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他說(shuō),這一招可以讓拉曼光譜儀“抗干擾”
單光子技術(shù)在拉曼光譜儀研發(fā)中的應(yīng)用
訪英國(guó)思克萊德大學(xué)藥學(xué)與生物醫(yī)學(xué)學(xué)院副教授DavidLi
拉曼光譜一直有著熒光背景干擾的問(wèn)題，直到現(xiàn)在該問(wèn)題也一直存在。為了提升拉曼光譜儀的性能，各主流廠商采取了多種解決方案，如背景熒光過(guò)濾、表面增強(qiáng)、軟件優(yōu)化等，這些方案都能在一定程度上解決熒光背景干擾問(wèn)題，也各有局限所在。為解決這個(gè)問(wèn)題，DavidLi提出了一種將單光子技術(shù)應(yīng)用于拉曼光譜儀的解決方案，儀器信息網(wǎng)進(jìn)行了相關(guān)采訪。
▲思克萊德大學(xué)副教授DavidLi及博士研究生陳昊昌
Instrument:請(qǐng)您介紹一下自己以及課題組主要研究工作。
2001年，我博士畢業(yè)于臺(tái)大電機(jī)系，后進(jìn)入中國(guó)臺(tái)灣工業(yè)研究中心從事光通訊研究，具體方向?yàn)镃MOS電子電路設(shè)計(jì)，后來(lái)在英國(guó)從事相關(guān)領(lǐng)域研究，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室課題組研究方向?yàn)閱喂庾釉嚓P(guān)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。
Instrument:從儀器研發(fā)的角度來(lái)講，您怎么想到要將單光子部件相關(guān)研究應(yīng)用于拉曼光譜儀?
之所以開(kāi)展這些事情，就是因?yàn)楫?dāng)時(shí)成像傳感器傳統(tǒng)都是會(huì)用光電倍增管，大型元件不適合做這種多通道大型陣列設(shè)計(jì)。整體方向上，希望可以做新型檢測(cè)器來(lái)用于科學(xué)性、醫(yī)學(xué)性研究，如熒光壽命成像用于癌癥檢測(cè)治療。
當(dāng)時(shí)缺乏的就是成像傳感器，傳統(tǒng)上都是用CCD或者CMOS，但這些傳感器都需要積分整合，工作速度慢，不適合做高速攝像。
我們從2007年EUprojectMEGAFRAME開(kāi)始研發(fā)單光子成像傳感器，專門(mén)做具有很高光感度和光效率的單光子器件。傳統(tǒng)上CMOS噪聲很大，所以我們做了超低噪聲的數(shù)位集成傳感器，現(xiàn)在準(zhǔn)備做更多儀器應(yīng)用方面的研究。
拉曼光譜儀分為實(shí)驗(yàn)室儀器與手持/便攜式拉曼，可以用于科研和社會(huì)民生方面。我們希望將這種技術(shù)應(yīng)用在實(shí)際生活中，以幫助改善我們的生活環(huán)境。
課題組從2014年底開(kāi)始拉曼研發(fā)計(jì)劃，目標(biāo)是做應(yīng)用于拉曼儀器上的線型單光子計(jì)數(shù)器陣列。開(kāi)展這項(xiàng)研究也與地溝油、三聚氰胺、假肉事件等有較大關(guān)系。
拉曼光譜儀從六七十年前產(chǎn)生就一直存在的問(wèn)題是：信號(hào)弱、背景熒光強(qiáng)、分析時(shí)間長(zhǎng)。這是一個(gè)存在很久的問(wèn)題，直到現(xiàn)在這些物理問(wèn)題也一直存在。
所以，我們就想辦法去解決這些問(wèn)題，我們研發(fā)的新型線型陣列單光子檢測(cè)器有很多優(yōu)點(diǎn)，可以在一定程度上解決目前拉曼所存在的問(wèn)題。
Instrument:拉曼光譜儀性能影響因素有哪些?單光子檢測(cè)器技術(shù)用于拉曼光譜儀最大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在什么地方?
