采用多像素光子计数器的单光子探测模块设计

杨延丽，郑新旺，杨光松

(1.集美大学诚毅学院，福建 厦门 361021；2.集美大学海洋信息工程学院，福建 厦门 361021)

0 引言

化学发光是指在反应体系中某种物质的分子吸收了反应所释放的能量，由基态跃迁到激发态，然后再从激发态返回到基态时，会把能量以光辐射的形式释放出来。处于激发态的中间体返回到基态时所释放的光辐射波长范围为300～650 nm，化学发光释放的光子数范围大约在每秒几百到几千万之间，最大发光强度约为108RUL/s(RUL，相对发光单位，1 RUL=1～10个光子)，这是一种非常微弱的光信号[1]。在光信号极其微弱时，光电流就不再是连续的，会离散成一个个的光子，称为单光子。这时，需要采用高灵敏度的单光子探测器对这种非常微弱的光信号进行单光子计数，从而探测微弱光的强度，实现生物、医学等领域的化学发光免疫分析。

目前一般化学发光单光子计数大多采用光电倍增管(photo multiplier tube，PMT)作为光电传感器，它具有增益高、暗电流低等优点，但是体积较大、探测效率低，特别是工作时必须配上千伏的偏置电压，限制了它在小型、便携式的仪器中的应用。多像素光子计数器(multi-pixel photon counter，MPPC)是一种新型的单光子计数器，它的一个Pixel是指一个雪崩光电二极管(avalanche photo diode，APD)，可以实现超低量级的微弱光探测。APD工作在盖革模式(Geiger-mode)下，当接收到一个光子时，所产生的光生载流子触发雪崩，雪崩击穿后的光电转换增益可达105～107。MPPC又称为硅光电倍增器(SiPM)，它由数百至数万个直径为几微米到几十微米的APD单元阵列集成在同一个单晶硅片上构成[2]，它可以在较低的工作电压下有较高的增益，输出信号幅度正比于同时发生雪崩击穿的APD单元数目。MPPC具有目前最优秀的光子数分辨能力，没有像线性模式APD那样大的增益起伏或过噪声，具有比光电倍增管好得多的单光子分辨本领，具有体积小、工作电压低、不受磁场干扰、可靠性高等优点[3]。为了克服PMT的缺点，本文采用MPPC替代PMT，设计一种便携式单光子计数模块，并分析电路特点和误差原因，提出软硬件改进措施，以期提升变异系数、线性相关系数等指标。

1 采用多像素光子计数器的单光子探测模块设计方案

本设计选用的MPPC的型号为日本滨松S11028-100，它是带制冷的MPPC多像素光子计数器，其峰值灵敏度波长440 nm，光谱响应范围320～900 nm，与化学发光的中心波长和范围相匹配。S11028-100探测面积1 mm×1 mm，像素100个，像素尺寸100 μm×100 μm，时间分辨率200～300 ps，增益2.4×106，工作电压(68.25±10)V。本模块整体设计方案如图1所示。S11028自带内部温度传感器和两级热电制冷器，采用微处理器的ADC获取其内部温度，根据温度情况由I/O口控制热电制冷器，将工作温度恒定在-10℃左右。S11028在恒定低温下工作，可以大大降低暗噪声。高压偏置电源微调由微处理器的DAC2控制。单光子入射到APD阵列后，所产生的光生载流子触发雪崩产生脉冲，将光子脉冲信号放大后送入高速甄别器，与DAC1产生的参考电平进行比较，去掉噪声和干扰，甄别出光子信号，将其送入单稳态触发器生成脉冲波，再送入微处理器进行光子计数。

