拉曼光譜一直存在著信號弱、熒光背景干擾的問題，直到現在該問題也一直存在。為了提升拉曼光譜儀的性能，各主流廠商采取了多種解決方案，如背景熒光過濾、表面增強、軟件優化等，這些方案能在一定程度上解決信號弱、熒光背景干擾問題，但也各有局限所在。為解決這個問題，David Li提出一種將單光子技術應用于拉曼光譜儀的解決方案。為此，儀器信息網特進行了相關采訪。

　　Instrument: 請您介紹一下自己以及課題組主要研究工作。

　　2001年，我博士畢業于臺大電機系，工作后從事光通訊研究，具體方向為CMOS電子電路設計。2003 年來到英國后從事相關領域研究，現就職于思克萊德大學科學院的SIBPS，任副教授及博士生導師，所在實驗室課題組研究方向為單光子元件相關系統開發、醫學顯微成像與光譜應用。

　　Instrument: 從儀器研發的角度來講，您怎么想到要將單光子部件相關研究應用于拉曼光譜儀?

　　之所以開展這方面的研究，是因為傳統成像傳感器都是使用光電倍增管(PMT)或者CCD作為傳感器。PMT由于體積問題而不適合設計成多通道大型陣列。由于傳感器技術的限制，CCD傳感器需要對微弱的信號進行較長時間的積分整合，所以造成無法使用很多需要高時間分辨率的方法。我們從2007年歐盟(EU)MEGAF RAME項目開始研發單光子成像傳感器，專門做具有很高光感度和光效率的單光子器件，以及高精度時間測量系統和相關數據處理算法。傳統上的CMOS傳感器通常噪聲很大，所以我們開發了超低噪聲的數位集成傳感器，現在準備做更多儀器應用方面的研究。整體方向上，希望可以將新型傳感器用于化學、材料科學、醫學等領域的研究，如熒光壽命成像用于癌癥診斷和用于樣品檢測的拉曼光譜技術。

　　拉曼光譜儀大致可分為科研型儀器與手持/便攜式應用型拉曼光譜儀，分別用于科研和社會民生方面。我們希望將這種技術推廣應用于實際生活，以幫助改善我們的生活環境。我們課題組從2014年底開始拉曼研發計劃，目標是做應用于拉曼儀器上的線型單光子計數器陣列。開展這項研究也與發生的地溝油、三聚氰胺、廋肉精等事件有較大關系。

　　拉曼光譜儀從六七十年前產生，就一直存在著信號弱、背景熒光干擾、分析時間長等問題，直到現在也沒得到解決。所以，這也是我們想辦法要解決的問題。我們研發的新型線型陣列單光子檢測器具有很多優點，能大幅提高信號強度、有效抑制拉曼光譜背景上的熒光干擾，可以在很大程度上解決目前拉曼光譜儀所存在的問題。我的博士研究生陳昊昌參與了此項研究工作，并取得了一定成績。

　　Instrument: 拉曼光譜儀性能影響因素有哪些?單光子檢測器技術用于拉曼光譜儀最大的技術優勢體現在什么地方?

　　拉曼的分辨率跟很多因素有關系，如檢測器寬度、像素大小、光柵寬度、狹縫長度，這不止由傳感器決定，還取決于許多光學元件。分辨率要求越高，光路系統可能會設計越大，這也是越精準的拉曼儀器，它的物理體積越大的原因。當然，如果需要更高的解析度，線性陣列的數目就要更多，比如1024格或2048格。

　　單光子器件主要有兩個優勢。第一個是噪聲低，第二個是靈敏度高。在檢測器噪音方面，一種是柵噪音，各種檢測器如CCD、CMOS、單光子檢測器都存在柵噪音，這是不可消除的物理噪音。另外一種就是暗計數，這個也是每一個器件都會存在的噪音，這是在信號放大與轉換過程中產生的噪音。電子放大器都有自身的噪音，速度越快，噪聲越大，也就是信號截取越快，噪聲越大。一般的成像傳感器還具有固定模式噪音，這個噪音在我們單光子成像傳感器里是沒有的，所以我們的噪音相對較低。

