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單光子技術在拉曼光譜儀研發中的應用
訪英國思克萊德大學藥學與生物醫學學院副教授DavidLi
拉曼光譜一直有著熒光背景干擾的問題，直到現在該問題也一直存在。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，如背景熒光過濾、表面增強、軟件優化等，這些方案都能在一定程度上解決熒光背景干擾問題，也各有局限所在。為解決這個問題，DavidLi提出了一種將單光子技術應用于拉曼光譜儀的解決方案，儀器信息網進行了相關采訪。
▲思克萊德大學副教授DavidLi及博士研究生陳昊昌
Instrument:請您介紹一下自己以及課題組主要研究工作。
2001年，我博士畢業于臺大電機系，后進入中國臺灣工業研究中心從事光通訊研究，具體方向為CMOS電子電路設計，后來在英國從事相關領域研究，現在實驗室課題組研究方向為單光子元件相關系統開發。
Instrument:從儀器研發的角度來講，您怎么想到要將單光子部件相關研究應用于拉曼光譜儀?
之所以開展這些事情，就是因為當時成像傳感器傳統都是會用光電倍增管，大型元件不適合做這種多通道大型陣列設計。整體方向上，希望可以做新型檢測器來用于科學性、醫學性研究，如熒光壽命成像用于癌癥檢測治療。
當時缺乏的就是成像傳感器，傳統上都是用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開始研發單光子成像傳感器，專門做具有很高光感度和光效率的單光子器件。傳統上CMOS噪聲很大，所以我們做了超低噪聲的數位集成傳感器，現在準備做更多儀器應用方面的研究。
拉曼光譜儀分為實驗室儀器與手持/便攜式拉曼，可以用于科研和社會民生方面。我們希望將這種技術應用在實際生活中，以幫助改善我們的生活環境。
課題組從2014年底開始拉曼研發計劃，目標是做應用于拉曼儀器上的線型單光子計數器陣列。開展這項研究也與地溝油、三聚氰胺、假肉事件等有較大關系。
拉曼光譜儀從六七十年前產生就一直存在的問題是：信號弱、背景熒光強、分析時間長。這是一個存在很久的問題，直到現在這些物理問題也一直存在。
所以，我們就想辦法去解決這些問題，我們研發的新型線型陣列單光子檢測器有很多優點，可以在一定程度上解決目前拉曼所存在的問題。
Instrument:拉曼光譜儀性能影響因素有哪些?單光子檢測器技術用于拉曼光譜儀最大的技術優勢體現在什么地方?
拉曼的分辨率跟很多因素有關系，如檢測器寬度、像素大小、光柵寬度、狹縫長度，這不止決定于檢測器，還取決于許多光學元件。分辨率要求越高，光路系統可能會設計越大，這也是越精準的拉曼儀器，它的物理體積越大的原因。同樣，如果需要更高的解析度，線性陣列的數目就要更多，比如1024格或2048格。
單光子器件主要有兩個優勢。第一個是噪聲低，第二個是敏感度高。
在檢測器噪音方面，一種是散粒噪聲，散粒噪聲絕對存在，各式各樣的檢測器如CCD、CMOS、單光子檢測器都有的，這是不可消除的物理噪音。另外一種就是暗計數，這個也是每一個器件都會存在的噪音。
這是在信號放大與轉換過程中也會產生噪音，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，也就是信號截取越快，噪聲越大。
一般的成像檢測器還有固定模式噪音，這個噪音在我們單光子成像檢測器里是沒有的。
另外一個敏感度方面，單光子成像檢測器里用的是單光子雪崩二極管，給它一個光子，它能產生雪崩效應，后面能產生非常大的電壓出來，它的敏感度特別高，可以檢測到單光子，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，隔一段時間采一次，而單光子檢測器是實時采集的。