拉曼的分辨率跟很多因素有關(guān)系，如檢測(cè)器寬度、像素大小、光柵寬度、狹縫長(zhǎng)度，這不止決定于檢測(cè)器，還取決于許多光學(xué)元件。分辨率要求越高，光路系統(tǒng)可能會(huì)設(shè)計(jì)越大，這也是越精準(zhǔn)的拉曼儀器，它的物理體積越大的原因。同樣，如果需要更高的解析度，線性陣列的數(shù)目就要更多，比如1024格或2048格。
單光子器件主要有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)。第一個(gè)是噪聲低，第二個(gè)是敏感度高。
在檢測(cè)器噪音方面，一種是散粒噪聲，散粒噪聲絕對(duì)存在，各式各樣的檢測(cè)器如CCD、CMOS、單光子檢測(cè)器都有的，這是不可消除的物理噪音。另外一種就是暗計(jì)數(shù)，這個(gè)也是每一個(gè)器件都會(huì)存在的噪音。
這是在信號(hào)放大與轉(zhuǎn)換過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生噪音，任何電子放大器都有本身多余的噪聲，操作越快速度越快，噪聲越大，也就是信號(hào)截取越快，噪聲越大。
一般的成像檢測(cè)器還有固定模式噪音，這個(gè)噪音在我們單光子成像檢測(cè)器里是沒(méi)有的。
另外一個(gè)敏感度方面，單光子成像檢測(cè)器里用的是單光子雪崩二極管，給它一個(gè)光子，它能產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，后面能產(chǎn)生非常大的電壓出來(lái)，它的敏感度特別高，可以檢測(cè)到單光子，而且它的工作模式跟CCD是不一樣的，CCD它是屬于積分式的工作模式，隔一段時(shí)間采一次，而單光子檢測(cè)器是實(shí)時(shí)采集的。
靈敏度可以檢測(cè)到光子級(jí)別，時(shí)間精準(zhǔn)度可以到皮秒這個(gè)單位，而CCD最快只能做到微秒(除非使用增強(qiáng)CCDs才能達(dá)到皮秒級(jí)別，但是會(huì)需要很高的電壓(>>500Volt))。我們做拉曼分析以后，打脈沖激光，出來(lái)的拉曼信號(hào)和熒光信號(hào)絕對(duì)時(shí)間是有不同的延遲的。
一般拉曼信號(hào)會(huì)很快出來(lái)，后續(xù)是熒光信號(hào)出來(lái)，在時(shí)間上，CCD把信號(hào)全部累積起來(lái)了，拉曼信號(hào)和背景熒光信號(hào)都累計(jì)起來(lái)了。而單光子技術(shù)利用這個(gè)時(shí)間先后，在電子電路設(shè)計(jì)上，可以只讓單光子技術(shù)去通過(guò)這種時(shí)間窗的控制故意只吸收拉曼信號(hào)出來(lái)的波段，通常這個(gè)級(jí)別的話都是幾個(gè)皮秒。
所以這個(gè)皮秒級(jí)別是傳統(tǒng)CCD、CMOS很難做到的。但是單光子計(jì)數(shù)器就可以搭配時(shí)間窗的控制，去做到后面這些比較慢來(lái)的熒光就不來(lái)。我們本身有濾波器濾掉背景熒光之外，還在時(shí)間上做了濾除，這樣信噪比就會(huì)大大提高。
Instrument:對(duì)于拉曼熒光干擾問(wèn)題，廠商都采取了什么樣的解決方案，您如何評(píng)價(jià)這些方案?未來(lái)拉曼技術(shù)的展望。
在拉曼光譜方面有一個(gè)普遍問(wèn)題是怎么樣才能把拉曼信號(hào)與熒光背景信號(hào)分離?