2 模块硬件电路设计

单光子计数探测模块的硬件电路主要包括高压偏置电源、制冷控制电路、跨导放大器、高速比较器、触发器和微处理器。

2.1 MPPC光子探测原理

MPPC的每一个APD都工作在盖革模式下，APD单元偏置电压Vr高于击穿电压Vbr若干伏，当其中一个APD单元接收到一个光子时，按一定的概率产生一个光电子，该电子在耗尽区产生诱导雪崩击穿，产生一个恒定的电脉冲输出，其光电转换增益可达105～106。为了防止雪崩被击穿，淬灭电阻提供一个回路放电，雪崩管回到初始状态，等待下一个光子打来。由于MPPC的结构特点，适合采用无源抑制的工作方式[4]，其工作电路和等效电路如图2所示。图2a中，输出信号从Rs淬灭电阻上得到，送入放大器。图2b是 MPPC的等效电路，其中：MPPC等效为一个开关和一个电压源的串联；Vbr是MPPC内每一个APD的雪崩击穿电压；Rd是APD的体电阻，约几百到几千Ω不等；Cd是APD的结电容，一般为pF量级；Cs为电路分布电容。APD处于雪崩触发就绪状态时，相当于K打开；当有光子入射时，光阴极把光子通过内电光效应转换成光电子，触发雪崩，相当于K闭合；电容Cs、Cd通过体电阻Rd放电，抑制开始，时间常数Tq=Rd(Cs+Cd)，当Cs上的电压下降到小于击穿电压Vbr时，雪崩终止，相当于K断开；外加反向偏置偏压Vr通过大电阻RL重新给Cs和Cd充电，以恢复APD上的偏置电压到击穿电压Vbr以上，时间常数为Tr=RL(Cs+Cd)。由此可知，RL足够大能使雪崩电流迅速降低。

2.2 高压偏置电源和制冷控制电路

作为单光子探测器的偏置电源需要满足以下几个条件：1)电压要满足该型号的规格要求，能够达到雪崩击穿电压以上；2)能够提供足够大的电流，满足雪崩时电流迅速增大的要求；3)电源纹波要足够小，有足够的稳定性，减小由于电压抖动带来的噪声。另外MPPC对温度变化比较敏感，其暗电流、暗计数噪声、雪崩电压等会随着温度的变化而变化，需要恒定的工作温度才能稳定地工作。暗计数噪声大部分是温度导致的，降低工作温度需要降低噪声，但是温度太低也会导致灵敏度下降，所以需要选择合适的工作温度。

本模块选用EMCO公司的高精度低噪声偏置电源CA02P-5，输出电压最大可达200 V，最大输出电流5 mA，纹波系数小于0.01%，满足S11028的要求。CA02P-5通过DAC控制输出电压，可以灵活地通过软件进行偏置电源调节。它还提供一个低阻抗的电压监视器，用于监测S11028的工作电压情况。最后输出在pin1 HV脚，在pin1上加较大电容，外接LC滤波电路，得到低纹波设计。该电源设计成独立模块，用铁盒封闭，以便减少对外界电路的影响。

偏置电源和制冷控制电路如图3和图4所示。制冷控制选用ThermOptics公司的半导体热电制冷专用驱动芯片DN1221，设计目标是将S11028工作温度控制在-10 ℃。查S11028内部负温度系数热敏电阻参数表，可知-10 ℃对应的阻值RT为40 kΩ，根据DN1221的要求pin2和pin3之间所接RS要等于目标温度下的热敏电阻阻值，故接一个50 kΩ精密电位器。

2.3 放大电路设计

从MPPC获得的单光子光电流信号需转换成电压信号，然后进一步放大[5]，将放大后的信号从背景噪声中识别并提取出来，最后转换成标准矩形脉冲信号输出。在化学发光微弱光范围内，MPPC输出脉冲宽度为10～20 ns的负向电流，以及输出幅度不等、离散的电流脉冲信号。化学发光免疫反应发光频率范围约为50 MHz左右，因此前置放大器中放大带宽应该在100 MHz以上。为此，本模块选用TI公司的THS3001，它是电流负反馈型的高速运算放大器，具有420 MHz的-3 dB带宽、低噪声，并且在带宽内平坦度良好，转换速率高达6500 V/μs ，在大信号应用场合只需要40 ns的建立时间，满足信号快速响应的要求。THS3001还具有非常低的非谐波失真，在频率为1 MHz时THD小于-96 dB，反向输入端输入偏置电流仅为2 μA。由于本模块需要放大负极性脉冲信号，所以使用±5 V双极性电源供电。