靈敏度可以檢測到光子級別，時間精準度可以到皮秒這個單位，而CCD最快只能做到微秒(除非使用增強CCDs才能達到皮秒級別，但是會需要很高的電壓(>>500Volt))。我們做拉曼分析以后，打脈沖激光，出來的拉曼信號和熒光信號絕對時間是有不同的延遲的。
一般拉曼信號會很快出來，后續是熒光信號出來，在時間上，CCD把信號全部累積起來了，拉曼信號和背景熒光信號都累計起來了。而單光子技術利用這個時間先后，在電子電路設計上，可以只讓單光子技術去通過這種時間窗的控制故意只吸收拉曼信號出來的波段，通常這個級別的話都是幾個皮秒。
所以這個皮秒級別是傳統CCD、CMOS很難做到的。但是單光子計數器就可以搭配時間窗的控制，去做到后面這些比較慢來的熒光就不來。我們本身有濾波器濾掉背景熒光之外，還在時間上做了濾除，這樣信噪比就會大大提高。
Instrument:對于拉曼熒光干擾問題，廠商都采取了什么樣的解決方案，您如何評價這些方案?未來拉曼技術的展望。
在拉曼光譜方面有一個普遍問題是怎么樣才能把拉曼信號與熒光背景信號分離?
大家有不同的解決方案，有的廠商從機制方面著手，產品中配置了兩個激光，做兩次信號截取，對截取的信號進行差分以消除熒光背景干擾。這樣的話儀器會偏大一些，價格稍微昂貴一些。
另外大部分廠商都是在軟件設計上，就是得到信號之后，在軟件上通過算法進行信號剔除，但也可能會把一些真正的信號都剔除掉，這是一個很大的問題。
信號處理方式之外，有些廠商會做一些表面拉曼增強，但是這些增強是在被測物表面做處理，這種技術成本較高，操作也比較復雜，不利于大范圍推廣。還有廠商會從激光的波長、熒光濾波器方面進行優化。
而在這一個問題上，單光子檢測器提供了另外一種思維，即只專注于采集拉曼信號。單光子技術可以從根本上降低熒光的干擾，這是一個很好的解決方案。
CMOS比CCD好的，CMOS制程大量制造的話價格是很低的，CCD后端你要整放大器那是不同的制程，這個價格比較高。CMOS單光子可以把感測器與處理器后端的數字處理全都整合在一個芯片上，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。
我認為對技術的需求很迫切。地溝油、毒奶粉等對國家民生影響挺大，環境上工業污染，還有社會安全爆裂物的檢測，全球機場都是需要的。在偵測的時候不需要加熒光標記，這個拉曼分析儀是很容易操作的，大家都可以使用。
Instrument:您剛才說14年開始做拉曼相關課題，目前取得了哪些進展?目前計劃如何?對整個拉曼市場儀器市場評價如何?
目前課題組已有相關論文，產品還在研發中，在應用上會針對特定應用做特定系統設計。
國內市場還是很大，食品安全、環境方面特別受重視，國家政策鼓勵創業和技術轉移，所以在科研成果轉化方面比英國更有優勢。有市場，也有國家政策，國內有很好的鼓勵創業、鼓勵技術轉移的政策、經費，這個可以有很大優勢。
所以，所以我們可以在國內開展項目，跟國內能做系統設計的團隊合作，看如何實現成果轉化。轉化研究跟科學研究不同，需要有專門經費與研究人員。
儀器創新方面，國內有合適的合作方，熒光干擾問題，能過解決，從根本上，可以避免或者減弱，對拉曼來說意義重大。產品做出來還需要專門設計光系統，因為光柵的設計并不是最難的，最關鍵的還是檢測器、電子電路整體設計。
相對于科研用的實驗室拉曼，我認為成長空間最大的是便攜/手持拉曼，科研上的進展不大，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。國內外的研究報告分析，便攜和手持式拉曼的增長率在分析儀器領域保持著非常高的增速，我們看好便攜/手持式拉曼未來的發展。
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