SiPM：别致的光电生物传感器
传感器变送与运用
摘要 — 许多种生物运用都触及荧光技能。特别是在DNA-Chip光学检测中，荧光团与靶分子(待测分子)结合，再与探针(锚定在玻片上的一个DNA链)杂交，然后运用光学扫描仪检测DNA。本文的意图是引荐运用一个别致的传感器替代传统检测体系，该传感器根据硅光电倍增管或SiPM，行将若干个固态光电检测器排成像素阵列;另一个意图是研讨新式荧光染料。硅光电倍增管由像素数量不同(25-400个像素)的阵列组成，用于在各种溶液中检测CY5和Ru(bpy)32+染料的荧光，为硅光电倍增管在DNA-Chip丈量中的运用发明了时机。
I. 前语
硅光电倍增管(SiPM)是一种立异的Geiger形式的固态光电检测器。硅光电倍增管结构是若干个持平的单个像素并排组成的阵列，每个像素都是一个集成降压电阻的硅p-n结雪崩光电二极管(SPAD) [1]。一切像素都并联至一个一致的输出点，因而，输出信号是各个像素发生的信号的总合，并与光子磕碰的单元数量成正比[2]。硅光电倍增管是一个很有远景的光电检测解决计划，可替代传统光电倍增管(PMT)，该技能的某些特性引起人们的爱好，例如，对磁场不灵敏的特性使之适用于强磁场作业环境;稳健性和可靠性高于传统光电倍增管;作业电压更低，价格更廉价，反应速度更快，尺度更小。高速[3]、高灵敏度和小尺度让硅光电倍增管成为最佳的便携运用光电检测器。当然，在各种运用领域，生物传感器是最令人等待的方针运用，不过，作为荧光检测器，硅光电倍增管被引荐用于生物传感器的文献并不是许多[4-5]。根据DNA-Chip的解决计划经过荧光丈量方法一起测定许多基因的表达量[6]。CY3和CY5(发射波长别离为570 nm和670 nm)是符号DNA方针的传统荧光团。本文评论了CY5参阅符号荧光团和Ru(bpy)32+立异荧光团。其间，Ru(bpy)32的某些独有特性使其可以替代传统荧光团，成为新的备用荧光团。事实上，该荧光团的最大吸收波长和最大发射波长别离为450 nm (金属配体搬运)和630 nm [7]，这一距离规模可简化荧光检测器规划，允许运用价格低廉的低功率LED管替代贵重的激光管。并且，该荧光团寿数比CY5更长(360 ns对1÷3ns)，咱们再次主张光源运用LED (寿数比激光器更长)。最终，在体系集成方面，信号操控电路规划或许变得更简略。
有许多问题能影响集成光电检测体系的完成，为发现一切的问题，本文设定一个两层评论方针：将荧光团作为溶液参数(盐水与染料溶液的浓度)加以研讨;评论硅光电倍增管在丈量生物样本荧光进程中的功能体现。
II. 试验仪器东西
A.待测产品描绘
本文中的被测硅光电倍增管是意法半导体卡塔尼亚(意大利)研发中心研发的多片光电检测解决计划[2]。该多片计划共有7个光电检测器，其间像素数量从1个到400个。具体地说，单像素检测器(图1g)1个，而25像素(图1：a和 d)、100像素(图1：b和 e)和400像素(图1：c和 f)点阵式检测器各有两个，(按尺度区分)分为有光沟槽和无光沟槽两类[8]。为了对所选器材施加偏压，收集输出信号，多片光电倍增管被焊接到一个打开的32引脚封装内。
图1：多片光电倍增管结构图，其间a、b、c和d、e、f别离代表 5×5、 10×10、20×20像素有沟槽和无沟槽光电检测器;g是单像素光电检测器。
B.样品制备
将CY5 (取自iCycler iQ Calibrator Dye Solution Set #170-8792, Bio-rad) 和 100μg/ml Ru(bpy)32+置于三种不同的溶济中: H2O milliQ、PBS (磷酸盐缓冲盐水) 0.1 M和 PBS 0.01 M。 CY5被稀释成30%和40%两种浓度。PBS是一种用NaCl、KCl、Na2HPO4、KH2PO4制成的盐水溶液。若需求，加适量稀盐酸(HCl)或氢氧化钠(NaOH)，将pH值调到7.2。PBS用于测验盐的存在对染料荧光的影响，咱们发现，在漆黑条件下，取每种溶液2 μl，置于玻片(挑选玻片的原因是其厚度为0.13-0.16 mm)上，构成直径几毫米的液滴。将玻片样品置于干燥器内，风干30分钟(30’)。
C.丈量仪器
咱们用下面图2所示的仪器东西测定样品发射的荧光信号。激光二极管(相干立方体激光器) 担任发射光线，PC机操控发射光。发射光在碰击样本前，被滤波器衰减30 dB。咱们运用两个660 nm 或403 nm波长的激光二极管别离激起CY5和Ru(bpy)32+。测定照耀样品的激光的功率，该功率是电激光二极管功率的一个函数。当电激光功率在10-80 mW 时，照耀样品的激光的功率在11-113 μW之间。
图2：丈量仪器东西
硅光电倍增管设为接连作业形式，并连至Keithley 236源丈量仪，将硅光电倍增管置于视点计上，以便让操作人员可以调查不同发射角的荧光信号。样本置于激光二极管的同一光轴上，光线正常照耀样本外表。将硅光电倍增管用作光子计数器，运用脉冲作业形式检测十分弱小的荧光信号。用安捷伦脉冲发生器Agilent 81110A驱动激光二极管获得的脉冲激光波形(周期10ms，波长4 ns)丈量CY5样本发射的光子。在这种状况下，相同让激光正常照耀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。该指定视点可保证被检测到的光噪声 (玻片反射的激光) 最低。向硅光电倍增管施加-30V或 -32V偏压。若需求更高的信号强度，则施加更高的偏压。用示波仪(Tektronix DPO7104)记载检测到的信号，经过专门开发的Labview软件收集信号，在PC机上运用Matlab软件对信号进行后剖析。
