光電檢測讀書筆記

1、單粒子多通道的生物氣溶膠熒光傳感器一、研究背景過去的十年，環(huán)境可以被連續(xù)監(jiān)測到存在潛在的有害生物氣溶膠,在這些搜尋方法中，顆粒熒光方法已經(jīng)得到了相當(dāng)?shù)年P(guān)注。當(dāng)包含生物有機體的主要生物熒光基團被射線激活時，內(nèi)部粒子熒光可以用來幫助區(qū)分生物與非生物粒子，甚至可以提供生物顆粒間的差別，這些粒子是環(huán)境中的正常成分，而且可能會被認(rèn)為是一種威脅。然而，由于來自生物熒光基團的熒光通常很微弱，在空氣中的生物熒光基團數(shù)量很少，所以激活射線必須很強烈，而且激光器必須以這個目的來使用。比如在早前的系統(tǒng)中，多采用連續(xù)波激光器，盡管這些激光器體積大易碎，而且只針對重要的生物熒光基團的有效激發(fā)下產(chǎn)生的較長波長起作用，像色

2、氨酸，最優(yōu)應(yīng)激出現(xiàn)在260280nm波長范圍內(nèi)。因此，大量用于諧波分析的固體激光器獲得廣泛認(rèn)可，比如四倍頻的Nd-YAG激光器，同時擁有266nm的輸出波長和比連續(xù)波氣體激光器更小的波形因數(shù)。二、激光激發(fā)熒光系統(tǒng)（LIF）這些發(fā)現(xiàn)已經(jīng)開始發(fā)掘LIF對于描述空氣粒子和病原體的潛力。然而，固體調(diào)諧激光器各組成部分相對昂貴，系統(tǒng)中還要求多點檢測和大范圍追蹤。因此，目前要在結(jié)構(gòu)小巧和能量大并且能連續(xù)發(fā)出低于300 nm波長的半導(dǎo)體光源發(fā)展上做很大的努力。特別是開始于2002年的美國SUVOS（半導(dǎo)體紫外光源）計劃，正在這個目標(biāo)上有巨大收獲，已經(jīng)證實原始LED裝置能夠在毫瓦功率級發(fā)射280nm室溫連續(xù)波

3、。這些裝置已經(jīng)在生物傳感器試驗臺進行了組裝。過去的十年中，從現(xiàn)有已開發(fā)的粒子LIF系統(tǒng)公布的結(jié)果看，針對令人滿意的繁衍和典型的個體生物粒子LIF記錄，允許一個“熒光測定和捕獲”的近似下限。這表明，一般情況下，粒子必須經(jīng)過能量密度大于200-300J/cm2紫外激光照射，在獲得的信號中，粒子每個球面度的熒光角能采集到足夠的信噪比。在要求光譜信息具有高分辨率的場合下，能量密度必須按比例增加；例如，潘永樂 8 介紹了一種具有超過100個記錄通道的熒光光譜儀，該種光譜儀所用的紫外激光能量密度為3104J/cm2。就如同在毫秒級的時間內(nèi)從Q調(diào)制固體激光器，或者像紫外發(fā)光二極管這樣的連續(xù)波低功率源作用一樣

4、，我們要求紫外激光能量在幾十納秒的時間內(nèi)傳送給粒子。然而，在后一種情況，長時間保持聚焦的紫外線照射單一粒子存在問題（難度），而且這也違背整體氣溶膠樣品體積流量的原理。因此，盡管紫外發(fā)光二極管和極紫外二極管激光器為實際生物氣溶膠熒光傳感器提供了較好的前景，但在它們可以被納入商業(yè)領(lǐng)域的檢測系統(tǒng)之前，設(shè)備的輸出功率和壽命必須增加。直到這種設(shè)備經(jīng)常使用，替代低成本高功率的紫外光源滿足需求才不那么迫切，才能滿足以熒光為基礎(chǔ)的生物氣溶膠傳感器在軍事和民用場景的需求。微型氙閃光燈代表這樣的更替，它有傳遞紫外激光能量到粒子的能力，并且作為寬帶光源，它還為用于生物熒光最佳激發(fā)波長提供了選擇。本文介紹了一種緊湊的

