陰曉俊，王瑞生，趙帥鋒，任少鵬，高鵬，費書國

（1 沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司 匯博光學(xué)公司，沈陽110043）（2 傳感器國家工程研究中心，沈陽 110043）

0 引言

生物醫(yī)學(xué)濾光片是應(yīng)用于生命科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域體外診斷檢測分析儀器中的核心關(guān)鍵光學(xué)元件。這些檢測分析儀器通過檢測人體生物物質(zhì)、病原體、抗體等對光的吸收、散射、熒光輻射等現(xiàn)象，對人體健康狀況及所患疾病進行檢測分析，協(xié)助醫(yī)生進行疾病診斷。生物醫(yī)學(xué)濾光片是這些檢測分析儀器中用于提取檢測樣品特征光譜的關(guān)鍵部件，直接影響醫(yī)學(xué)檢測儀器的檢測精度及可靠性。生物醫(yī)學(xué)濾光片主要應(yīng)用于吸收光度檢測、熒光檢測和拉曼檢測三種光學(xué)檢測方法的生物醫(yī)學(xué)檢測儀器中。吸收光度檢測在生化檢測、酶標(biāo)免疫檢測中獲廣泛應(yīng)用，經(jīng)過多年發(fā)展已趨于成熟，而熒光檢測和拉曼檢測則處于高速發(fā)展的階段。熒光檢測在藥物研究［1］、分子成像技術(shù)［2］、精準(zhǔn)醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如近期應(yīng)用于新冠病毒的熒光聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（Polymerase Chain Reaction，PCR）核酸檢測［3］；拉曼檢測則應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢測［4］、癌癥治療［5-6］、食品安全［7］等多種無損精準(zhǔn)微量檢測領(lǐng)域。

20 世紀(jì)六、七十年代美國開始進行熒光檢測分析和拉曼檢測分析研究，2000 年以后，基于這兩種檢測應(yīng)用的檢測分析技術(shù)以及儀器制造技術(shù)進入高速發(fā)展期。受益于早期應(yīng)用研究的帶動，美國在生物醫(yī)學(xué)濾光片設(shè)計制造技術(shù)發(fā)展上起步較早，一直處于國際前列。自20 世紀(jì)90 年代起，國內(nèi)的沈陽儀表科學(xué)研究院、北京電影機械研究所等研究機構(gòu)才先后開展熒光濾光片的制造技術(shù)研究［8］。2010 年，沈陽儀表科學(xué)研究院廖邦俊、費書國等在國內(nèi)率先研制出基于硬膜鍍膜材料的接近矩形光譜的濾光片［9-10］，2015 年，沈陽儀表院基于等離子反應(yīng)濺射鍍膜技術(shù)研制了透射率為90%，截止陡度為1.5%的高透射、銳截止的生物醫(yī)學(xué)熒光檢測濾光片。

近幾年隨著基于熒光、拉曼光譜檢測應(yīng)用的生物醫(yī)學(xué)檢測分析技術(shù)的不斷普及，特別是對重大流行疾病的控制預(yù)防需求不斷高漲，儀器的制造開發(fā)也向著微量、快速檢測迅速發(fā)展，對檢測靈敏度及檢測精度要求不斷提高，對儀器中特征光譜提取的核心元件，應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)熒光、拉曼檢測的生物醫(yī)學(xué)濾光片的光譜指標(biāo)，如通帶透射率，截止陡度等，也提出了更高的要求：在高端熒光及拉曼檢測中，要求在保持高透射率同時，截止陡度提升到1%甚至0.5%的超銳截止水平。本文介紹應(yīng)用于高端熒光及拉曼檢測用生物醫(yī)學(xué)濾光片的多種典型光譜的膜系設(shè)計技術(shù)、制造工藝、控制難點，并基于等離子反應(yīng)磁控濺射技術(shù)對上述多種具備高透射、超銳截止光譜性能的濾光片進行設(shè)計制造，給出制造結(jié)果。

1 生物醫(yī)學(xué)檢測應(yīng)用的五種典型光譜及技術(shù)要求

熒光及拉曼光譜檢測應(yīng)用的生物醫(yī)學(xué)濾光片主要有五種典型光譜形式：帶通（雙側(cè)截止）、單側(cè)截止（長波通、短波通）、陷波截止（負濾光片）、分色濾光片（45°入射）、多通帶濾光片。圖1 列出了具有代表性的五種常用的生物醫(yī)學(xué)濾光片典型光譜。

帶通濾光片被廣泛應(yīng)用于熒光、拉曼檢測中，高端應(yīng)用一般要求通帶透射率大于90%，截止陡度優(yōu)于1%。單側(cè)截止光譜的濾光片主要應(yīng)用于熒光及拉曼檢測應(yīng)用中發(fā)射熒光及拉曼光譜的提取，高端熒光檢測要求濾光片透射率大于90%，截止深度優(yōu)于OD6（ODn表示10-n），截止陡度優(yōu)于1%；高端應(yīng)用拉曼檢測要求截止陡度優(yōu)于0.5%。陷波濾光片常用于接收端，用于截止激發(fā)光，透射受激發(fā)射的熒光及拉曼光。常規(guī)陷波濾光片要求截止深度優(yōu)于OD4，高端陷波濾光片要求優(yōu)于OD6，陷波截止波長約在15～50 nm 之間（根據(jù)系統(tǒng)確定），透射帶較寬，一般透射率大于90%。分色鏡主要用于激發(fā)光或發(fā)射光方向改變，入射角一般為45°，通帶與反射帶的間隔波長寬度取決于激發(fā)、發(fā)射濾光片通帶的間隔，高端應(yīng)用多小于10 nm。多通帶濾光片應(yīng)用于多色熒光系統(tǒng)中光路的集成簡化，常規(guī)要求有2～5 個透射帶光譜，分離多種熒光試劑對應(yīng)的激發(fā)及發(fā)射光譜。

