超銳截止生物醫(yī)學(xué)濾光片的研制（特邀）

陰曉俊，王瑞生，趙帥鋒，任少鵬，高鵬，費(fèi)書國(guó)

（1 沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院有限公司 匯博光學(xué)公司，沈陽(yáng)110043）（2 傳感器國(guó)家工程研究中心，沈陽(yáng) 110043）

0 引言

生物醫(yī)學(xué)濾光片是應(yīng)用于生命科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域體外診斷檢測(cè)分析儀器中的核心關(guān)鍵光學(xué)元件。這些檢測(cè)分析儀器通過(guò)檢測(cè)人體生物物質(zhì)、病原體、抗體等對(duì)光的吸收、散射、熒光輻射等現(xiàn)象，對(duì)人體健康狀況及所患疾病進(jìn)行檢測(cè)分析，協(xié)助醫(yī)生進(jìn)行疾病診斷。生物醫(yī)學(xué)濾光片是這些檢測(cè)分析儀器中用于提取檢測(cè)樣品特征光譜的關(guān)鍵部件，直接影響醫(yī)學(xué)檢測(cè)儀器的檢測(cè)精度及可靠性。生物醫(yī)學(xué)濾光片主要應(yīng)用于吸收光度檢測(cè)、熒光檢測(cè)和拉曼檢測(cè)三種光學(xué)檢測(cè)方法的生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)儀器中。吸收光度檢測(cè)在生化檢測(cè)、酶標(biāo)免疫檢測(cè)中獲廣泛應(yīng)用，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已趨于成熟，而熒光檢測(cè)和拉曼檢測(cè)則處于高速發(fā)展的階段。熒光檢測(cè)在藥物研究［1］、分子成像技術(shù)［2］、精準(zhǔn)醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如近期應(yīng)用于新冠病毒的熒光聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（Polymerase Chain Reaction，PCR）核酸檢測(cè)［3］；拉曼檢測(cè)則應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢測(cè)［4］、癌癥治療［5-6］、食品安全［7］等多種無(wú)損精準(zhǔn)微量檢測(cè)領(lǐng)域。

20 世紀(jì)六、七十年代美國(guó)開(kāi)始進(jìn)行熒光檢測(cè)分析和拉曼檢測(cè)分析研究，2000 年以后，基于這兩種檢測(cè)應(yīng)用的檢測(cè)分析技術(shù)以及儀器制造技術(shù)進(jìn)入高速發(fā)展期。受益于早期應(yīng)用研究的帶動(dòng)，美國(guó)在生物醫(yī)學(xué)濾光片設(shè)計(jì)制造技術(shù)發(fā)展上起步較早，一直處于國(guó)際前列。自20 世紀(jì)90 年代起，國(guó)內(nèi)的沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院、北京電影機(jī)械研究所等研究機(jī)構(gòu)才先后開(kāi)展熒光濾光片的制造技術(shù)研究［8］。2010 年，沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院廖邦俊、費(fèi)書國(guó)等在國(guó)內(nèi)率先研制出基于硬膜鍍膜材料的接近矩形光譜的濾光片［9-10］，2015 年，沈陽(yáng)儀表院基于等離子反應(yīng)濺射鍍膜技術(shù)研制了透射率為90%，截止陡度為1.5%的高透射、銳截止的生物醫(yī)學(xué)熒光檢測(cè)濾光片。

近幾年隨著基于熒光、拉曼光譜檢測(cè)應(yīng)用的生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)分析技術(shù)的不斷普及，特別是對(duì)重大流行疾病的控制預(yù)防需求不斷高漲，儀器的制造開(kāi)發(fā)也向著微量、快速檢測(cè)迅速發(fā)展，對(duì)檢測(cè)靈敏度及檢測(cè)精度要求不斷提高，對(duì)儀器中特征光譜提取的核心元件，應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)熒光、拉曼檢測(cè)的生物醫(yī)學(xué)濾光片的光譜指標(biāo)，如通帶透射率，截止陡度等，也提出了更高的要求：在高端熒光及拉曼檢測(cè)中，要求在保持高透射率同時(shí)，截止陡度提升到1%甚至0.5%的超銳截止水平。本文介紹應(yīng)用于高端熒光及拉曼檢測(cè)用生物醫(yī)學(xué)濾光片的多種典型光譜的膜系設(shè)計(jì)技術(shù)、制造工藝、控制難點(diǎn)，并基于等離子反應(yīng)磁控濺射技術(shù)對(duì)上述多種具備高透射、超銳截止光譜性能的濾光片進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，給出制造結(jié)果。