5、低成本的原型氣溶膠熒光傳感器，采用兩個這樣的氙閃光燈記錄兩通道熒光數(shù)據(jù)，這兩道熒光來自大小為1m單個空氣粒子，粒子速度可達7500個/分鐘。三、單顆粒氣溶膠熒光傳感器，WIBS2這個系統(tǒng)原型是在雙氙氣寬光源生物傳感器基礎(chǔ)上描述的。雙氙氣寬光源生物傳感器記錄了許多來自體積在幾個立方厘米的大樣本中的粒子熒光輻射，它利用了光學(xué)過濾的氙氣光源的周期性閃爍。像這樣，同時多粒子照明大大簡化了機械氣流系統(tǒng)和光學(xué)檢測系統(tǒng)，使整體傳感器的成本非常低。但是，多個粒子同時激勵會不可避免地導(dǎo)致熒光數(shù)據(jù)平均結(jié)果超過所有的粒子，雖然這對大致均勻的氣溶膠無太大影響，但它損害了傳感器區(qū)分低濃度有害生物粒子對較高濃度的背景顆粒

6、的能力。單個粒子的檢測需要避免此類情況。1、WIBS2的運行概況新型單粒子熒光傳感器WIBS2采用一個中心光學(xué)腔，腔周圍設(shè)有一個用于檢測和分選顆粒（見2.4節(jié)）的660nm連續(xù)波長二極管激光器，兩個在不同波段（見2.3節(jié)）發(fā)射脈沖的氙氣紫外線光源，和兩個熒光檢測通道FL1和FL2（這兩個通道用于兩個波段的粒子的熒光檢測）。因此，對每一個粒子來說，其大小的估計都用一個2x2的激發(fā)發(fā)射矩陣記錄。連續(xù)激光束氣溶膠流散射體熒光輻射捕捉圖1 WIBS2傳感器的示意圖和傳感器實體，約（26x22x28）厘米大小在操作中，氣溶膠是從周圍的氣體通過層流輸送系統(tǒng)引入的。當(dāng)粒子在中心腔從二極管激光器穿過聚焦光束時

7、，層流輸送系統(tǒng)使懸浮顆?；旧铣蓡螌优帕?。氣溶膠總流量為4.5升/分鐘，在注入新氣溶膠流前，其中一部分以3.9升/分鐘緩緩?fù)ㄟ^，形成一個鞘流限制剩余樣品流過。氣溶膠樣品流和激光束的交叉點確定散射體（直徑0.8mm和深度130m），如圖1所示。進入激光束的粒子會產(chǎn)生散射光信號，從散射信號的量級，粒子（球形物）尺寸可由Mie理論確定。圖2 氙氣光脈沖疊加在散射體上的橫截面（虛線橢圓）圖2顯示了散射體（虛線橢圓），從氙氣光源1看：以30角向下觀察水平面，粒子檢測之后照射10s（對粒度進行評估所需的時間），此時粒子已經(jīng)移動了 180m到達水平面，也就是散射體的下面。XE1輸出是有目的的，最高能量密度區(qū)

8、域包括被黑色橢圓劃定的粒子目標(biāo)區(qū)。第二個氙氣光源XE2隨后照射6s，以低于第一個光源的速度保證這段時間內(nèi)額外粒子的運動。交叉點處的粒子目標(biāo)區(qū)域，從每個氙燈發(fā)出的紫外輻射脈沖約2mm1mm的面面積（見圖2），以基本均勻的超過300J/cm2的能量照亮整個散射體。因此，不管粒子從哪兒穿過這個區(qū)域，當(dāng)比較不同粒子的熒光性質(zhì)時，應(yīng)當(dāng)考慮經(jīng)過類似的紫外應(yīng)激的影響（6%之內(nèi)）。WIBS2采用兩個濱松L9455氙模塊（日本濱松光子學(xué)株式會社）。這些都是緊湊型（1043.5cm）外部觸發(fā)模塊，模塊中包括一個精度為1.5毫米弧長的氙氣放電管。閃光能量的再生性能在3%是較好的（雖然在WIBS2中每個放電管都進行了

9、測量和對變化的校正）。氙源以最大放電能量40 MJ和閃光持續(xù)時間1s進行工作。在最大閃光能量下工作時，氙最高重復(fù)頻率為126 Hz，限制它的散熱功率為5W。以其目前0.6L/min的采樣流量，WIBS2能夠?qū)αＷ訚舛雀?.310L 的粒子激發(fā)熒光。超了這個濃度，額外的顆粒只能被計數(shù)和測量。氙燈輸出隨脈沖次數(shù)緩慢下降，在1.5109脈沖后下降到75%，相當(dāng)于在126Hz的最大放電率下連續(xù)運行3000小時。2、熒光采集由兩氙紫外脈沖激發(fā)的粒子固有熒光發(fā)射通過檢測通道FL1和FL2收集。每個通道包括直徑51mm的光闌、焦距為17.5 mm的球面鏡，反映了熒光燈發(fā)出粒子穿過腔室到一個完全相同的相對反射

