时间门控拉曼光谱的创新驱动力——SPAD的突破与应用

上海昊量光电设备有限公司

2024/06/24 09:50

拉曼光谱技术是一种基于光与物质分子振动相互作用的非破坏性光谱分析方法。通过高强度激光照射样品，大部分光会以原波长散射（瑞利散射），少量光会以不同波长散射（拉曼散射），形成拉曼光谱。每个光谱峰对应于特定的分子键振动，形成独特的“化学指纹”。拉曼光谱技术因其高效和多用途特点，有着非常明显的优势如：

- 非破坏性：无需破坏样品。

- 无需特殊制备：适用于多种样品形式。

- 高分辨率：提供分子级别信息。

- 广泛应用：用于化学、材料科学、药物分析等领域

所以这项技术在各科学领域中具有重要应用价值。

但是其在实际应用检测的时候却也有着自身的一些限制如：

- 拉曼效应较弱：需要更高强度激光来获得更强的目标信号，可能损坏样品。

- 荧光干扰：大部分样品可能会产生伴生荧光，干扰zui终目标信号的检测

为了应对这些限制，从而产生了衍生技术——时间门控拉曼技术：

时间门控技术在拉曼中的应用主要是为了提高信噪比，减少荧光干扰。时间门控技术通过在特定时间窗口内选择性检测拉曼散射光，排除荧光和其他背景信号。荧光通常比拉曼散射延迟出现，因此可以通过时间门控技术将其过滤掉。

通过时间门控拉曼技术

可以提高信噪比：时间门控技术能显著降低荧光背景，提高拉曼信号的检测鉴别度；
非破坏性分析：在高荧光背景的样品中，时间门控拉曼光谱仍然可以进行非破坏性分析；
适用范围广泛：时间门控技术适用于各种复杂样品，包括生物样品、药物和材料科学中的高荧光样品；

时间门控拉曼技术的实验配置往往需要两个核心硬件：

激光脉冲源：使用短脉冲激光作为激发光源，以实现时间门控。

时间门控探测器：用于在预设时间窗口内检测拉曼信号。

由于因为拉曼效应非常弱，通常仅占散射光的0.0000001%。而单光子雪崩二极管（SPAD）因其高灵敏度，能检测单个光子，极大地提高了弱拉曼信号的检测能力，并且其低噪声特性使得在低信号水平下仍能获得高信噪比的拉曼光谱信号。还可以在极短的时间窗口内进行信号采集，避开伴生荧光的峰值时间，从而减少荧光干扰，进而能够显著增强拉曼信号的检测能力。所以单光子雪崩二极管（SPAD）是目前拉曼检测较为常用的器件

但是目前市面上商用的SPAD单光子雪崩二极管大多都为单点式，而单点SPAD在此研究中的使用还是回受到不小的限制，因为单点SPAD需要配合单色仪进行逐波段扫描探测，这就导致了测算结果的速度会非常慢，无法快速得到需要的数据

针对这一不足，Pi Imaging与上海昊量光电设备zui新推出的SPAD Lambda线阵单光子探测器，不仅具有单点式SPAD拥有的所有优势，更是完美的解决了它的不足

时间门控拉曼光谱的创新驱动力——SPAD的突破与应用

SPAD Lambda具有320×1个SPAD硅基单光子探测器阵列，单次的积分时间无上限，每个像素尺寸为29um，填充因子大于80%，且内置了320通道的10ps时间分辨率的tdc，自带门编辑模式（时间选通功能），选通门上升沿所需时间小于120ps，zui小选通时间为2ns，激光器同步触发信号与内部选通门的zui小偏移量为17ps zui大无限制。

在时间门控拉曼技术的应用中，门编辑模式起到了不可或缺的作用，其可以根据激光器的外触发信号来生成SPAD工作门，内置TDC的时间序列按照激光器的触发信号作为Start，但SPAD的工作时间是按照生成的门信号进行探测工作，虽zui小的门宽（选通时间）为2ns，但是zui小偏移也就是激光器同步触发信号的上升沿与内部生成的SPAD工作门的延迟时间zui小为17ps zui大无限制，这就意味着设备可以按照zui小17ps的一个时间选通调节分辨率来调整门，实际原理应用解释见下文：

为方便介绍和计算，我们使用10M重频的皮秒半导体激光器来激发被测物，需要测量如图1中的拉曼信号，尽可能的屏蔽掉其他非目标信号的干扰。

图1

但我们只需要第1ns的目标信号，隔绝1ns外的非目标信号，所以在SPAD Lambda的门编辑模式中设置2ns的SPAD工作门，并且激光同步信号和内部工作门信号的上升沿的延迟时间设置为99ns（99000ps），这样两个信号的关系就如同图2所示：

图2

探测器中的TDC会一直持续工作，但是SPAD只会在上一个激光周期的第99ns（空测）和下一个激光周期的第1ns（有效测量）工作，SPAD在其余时间均为不工作状态，可以有效的隔绝来自非目标信号的干扰，如果需要调整对于目标信号探测时间段，则可以通过调整延迟量来调控，所得到的目标信号的直方图如下图3所示：

图3

图3为一个激光周期的直方图，设置的BIn宽为20ps（zui短可达到10ps），直方图中只会显示第1ns内和第99-100ns内的数据，将第99-100ns的数据筛除，即可得到目标信号的光强随时间变化的信息。

SPAD Lambda的设备软件可一键生成直方图且同时会把直方图的横纵坐标轴的TXT文件（SPAD光强纵轴的320个文件+TDC时间坐标横轴的一个文件）直接保存到电脑端，方便数据的随时调阅及处理。

总之，SPAD Lambda不仅克服了传统单点SPAD设备的不足，能够显著提高拉曼光谱的检测灵敏度和信噪比，特别是在处理高荧光背景样品，同时还提供了一种低成本、高效能的解决方案，显示出无与伦比的优势，为各科学领域的研究和应用提供了强有力的支持。

在时间门控拉曼光谱应用中，目前商用化的时间门控拉曼光谱设备如芬兰的Pico Raman设备，购买成本高昂（200-300万）。并且其核心SPAD探测器件并不如SPADLambda亮眼。

SPAD Lambda成本较低，且只需加一个前置光栅，调整光栅与SPAD Lambda的空间位置，即可同时获得多个光谱的强度及时间信息。

上海昊量光电设备有限公司具有着成熟且经验丰富的系统搭建能力，如您想使用SPAD Lambda搭建一套属于您自己的时间门控拉曼测量设备，欢迎与我们联系并进行交流，构建专属于您的时间门控拉曼系统！

关于昊量光电：

上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等，涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等服务。

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