15年攻关，国产微光探测器的突破与产业化——访中科院大连化物所关亚风研究员

　　微光探测器是科学仪器和光学传感器中的关键器件之一，广泛应用于表征仪器和化学分析仪器中，如物理发光、化学发光、生物发光、荧光、磷光、以及微颗粒散射光等弱光探测中，其性能决定着光学检测仪器的灵敏度和动态范围指标。

　　长期以来，我国民用微光探测器处于“国外品牌独秀，国内依赖进口”的被动局面。针对这种“卡脖子”现象，中国科学院大连化物所微型分析仪器研究组(105组)关亚风研究员、耿旭辉研究员团队经过十五年技术攻关，成功研制了具有自主知识产权的高灵敏、低噪音、低漂移的AccuOpt 2000系列微光探测器(光电放大器)，并批量生产，用于替代进口光电倍增管(PMT)、制冷型雪崩二极管(APD)和深冷型光电二极管(PD)对弱光的探测。

　　近期，该产品通过了由中国仪器仪表学会组织的新产品成果鉴定，获鉴定委员会一致认可：该产品设计新颖、技术创新性强，综合性能达到国际先进、动态范围和长期稳定性能达到国际领先水平。

　　微光探测器研制成功的背后，有哪些鲜为人知的故事？产品在替代进口器件方面有何优势？团队接下来还有哪些产业化计划？带着疑问，仪器信息网特别采访了团队的核心人物——中国科学院大连化物所关亚风研究员。

中国科学院大连化物所关亚风研究员

　　Q、首先祝贺关老师团队研发的“微光探测器(光电放大器)”通过中国仪器仪表学会组织的新产品成果鉴定。据了解，您团队研制该技术已经有15年的时间了，请您介绍该项目的研制背景?

　　关亚风：说来话长，我本人是从上世纪90年代初开始从事微型色谱的研究，开始时就是研制微型色谱仪的关键器件与部件。

　　2003年，团队承接了“十五”科学仪器攻关专题“液相色谱激光诱导荧光检测器(LIF-D)的研制与技术开发”，当时为激光诱导荧光检测配套的是进口光电倍增管(PMT)。由于背景光的存在，光电倍增管用在激光诱导荧光检测器时的信号增益只能用在5,000~30,000区间，但实际上光电倍增管的增益可以达到百万以上，也就是说我们只使用了光电倍增管的低增益区。由此，我想到了使用雪崩光电二极管，但试验结果显示雪崩二极管的灵敏度无法达到要求，而且当时雪崩二极管的价格加上辅助电路价格达到PMT价格的2/3，只能放弃这条技术路线。

　　2005年，我开始尝试用光电二极管来检测荧光，尽管选择了当时性能最好、自带前置放大器的光电二极管(都是日本、英国公司的产品)，但距离理想的灵敏度还有2个数量级的差距。从那时起，我开始构思如何提高光电二极管的检测灵敏度。借鉴我在气相色谱微型热导检测器研制上的成功经验，将思路放在降低噪音和漂移上，而不是提高增益上。我在研制气相色谱的热导检测器时，国际上都是通过提升其热敏丝的温度来提高检测器的灵敏度。但我反其道而行之，不去提升它的响应值，而是通过降低检测器的噪音，优化信噪比，再配合一个低噪音低漂移前置放大器来提升灵敏度。所研制的微池热导检测器的灵敏度在当时可以比肩国外公司的产品。我当时的实验室条件无法提高光电二极管的响应值，很自然地想到通过降低噪音来提高信噪比。

　　我首先考虑了光电材料界面以及连接导线界面的热电偶和接触电阻对噪音和温度漂移的影响，后来想出了抵消这个影响的方案。经过数年努力，到2012年时对弱光的检测下限达到了雪崩二极管的检测灵敏度，同时线性范围达到了5个数量级，比雪崩二极管宽2个数量级。这时我决定启用团队力量，集中力量攻关，2013年达到用PMT的进口名牌荧光检测器灵敏度的1/4水平，也就是PMT增益在4千左右的水平。耿旭辉2013年博士毕业后加入我们团队继续研制荧光检测器并加入微光探测器攻关。到2014年底，我们的微光探测器噪音、漂移比常规光电二极管降低了两个数量级，不仅检测灵敏度达到PMT增益在2万的而水平，而且动态范围延申了2个数量级，达到近6个数量级。2015年底实现了微光探测器产业化并开始推广销售。团队用简单、低成本的方式实现了弱光信号的高灵敏检测，解决了卡脖子难题，使国内微光探测器不再单纯依赖于进口光电器件，同时也克服了光电倍增管和雪崩二极管线性范围窄的问题。

　　Q：您刚才提到了微光探测器攻克的技术难点以及取得的成果，我们想追问，AccuOpt 2000系列微光探测器(光电放大器)相比进口器件而言有哪些优势，未来还有哪些需要提升的地方?