10、鏡的孔中，如圖3 ZEMAX射線所示。因此，每個鏡子能收集熒光發(fā)出超過3.1 sr的立體角，并通過一個帶通濾波器引導(dǎo)粒子到達小型光電倍增管（PMT）模塊的光電陰極。這個系統(tǒng)的設(shè)計是這樣的：PMT的視場被限制在一個直徑2mm的小圓圈內(nèi)，它包括散射體和散射體正下方的粒子目標(biāo)區(qū)域。這減少了光電倍增管接收多余的熒粒子。圖3 一種熒光檢測通道（如虛線所示的第二通道反射鏡）的射線圖3、熒光激發(fā)和發(fā)射帶第一個氙燈的輸出使用了自定義的紫外帶通濾波器進行光學(xué)濾波。280nm峰值波長（如圖4）激發(fā)的結(jié)果和色氨酸生物熒光基團的吸收峰很符合。第二個氙燈使用了自帶的現(xiàn)成的濾波器進行濾波，產(chǎn)生一個370nm的峰值（如圖4

11、），很接近另一種重要生物熒光基團的最大吸收峰。第一個熒光檢測通道FL1，要求檢測正好與色氨酸的熒光光譜最大值重合的熒光，即：大約在300-420nm之間，峰值在345nm處。一個在330nm處具有50%的透射率的自定義長通光學(xué)濾波器最初就是為了這個目的開發(fā)使用的。當(dāng)結(jié)合光電倍增管的光電陰極響應(yīng)時，檢測帶可從320nm延伸至600 nm，如圖5所示。圖4 wibs2氙氣光源的光譜輸出XE1和XE2第二個檢測通道FL2，針對的是NADH的發(fā)射帶，即：在400-600 nm之間，峰值在450 nm。這個波段的定義是使用一個標(biāo)準(zhǔn)的KV418濾波器實現(xiàn)的，這個高通濾波器具有尖銳的截止波長和極低的內(nèi)熒光效

12、率。再次，該濾波器的透射率和光電倍增管光電陰極的有效結(jié)合定義了所需的帶寬，如圖5。雖然FL1帶寬遠遠超出主色氨酸在420 nm的發(fā)射峰的上限，但這種傳輸和包括大多數(shù)的色氨酸輻射的FL2通道之間是不同的。（注意，盡管在本文中用過濾器記錄了實驗數(shù)據(jù)，但一個新的在310nm具有50%的透過率的長通濾波器不久將取代FL1通道中的DUV2長通濾波器。這將在有效捕捉短波長的色氨酸熒光發(fā)射峰的改進上提高40%）。圖5 FL1（左）和FL2（右）熒光檢測。在每一種情況下，虛線表示PMT檢測器的響應(yīng)，短劃線表示濾波器，和實線表示產(chǎn)生的熒光帶4、粒子探測正如上面提到的，當(dāng)一個粒子進入散射體后，通過從連續(xù)波二極管激

13、光束發(fā)出的光彈性散射，粒子可以被探測到。為了方便和進一步降低傳感器成本，這種散射光檢測也由FL2通道實現(xiàn)了熒光檢測。如圖5顯示，用于FL2通道的光電倍增管檢測器有一個迅速下降到600 nm波長的響應(yīng)。在660nm波長的激光器中，PMT響應(yīng)是波長400nm時峰值下降一千倍的一個因素。很偶然的情況下，粒子彈性散射的幅度也是類似于粒子熒光的一個因素，這使得彈性散射和FL2熒光脈沖必須使用相同的PMT增益設(shè)置才能成功記錄。通過這種方式測出的粒子尺寸只是近似的，因為被FL2探測器接收到的散射光幅度是粒子形狀、折射率以及大小的函數(shù)。5、數(shù)據(jù)采集獲取顆粒尺寸和熒光數(shù)據(jù)這樣的周期大約需要25秒。圖6顯示當(dāng)一個