1 生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)應(yīng)用的五種典型光譜及技術(shù)要求

熒光及拉曼光譜檢測(cè)應(yīng)用的生物醫(yī)學(xué)濾光片主要有五種典型光譜形式：帶通（雙側(cè)截止）、單側(cè)截止（長(zhǎng)波通、短波通）、陷波截止（負(fù)濾光片）、分色濾光片（45°入射）、多通帶濾光片。圖1 列出了具有代表性的五種常用的生物醫(yī)學(xué)濾光片典型光譜。

帶通濾光片被廣泛應(yīng)用于熒光、拉曼檢測(cè)中，高端應(yīng)用一般要求通帶透射率大于90%，截止陡度優(yōu)于1%。單側(cè)截止光譜的濾光片主要應(yīng)用于熒光及拉曼檢測(cè)應(yīng)用中發(fā)射熒光及拉曼光譜的提取，高端熒光檢測(cè)要求濾光片透射率大于90%，截止深度優(yōu)于OD6（ODn表示10-n），截止陡度優(yōu)于1%；高端應(yīng)用拉曼檢測(cè)要求截止陡度優(yōu)于0.5%。陷波濾光片常用于接收端，用于截止激發(fā)光，透射受激發(fā)射的熒光及拉曼光。常規(guī)陷波濾光片要求截止深度優(yōu)于OD4，高端陷波濾光片要求優(yōu)于OD6，陷波截止波長(zhǎng)約在15～50 nm 之間（根據(jù)系統(tǒng)確定），透射帶較寬，一般透射率大于90%。分色鏡主要用于激發(fā)光或發(fā)射光方向改變，入射角一般為45°，通帶與反射帶的間隔波長(zhǎng)寬度取決于激發(fā)、發(fā)射濾光片通帶的間隔，高端應(yīng)用多小于10 nm。多通帶濾光片應(yīng)用于多色熒光系統(tǒng)中光路的集成簡(jiǎn)化，常規(guī)要求有2～5 個(gè)透射帶光譜，分離多種熒光試劑對(duì)應(yīng)的激發(fā)及發(fā)射光譜。

為提升熒光及拉曼檢測(cè)光譜的激發(fā)發(fā)射效率，高端熒光及拉曼檢測(cè)應(yīng)用的生物醫(yī)學(xué)濾光片的截止陡度要求越來(lái)越高，高端熒光檢測(cè)要求濾光片的截止陡度優(yōu)于1%，高端拉曼檢測(cè)要求濾光片的截止陡度優(yōu)于0.5%，達(dá)到超銳截止光譜性能。

2 五種典型光譜生物醫(yī)學(xué)濾光片的膜系優(yōu)化設(shè)計(jì)

生物醫(yī)學(xué)濾光片應(yīng)用于生命科學(xué)，有較高的環(huán)境適應(yīng)性要求，因而本文高端生物醫(yī)學(xué)濾光片的膜層材料優(yōu)先采用Nb2O5、Ta2O5、Al2O3、SiO2等硬質(zhì)氧化物材料，濾光片膜系主要采用Essential Macleod 軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 超銳截止帶通濾光片的膜系優(yōu)化設(shè)計(jì)

帶通濾光片的膜系設(shè)計(jì)可采用長(zhǎng)波通疊加短波通為初始膜系，或用多腔帶通膜系為初始膜系。以中心波長(zhǎng)為660 nm，通帶帶寬為12 nm 的帶通濾光片膜系為例（BP660/12nm），介紹典型高端熒光濾光片單面鍍膜結(jié)構(gòu)的膜系設(shè)計(jì)。該膜系材料為Nb2O5/SiO2，采用長(zhǎng)波通疊加短波通結(jié)構(gòu)，在300～1 100 nm 截止深度優(yōu)于OD6。為了實(shí)現(xiàn)高透射與截止陡度在1%以下的銳截止要求，將所有膜層都設(shè)定為可優(yōu)化，優(yōu)化后的膜層數(shù)為230 層，總厚度為22 μm。優(yōu)化后的膜系每層膜厚如圖2 所示。本文的鍍制工藝、膜厚控制方案及模擬仿真都以此膜系為例。優(yōu)化設(shè)計(jì)的BP660/12 nm 膜系光譜設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3 所示，雙側(cè)截止陡度優(yōu)于0.9%，通帶外截止范圍為200～1 100 nm，截止深度優(yōu)于OD6。

2.2 單側(cè)截止光譜濾光片的膜系設(shè)計(jì)

