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時(shí)間門控拉曼光譜的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力

SPAD的突破與應(yīng)用

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拉曼光譜技術(shù)是一種基于光與物質(zhì)分子振動(dòng)相互作用的非破壞性光譜分析方法。通過(guò)高強(qiáng)度激光照射樣品，大部分光會(huì)以原波長(zhǎng)散射（瑞利散射），少量光會(huì)以不同波長(zhǎng)散射（拉曼散射），形成拉曼光譜。每個(gè)光譜峰對(duì)應(yīng)于特定的分子鍵振動(dòng)，形成獨(dú)特的“化學(xué)指紋”。拉曼光譜技術(shù)因其高效和多用途特點(diǎn)，有著非常明顯的優(yōu)勢(shì)如：

- 非破壞性：無(wú)需破壞樣品。

- 無(wú)需特殊制備：適用于多種樣品形式。

- 高分辨率：提供分子級(jí)別信息。

- 廣泛應(yīng)用：用于化學(xué)、材料科學(xué)、藥物分析等領(lǐng)域

所以這項(xiàng)技術(shù)在各科學(xué)領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用價(jià)值。

但是其在實(shí)際應(yīng)用檢測(cè)的時(shí)候卻也有著自身的一些限制如：

- 拉曼效應(yīng)較弱：需要更高強(qiáng)度激光來(lái)獲得更強(qiáng)的目標(biāo)信號(hào)，可能損壞樣品。

- 熒光干擾：大部分樣品可能會(huì)產(chǎn)生伴生熒光，干擾最終目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)

為了應(yīng)對(duì)這些限制，從而產(chǎn)生了衍生技術(shù)——時(shí)間門控拉曼技術(shù)：

時(shí)間門控技術(shù)在拉曼中的應(yīng)用主要是為了提高信噪比，減少熒光干擾。時(shí)間門控技術(shù)通過(guò)在特定時(shí)間窗口內(nèi)選擇性檢測(cè)拉曼散射光，排除熒光和其他背景信號(hào)。熒光通常比拉曼散射延遲出現(xiàn)，因此可以通過(guò)時(shí)間門控技術(shù)將其過(guò)濾掉。

通過(guò)時(shí)間門控拉曼技術(shù)

可以提高信噪比：時(shí)間門控技術(shù)能顯著降低熒光背景，提高拉曼信號(hào)的檢測(cè)鑒別度；

非破壞性分析：在高熒光背景的樣品中，時(shí)間門控拉曼光譜仍然可以進(jìn)行非破壞性分析；

適用范圍廣泛：時(shí)間門控技術(shù)適用于各種復(fù)雜樣品，包括生物樣品、藥物和材料科學(xué)中的高熒光樣品；

時(shí)間門控拉曼技術(shù)的實(shí)驗(yàn)配置往往需要兩個(gè)核心硬件：

激光脈沖源：使用短脈沖激光作為激發(fā)光源，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間門控。

時(shí)間門控探測(cè)器：用于在預(yù)設(shè)時(shí)間窗口內(nèi)檢測(cè)拉曼信號(hào)。

由于因?yàn)槔?yīng)非常弱，通常僅占散射光的0.0000001%。而單光子雪崩二極管（SPAD）因其高靈敏度，能檢測(cè)單個(gè)光子，極大地提高了弱拉曼信號(hào)的檢測(cè)能力，并且其低噪聲特性使得在低信號(hào)水平下仍能獲得高信噪比的拉曼光譜信號(hào)，還可以在極短的時(shí)間窗口內(nèi)進(jìn)行信號(hào)采集，避開(kāi)伴生熒光的峰值時(shí)間，從而減少熒光干擾，進(jìn)而能夠顯著增強(qiáng)拉曼信號(hào)的檢測(cè)能力，以單光子雪崩二極管（SPAD）是目前拉曼檢測(cè)較為常用的器件

但是目前市面上商用的SPAD單光子雪崩二極管大多都為單點(diǎn)式，而單點(diǎn)SPAD在此研究中的使用還是會(huì)受到不小的限制，因?yàn)閱吸c(diǎn)SPAD需要配合單色儀進(jìn)行逐波段掃描探測(cè)，這就導(dǎo)致了測(cè)算結(jié)果的速度會(huì)非常慢，無(wú)法快速得到需要的數(shù)據(jù)

針對(duì)這一不足，Pi Imaging與上海昊量光電設(shè)備最新推出的SPAD Lambda線陣單光子探測(cè)器，不僅具有單點(diǎn)式SPAD擁有的所有優(yōu)勢(shì)，更是完美地解決了它的不足。

