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拉曼光谱一直存在荧光背景干扰的问题，一直到现在。 为了提高拉曼光谱仪的性能，主流厂商采用了多种方案，如背景荧光过滤、表面增强、软件优化等，这些方案在一定程度上解决了荧光背景干扰问题，但各有其自身的局限性。 针对这一问题，David Li提出了将单光子技术应用于拉曼光谱仪的解决方案，仪器信息网进行了相关采访。

▲斯特拉斯克莱德大学副教授David Li和博士生陈浩昌

仪器：请介绍一下自己和课题组的主要研究工作。

2001年台湾大学电机系博士毕业，后进入台湾产业研究中心从事光通讯研究。 具体方向为CMOS电子电路设计。 后来在英国从事相关领域的研究。 目前实验室课题组主要研究单光子器件。 系统开发。

Instrument：从仪器发展的角度，您是如何想到将单光子器件的研究应用到拉曼光谱仪上的？

之所以进行这些事情，是因为当时成像传感器传统上采用光电倍增管，大元器件不适合这种多通道大规模阵列设计。 在总体方向上，希望新的探测器能够用于科学和医学研究，例如用于癌症检测和治疗的荧光寿命成像。

当时缺少的是成像传感器。 传统上使用CCD或CMOS，但这些传感器需要整体集成，工作速度慢，不适合高速摄影。

我们从 2007 年的欧盟项目 MEGAFRAME 开始开发单光子成像传感器，专注于具有高光灵敏度和光效率的单光子器件。 传统上CMOS噪声很大，所以我们做了一个超低噪声的数字集成传感器，现在准备在仪器应用方面做更多的研究。

拉曼光谱仪分为实验室仪器和手持/便携式拉曼光谱仪，可用于科学研究和社会民生。 我们希望将这项技术应用到现实生活中，帮助改善我们的生活环境。

课题组于2014年底启动拉曼研发计划，目标是制作应用于拉曼仪器的线性单光子计数器阵列。 开展这项研究还与地沟油、三聚氰胺、假肉事件有关。

拉曼光谱仪从六七十年前问世以来就一直存在问题：信号弱、背景荧光强、分析时间长。 这是一个长期存在的问题，这些身体问题一直持续到现在。

因此，我们试图解决这些问题。 我们研制的新型线阵单光子探测器具有诸多优点，可以在一定程度上解决目前拉曼问题。

仪器：影响拉曼光谱仪性能的因素有哪些？ 单光子探测器技术在拉曼光谱仪中最大的技术优势在哪里？

拉曼光谱的分辨率与探测器宽度、像素尺寸、光栅宽度、狭缝长度等诸多因素有关，这些因素不仅由探测器决定，还由许多光学元件决定。 分辨率要求越高，光路系统可能设计得越大，这也是越精密的拉曼仪器物理体积越大的原因。 同样，如果需要更高的分辨率，线阵的数量也会更多，比如1024或2048个网格。

单光子器件有两个主要优点。 第一个是低噪音，第二个是高灵敏度。

在探测器噪声方面光纤光谱仪 价格，一种是散粒噪声。 散粒噪声是绝对存在的，存在于CCD、CMOS、单光子探测器等各种探测器中。 这是一种不可逆的物理噪声。 另一个是暗计数，这也是每个设备中都存在的噪声。

这是因为在信号放大和转换过程中也会产生噪声。 任何电子放大器都有其自身的冗余噪声。 操作越快，速度越快，噪音越大，即信号截取越快，噪音越大。

常见的成像探测器也有固定模式噪声，而我们的单光子成像探测器中没有这种噪声。

此外，在灵敏度方面，单光子成像探测器采用了单光子雪崩二极管。 给它一个光子，它可以产生雪崩效应，后面可以产生非常大的电压。 它的灵敏度特别高，可以被检测到。 单光子，其工作方式不同于CCD。 CCD属于积分工作方式，每隔一段时间采集一次，而单光子探测器是实时采集。

