[发明专利]基于SPAD的时间相关拉曼-荧光寿命光谱仪

说明书

本发明公开了一种基于单光子雪崩二极管(SPAD)阵列传感器，皮秒级时间门控电路，高精度时间数字转换器(TDC)和高速荧光寿命算法的拉曼‑荧光寿命光谱仪。本发明以SPAD阵列为拉曼光谱和荧光信号探测器，以皮秒级时间门控电路滤除噪声以提高信噪比和探测效率；再通过TDC记录拉曼光谱和荧光衰减曲线的时域信息并结合荧光寿命算法快速测算荧光寿命。同时利用荧光背景抑制算法获取真实纯净的拉曼信号，以此提高拉曼光谱和荧光寿命的检测能力、检测效率。本发明使用一套系统既可同时实现拉曼光谱，荧光光谱和荧光寿命测算，又可以分别获得拉曼光谱、荧光光谱和荧光寿命测算，与传统方法相比均具备明显的技术优势。

技术领域

本发明涉及一种基于SPAD的时间相关拉曼-荧光寿命光谱仪的设计原理和实现方法，尤其涉及基于单光子雪崩二极管(SPAD)阵列检测器，皮秒级门控电路，高精度时间数字转换器(TDC)，和高速荧光寿命和背景抑制算法的拉曼-荧光寿命光谱仪。

技术背景

拉曼光谱技术是一种基于光与物质相互作用的特性，利用拉曼散射进行无损伤无标记检测的方法，能够在分子水平上解析几乎所有形式的材料的结构组成(SMITH，E.&DENT，G.2013.Modern Raman spectroscopy：a practical approach，John Wiley &Sons.)。由于其具有非接触性、非破坏性、检测时间短、样品所需量小及无需制备的特点，因此目前已广泛应用在食品、化工、生物、材料、地质和医学等研究领域，对于定性分析、定量分析和测定分子结构都显示出重大的应用价值。

拉曼光谱由于拉曼光谱信号微弱，灵敏度很低等缺点在很大程度上限制了其在各方面应用的发展。尤其是很多样品中产生的荧光信号对拉曼信号产生严重干扰和掩盖(HANLON，E.，MANOHARAN，R.，KOO，T.W.，SHAFER，K.，MOTZ，J.，FITZMAURICE，M.，KRAMER，J.，ITZKAN，1.，DASARI，R.& FELD，M.2000.Prospects for in vivo Ramanspectroscopy.Physics in Medicine & Biology，45，R1.)。因此该现象导致很多具有较高荧光信号的样品很难使用拉曼技术进行检测。因此如何提高拉曼信号的信噪比或减弱背景荧光的干扰是拉曼技术发展的关键问题之一。通常的解决方案如下。

1.基于数学算法的基线修正：该方法通过使用数学方法估算背景基线，然后从拉曼光谱中减去该基线以达到消除荧光和背景噪声的目的(HASEGAWA，T.，NISHIJO，J.&UMEMURA，J.2000.Separation of Raman spectra from fluorescence emissionbackground by principal component analysis.Chemical Physics Letters，317，642-646.)。但由于荧光信号的多样性和敏感性而很难准确的估算基线，所以该方法并不能适用于所有类型的荧光背景的消除，也无法获得真正纯净的拉曼光谱。该方法需要对不同样品进行大量的干预以调整敏感的算法参数，而且拟合算法的复杂性使得非专业人员需要大量时间去学习。这种隐性成本在仪器开发和使用过程中常常被低估。

2.使用不同波长的激发光源：例如使用长波激发以尽量减少背景荧光，但是会大幅减弱拉曼信号本身的强度，从而需要更长的测量时间；或者更高的激发光能量。另外使用紫外激光进行激发。虽可以因拉曼信号与荧光背景在光谱中位置不同而排除荧光干扰。但紫外拉曼实验属于高端技术，需要复杂的操作，较高样品和设备要求，因此紫外拉曼仪需要较高的制造成本。