单光子技术在拉曼光谱仪研发中的应用——访英国思克莱德大学科学院副教授David Li

　　拉曼光谱一直存在着信号弱、荧光背景干扰的问题，直到现在该问题也一直存在。为了提升拉曼光谱仪的性能，各主流厂商采取了多种解决方案，如背景荧光过滤、表面增强、软件优化等，这些方案能在一定程度上解决信号弱、荧光背景干扰问题，但也各有局限所在。为解决这个问题，David Li提出一种将单光子技术应用于拉曼光谱仪的解决方案。为此，仪器信息网特进行了相关采访。

　　Instrument: 请您介绍一下自己以及课题组主要研究工作。

　　2001年，我博士毕业于台大电机系，工作后从事光通讯研究，具体方向为CMOS电子电路设计。2003 年来到英国后从事相关领域研究，现就职于思克莱德大学科学院的SIBPS，任副教授及博士生导师，所在实验室课题组研究方向为单光子元件相关系统开发、医学显微成像与光谱应用。

　　Instrument: 从仪器研发的角度来讲，您怎么想到要将单光子部件相关研究应用于拉曼光谱仪?

　　之所以开展这方面的研究，是因为传统成像传感器都是使用光电倍增管(PMT)或者CCD作为传感器。PMT由于体积问题而不适合设计成多通道大型阵列。由于传感器技术的限制，CCD传感器需要对微弱的信号进行较长时间的积分整合，所以造成无法使用很多需要高时间分辨率的方法。我们从2007年欧盟(EU)MEGAF RAME项目开始研发单光子成像传感器，专门做具有很高光感度和光效率的单光子器件，以及高精度时间测量系统和相关数据处理算法。传统上的CMOS传感器通常噪声很大，所以我们开发了超低噪声的数位集成传感器，现在准备做更多仪器应用方面的研究。整体方向上，希望可以将新型传感器用于化学、材料科学、医学等领域的研究，如荧光寿命成像用于癌症诊断和用于样品检测的拉曼光谱技术。

　　拉曼光谱仪大致可分为科研型仪器与手持/便携式应用型拉曼光谱仪，分别用于科研和社会民生方面。我们希望将这种技术推广应用于实际生活，以帮助改善我们的生活环境。我们课题组从2014年底开始拉曼研发计划，目标是做应用于拉曼仪器上的线型单光子计数器阵列。开展这项研究也与发生的地沟油、三聚氰胺、廋肉精等事件有较大关系。

　　拉曼光谱仪从六七十年前产生，就一直存在着信号弱、背景荧光干扰、分析时间长等问题，直到现在也没得到解决。所以，这也是我们想办法要解决的问题。我们研发的新型线型阵列单光子检测器具有很多优点，能大幅提高信号强度、有效抑制拉曼光谱背景上的荧光干扰，可以在很大程度上解决目前拉曼光谱仪所存在的问题。我的博士研究生陈昊昌参与了此项研究工作，并取得了一定成绩。

　　Instrument: 拉曼光谱仪性能影响因素有哪些?单光子检测器技术用于拉曼光谱仪最大的技术优势体现在什么地方?

　　拉曼的分辨率跟很多因素有关系，如检测器宽度、像素大小、光栅宽度、狭缝长度，这不止由传感器决定，还取决于许多光学元件。分辨率要求越高，光路系统可能会设计越大，这也是越精准的拉曼仪器，它的物理体积越大的原因。当然，如果需要更高的解析度，线性阵列的数目就要更多，比如1024格或2048格。

　　单光子器件主要有两个优势。第一个是噪声低，第二个是灵敏度高。在检测器噪音方面，一种是栅噪音，各种检测器如CCD、CMOS、单光子检测器都存在栅噪音，这是不可消除的物理噪音。另外一种就是暗计数，这个也是每一个器件都会存在的噪音，这是在信号放大与转换过程中产生的噪音。电子放大器都有自身的噪音，速度越快，噪声越大，也就是信号截取越快，噪声越大。一般的成像传感器还具有固定模式噪音，这个噪音在我们单光子成像传感器里是没有的，所以我们的噪音相对较低。