SPAD Lambda具有320×1個(gè)SPAD硅基單光子探測(cè)器陣列，單次的積分時(shí)間無(wú)上限，每個(gè)像素尺寸為29um，填充因子大于80%，且內(nèi)置了320通道的10ps時(shí)間分辨率的TDC，自帶門編輯模式（時(shí)間選通功能），選通門上升沿所需時(shí)間小于120ps，最小選通時(shí)間為2ns，激光器同步觸發(fā)信號(hào)與內(nèi)部選通門的最小偏移量為17ps，最大無(wú)限制。

在時(shí)間門控拉曼技術(shù)的應(yīng)用中，門編輯模式起到了不可或缺的作用，其可以根據(jù)激光器的外觸發(fā)信號(hào)來(lái)生成SPAD工作門，內(nèi)置TDC的時(shí)間序列按照激光器的觸發(fā)信號(hào)作為Start，但SPAD的工作時(shí)間是按照生成的門信號(hào)進(jìn)行探測(cè)工作，雖最小的門寬（選通時(shí)間）為2ns，但是最小偏移也就是激光器同步觸發(fā)信號(hào)的上升沿與內(nèi)部生成的SPAD工作門的延遲時(shí)間最小為17ps最大無(wú)限制，這就意味著設(shè)備可以按照最小17ps的一個(gè)時(shí)間選通調(diào)節(jié)分辨率來(lái)調(diào)整門，實(shí)際原理應(yīng)用解釋見(jiàn)下文：

為方便介紹和計(jì)算，我們使用10M重頻的皮秒半導(dǎo)體激光器來(lái)激發(fā)被測(cè)物，需要測(cè)量如圖1中的拉曼信號(hào)，盡可能的屏蔽掉其他非目標(biāo)信號(hào)的干擾。

圖1

但我們只需要第1ns的目標(biāo)信號(hào)，隔絕1ns外的非目標(biāo)信號(hào)，所以在SPAD Lambda的門編輯模式中設(shè)置2ns的SPAD工作門，并且激光同步信號(hào)和內(nèi)部工作門信號(hào)的上升沿的延遲時(shí)間設(shè)置為99ns（99000ps），這樣兩個(gè)信號(hào)的關(guān)系就如同圖2所示：

圖2

探測(cè)器中的TDC會(huì)一直持續(xù)工作，但是SPAD只會(huì)在上一個(gè)激光周期的第99ns（空測(cè)）和下一個(gè)激光周期的第1ns（有效測(cè)量）工作，SPAD在其余時(shí)間均為不工作狀態(tài)，可以有效的隔絕來(lái)自非目標(biāo)信號(hào)的干擾，如果需要調(diào)整對(duì)于目標(biāo)信號(hào)探測(cè)時(shí)間段，則可以通過(guò)調(diào)整延遲量來(lái)調(diào)控，所得到的目標(biāo)信號(hào)的直方圖如下圖3所示：

圖3

圖3為一個(gè)激光周期的直方圖，設(shè)置的BIn寬為20ps（最短可達(dá)到10ps），直方圖中只會(huì)顯示第1ns內(nèi)和第99-100ns內(nèi)的數(shù)據(jù)，將第99-100ns的數(shù)據(jù)篩除，即可得到目標(biāo)信號(hào)的光強(qiáng)隨時(shí)間變化的信息。

SPAD Lambda的設(shè)備軟件可一鍵生成直方圖且同時(shí)會(huì)把直方圖的橫縱坐標(biāo)軸的TXT文件（SPAD光強(qiáng)縱軸的320個(gè)文件+TDC時(shí)間坐標(biāo)橫軸的一個(gè)文件）直接保存到電腦端，方便數(shù)據(jù)的隨時(shí)調(diào)閱及處理。

總之，SPAD Lambda不僅克服了傳統(tǒng)單點(diǎn)SPAD設(shè)備的不足，能夠顯著提高拉曼光譜的檢測(cè)靈敏度和信噪比，特別是在處理高熒光背景樣品，同時(shí)還提供了一種低成本、高效能的解決方案，顯示出無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)，為各科學(xué)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的支持。

在時(shí)間門控拉曼光譜應(yīng)用中，目前商用化的時(shí)間門控拉曼光譜設(shè)備如芬蘭的Pico Raman設(shè)備，購(gòu)買成本高昂（200-300萬(wàn)）。并且其核心SPAD探測(cè)器件并不如SPADLambda亮眼。

SPAD Lambda成本較低，且只需加一個(gè)前置光柵，調(diào)整光柵與SPAD Lambda的空間位置，即可同時(shí)獲得多個(gè)光譜的強(qiáng)度及時(shí)間信息。

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