的熒光光譜儀F-2700，具備相同靈敏度指標的前提下實現(xiàn)了低成本與小型化。在面向大類粒子間熒光光譜檢測與鑒別分類等光譜分辨率要求較低、熒光信號極弱等應(yīng)用場景具有較大的應(yīng)用價值。