基于SiPM单光子探测器的荧光光谱仪研究

张 飞，赵天琦，陈 义，张学成，金尚忠

（1.中国计量大学 光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018；2.浙江省现代计量测试技术及仪器重点实验室，浙江 杭州 310018）

引言

近年来，生物医学、环境监测、科学实验等领域对微小型化、高灵敏度光谱分析仪器的需求日益迫切[1]。国外对光谱仪器微型化研究起步较早，如美国LEEMAN Labs 公司在20世纪70年代首次开发了基于光电倍增管(PMT)的ICP/Echelle 光谱仪[2]。PMT 具有很高的灵敏度，且噪声较低，但是存在易受磁场干扰、工作电压高、易损坏、价格昂贵等缺点[3-5]。瑞士Neuchatel 大学、荷兰Delft 科技大学等高校也开展了相关研究，如KONG 等人研制了基于光栅分光的微型化光谱仪[6]。然而，光栅分光系统存在结构复杂、可靠性差、体积庞大、光强损失严重等不足。相比国外而言，国内相关研究起步较晚。目前，长春光机所、武汉大学、浙江大学等单位先后研制的光谱仪样机多使用Czerny-Turner 光路结构，光电探测器件主要基于电荷耦合器件（CCD）[7-10]。CCD 的光谱响应范围宽、动态范围大，可同时获取多通道数据信息，然而普通CCD 灵敏度较低，限制了其在弱光光谱检测中的应用。

随着新型光电探测技术的发展，硅光电倍增器（silicon photomultiplier,简称SiPM）作为一种新型的光电探测器被提出[11]。这种器件具备单光子灵敏度、结实耐用、体积小巧、光子数分辨能力强、对磁场不敏感等优点[12-14]，在激光雷达、量子通信、核医学成像等领域逐渐得到应用[15-17]，然而应用于荧光光谱仪器开发方面的报道却较少看到。面向生物气溶胶检测领域中生物粒子与非生物粒子荧光光谱分类鉴别等光谱分辨要求较低、荧光信号极弱等应用场景，本文基于SiPM，结合正交型光路与滤光片分光技术，提出了一种高灵敏、小型化的荧光光谱仪。

1 系统设计与实现

1.1 系统结构与工作原理

荧光光谱仪结构如图1所示，由激发光源、光学系统（聚焦透镜、400 nm 截止滤光片、窄带滤光片阵列组成）、SiPM单光子探测器等组成。349 nm激光经过聚焦透镜照射到被测样品，在与激发光成90°方向上由光学镜头完成荧光信号的收集。被准直的荧光信号经400 nm 截止滤光片滤除背景光后，由波长范围从410 nm～690 nm（具体波段分布如图1 中局部示意图所示）的窄带滤光片阵列完成分光。4×4 的SiPM 阵列耦合在窄带滤光片阵列的出射面上，完成不同波段荧光信号的探测。对于某个波段，被测荧光强度正比于SiPM 所探测得到的光子计数率值。后者由SiPM 总计数率与其暗计数率值相减得到。16 个被测波段的光子计数率值经过模数转换，在电脑端实时显示、分析与存储。

1.2 小型化设计实现

系统采用正交型光路结构，相比于共聚焦以及Czerny-Turner 光路结构，该光路更简单，无需复杂的透镜组。传统的光谱仪主要采用单通道光电探测器，需要配合复杂的光栅机械结构进行荧光采集，因此体积较大[18]。本装置采用自研的多通道窄带滤光片阵列作为分光元件，尺寸仅为9 cm ×3.5 cm × 0.5 cm，且易于封装和集成，具有结构简单、使用可靠等优点，有助于设备小型化。

1.3 高灵敏、低成本、高稳定性设计实现

激光具有单色性好、方向性好等特点，相对于传统光源具有较高的灵敏度，使激光诱导的荧光检测（LIFD）成为具有最高灵敏度的检测方式之一，其浓度检出限达到n mol·L−1～p mol·L−1,对于某些荧光效率高的物质，通过光子计数、双光子激发等技术甚至可以实现单分子检测[19-20]。本文利用349 nm 半导体激光器（LD）作为光源，采用了日本滨松公司的C13369 多像素光子计数器（即SiPM阵列）作为光电探测器，能实现单光子量级荧光信号的检测。此外，SiPM 是固态硅基器件，耐强光损伤，抗电磁干扰性能好，且成本低廉（单通道硅片价格可在百元人民币水平）。