在微弱光电检测电路中，微弱信号提取的关键在于前置放大器的设计。第一级放大器的重点在于抑制噪声，后级放大电路则需要重点考虑增益、带宽、阻抗匹配、稳定性等。本电路采用电流反馈型放大电路，减少带宽损失。共采用四级放大，一则可以获得正的输出信号，二则可以减少后级放大电路大信号输入对带宽的影响，获得一个较理想的幅频特性。第一级为电流—电压(I/V)转换的电流反馈运放电路，有效的光信号都比较微弱，再由MPPC转化成的光电流信号更微弱。利用电流反馈运放电路让光电流向反馈电阻流动，从而在放大电路输出端转化成为电压。前置放大器具有相对较低的噪声，以及相对较大的带宽，比较适合MPPC输出的微弱信号的提取。第二级至第三级为反向比例运放，第四级为射极跟随器。

电流反馈运放的反向输入电阻非常小，所以它对反向输入端杂散电容的敏感度比电压反馈运放要小很多，这对电流—电压转换非常有利。电流反馈运放的增益和带宽是相互独立的，电流反馈放大器的带宽和稳定性仅受反馈电阻影响，-3 dB带宽计算公式为：

fC=(2πRFCC)-1。

其中：RF为跨阻电阻；CC为运放寄生电容，在本文中取320 pF[6]。代入参数可得：RF=(2πfCCC)-1=(2×3.14×420×103×320×10-12)-1=1185 Ω。 反馈电阻RF取值为1.2 kΩ，RF取值合适有利于增加运放稳定性，消除过冲。

为验证放大器设计思路，使用Multisim软件分别对输入端、四级输出端进行了仿真测试。整体仿真放大电路如图5所示，向输入端输入400 μA的脉冲电流信号，从第四级输出幅值为3.3 V的正脉冲信号。仿真输出总波形如图6所示，其中V3、V4、V5波形分别是图5中所标识的测试点的波形。本模块放大电路的第一级原理图如图7所示，实物如图8所示，从示波器最后一级输出实测到的波形如图9所示，图9中上面的波形为放大电路第一级输出200 mV脉冲，图9中下面的波形为第四级输出4 V脉冲。

2.4 甄别和脉冲整形输出电路

通常情况下，光子信号脉冲幅度要比噪声信号幅度大，噪声信号往往伴随着光子脉冲信号产生，或者在光子脉冲信号之间以不规律的小脉冲出现。所以，可以通过信号幅度鉴别的方式来滤除噪声。MPPC每个像素在探测到光子时输出脉冲的幅度是相同的，多个像素最终输出信号是单个输出信号相互叠加的结果。图10为光脉冲在MPPC中激发并被线性放大后的输出波形，当有双光子同时被探测到，输出的幅度等于两个脉冲叠加的高度。同理，当有三个光子被同时探测到，则输出幅度是三个脉冲叠加的高度[7]。可以采用双阈值的鉴别方法区分单光子和双光子，这种鉴别器有两个阈值电平VH和VL。当脉冲电平低于VL时，此时脉冲属于噪声和干扰，计数值为0；当脉冲电平处于VL和VH之间时，属于单光子脉冲，计数值为1；当脉冲电平大于VH时，属于双光子脉冲，计数值为2[8]。至于三光子及以上的多光子脉冲，由于光子计数服从泊松分布，采用软件校正的方法进行修正。

光子脉冲信号送入高速比较器AD8611的正输入端，比较正输入端与负输入端的电压，甄别出有效的光子信号脉冲。AD8611是8引脚单路4 ns高速比较器，速度快延迟小，具有锁存功能和互补输出，输入频率可达100 MHz，3～5 V的单电源供电。AD8611具备高速特性，满足本模块对有效脉冲信号鉴别的需要。某些化学发光需要宽量程，当发光强度稍大时，已经从一个个单光子变成光电流了，此时单光子计数的方式不再适用。为了解决这个高端饱和的问题，在输出电路上增加一路ADC采集光电流电路，放大电路输出端，一路送入比较器，一路送入运放TLC2722，用差分方式送入微处理器12 bit ADC进行模数转换，再根据标定数值转换成对应的光子数。