　　另一方面是灵敏度，单光子成像传感器使用的是单光子雪崩二极管，仅需要接收到一个光子就能产生雪崩效应，从而产生非常大的电压响应，因此它的灵敏度特别高，可以达到单光子级别。而且它的工作模式跟CCD是不一样的，CCD属于积分式的工作模式，隔一段时间采样和输出一次，而单光子传感器是实时和瞬时响应的，灵敏度可以检测到光子级别，时间精准度可以到皮秒量级，而CCD最快只能做到微秒量级(除非使用强化CCD达到亚纳秒，但由于通常需要高电压信号(远大于 500 V)，所以体积很大)。拉曼光谱分析中，用脉冲激光照射样品时，得到的拉曼信号和荧光信号的绝对时间是有不同的延迟。一般拉曼信号会很快出来，随后荧光信号才会出现并且会持续很长时间。在时间上，CCD传感器只能把两种信号全部累积起来了从而无法分离。而单光子技术可以利用这个时间先后，在电子电路设计上，我们通过一种时间窗的控制方式，只将拉曼信号提取出来，通常这个控制级别都是皮秒量级的。所以传统CCD、CMOS很难做到的。但是搭配单光子计数器与时间窗的精确控制，做到将后面的背景荧光过滤掉，可以将拉曼的信噪比大大提高。

　　Instrument: 对于拉曼荧光干扰问题，厂商都采取了什么样的解决方案，您如何评价这些方案?未来拉曼技术的展望。

　　拉曼光谱在国外偏重于医学光电方面的应用，国内则偏重于分析检测。在拉曼光谱方面有一个普遍问题是如何将拉曼信号与荧光背景信号分离?大家有不同的解决方案，有的厂商从机制方面着手，产品中配置了两个激光，做两次信号截取，对截取的信号进行差分以消除荧光背景干扰。这样的话仪器会更大一些，价格稍微昂贵一些。另外大部分厂商都是在软件设计上，就是采集到信号之后，在软件上通过数学算法进行基线信号消除，但这样可能会把一些真正的微弱的拉曼信号都一并剔除掉，这是一个很大的问题。还有一些厂商会做一些表面拉曼增强以提高信噪比，但是这些增强是在被测物表面做处理，这种技术成本较高，操作也比较复杂，不利于大范围推广和快速检测。还有厂商会从激光的波长、荧光滤波器方面进行优化。

　　在此问题上，单光子检测器提供了另外一种思维，即只专注于采集拉曼信号，从根本上降低荧光的干扰，这是一个很好的解决方案。CCD后端需要整合放大器和ADC那是不同的制程，而高性能的ADC价格比较高。CMOS单光子可以把感测器与处理器后端的数字处理全都整合在一个芯片上，大量制造可以有效降低成本。我还看到一些拉曼分析仪的CCD需要做一些冷却，里面可能还需要冷却箱，想降低成本则愈加困难。

　　我认为对该技术的需求很迫切。如食品安全、环境污染等重大事件对国计民生影响很大;爆炸物的检测对于维护全球机场安全等都是非常需要的;拉曼分析在侦测案件的时候不需要加荧光标记可以直接检测，仪器操作简捷，可以广泛使用。

　　Instrument: 您刚才说14年开始做拉曼相关课题，目前取得了哪些进展?目前计划如何?对整个拉曼市场仪器市场评价如何?

　　目前我们课题组已有相关论文和专利，传感器也已经完成测试，在应用上会针对特定应用做特定的系统设计。仪器创新方面，我们的技术能够减弱或者从根本上解决荧光干扰问题，这对拉曼光谱仪来说意义重大。当然，拉曼光谱仪的设计还包括光学系统，但最关键的还是检测器和子电路整体设计。目前中国的国家政策鼓励创业和技术转移，所以在科研成果转化方面比英国等国家更有优势。所以，我们倾向于和中国的仪器制造商和相关团队合作，实现成果转化。当然，成果转化研究跟科学研究不同，需要有专门经费与研究人员，如果有厂商与我们对接，这样的技术转移是非常可行的。

　　随着国家对食品安全、环境保护等方面的重视，拉曼光谱仪的市场需求还是很大的。相对于科研用拉曼，我认为成长空间最大的是便携/手持式拉曼。便携/手持式拉曼的增长率在分析仪器领域保持着非常高的增速，我们也更看好便携/手持式拉曼未来的发展。