　　另一方面是靈敏度，單光子成像傳感器使用的是單光子雪崩二極管，僅需要接收到一個光子就能產生雪崩效應，從而產生非常大的電壓響應，因此它的靈敏度特別高，可以達到單光子級別。而且它的工作模式跟CCD是不一樣的，CCD屬于積分式的工作模式，隔一段時間采樣和輸出一次，而單光子傳感器是實時和瞬時響應的，靈敏度可以檢測到光子級別，時間精準度可以到皮秒量級，而CCD最快只能做到微秒量級(除非使用強化CCD達到亞納秒，但由于通常需要高電壓信號(遠大于 500 V)，所以體積很大)。拉曼光譜分析中，用脈沖激光照射樣品時，得到的拉曼信號和熒光信號的絕對時間是有不同的延遲。一般拉曼信號會很快出來，隨后熒光信號才會出現并且會持續很長時間。在時間上，CCD傳感器只能把兩種信號全部累積起來了從而無法分離。而單光子技術可以利用這個時間先后，在電子電路設計上，我們通過一種時間窗的控制方式，只將拉曼信號提取出來，通常這個控制級別都是皮秒量級的。所以傳統CCD、CMOS很難做到的。但是搭配單光子計數器與時間窗的精確控制，做到將后面的背景熒光過濾掉，可以將拉曼的信噪比大大提高。

　　Instrument: 對于拉曼熒光干擾問題，廠商都采取了什么樣的解決方案，您如何評價這些方案?未來拉曼技術的展望。

　　拉曼光譜在國外偏重于醫學光電方面的應用，國內則偏重于分析檢測。在拉曼光譜方面有一個普遍問題是如何將拉曼信號與熒光背景信號分離?大家有不同的解決方案，有的廠商從機制方面著手，產品中配置了兩個激光，做兩次信號截取，對截取的信號進行差分以消除熒光背景干擾。這樣的話儀器會更大一些，價格稍微昂貴一些。另外大部分廠商都是在軟件設計上，就是采集到信號之后，在軟件上通過數學算法進行基線信號消除，但這樣可能會把一些真正的微弱的拉曼信號都一并剔除掉，這是一個很大的問題。還有一些廠商會做一些表面拉曼增強以提高信噪比，但是這些增強是在被測物表面做處理，這種技術成本較高，操作也比較復雜，不利于大范圍推廣和快速檢測。還有廠商會從激光的波長、熒光濾波器方面進行優化。

　　在此問題上，單光子檢測器提供了另外一種思維，即只專注于采集拉曼信號，從根本上降低熒光的干擾，這是一個很好的解決方案。CCD后端需要整合放大器和ADC那是不同的制程，而高性能的ADC價格比較高。CMOS單光子可以把感測器與處理器后端的數字處理全都整合在一個芯片上，大量制造可以有效降低成本。我還看到一些拉曼分析儀的CCD需要做一些冷卻，里面可能還需要冷卻箱，想降低成本則愈加困難。

　　我認為對該技術的需求很迫切。如食品安全、環境污染等重大事件對國計民生影響很大;爆炸物的檢測對于維護全球機場安全等都是非常需要的;拉曼分析在偵測案件的時候不需要加熒光標記可以直接檢測，儀器操作簡捷，可以廣泛使用。

　　Instrument: 您剛才說14年開始做拉曼相關課題，目前取得了哪些進展?目前計劃如何?對整個拉曼市場儀器市場評價如何?

　　目前我們課題組已有相關論文和專利，傳感器也已經完成測試，在應用上會針對特定應用做特定的系統設計。儀器創新方面，我們的技術能夠減弱或者從根本上解決熒光干擾問題，這對拉曼光譜儀來說意義重大。當然，拉曼光譜儀的設計還包括光學系統，但最關鍵的還是檢測器和子電路整體設計。目前中國的國家政策鼓勵創業和技術轉移，所以在科研成果轉化方面比英國等國家更有優勢。所以，我們傾向于和中國的儀器制造商和相關團隊合作，實現成果轉化。當然，成果轉化研究跟科學研究不同，需要有專門經費與研究人員，如果有廠商與我們對接，這樣的技術轉移是非常可行的。

　　隨著國家對食品安全、環境保護等方面的重視，拉曼光譜儀的市場需求還是很大的。相對于科研用拉曼，我認為成長空間最大的是便攜/手持式拉曼。便攜/手持式拉曼的增長率在分析儀器領域保持著非常高的增速，我們也更看好便攜/手持式拉曼未來的發展。