單側(cè)截止濾光片膜系的初始膜系多采用（HL）^n高低折射率循環(huán)為基本結(jié)構(gòu)，增加循環(huán)膜堆的數(shù)量n可提升截止陡度，通過(guò)多個(gè)不同位置的截止膜堆疊加來(lái)提升截止范圍，通過(guò)優(yōu)化獲得寬通帶、高透射、銳截止的單側(cè)截止膜系。圖4 所示為拉曼檢測(cè)應(yīng)用的LP633 膜系設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)膜系為（HL）^80，總厚度為12 μm，設(shè)計(jì)截止陡度為0.4%。

2.3 陷波濾光片（負(fù)濾光片）膜系設(shè)計(jì)

陷波濾光片（負(fù)濾光片）可采用等效折射率法［11］，即薄層和厚層的交替結(jié)構(gòu)，或者基于Rugate 理論［12］的漸變折射率方法，或基于一維光子晶體能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［13］。其光譜特點(diǎn)是雙側(cè)寬透射，截止位置深度截止。設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于截止帶的壓窄與截止深度的增加。圖5 給出了基于等效折射率法設(shè)計(jì)的一個(gè)負(fù)濾光片的光譜設(shè)計(jì)結(jié)果，該膜系共280 層，34.5 μm，最深點(diǎn)截止深度OD8。

2.4 高陡度分色鏡膜系設(shè)計(jì)

高端應(yīng)用熒光檢測(cè)系統(tǒng)中，要求傾斜入射下（一般為45°），分色鏡陡度盡可能小。高陡度分色鏡膜系可采用類法布里-珀羅腔結(jié)構(gòu)為初始膜系，經(jīng)優(yōu)化獲得理想結(jié)果。圖6 展示了陡度小于0.8%，50%透射率位置偏振分離小于2 nm，反射帶寬為60 nm 的高陡度分色鏡優(yōu)化設(shè)計(jì)的光譜計(jì)算曲線，該膜系共107 層，總厚度為18.5 μm。

2.5 多通帶濾光片與多通帶分色鏡

近年來(lái)在新發(fā)展的多色標(biāo)定的熒光檢測(cè)設(shè)備中，為實(shí)現(xiàn)高效便捷的檢測(cè)，多通帶光譜濾光片和多通帶分色鏡需求越來(lái)越多。通帶數(shù)量、通帶位置、通帶寬度和背景截止度是多通帶濾光片的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外均已有多種該類型濾光片的設(shè)計(jì)報(bào)道［14-17］，沈陽(yáng)儀表院近年來(lái)發(fā)展了兩種新的多通帶膜系設(shè)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)多腔帶通膜系間隔層系數(shù)的適當(dāng)調(diào)整獲得多通帶濾光片初始膜系［18-19］，再優(yōu)化獲得理想結(jié)果。該方法實(shí)現(xiàn)最多5 個(gè)通帶位置，且半寬連續(xù)可調(diào)的多通帶濾光片光譜膜系設(shè)計(jì)。

與多通帶濾光片相匹配的是多通帶分色鏡，可應(yīng)用初始膜系S｜［（aL HLbH LHaL）^m］｜A 或S｜［（aL HLHbL HLHaL）^m］｜A，實(shí)現(xiàn)多個(gè)通帶位置連續(xù)可調(diào)，P 光和S 光在峰值透射率Tpeak的50%處偏振分離小于3 nm，陡度小于10 nm。其中a為峰位系數(shù)，b為通帶消偏振系數(shù)，m為基礎(chǔ)膜系的總體循環(huán)個(gè)數(shù)。

圖7 為采用上述方法優(yōu)化設(shè)計(jì)的三通帶濾光片及分色鏡膜系光譜設(shè)計(jì)曲線，其中三通帶濾光片鄰域陡度設(shè)計(jì)值＜1%，三通帶分色鏡三個(gè)下降沿陡度均小于7 nm。

3 超多層光學(xué)薄膜的等離子反應(yīng)磁控濺射鍍膜及精密膜厚控制

高端應(yīng)用的生物醫(yī)學(xué)濾光片，不但具有超高透射、超銳截止的光譜性能要求，部分激光光源系統(tǒng)或成像應(yīng)用，也具有低波前畸變的需求。在單基片上鍍制超多層薄膜的濾光片，具有透射波前可控，易獲得更高透射率的優(yōu)點(diǎn)。但約100～300 層的超多層薄膜，對(duì)膜厚控制精度及缺陷控制提出了挑戰(zhàn)。本文提及的超銳截止生物醫(yī)學(xué)濾光片均為單個(gè)基片上單面或者雙面鍍制超多層薄膜結(jié)構(gòu)，采用等離子輔助反應(yīng)磁控濺射鍍膜技術(shù)鍍制，基于BUHLER Leybold 的Helios800Pro 等離子反應(yīng)濺射鍍膜設(shè)備制造。