3 单光子计数软件修正

图10是光子在MPPC上激发并线性放大后，在示波器观察到的MPPC输出波形图。多个光子同时打在MPPC时，总输出信号是每个接受到光子的像素输出信号相互叠加的结果。轨迹波峰越高，代表着入射的光子数越多，每条轨迹间隔约100 mV，MPPC每个像素的增益均匀性比较一致。这种多光子脉冲，使用多级阈值鉴别的方法很难实现，由于入射光子统计结果服从泊松分布[10]，并且光子越密集，在同一分辨时间长度内出现的光子数越多，误差越大，这种脉冲堆积得采用软件的办法进行校正。

经过两种校正方法对比，第一种按脉冲堆积发生的概率估算的误差太大，并且只能用近似的固定误差比例计算，无法满足量程的要求；第二种内插法计算结果比第一种小，并且可以灵活地根据实测值进行修正，基本满足要求。

4 指标测试

参照国家行业标准YY/T 1174—2010《半自动化学发光免疫分析仪的规定》[13]，主要测试指标标准为：变异系数(CV)CV≤2%，稳定性A≤3%，不小于3个发光数量级范围内线性相关系数r≥0.99。测试方法采取该国标中规定的试剂法和参考光源法，测试所用光源采用中心波长465 nm蓝光LED加不同衰减片的方法模拟单光子脉冲[14～15]，该光源采用化学发光试剂标准品标定。

4.1 与PMT仪器对比测试

表1 PMT和MPPC分别测试参考光源Tab.1 PMT and MPPC test reference light source respectively

该PMT仪器采用滨松CR115，橡胶套覆盖被测孔后通过光纤棒导光，将单孔发光导至PMT光阴极测试光子数。

由于MPPC是由盖革模式雪崩光电二极管阵列组成的，光生载流子在高电场下电离产生新的电子—空穴对。新产生的载流子同样也会被加速产生电子—空穴对。而PMT的增益来自于倍增系统的二次电子发射效应。MPPC具有优良的时间分辨率，同时入射的光子越多输出脉冲越高，这些特性使MPPC测得的相对光子数值远大于PMT。

由表1可知，本MPPC模块的各个参考光源发光值重复性(变异系数CV)都小于1.1%，而传统使用PMT测试的仪器只能做到小于8%。

4.2 测光值变异系数和线性相关系数测试

按照国标将参考光源的下限值测试10次，计算变异系数，结果如表2所示。

表2 光源下限值(1000)测试结果Tab.2 Test result of lower limit of light source(1000)

由表2可知变异系数小于2%，满足国标要求。

线性回归相关系数按照国标要求进行。已知浓度的标准品测发光值，依浓度(取对数)和发光值(取对数)的关系方程可求出标准浓度。把高值标准品稀释出5个梯度，分别测3次发光值并取对数值，用关系方程测算其浓度值，画出浓度实际值与测算值的线性相关性曲线(见图11)。由此，计算出相关系数r=0.9967，满足国标大于0.99的要求，但线性度需要进一步提升改进。

为了更客观地衡量本模块的性能指标，同等条件下分别测试PMT仪器和本模块的本底数值各10次，结果如表3所示。

表3 本底测试结果Tab.3 Background test rsesult

从本底测试情况来看，本模块的变异系数较小，仅为0.66%。虽然MPPC模块测得得本底数据是相对光子数，表明MPPC的计数灵敏度很高，但是MPPC本底整体偏大，这跟它本身暗计数比PMT高得多的特性有关[16]。

5 结论

本文设计了一种用于化学发光分析的单光子探测模块。采用MPPC取代传统PMT作为光子探测器，设计了MPPC高压偏置电路、制冷电路、微弱光电流放大电路、甄别和整形电路，在软件上对暗噪声和脉冲堆积效应进行了分析和误差修正，进一步提高了单光子计数结果的准确性。经测试可以用于实际的化学发光分析仪器对单光子进行计数，关键指标满足国标要求。但是本模块也存在本底偏大和量程高端线性度不够好等问题，后续研究将进一步分析和改善这些性能。