14、直徑3m的聚苯乙烯乳膠球通過散射體時，從檢測器通道FL1和FL2信號的示波器波形。當(dāng)顆粒進入激光束時，F(xiàn)L2通道（靠上的軌跡）記錄的是彈性散射信號的幅度，編號為（1），為負(fù)向信號。由于FL1通道增益設(shè)置低于FL2，但在一個較小的幅度，F(xiàn)L1的軌跡也檢測到這種散射光信號。 圖6 由于3 m大的 PSL球體通過散射體后，F(xiàn)L1和FL2檢測器信號的一個例子（見文本說明編號）粒子探測后10s，XE1氙燈開始照射，用280 nm的紫外線輻射粒子，產(chǎn)生熒光信號（2）和（3），分別從通道FL2和FL1獲得。這個過程之后6s，XE2氙燈開始照射，用370 nm波長的紫外輻射照射的粒子。通道FL2記錄波長帶寬在

15、420-600 nm的粒子發(fā)出的信號（4）。但是，氙燈2的輻射范圍位于通道FL1的帶寬之內(nèi)，因此本通道光電倍增管（PMT）可接收到彈性散射粒子。波長370 nm輻射產(chǎn)生的彈性散射幅度遠遠高于其產(chǎn)生熒光信號幅度，而且足以使FL1通道檢測放大器在頃刻間達到飽和。這種飽和信號脈沖（5）不可用。從飽和恢復(fù)到放大狀態(tài)需要10s。信號（1）、（2）、（3）、（4）在被傳遞到主機處理器之前，集中綜合他們的寬度，數(shù)字化綜合值精度達到12位。該系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)準(zhǔn)備好探測更深層的粒子。然而，由于氙氣光源需要約5ms重新充電，在這5ms的時間內(nèi)經(jīng)過散射體的任何顆粒可以記錄測量，但沒有獲得熒光數(shù)據(jù)。6、數(shù)據(jù)處理每個粒子的

16、熒光數(shù)據(jù)記錄必須作下列修正：（1）、背景補償：被FL1和FL2檢測到的信號補償由散射腔中紫外線激發(fā)的低能量熒光和阻帶濾波中很小的有限透射比產(chǎn)生的濾波突破引起。在散射體中無粒子無樣品流動條件下，當(dāng)氙燈1和氙燈2被迫發(fā)光時，這些偏移量的大小取決于測量的FL1和FL2通道響應(yīng)。（2）、紫外脈沖能量的微小變化和長期衰減。從采用紫外敏感的光電二極管的XE1和XE2記錄每個紫外脈沖幅度。（3）、熒光過濾（篩選）。FL1和FL2通道的光濾波器被粒子和熒光燈產(chǎn)生的彈性散射紫外線轟擊。對于足夠高的幅度的散射紫外線，能產(chǎn)生熒光過濾器可檢測的電位。通過記錄石英或氯化鈉這樣非熒光顆粒產(chǎn)生的清晰熒光，來校正這種效應(yīng)。以

17、下數(shù)據(jù)已根據(jù)上述誤差來源進行更正。四、初步實驗數(shù)據(jù)表1 WIBS2數(shù)據(jù)分析記錄將表1羅列的三種熒光度量法和粒子尺寸、粒子數(shù)密度結(jié)合起來，就有很多潛在的方法。雖然下面簡單的圖形顯示了一些信息，但其他基礎(chǔ)方法，比如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析，更適合自動化決策，而且對于DSTL，我們的合著者也在努力。圖7顯示了一些常見的熒光和非熒光材料的各種測試氣溶膠的結(jié)果，材料的選擇有助于實現(xiàn)WIBS2粒子鑒別。在100L的鎮(zhèn)流器箱內(nèi)使用TSI三引擎噴氣機氣溶膠發(fā)生器將聚苯乙烯乳膠球樣品霧化并抽取樣品。用被過濾的壓縮空氣設(shè)備將干粉材料：紙?；ǚ?、石膏纖維、水垢（CaCO3）纖維和生粉在鎮(zhèn)流器箱制成噴霧。將奎寧水（濃度為1%