3.1 超多層光學(xué)薄膜的膜厚控制精度要求

對(duì)2.1 節(jié)中提及的230 層超銳截止帶通濾光片BP660/12 nm 膜系采用Essential Macleod 軟件模擬，圖8是膜厚誤差分別為0.3%及0.15%的誤差模擬結(jié)果，該膜系的整體膜厚容差要求優(yōu)于0.15%。

此膜系容差小，除了由于超多層薄膜層數(shù)多以外，深度優(yōu)化造成的膜層厚度離散大也是重要原因。采用光控法監(jiān)控鍍膜過(guò)程時(shí)，規(guī)整的周期性結(jié)構(gòu)易于控制誤差，而薄層與厚層頻繁出現(xiàn)的深度優(yōu)化膜系，光控走值不規(guī)律，膜厚誤差的監(jiān)控難度更大。

3.2 超多層光學(xué)薄膜的膜厚控制方案

BP660/12 nm 帶通濾光片膜系，采用多光學(xué)監(jiān)控片的直接光控法進(jìn)行超多層薄膜的膜厚控制。若用一個(gè)監(jiān)控片去監(jiān)控所有膜層，很難達(dá)到要求的膜厚監(jiān)控精度。使用的鍍膜設(shè)備配備了可更換光控片系統(tǒng)，采用多光學(xué)監(jiān)控片的膜厚控制方案，可極大提高監(jiān)控精度，降低控制誤差。

為提高薄膜光學(xué)厚度監(jiān)控精度，此膜系的光控方案中共設(shè)計(jì)了10 個(gè)光學(xué)監(jiān)控片，根據(jù)光譜變化特點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)每個(gè)監(jiān)控片上每層薄膜的控制方式，圖9 是其中一個(gè)監(jiān)控片上32 層薄膜的光控走值設(shè)計(jì)及實(shí)際鍍膜監(jiān)控實(shí)施后，該監(jiān)控片上的光譜測(cè)試結(jié)果。

在確認(rèn)膜厚監(jiān)控方案后，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件模擬仿真鍍膜過(guò)程中可能獲得的沉積誤差，評(píng)價(jià)膜厚控制方案，再根據(jù)模擬結(jié)果改進(jìn)膜系設(shè)計(jì)及膜厚控制方案。圖10 是BP660/12 nm 膜系的計(jì)算機(jī)模擬仿真誤差結(jié)果，平均誤差控制小于0.15%，達(dá)到了采用Macleod 軟件誤差模擬時(shí)，膜厚誤差小于0.15%要求。

4 超銳截止光譜表征及檢測(cè)

帶通濾光片的截止陡度常用透射區(qū)向截止區(qū)的過(guò)渡波長(zhǎng)間隔和截止波長(zhǎng)的比值表征［20］。如截止沿波長(zhǎng)位置（對(duì)應(yīng)峰值透射率Tpeak的50%）為λ50%Tpeak，從截止沿位置向截止端過(guò)渡到OD6 的波長(zhǎng)位置為λOD6，則截止陡度可表示為

如在截止沿位置為500 nm 處，峰值透射率的50%波長(zhǎng)位置到OD6 過(guò)渡波長(zhǎng)間隔為5 nm，則截止陡度為1%。

對(duì)45°分色鏡的截止陡度，截止過(guò)渡波長(zhǎng)用透射90%到反射90%的最小波長(zhǎng)間隔表示，截止陡度可表示為

式中，λ90%T為距截止沿附近透射率等于90%處的波長(zhǎng)，λ90%R為截止沿附近反射率等于90%處的波長(zhǎng)。

生物醫(yī)學(xué)濾光片的光譜性能主要采用分光光度法進(jìn)行檢測(cè)。OD8 以上的截止深度以及優(yōu)于0.5%的銳截止陡度，已達(dá)到商用測(cè)試儀器的測(cè)試極限，需開(kāi)發(fā)特定的測(cè)試方法。通過(guò)采用較窄的測(cè)試帶寬，在參考光路中加適當(dāng)?shù)乃p，可提升銳截止及深截止的測(cè)試能力。圖11 是同一帶通濾光片樣品在同一臺(tái)檢測(cè)設(shè)備上采用標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法與特定測(cè)試方法的測(cè)試結(jié)果對(duì)比。