2 系统定标

荧光光谱仪的定标系统如图2所示。该系统由LED 光源、积分球、被定标的荧光光谱采集模块（包括400 nm 截止滤光片、窄带滤光片阵列、4×4 的SiPM 阵列）以及光谱辐射计HAAS-2000 组成。通过定标荧光光谱采集模块即可完成对荧光光谱仪的定标。LED 光源包含380 nm～780 nm 的辐射光谱，被放置于积分球进光孔处，经过积分球匀光作用，所发出的光被已知光谱响应特性的光谱辐射计和被定标荧光光谱采集模块同时响应。通过对比光谱辐射计测量所得LED 发光光谱与荧光光谱采集模块中SiPM 阵列不同通道输出信号强度，完成被定标荧光光谱采集模块不同通道光谱响应特性的定标。

在此基础上，利用日本日立公司生产的荧光光谱仪F-2700 和自研荧光光谱仪分别测量罗丹明6G和荧光微球的荧光光谱，测试结果如图3所示。证明了自研荧光光谱仪具备较高的光谱检测准确度。

3 性能参数测定

3.1 检测限

仪器检测限是指分析仪器能检测出与噪声相区别的最小信号对应的待测物质的量。通过配置一定浓度的稀溶液进行测量。精密称取干燥恒重的荧光素钠0.189 g 倒入烧杯中，加入5 mL 去离子水溶解稀释、摇匀，配置荧光素钠储备液1×10−1mol·L−1。通过稀释荧光素钠储备液，制备浓度分别为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的荧光素钠样品溶液。依次将上述5 个浓度的荧光素钠样本溶液放到自研荧光光谱仪待检区域中对其荧光光谱进行测量。在测量中将蒸馏水采集的光强作为背景，Blank 对应蒸馏水样本。激发激光光源的波长349 nm、功率10 mW、SiPM单光子探测器的积分时间为10 ms。测量结果如图4所示。荧光素钠溶液被检测的荧光光子计数率值随溶液浓度降低而减小。其中5×10−11mol·L−1浓度样品的荧光强度较弱，但依旧可以看出显著区别于蒸馏水，表明自研的光谱仪对荧光素钠溶液的检测限可以低于5×10−11mol·L−1。

3.2 线性度

分别对上述5 种浓度的荧光素钠溶液进行了检测。不同浓度样品对应检测得到的荧光光子计数率值如图5所示。对于从5×10−11mol·L−1到1×10−9mol·L−1的荧光素钠溶液,溶液浓度与所测荧光光子计数率值呈现出良好的线性关系，线性相关系数R= 0.998 39，证明了自研的光谱仪具有较好的线性度与较宽的线性测量范围。

3.3 重复性

对于检测类仪器，可重复性原则是衡量其仪器性能的重要指标。以上述5 种浓度的荧光素钠溶液为标准样品，分别对每种溶液进行5 次重复性测试。不同浓度样品对应检测得到的荧光光子计数率值测试结果如表1所示。5 组数据的相对标准差均小于10%，表明自研的光谱仪重复性良好。随着被测物浓度降低，荧光信号逐渐变弱，系统信噪比变差，其相对标准差也逐渐增大，但总体低于10%。

表1 不同浓度样品对应检测得到的荧光光子计数率值测试结果Table 1 Test results of fluorescence photon count rate values for samples with different concentrations kHz

4 自研荧光光谱仪与国外同类产品的指标对比

自研的荧光光谱仪与日本日立公司生产的F-2700 型荧光光谱仪的指标对比结果如表2所示。自研光谱仪体积仅为F-2700 的1/7，质量仅为其1/2，功率仅为其1/7 500。灵敏度达到了与F-2700 相同的水平。

表2 自研光谱仪与F-2 700 光谱仪的体积、质量、功率以及灵敏度对比Table 2 Comparison of volume,weight,power and sensitivity between self-developed spectrometer and F-2 700 spectrometer

5 结论

本文基于SiPM，结合正交型光路与滤光片分光技术，提出了一种高灵敏、小型化的荧光光谱仪。以荧光素钠对其性能进行了测试，得到检测限优于5×10−11mol·L−1；溶液浓度在5×10−11mol·L−1到1×10−9mol·L−1的范围内，荧光强度的线性关系达到99.839%，线性范围达到3 个数量级；重复性实验中，荧光光子计数率值相对标准差小于10%。相比日本日立生产的荧光光谱仪F-2700，具备相同灵敏度指标的前提下实现了低成本与小型化。在面向大类粒子间荧光光谱检测与鉴别分类等光谱分辨率要求较低、荧光信号极弱等应用场景具有较大的应用价值。