大家有不同的解決方案，有的廠商從機(jī)制方面著手，產(chǎn)品中配置了兩個(gè)激光，做兩次信號(hào)截取，對(duì)截取的信號(hào)進(jìn)行差分以消除熒光背景干擾。這樣的話儀器會(huì)偏大一些，價(jià)格稍微昂貴一些。
另外大部分廠商都是在軟件設(shè)計(jì)上，就是得到信號(hào)之后，在軟件上通過(guò)算法進(jìn)行信號(hào)剔除，但也可能會(huì)把一些真正的信號(hào)都剔除掉，這是一個(gè)很大的問(wèn)題。
信號(hào)處理方式之外，有些廠商會(huì)做一些表面拉曼增強(qiáng)，但是這些增強(qiáng)是在被測(cè)物表面做處理，這種技術(shù)成本較高，操作也比較復(fù)雜，不利于大范圍推廣。還有廠商會(huì)從激光的波長(zhǎng)、熒光濾波器方面進(jìn)行優(yōu)化。
而在這一個(gè)問(wèn)題上，單光子檢測(cè)器提供了另外一種思維，即只專注于采集拉曼信號(hào)。單光子技術(shù)可以從根本上降低熒光的干擾，這是一個(gè)很好的解決方案。
CMOS比CCD好的，CMOS制程大量制造的話價(jià)格是很低的，CCD后端你要整放大器那是不同的制程，這個(gè)價(jià)格比較高。CMOS單光子可以把感測(cè)器與處理器后端的數(shù)字處理全都整合在一個(gè)芯片上，大量制造成本可以降低。我還看到一些拉曼分析儀的CCD它需要做一些冷卻，里面可能還需要冷卻箱，做便宜不太可能。
我認(rèn)為對(duì)技術(shù)的需求很迫切。地溝油、毒奶粉等對(duì)國(guó)家民生影響挺大，環(huán)境上工業(yè)污染，還有社會(huì)安全爆裂物的檢測(cè)，全球機(jī)場(chǎng)都是需要的。在偵測(cè)的時(shí)候不需要加熒光標(biāo)記，這個(gè)拉曼分析儀是很容易操作的，大家都可以使用。
Instrument:您剛才說(shuō)14年開(kāi)始做拉曼相關(guān)課題，目前取得了哪些進(jìn)展?目前計(jì)劃如何?對(duì)整個(gè)拉曼市場(chǎng)儀器市場(chǎng)評(píng)價(jià)如何?
目前課題組已有相關(guān)論文，產(chǎn)品還在研發(fā)中，在應(yīng)用上會(huì)針對(duì)特定應(yīng)用做特定系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
國(guó)內(nèi)市場(chǎng)還是很大，食品安全、環(huán)境方面特別受重視，國(guó)家政策鼓勵(lì)創(chuàng)業(yè)和技術(shù)轉(zhuǎn)移，所以在科研成果轉(zhuǎn)化方面比英國(guó)更有優(yōu)勢(shì)。有市場(chǎng)，也有國(guó)家政策，國(guó)內(nèi)有很好的鼓勵(lì)創(chuàng)業(yè)、鼓勵(lì)技術(shù)轉(zhuǎn)移的政策、經(jīng)費(fèi)，這個(gè)可以有很大優(yōu)勢(shì)。
所以，所以我們可以在國(guó)內(nèi)開(kāi)展項(xiàng)目，跟國(guó)內(nèi)能做系統(tǒng)設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)合作，看如何實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化研究跟科學(xué)研究不同，需要有專門(mén)經(jīng)費(fèi)與研究人員。
儀器創(chuàng)新方面，國(guó)內(nèi)有合適的合作方，熒光干擾問(wèn)題，能過(guò)解決，從根本上，可以避免或者減弱，對(duì)拉曼來(lái)說(shuō)意義重大。產(chǎn)品做出來(lái)還需要專門(mén)設(shè)計(jì)光系統(tǒng)，因?yàn)楣鈻诺脑O(shè)計(jì)并不是最難的，最關(guān)鍵的還是檢測(cè)器、電子電路整體設(shè)計(jì)。
相對(duì)于科研用的實(shí)驗(yàn)室拉曼，我認(rèn)為成長(zhǎng)空間最大的是便攜/手持拉曼，科研上的進(jìn)展不大，并且需要大量投資，不是一般單位可以做的。
所以還是看好便攜手持的。國(guó)內(nèi)外的研究報(bào)告分析，便攜和手持式拉曼的增長(zhǎng)率在分析儀器領(lǐng)域保持著非常高的增速，我們看好便攜/手持式拉曼未來(lái)的發(fā)展。
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