便携式荧光检测仪设计

韩雪宁 金明 张昕宇 王岩

摘要：荧光光谱技术是通过特定波长的入射光激发样品产生特异性荧光信号，具有准确度高、误报率低的优势[1-3]。本文中，设计了一种基于荧光的便携式检测装置，构建了样机，对样机的性能进行了实验测量。

关键词：便携;荧光;探测器

便携式荧光检测仪的设计下图1所示，主要由光源（LED模块）、光路（透镜、滤光片和样品室）、探测器、信号放大与处理电路和显示屏组成。

一、仪器结构及元器件选型

检测仪定位于小型化、便携式的检测装置，所以简化了探测部分的光路和元器件。为提高检测装置的灵敏度，最直接的方案就是提高激发光强度。LED具有体积小、能量集中、成本低的优势[4-5]，因此，本装置定制了紫外LED模块，如图2所示。在30×30×3 mm3的铝基板上，集成了12颗永霖光电265 nm波长的LED（图中紫色方形为LED），这些LED被固定在直径为2 cm的圆形范围内（图中黑色虚线）。LED模块的电功率2.5 W，理论输出光功率为24 mW。经过实际测量，LED模块输出的光功率为20.57 mW，光斑直径约为2.68 cm。

光路中，采用索雷博的265 nm带通滤光片（带宽12 nm）滤掉激发光中的杂散光;信号光路采用索雷博270 nm长通滤光片选择样品的荧光信号;准直和聚焦镜选用直径25 mm焦距为30 mm的石英透镜。

对于微弱信号，高灵敏、低噪声、快响应的光电探测器是决定检测是否成功的关键。目前，广泛应用的紫外探测器主要是光电倍增管（PMT）和硅基紫外光电管。常规的荧光检测仪大都选用PMT作为探测器，具有响应速度快，灵敏度高的优势，但是工作电压比较高，而且体积和重量都相對还是比较大不适合集成到小型化、便携式的装置中。硅基紫外光电管技术成熟，价格相对低廉，但是灵敏度低，尤其是对深紫外波段的相应很弱，无法满足荧光检测仪的需求。

近年来，美国、日本、欧洲等国家一直尽力于新型紫外探测器的研发，其中III族氮化物宽禁带半导体材料以独特的光学和电学性质，为小型化、高灵敏紫外探测器的研发和应用注入了新的活力。以氮化镓（GaN）为代表，归属于直接带隙半导体，在温下禁带宽度为3.4 eV，吸收截止波长365 nm，因此GaN探测器不需要做成浅结，也无须滤光就可以在可见、背景下探测紫外光光信号。以GaN为代表的宽禁带半导体逐渐发展成为制备紫外探测器的理想材料之一，基于GaN的半导体器件和产业已经得到了快速发展。国际上，GE、Cree、Philips等知名公司研发了不同规格的GaN紫外探测器，可以实现从200-360 nm范围的探测，但是这些公司的探测器成本较高，且采购周期较长。经过调研，国内与南京大学合作的镇江镓芯光电科技有限公司研发的GaN紫外光敏管，技术成熟，检测灵敏度高，而且售价较低，适合大规模应用。综合考虑，本装置选用了镇江镓芯光电科技有限公司研发的GT-ABC-XL GaN光敏二极管（图3 a）作为探测器，该光敏管的受光面积为4 m2，重量仅为10 g，工作电压3.5-5 V，相应波长和相应率如下图3（b）所示。可以看出二极管在250-360 nm波段有比较好的相应，符合本装置的需求。

LED激发待测样品产生荧光，照射到光敏二极管端面，由光能转化成电流对外输出。样品本身的荧光信号很弱，另外，受目前光电材料限制，即使是对紫外波段相对灵敏的GaN探测器，在深紫外波段的量子效率低于40%，这样使得光敏管输出的电流很小，在纳安量级;而一般电路的噪声都在微安量级，因此，荧光信号很容易被噪声湮没，这给信号处理造成了很大困难。因此，后端滤波和放大电路的设计也变得至关重要，一定程度上决定了检测的灵敏度和准确度。本文设计了信号放大与处理电路，目的是使光敏管输出的电信号转化为两路差分信号，有用信号（荧光信号）为差模信号，由光源及电路元器件等引起的噪声是随机波动的，可近似认为是共模噪声。经电路预处理后，噪声被差分电路压制，在放大有用信号的基础上，提高了信噪比。

电路结构设计原理图如图4所示。恒流源作为偏置，输入级的作用是通过对信号的偏置和箝位，进而抑制由光电二极管产生的噪声。A区的作用相当于积分放大器，电路原理图如图5左半部分所示。当输入的光电电流I18增大时，则Ib（Q20）和Ic（Q20）增大，这会导致 Ib（Q18）和Ie（Q18）减小，进一步导致 Ib（Q9）减小，于是将输入的光电电流 I18 转化为差分对管Q9的基极输入电流。

图5右半部分展示了差分级电路的原理图。电流首先流入Q9的基极，此时Ie（Q9）的部分电流经过电阻R1变为为Q10的反相交变电流。当Ib（Q9）减小时，Ie（Q9）同时减小;由于Q9、Q10的射极都连接着恒流源，因此从Q10 发射极流向Q9发射极的电流I（ R1） 增大，即Ie（Q10）增大，Ib（Q10）增大。此时Q9和Q10集电极电阻R2 、R3的作用，将差分的集电极电流转化为集电极的差分输出电压，因此电路可以将输入光电电流信号转化为差分输出电压信号。电压信号输入自带A/D转换电路的显示屏，显示的电压数值可认为是荧光信号光强度。

便携式荧光检测仪采用内置锂电池供电，进一步提高了装置使用的方便。定制了电路板，可对外输出两路不同规格的电压，一路是给探测器和信号处理与放大电路供电的5 V电压，另一路给LED供电，电压10 V，电流为250 mA。

二、实验测量

测量了不同浓度的氯化钠样本，得到了荧光信号强度值，如下表1所示。结果显示，装置本身电路的底噪很小，小于1 μV;当样本加入样品池中，信号强度明显增加了十倍以上，这表明测量得到的确实是来源于样本的荧光信号，而非水对激发光的散射;当浓度逐渐降低至250 μg/ml时，样本的信号光强度接近于溶剂（水）的散射强度，此时不能确认信号是否来源于样本的荧光。综上所述，构建的便携式荧光检测仪，用于检测样本是可行的，检测限在250-500 μg/ml。

参考文献：

[1]包广宏.局域表面等离激元增强AlGaN基MSM型日盲紫外探测器[D].中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2015.

[2]肖泓.免疫荧光检测仪的硬件设计与实现[D].杭州电子科技大学，2014.

[3]郭澎.一种微振动光纤传感系统信号预处理电路[J].仪表技术与传感器，2012（7）：71-72.

[4]吴彦玮.基于光谱分析的液体浓度检测系统的设计与应用[D].南京航空航天大学，2017.

[5]赵旭龙，巴音贺希格，李文昊，等.光谱仪中球面聚焦反射镜和凹面全息光栅像差互补的一体化设计[J].光学学报，2016（6）：60-69.

[6]严霏.氮化镓基毫米波/亚毫米波肖特基势垒二极管工艺研究[D].西安电子科技大学，2020.