III.测验成果与剖析评论
A.器材定性剖析
该多片计划内的光电检测器全都具有光电特性[9]。咱们的方针是确认最佳的信噪比[10]，丈量了该器材的反向电流-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所示是暗计数丈量成果，暗计数丈量便是对硅光电倍增管施加-30V偏压，然后经过归一化核算获得的像素数量。经过直接比较不同阵列，咱们发现两个显着的首要特性：一切测验条件中击穿电压(BV)相同，假如像素数量添加，则器材噪声(暗电流和暗计数)随之进步[8]。BV (-28V)和 -35 V区间是Geiger形式作业的方针规模。在这个区间，暗电流跟着像素数量添加而线性进步，这种现象在图3b第一个区间 (0.5 #p.e.)更为显着 。
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
当只要一个单元计数时，一切器材的暗计数相同，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材呈现不同的特性，两个像素光电检测器同失效，5×5像素有光沟槽器材是硅光电倍增管中暗计数最少的光电检测器，这表明其串扰概率最低，因而信噪比最高。这个成果让咱们将25像素光电检测器界说为最契合咱们方针的器材。
B.样品定性剖析
为研讨荧光特性和生物传感器功能，咱们采取了多种丈量方法(见试验)。图4描绘了在室温时两个荧光染料在20°-90°方位的荧光特性。值得一提的是，图中电流值是荧光信号电流减去参阅样品(玻片)电流丈量值的净电流。图4还描绘了两种不同浓度的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。在测验剖析中，呈现了一些值得注意的成果：CY5浓度添加导致荧光电流丈量值添加，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水溶液是保证荧光净电流(图中没有显现)最大的最佳溶液。若想解说Ru(bpy)32+是荧光团溶液浓度的函数，还需求进一步研讨探究。最终，咱们用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作业形式，丈量该样品发射的光子数量。这个丈量进程分为两个过程：在硅光电倍增管上施加-32V偏压，剖析参阅样品(顶部无CY5沉积物)和 CY5样品。在第一种状况中，示波器收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发生的剩余噪声(在这种作业条件下十分低)。然后，咱们将CY5沉积样品置于激光二极管的同一光轴上，在示波器屏幕上，进入接连形式，可以看到不同振幅的信号，由于均匀4个像素被光子射中。图5详细描绘了捕获的数据。具体地说，蓝实线表明发射光子的散布，而红实线则表明从参阅样品捕获的噪声。多达6个光子照耀传感器作业区，在光电频谱中丈量到的荧光峰值距离代表一个像素供给的电量。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)
假定均匀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规模内，所以，假定nph=1，VBD = -28V，单个光电频谱内的峰值距离丈量值大约是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，记载的增益和噪声丈量值都会进步，为保证最佳的信噪比，咱们有必要找到一个折衷的解决计划。由于CY5吸收波长和发射波长十分拉近(别离为650 nm和670 nm)，所以集成化检测器难以完成。荧光寿数时间短(1÷3ns)需求完成愈加杂乱的操控和办理电路。另一方面，可以选用一个不同的荧光染料，例如，Ru(bpy)32+,由于吸收和发射峰值之间的巨大距离(别离为450 nm和630 nmy)和长寿数(大约360 ns)，该新式染料让人们可以下降对光学和电子器材的作业条件的要求。
32+ (绿线)溶液在20°- 90°方位的荧光特性 >
图4(a) 30% CY5溶液(蓝线)和40% CY5溶液(红线) 在20°- 90°方位的荧光特性; (b) 700μg/ml Ru(bpy)32+ (绿线)溶液在20°- 90°方位的荧光特性
图5：CY5荧光光子计数散布(蓝线)，噪声(红线)
IV.定论
在本文中，意法半导体卡塔尼亚研发中心研发的硅光电倍增管可检测生物样本发射的弱荧光，用于研发易用的生化光学体系。此外，咱们优化的生物传感器计划可让设备厂商研发十分紧凑的便携光电体系。
经过多片产品定性剖析，咱们确认5×5像素有光沟槽的光电检测器的暗计数和串扰概率最低，最适合咱们的运用要求。脉冲式丈量方法的成果证明，硅光电倍增管可用作光子计数器，还用于生物感测设备。硅光电倍增管和u(bpy)32+ 立异染料的特性让咱们可以最大极限减缩器材尺度，为片上试验室运用发明时机。