18、專用奎寧水）直接噴到鎮(zhèn)流器箱。在圖片7中，X軸的尺寸是任意單位。盡管從0.5m擴展到了10m，但對于在2.4中提到的諸多因素，我們在將記錄粒子散射信號轉(zhuǎn)換為一個球形當(dāng)量粒徑的初始數(shù)據(jù)中也并沒有沒做修正。詳細的建模和實驗測試正在做，以確定測量顆粒形狀和折射率的靈敏度。Y軸“FL2Xe2”的熒光信號也是任意單位。Z軸“FL1Xe1/FL2Xe1” 是一個無量綱的量，主要表示顆粒材料的功能，反映了粒子熒光輻射的光譜分布，而不是它的幅值。如果通道FL1和FL2光電倍增管獲得的信號相等，那么FL1Xe1/FL2Xe1的值幾乎總是超過一（見圖5的透過率曲線）。但對于很多材料來說，帶寬在300nm-400n

19、m之間的熒光輻射比超過400nm時的要嚴(yán)重，因此為了使動態(tài)范圍最大化，F(xiàn)L1通道的光電倍增管增益設(shè)置要比FL2通道的低一個數(shù)量級。圖片7 WIBS2測試氣體溶膠初始數(shù)據(jù)的影像圖片7和相關(guān)的QuickTime影視文件顯示：大多情況下，鑒別不同類型氣溶膠很容易實現(xiàn)。1m聚苯乙烯乳膠球的分布比3m和5m同種材料的變體要寬，是這些最小粒子散射和熒光信號中較低信噪比的結(jié)果。同樣地，在FL1Xe1和FL2Xe1的比值范圍內(nèi)，由于石膏和水垢分子極低的熒光或信噪比能產(chǎn)生很大的變化，所以它們分子的量級分布相對廣泛。果然，濃度1%的奎寧水滴和摻雜1.7m的乳膠球熒光顆粒產(chǎn)生很高的熒光值，特別是在被FL2通道覆蓋的

20、420-600nm帶寬之間。圖8顯示的是更具代表性的生物材料和種類的氣溶膠，未來的生物氣溶膠傳感器需要將它們檢測到，在理想情況下還能識別它們。DSTL記錄的數(shù)據(jù)顯示：從氣溶膠結(jié)果：水洗過的BG孢子；干燥分散不能發(fā)育的BG孢子；水洗過和沒水洗的大腸桿菌營養(yǎng)細胞；0.1mmol色氨酸和NADH溶解液；1%卵清蛋白水溶液；3m的乳膠球。為作參考，和1%的奎寧水和1.7的熒光乳膠球有關(guān)的數(shù)據(jù)借用圖7的數(shù)據(jù)。除干燥的BG孢子用過濾后的壓縮空氣霧化外，每一種材料都是從懸浮液霧化的。所有氣溶膠都在一個裝有循環(huán)風(fēng)機的大密閉容器內(nèi)產(chǎn)生，在這個容器內(nèi)，樣品被吸到WIBS2傳感器。并行采樣的氣溶膠空氣動力學(xué)粒徑譜儀

21、（TSI APS 3300）提供有關(guān)氣溶膠濃度數(shù)據(jù)和平均粒徑。圖8中的數(shù)據(jù)顯示不同粒子類型之間預(yù)期的差別。值得注意的是：（1）、盡管水洗過的和干燥的BG孢子有不同的材料特性，但是兩者的分布較為一致。由APS記錄的水洗孢子的平均粒子尺寸為1.1m，干燥分散孢子呈現(xiàn)出較大的粒子平均尺寸，大約為1.5m，有5m尾部延伸出來，說明有的孢子聚集的發(fā)生；（2）、水洗過和沒水洗的大腸桿菌營養(yǎng)細胞在1-2m的范圍內(nèi)表現(xiàn)出不同的分布。水洗的大腸桿菌細胞比BG孢子在FL1Xe1和FL2Xe1比值較高的位置出現(xiàn)得多，建議對于大腸桿菌細胞在320-420nm范圍內(nèi)增加一個熒光數(shù)量級。沒水洗細胞的FL1Xe1/FL2Xe1的值較低，而在FL2Xe2軸上的值很高，細胞中剩余生長介質(zhì)引起熒光波長增長。（3）、一些氣溶膠比如大腸桿菌粒子和無水洗BG孢子，它們的數(shù)據(jù)分布說明了尺寸變大時FL2Xe2變大、FL1Xe1/FL2Xe1減小的一致性。假設(shè)這是由與短波長熒光被較大粒子吸收引起的，但是還需要進一步研究。（4）、卵清蛋白和色氨酸的分布在FL1Xe1/FL2Xe1高值處基