　　关亚风：我先讲一下优点，首先它性能长期稳定、不漂移;其次它对强光免疫，AccuOpt 2000受强光照射后秒级恢复，不影响性能;第三它抗强烈震动和冲击，抗电磁干扰，可以放在手持式仪器上，摔地上也不怕;第四是它不需要高压模块，且功耗低;第五是开机3分钟即能达到稳定状态;第六是使用寿命长，达15年;再有就是价格便宜，不需要调理电路，拿来就能直接用。

　　缺点是响应速度比较慢，10毫秒级。不过90%的应用对于响应速度没有要求，只有10%的高端应用追求响应速度快，需要高速调制，这点我们无法满足。另一个即可以说是缺点也可以说优点，就是光谱响应范围较宽，为300~1150 nm，但在深紫外区间没有响应。目前国内ICP等发射光谱的重点在紫外区，这是AccuOpt 2000所欠缺的，也是未来重点拓展的一个方向。

AccuOpt 2000系列微光探测器(光电放大器)

　　Q：AccuOpt 2000系列微光探测器应用有哪些?其中实际应用效果最好的案例是哪个?解决的最大问题是什么?

　　关亚风：最牛的应用是高端，我们团队采用小型、廉价的激光二极管替代激光器为光源，用自主研制的硅基微光探测器替代进口光电倍增管探测荧光，由耿旭辉博士负责研制出“紧凑式”共聚焦激光诱导荧光检测器，我们分析了单个白血病细胞中的active caspase3蛋白，检测限达7个分子(91 pL检测体积内)。研究成果在Analytical Chemistry这一分析化学的国际顶级期刊上发表。

　　我们最欣喜的、量大的应用是黄曲霉毒素荧光检测器。我们放了一台在一家知名国外仪器公司的实验室，他们自己测了一年，证明灵敏度比他们现有仪器高一倍，漂移少一倍。另外一家知名国外仪器公司买了我们一台，与它最新型号相比我们的灵敏度高两倍，比它老的型号高5~6倍。进口品牌荧光检测器的功耗在75瓦~150瓦之间，而我们的产品总功耗只有4瓦，其中3瓦消耗在了交流-直流变换器和直流-直流变换器上。

　　2019年和2020年，团队与中国科学院深海科学与工程研究所共同研制的4500米级多种型号深海原位荧光传感器搭载深海勇士号/探索一号和二号在某海域科考航次中多次海试成功，均获得了有效数据。AccuOpt 2000就是我们荧光传感器中的荧光探测器件，取代进口PMT得到优于国外同类传感器的灵敏度和更宽的动态线性范围。

　　眼下新冠肺炎疫情来袭，团队也探索AccuOpt 2000在PCR等设备上的应用。不过，检测器灵敏度过高，而国内试剂的使用量又太大，限制了该部件在国产仪器中的使用。当前团队正与企业展开合作，希望能突破这一关键问题。

　　Q：AccuOpt 2000系列微光探测器目前产业化情况如何?与哪些仪器企业进行了合作?下一步有哪些产业化计划?

　　关亚风：AccuOpt 2000系列自2014年研制成功，2015年已着手推进量产工作。五年来，器件的性能不断优化，团队基于ISO9000质量管理体系来管理生产全流程，短时间内完成了960支成品的生产，面向市场售出约140支，自用了200多支。

　　我们是专业的研发团队，生产装配不在话下，难点反而在于市场销售。以新冠检测为例，国内所有做荧光检测、生物检测的都是我们的潜在用户，但问题卡在哪?就是刚才说的国内试剂使用量太大，检测器的高灵敏度反倒成了问题。一些灵敏度比我们低得多、售价七百元以下的光探测器反而能卖出去。我们必须介入到更早期的研发中才能培育市场需求。后续我们也会加大宣传，推进它的市场销售。

　　Q：核心零部件/器件对科学仪器至关重要，光电探测器更是影响仪器整体性能提升的关键一环。关老师您从事光电器件的研究近二十年，据您观察，当前国内光电探测器的发展情况如何，国产光电探测器面临哪些关键问题，您有哪些发展建议?

　　关亚风：国产光电器件的品种相对较少，有些特殊应用领域的做得不错，但是民用的、工业用的相比国外差距还很大。卡脖子问题往往是“叫好不叫座”，都知道关键器件很重要，但落实到具体层面做的人反而很少。我认为有两方面的原因：

　　首先对企业来说，别看光电器件重要，但研制难度大，实际的产值低、做出的产品卖不出去多少，所以利润薄。如果没有政策引导和项目扶持，企业自然不愿意投入经费与人力，最后成了公益事业，产业发展举步维艰。需要政策倾斜，例如企业根据销量享受相应的退税优惠，或者科技攻关项目给予经费支持，企业才有动力去啃这块“硬骨头”。

　　其次对于科研院所而言，现有基层的评价体系侧重于论文、专利、产值等评价指标，而研发光电器件的有效成果又不能去发论文或申请专利，原因是很容易被他人或竞争对手复制;但不发论文又意味着与提职称、评奖基本无缘，这就导致了真正潜下心来研究能实际应用的光电器件的人才越来越少。评价体制要落地，而非悬在半空中。这些问题不解决，关键器件的研制很难往下走，就会永远被别人卡着脖子。

　　光电器件的研制需要理论基础扎实、知识面广的复合型人才，这样的人很容易在热门领域发光发热，能潜心去坐这张“冷板凳”的人才不多。

　　话说回来，我最初也不是专门研究光电器件的，而是光电器件的用户。当初进入这个领域，是受越来越高的进口器件价格和日益严苛的进口限制所迫。把一个学化学的人逼着去搞光电器件并取得成功，这也是个小概率事件吧。