新奇的光电生物传感器SiPM

工作模式检测非常微弱的荧光信号。用安捷伦脉冲发生器Agilent 81110A驱动激光二极管取得的脉冲激光波形(周期10ms,波长4 ns)测量CY5样本发射的光子。在这种情况下，同样让激光正常照射置于同一光轴上的样本，将硅光电倍增管与激光二极管置于同一平面上，且与激光管光轴的夹角为60°，用硅光电倍增管检测样本发射的荧光。该指定角度可确保被检测到的光噪声 (玻片反射的激光) 最低。向硅光电倍增管施加-30V或 -32V偏压。若需要更高的信号强度，则施加更高的偏压。用示波仪(Tektronix DPO7104)记录检测到的信号，通过专门开发的Labview软件采集信号，在PC机上使用Matlab软件对信号进行后分析。3. 测试结果与分析讨论

　　A. 器件定性分析

　　该多片方案内的光电检测器全都具有光电特性[9].我们的目标是确定最佳的信噪比[10],测量了该器件的反向电流-电压 (I-V)特性和暗计数数量(DC)，即在无光照条件下由被检测到的热生成载波引发的雪崩(计数)。图3a所示是5×5 (绿线)、10×10 (蓝线)、20×20 (红线)像素点阵有沟槽光电检测器在室温条件下的典型反向I-V特性。图3b所示是暗计数测量结果，暗计数测量就是对硅光电倍增管施加-30V偏压，然后通过归一化计算取得的像素数量。通过直接比较不同阵列，我们发现两个明显的主要特性：所有测试条件中击穿电压(BV)相同，如果像素数量增加，则器件噪声(暗电流和暗计数)随之提高[8]。BV (-28V)和 -35 V区间是Geiger模式工作的目标范围。在这个区间，暗电流随着像素数量增加而线性提高，这种现象在图3b第一个区间 (0.5 #p.e.)更为明显 。

　　图3 (a) 25像素 (绿线)、100像素 (蓝线)、400像素 (红线)有沟槽硅光电倍增管的反向 I-V特性; (b) 25像素 (绿线)、100像素 (蓝线)、400像素 (红线)有沟槽硅光电倍增管的暗计数特性

　　当只有一个单元计数时，所有器件的暗计数相同，这证明反向电流的上升呈线性。在图3b的第2区间(1.5 #p.e.)，硅光电倍增管的三个器件呈现不同的特性，两个像素光电检测器同失效，5×5像素有光沟槽器件是硅光电倍增管中暗计数最少的光电检测器，这表示其串扰概率最低，因此信噪比最高。这个结果让我们将25像素光电检测器定义为最符合我们目标的器件。

　　B. 样品定性分析

　　为研究荧光特性和生物传感器性能，我们采取了多种测量方法(见实验)。图4描述了在室温时两个荧光染料在20°-90°位置的荧光特性。值得一提的是，图中电流值是荧光信号电流减去参考样品(玻片)电流测量值的净电流。图4还描述了两种不同浓度的CY5溶液(图4a)和Ru(bpy)32+ (图 4b)的荧光特性。硅光电倍增管偏压为-30V,激光功率为72μW.在测试分析中，出现了一些值得注意的结果：CY5浓度增加导致荧光电流测量值增加，信号值在两种荧光团的满量程内基本上是常数，证明荧光信号的各向同性发射特性[11]; milliQ水溶液是确保荧光净电流(图中没有显示)最大的最佳溶液。若想解释Ru(bpy)32+是荧光团溶液浓度的函数，还需要进一步研究探索。最后，我们用H2O milliQ水溶液制成浓度30%的CY5溶液，然后用硅光电倍增管的光子计数工作模式，测量该样品发射的光子数量。这个测量过程分为两个步骤：在硅光电倍增管上施加-32V偏压，分析参考样品(顶部无CY5沉淀物)和 CY5样品。在第一种情况中，示波器采集的信号是硅光电倍增管的固有噪声和玻片反射的激光辐射产生的残余噪声(在这种工作条件下非常低)。然后，我们将CY5沉淀样品置于激光二极管的同一光轴上，在示波器屏幕上，进入连续模式，可以看到不同振幅的信号，因为平均4个像素被光子射中。图5详细描述了捕获的数据。具体地说，蓝实线表示发射光子的分布，而红实线则表示从参考样品捕获的噪声。多达6个光子照射传感器工作区，在光电频谱中测量到的荧光峰值间隔代表一个像素提供的电量。硅光电倍增管增益(G) 为输出电荷Qto与被检测到的光子nph和电子电荷(q)的比值：

　　G=Qtot/nph·q ---------- (1)

　　假设平均一个光子引发一个像素雪崩，则增益的表达式如下：

　　G=Qpixel/q= CD ·(VBIAS - VBD) /q ---------- (2)

由于在-32V偏压下，CD 通常是在 10 - 100 fF范围内，所以，假设nph=1,VBD = -28V,单个光电频谱内的峰值间隔测量值大约是3.50·10-13,对应的增益值为2.2·106.不过，当硅光电增管偏压上升时，记录的增益和噪声测量值都会提高，

由于在-32V偏压下，CD 通常是在 10 - 100 fF范围内，所以，假设nph=1,VBD = -28V,单个光电频谱内的峰值间隔测量值大约是3.50·10-13,对应的增益值为2.2·106.不过，当硅光电增管偏压上升时，