5 多種典型光譜銳截止生物醫(yī)學(xué)濾光片的制造結(jié)果

基于超銳截止濾光片膜系優(yōu)化設(shè)計(jì)、超多層等離子反應(yīng)濺射鍍膜技術(shù)開(kāi)發(fā)及光譜檢測(cè)方法，完成了單側(cè)銳截止、帶通、陷波、分色鏡及多通帶等多種典型銳截止生物醫(yī)學(xué)濾光片鍍制，列舉了部分濾光片設(shè)計(jì)制造結(jié)果。所有測(cè)試采用Cary6000 或Cary7000 分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

5.1 超銳截止帶通濾光片研制檢測(cè)結(jié)果

圖12 為230 層BP660/12nm 超銳截止帶通濾光片的光譜檢測(cè)結(jié)果：通帶平均透射率＞93%，峰值透射率＞95%，截止深度優(yōu)于OD6，雙側(cè)實(shí)測(cè)截止陡度達(dá)到0.95%。

相較于一般通帶平均透射率為90%、截止陡度為1.5%、截止深度為OD6 的典型熒光濾光片，該類型超銳截止濾光片可使PCR 系統(tǒng)信噪比平均提升近20%。

5.2 超銳截止單側(cè)截止濾光片研制檢測(cè)結(jié)果

圖13 為2.2 節(jié)所述用于拉曼檢測(cè)的長(zhǎng)波通超銳截止濾光片LP633 單面鍍膜結(jié)果：通帶透射率平均值大于95%，截止深度優(yōu)于OD6，鄰域截止深度優(yōu)于OD7，實(shí)測(cè)截止陡度為0.67%。濾光片的截止陡度決定拉曼光譜儀的量程范圍，0.67%超高陡度可實(shí)現(xiàn)633 nm 附近100 cm-1的低波數(shù)測(cè)量。

5.3 陷波濾光片研制檢測(cè)結(jié)果

圖14 所示為2.3 節(jié)所述負(fù)濾光片制造結(jié)果：平均透過(guò)率＞95%，在808±3 nm 范圍內(nèi)截止背景＞OD6。

由于800 nm 附近為分光光度計(jì)切換光柵和探測(cè)器的波長(zhǎng)區(qū)間，此波長(zhǎng)位置附近光探測(cè)器接收能力較弱，即使通過(guò)增加積分時(shí)間等方式增加對(duì)光的接收，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)OD6 以上的深背景準(zhǔn)確測(cè)試。

5.4 多通帶濾光片研制檢測(cè)結(jié)果

圖15（a）所示為三通帶濾光片鍍制后測(cè)試結(jié)果，截止陡度均小于1%，透射率＞95%。圖15（b）所示為雙通帶高陡度分色鏡，兩個(gè)上升沿的陡度設(shè)計(jì)值均為5 nm。

5.5 典型45 度入射高陡度分色鏡研制檢測(cè)結(jié)果

圖16 所示為2.4 節(jié)所述高陡度分色鏡設(shè)計(jì)鍍制結(jié)果（含增透）：平均透射率＞95%，陡度＜1%。該類型分色鏡適用于熒光激發(fā)、發(fā)射峰較近的情況，從高反射快速轉(zhuǎn)換為高透射，根據(jù)熒光染料的不同可提升10%～30%的接收能量。

6 結(jié)論

針對(duì)熒光及拉曼光譜檢測(cè)的生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)需求，本文采用多種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法優(yōu)化設(shè)計(jì)了多種典型光譜的濾光片膜系，包括單側(cè)截止、帶通、陷波、分色鏡及多通帶等。介紹了采用等離子反應(yīng)濺射鍍制及光學(xué)薄膜膜厚控制技術(shù)鍍制超多層光學(xué)薄膜的研究，并給出了五種典型光譜的超銳截止濾光片制造結(jié)果，以滿足高端生物醫(yī)學(xué)熒光及拉曼檢測(cè)發(fā)展需求。

隨著生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，要求進(jìn)一步提升生物醫(yī)學(xué)濾光片截止陡度，需要設(shè)計(jì)極高透射、極銳截止的濾光片新膜系，研究更多層光學(xué)薄膜的穩(wěn)定精準(zhǔn)鍍制工藝，以及更銳截止陡度的精確測(cè)試方法，以滿足行業(yè)進(jìn)一步深入發(fā)展需求。