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硅光電倍增管(SiPM)是一種創(chuàng)新的Geiger模式的固態(tài)光電檢測(cè)器。硅光電倍增管結(jié)構(gòu)是若干個(gè)相等的單個(gè)像素并排組成的陣列，每個(gè)像素都是一個(gè)集成降壓電阻的硅p-n結(jié)雪崩光電二極管(SPAD)。所有像素都并聯(lián)至一個(gè)統(tǒng)一的輸出點(diǎn)，因此，輸出信號(hào)是各個(gè)像素產(chǎn)生的信號(hào)的總合，并與光子碰撞的單元數(shù)量成正比。硅光電倍增管是一個(gè)很有前景的光電檢測(cè)解決方案，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)光電倍增管(PMT)，該技術(shù)的某些特性引起人們的興趣，例如，對(duì)磁場(chǎng)不敏感的特性使之適用于強(qiáng)磁場(chǎng)工作環(huán)境;穩(wěn)健性和可靠性高于傳統(tǒng)光電倍增管;工作電壓更低，價(jià)格更便宜，反應(yīng)速度更快，尺寸更小。高速、高靈敏度和小尺寸讓硅光電倍增管成為最佳的便攜應(yīng)用光電檢測(cè)器。當(dāng)然，在各種應(yīng)用領(lǐng)域，生物傳感器是最令人期待的目標(biāo)應(yīng)用，不過(guò)，作為熒光檢測(cè)器，硅光電倍增管被推薦用于生物傳感器的文獻(xiàn)并不是很多。基于DNA-Chip的解決方案通過(guò)熒光測(cè)量方法同時(shí)測(cè)定大量基因的表達(dá)量。CY3和CY5(發(fā)射波長(zhǎng)分別為570nm和670nm)是標(biāo)記DNA目標(biāo)的傳統(tǒng)熒光團(tuán)。
其中，Ru(bpy)32的某些獨(dú)有特性使其可以替代傳統(tǒng)熒光團(tuán)，成為新的備用熒光團(tuán)。事實(shí)上，該熒光團(tuán)的最大吸收波長(zhǎng)和最大發(fā)射波長(zhǎng)分別為450nm(金屬配體轉(zhuǎn)移)和630nm,這一間隔范圍可簡(jiǎn)化熒光檢測(cè)器設(shè)計(jì)，準(zhǔn)許使用價(jià)格低廉的低功率LED管代替昂貴的激光管。
有很多問(wèn)題能影響集成光電檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，為發(fā)現(xiàn)所有的問(wèn)題，本文設(shè)定一個(gè)雙重探討目標(biāo)：將熒光團(tuán)作為溶液參數(shù)(鹽水與染料溶液的濃度)加以研究;探討硅光電倍增管在測(cè)量生物樣本熒光過(guò)程中的性能表現(xiàn)。
實(shí)驗(yàn)儀器工具
待測(cè)產(chǎn)品描述：本文中的被測(cè)硅光電倍增管是意法半導(dǎo)體卡塔尼亞(意大利)研發(fā)中心研制的多片光電檢測(cè)解決方案[2].該多片方案共有7個(gè)光電檢測(cè)器，其中像素?cái)?shù)量從1個(gè)到400個(gè)。具體地說(shuō)，單像素檢測(cè)器(圖g)1個(gè)，而25像素(圖a和d)、100像素(圖b和e)和400像素(圖c和f)點(diǎn)陣式檢測(cè)器各有兩個(gè)，(按尺寸劃分)分為有光溝槽和無(wú)光溝槽兩類(lèi)。為了對(duì)所選器件施加偏壓，采集輸出信號(hào)，多片光電倍增管被焊接到一個(gè)敞開(kāi)的32引腳封裝內(nèi)。
多片光電倍增管結(jié)構(gòu)圖，其中a、b、c和d、e、f分別代表5×5、10×10、20×20像素有溝槽和無(wú)溝槽光電檢測(cè)器;g是單像素光電檢測(cè)器
樣品制備：將CY5(取自iCycleriQCalibratorDyeSolutionSet#170-8792,Bio-rad)和100μg/mlRu(bpy)32+置于三種不同的溶濟(jì)中：H2OmilliQ、PBS(磷酸鹽緩沖鹽水)0.1M和PBS0.01M.。CY5被稀釋成30%和40%兩種濃度。PBS是一種用NaCl、KCl、Na2HPO4、KH2PO4制成的鹽水溶液。若需要，加適量稀鹽酸(HCl)或氫氧化鈉(NaOH)，將pH值調(diào)到7.2。PBS用于測(cè)試鹽的存在對(duì)染料熒光的影響，我們發(fā)現(xiàn)，在黑暗條件下，取每種溶液2μl,置于玻片(選擇玻片的原因是其厚度為0.13-0.16mm)上，形成直徑幾毫米的液滴。將玻片樣品置于干燥器內(nèi)，風(fēng)干30分鐘(30‘)。
測(cè)量?jī)x器：實(shí)驗(yàn)人員用下面圖2所示的儀器工具測(cè)定樣品發(fā)射的熒光信號(hào)。激光二極管(相干立方體激光器)負(fù)責(zé)發(fā)射光線(xiàn)，PC機(jī)控制發(fā)射光。發(fā)射光在撞擊樣本前，被濾波器衰減30dB。我們使用兩個(gè)660nm或403nm波長(zhǎng)的激光二極管分別激發(fā)CY5和Ru(bpy)32+.測(cè)定照射樣品的激光的功率，該功率是電激光二極管功率的一個(gè)函數(shù)。當(dāng)電激光功率在10-80mW時(shí)，照射樣品的激光的功率在11-113μW之間。
測(cè)量?jī)x器工具
硅光電倍增管設(shè)為連續(xù)工作模式，并連至Keithley236源測(cè)量?jī)x，將硅光電倍增管置于角度計(jì)上，以便讓操作人員能夠觀(guān)察不同發(fā)射角的熒光信號(hào)。樣本置于激光二極管的同一光軸上，光線(xiàn)正常照射樣本表面。將硅光電倍增管用作光子計(jì)數(shù)器，使用脈沖工作模式檢測(cè)非常微弱的熒光信號(hào)。用安捷倫脈沖發(fā)生器Agilent81110A驅(qū)動(dòng)激光二極管取得的脈沖激光波形(周期10ms,波長(zhǎng)4ns)測(cè)量CY5樣本發(fā)射的光子。在這種情況下，同樣讓激光正常照射置于同一光軸上的樣本，將硅光電倍增管與激光二極管置于同一平面上，且與激光管光軸的夾角為60°，用硅光電倍增管檢測(cè)樣本發(fā)射的熒光。該指定角度可確保被檢測(cè)到的光噪聲(玻片反射的激光)最低。向硅光電倍增管施加-30V或-32V偏壓。若需要更高的信號(hào)強(qiáng)度，則施加更高的偏壓。用示波儀(TektronixDPO7104)記錄檢測(cè)到的信號(hào)，通過(guò)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的Labview軟件采集信號(hào)，在PC機(jī)?
使用Matlab軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行后分析。
