便攜式熒光檢測儀設計

韓雪寧 金明 張昕宇 王巖

摘要：熒光光譜技術是通過特定波長的入射光激發樣品產生特異性熒光信號，具有準確度高、誤報率低的優勢[1-3]。本文中，設計了一種基于熒光的便攜式檢測裝置，構建了樣機，對樣機的性能進行了實驗測量。

關鍵詞：便攜;熒光;探測器

便攜式熒光檢測儀的設計下圖1所示，主要由光源（LED模塊）、光路（透鏡、濾光片和樣品室）、探測器、信號放大與處理電路和顯示屏組成。

一、儀器結構及元器件選型

檢測儀定位于小型化、便攜式的檢測裝置，所以簡化了探測部分的光路和元器件。為提高檢測裝置的靈敏度，最直接的方案就是提高激發光強度。LED具有體積小、能量集中、成本低的優勢[4-5]，因此，本裝置定制了紫外LED模塊，如圖2所示。在30×30×3 mm3的鋁基板上，集成了12顆永霖光電265 nm波長的LED（圖中紫色方形為LED），這些LED被固定在直徑為2 cm的圓形范圍內（圖中黑色虛線）。LED模塊的電功率2.5 W，理論輸出光功率為24 mW。經過實際測量，LED模塊輸出的光功率為20.57 mW，光斑直徑約為2.68 cm。

光路中，采用索雷博的265 nm帶通濾光片（帶寬12 nm）濾掉激發光中的雜散光;信號光路采用索雷博270 nm長通濾光片選擇樣品的熒光信號;準直和聚焦鏡選用直徑25 mm焦距為30 mm的石英透鏡。

對于微弱信號，高靈敏、低噪聲、快響應的光電探測器是決定檢測是否成功的關鍵。目前，廣泛應用的紫外探測器主要是光電倍增管（PMT）和硅基紫外光電管。常規的熒光檢測儀大都選用PMT作為探測器，具有響應速度快，靈敏度高的優勢，但是工作電壓比較高，而且體積和重量都相對還是比較大不適合集成到小型化、便攜式的裝置中。硅基紫外光電管技術成熟，價格相對低廉，但是靈敏度低，尤其是對深紫外波段的相應很弱，無法滿足熒光檢測儀的需求。

近年來，美國、日本、歐洲等國家一直盡力于新型紫外探測器的研發，其中III族氮化物寬禁帶半導體材料以獨特的光學和電學性質，為小型化、高靈敏紫外探測器的研發和應用注入了新的活力。以氮化鎵（GaN）為代表，歸屬于直接帶隙半導體，在溫下禁帶寬度為3.4 eV，吸收截止波長365 nm，因此GaN探測器不需要做成淺結，也無須濾光就可以在可見、背景下探測紫外光光信號。以GaN為代表的寬禁帶半導體逐漸發展成為制備紫外探測器的理想材料之一，基于GaN的半導體器件和產業已經得到了快速發展。國際上，GE、Cree、Philips等知名公司研發了不同規格的GaN紫外探測器，可以實現從200-360 nm范圍的探測，但是這些公司的探測器成本較高，且采購周期較長。經過調研，國內與南京大學合作的鎮江鎵芯光電科技有限公司研發的GaN紫外光敏管，技術成熟，檢測靈敏度高，而且售價較低，適合大規模應用。綜合考慮，本裝置選用了鎮江鎵芯光電科技有限公司研發的GT-ABC-XL GaN光敏二極管（圖3 a）作為探測器，該光敏管的受光面積為4 m2，重量僅為10 g，工作電壓3.5-5 V，相應波長和相應率如下圖3（b）所示。可以看出二極管在250-360 nm波段有比較好的相應，符合本裝置的需求。

LED激發待測樣品產生熒光，照射到光敏二極管端面，由光能轉化成電流對外輸出。樣品本身的熒光信號很弱，另外，受目前光電材料限制，即使是對紫外波段相對靈敏的GaN探測器，在深紫外波段的量子效率低于40%，這樣使得光敏管輸出的電流很小，在納安量級;而一般電路的噪聲都在微安量級，因此，熒光信號很容易被噪聲湮沒，這給信號處理造成了很大困難。因此，后端濾波和放大電路的設計也變得至關重要，一定程度上決定了檢測的靈敏度和準確度。本文設計了信號放大與處理電路，目的是使光敏管輸出的電信號轉化為兩路差分信號，有用信號（熒光信號）為差模信號，由光源及電路元器件等引起的噪聲是隨機波動的，可近似認為是共模噪聲。經電路預處理后，噪聲被差分電路壓制，在放大有用信號的基礎上，提高了信噪比。

電路結構設計原理圖如圖4所示。恒流源作為偏置，輸入級的作用是通過對信號的偏置和箝位，進而抑制由光電二極管產生的噪聲。A區的作用相當于積分放大器，電路原理圖如圖5左半部分所示。當輸入的光電電流I18增大時，則Ib（Q20）和Ic（Q20）增大，這會導致 Ib（Q18）和Ie（Q18）減小，進一步導致 Ib（Q9）減小，于是將輸入的光電電流 I18 轉化為差分對管Q9的基極輸入電流。

圖5右半部分展示了差分級電路的原理圖。電流首先流入Q9的基極，此時Ie（Q9）的部分電流經過電阻R1變為為Q10的反相交變電流。當Ib（Q9）減小時，Ie（Q9）同時減小;由于Q9、Q10的射極都連接著恒流源，因此從Q10 發射極流向Q9發射極的電流I（ R1） 增大，即Ie（Q10）增大，Ib（Q10）增大。此時Q9和Q10集電極電阻R2 、R3的作用，將差分的集電極電流轉化為集電極的差分輸出電壓，因此電路可以將輸入光電電流信號轉化為差分輸出電壓信號。電壓信號輸入自帶A/D轉換電路的顯示屏，顯示的電壓數值可認為是熒光信號光強度。

便攜式熒光檢測儀采用內置鋰電池供電，進一步提高了裝置使用的方便。定制了電路板，可對外輸出兩路不同規格的電壓，一路是給探測器和信號處理與放大電路供電的5 V電壓，另一路給LED供電，電壓10 V，電流為250 mA。

二、實驗測量

測量了不同濃度的氯化鈉樣本，得到了熒光信號強度值，如下表1所示。結果顯示，裝置本身電路的底噪很小，小于1 μV;當樣本加入樣品池中，信號強度明顯增加了十倍以上，這表明測量得到的確實是來源于樣本的熒光信號，而非水對激發光的散射;當濃度逐漸降低至250 μg/ml時，樣本的信號光強度接近于溶劑（水）的散射強度，此時不能確認信號是否來源于樣本的熒光。綜上所述，構建的便攜式熒光檢測儀，用于檢測樣本是可行的，檢測限在250-500 μg/ml。

參考文獻：

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