灵敏度可以检测光子级，时间精度可以达到皮秒级，而CCD最快也只能达到微秒级（除非增强型CCD可以达到皮秒级，但是会需要非常高的电压（>>500Volt））。 我们做拉曼分析后，用的是脉冲激光，拉曼信号和荧光信号的绝对时间有不同的延迟。

一般来说，拉曼信号很快就会出来，然后是荧光信号。 在时间上，CCD将所有信号累加起来，拉曼信号和背景荧光信号都累加起来。 单光子技术利用了这个时间序列。 在电子电路设计中，单光子技术只能通过对这个时间窗的控制，有意识地吸收拉曼信号的波段。 通常，在这个级别，它是几皮秒。

所以这个皮秒级别是传统CCD和CMOS很难达到的。 但是，单光子计数器可以配合时间窗口的控制使用，以防止较慢的后荧光。 除了滤掉背景荧光，我们还滤掉了时间，这样信噪比会大大提高。

Instrument：对于拉曼荧光干扰问题，厂商们采用了哪些解决方案，您如何评价这些解决方案？ 未来拉曼技术的前景。

拉曼光谱中的一个常见问题是如何将拉曼信号与荧光背景信号分开？

每个人都有不同的解决方案。 一些制造商从机制开始。 产品配置两路激光器，对信号进行两次截取，对截取的信号进行微分，消除荧光背景干扰。 这样的话，仪器会比较大，价格也会稍微贵一些。

另外，大部分厂商在软件设计上，就是在获取到信号后，通过软件中的算法来消除信号，但是一些真实的信号也可能会被消除，这是一个很大的问题。

除了信号处理方式外，有些厂商还会做一些表面拉曼增强，但这些增强都是在被测物体的表面进行处理的。 该技术成本高，操作复杂，不利于大规模推广。 也有厂商会优化激光器的波长和荧光滤光片。

在这个问题上，单光子探测器提供了另一种思路，即只专注于收集拉曼信号。 单光子技术可以从根本上减少荧光的干扰，是一个很好的解决方案。

CMOS优于CCD，用CMOS工艺量产时价格很低光纤光谱仪 价格，但CCD后端需要不同工艺调整放大，价格相对较高。 CMOS单光子可以将传感器和处理器后端的所有数字处理集成在一个芯片上，可以大量降低制造成本。 我也看到有的拉曼分析仪的CCD需要冷却，里面可能有冷却箱，所以便宜的可能性不大。

我认为迫切需要技术。 地沟油、毒奶粉等影响国计民生，工业污染环境，社保爆炸物检测，世界各地机场都需要。 检测时无需添加荧光标记。 这款拉曼分析仪操作非常简单，每个人都可以使用。

Instrument：您刚才说您从2014年开始做拉曼相关的课题，目前进展如何？ 目前的计划是什么？ 您如何评价整个拉曼市场仪器市场？

目前课题组已拥有相关论文和专利，产品还在研发中。 在应用方面，会针对特定的应用进行特定的系统设计。

国内市场依然巨大，尤其重视食品安全和环境。 国家政策鼓励创业和技术转移，因此在科研成果转化方面比英国更有优势。 有市场，有国家政策。 中国有很好的鼓励创业和技术转移的政策和资金，可以有很大的优势。

所以，我们可以在国内开展项目，与国内可以做系统设计的团队合作，看看如何实现成果的转化。 与科学研究不同，转化研究需要专门的资金和研究人员。

在仪器创新方面，国内有合适的合作伙伴，可以解决荧光干扰问题。 从根本上可以避免或减弱，这对拉曼来说意义重大。 产品完成后，需要专门设计光学系统，因为光栅的设计并不是最难的，最关键的是探测器和电子线路的整体设计。

与科研用的实验室拉曼相比，我觉得最大的成长空间是便携式/手持拉曼。 科研进展不大，需要大量投入，不是一般单位能做到的。

所以我还是看好便携掌机。 据国内外研究报告显示，便携式和手持式拉曼光谱的增长速度在分析仪器领域一直保持着很高的增长速度。 我们看好便携式/手持拉曼的未来发展。

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