為提升熒光及拉曼檢測光譜的激發(fā)發(fā)射效率，高端熒光及拉曼檢測應(yīng)用的生物醫(yī)學(xué)濾光片的截止陡度要求越來越高，高端熒光檢測要求濾光片的截止陡度優(yōu)于1%，高端拉曼檢測要求濾光片的截止陡度優(yōu)于0.5%，達到超銳截止光譜性能。

2 五種典型光譜生物醫(yī)學(xué)濾光片的膜系優(yōu)化設(shè)計

生物醫(yī)學(xué)濾光片應(yīng)用于生命科學(xué)，有較高的環(huán)境適應(yīng)性要求，因而本文高端生物醫(yī)學(xué)濾光片的膜層材料優(yōu)先采用Nb2O5、Ta2O5、Al2O3、SiO2等硬質(zhì)氧化物材料，濾光片膜系主要采用Essential Macleod 軟件進行優(yōu)化設(shè)計。

2.1 超銳截止帶通濾光片的膜系優(yōu)化設(shè)計

帶通濾光片的膜系設(shè)計可采用長波通疊加短波通為初始膜系，或用多腔帶通膜系為初始膜系。以中心波長為660 nm，通帶帶寬為12 nm 的帶通濾光片膜系為例（BP660/12nm），介紹典型高端熒光濾光片單面鍍膜結(jié)構(gòu)的膜系設(shè)計。該膜系材料為Nb2O5/SiO2，采用長波通疊加短波通結(jié)構(gòu)，在300～1 100 nm 截止深度優(yōu)于OD6。為了實現(xiàn)高透射與截止陡度在1%以下的銳截止要求，將所有膜層都設(shè)定為可優(yōu)化，優(yōu)化后的膜層數(shù)為230 層，總厚度為22 μm。優(yōu)化后的膜系每層膜厚如圖2 所示。本文的鍍制工藝、膜厚控制方案及模擬仿真都以此膜系為例。優(yōu)化設(shè)計的BP660/12 nm 膜系光譜設(shè)計結(jié)果如圖3 所示，雙側(cè)截止陡度優(yōu)于0.9%，通帶外截止范圍為200～1 100 nm，截止深度優(yōu)于OD6。

2.2 單側(cè)截止光譜濾光片的膜系設(shè)計

單側(cè)截止濾光片膜系的初始膜系多采用（HL）^n高低折射率循環(huán)為基本結(jié)構(gòu)，增加循環(huán)膜堆的數(shù)量n可提升截止陡度，通過多個不同位置的截止膜堆疊加來提升截止范圍，通過優(yōu)化獲得寬通帶、高透射、銳截止的單側(cè)截止膜系。圖4 所示為拉曼檢測應(yīng)用的LP633 膜系設(shè)計，基礎(chǔ)膜系為（HL）^80，總厚度為12 μm，設(shè)計截止陡度為0.4%。

2.3 陷波濾光片（負濾光片）膜系設(shè)計

陷波濾光片（負濾光片）可采用等效折射率法［11］，即薄層和厚層的交替結(jié)構(gòu)，或者基于Rugate 理論［12］的漸變折射率方法，或基于一維光子晶體能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計［13］。其光譜特點是雙側(cè)寬透射，截止位置深度截止。設(shè)計難點在于截止帶的壓窄與截止深度的增加。圖5 給出了基于等效折射率法設(shè)計的一個負濾光片的光譜設(shè)計結(jié)果，該膜系共280 層，34.5 μm，最深點截止深度OD8。

2.4 高陡度分色鏡膜系設(shè)計

高端應(yīng)用熒光檢測系統(tǒng)中，要求傾斜入射下（一般為45°），分色鏡陡度盡可能小。高陡度分色鏡膜系可采用類法布里-珀羅腔結(jié)構(gòu)為初始膜系，經(jīng)優(yōu)化獲得理想結(jié)果。圖6 展示了陡度小于0.8%，50%透射率位置偏振分離小于2 nm，反射帶寬為60 nm 的高陡度分色鏡優(yōu)化設(shè)計的光譜計算曲線，該膜系共107 層，總厚度為18.5 μm。

2.5 多通帶濾光片與多通帶分色鏡

近年來在新發(fā)展的多色標(biāo)定的熒光檢測設(shè)備中，為實現(xiàn)高效便捷的檢測，多通帶光譜濾光片和多通帶分色鏡需求越來越多。通帶數(shù)量、通帶位置、通帶寬度和背景截止度是多通帶濾光片的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。國內(nèi)外均已有多種該類型濾光片的設(shè)計報道［14-17］，沈陽儀表院近年來發(fā)展了兩種新的多通帶膜系設(shè)計方法，通過對多腔帶通膜系間隔層系數(shù)的適當(dāng)調(diào)整獲得多通帶濾光片初始膜系［18-19］，再優(yōu)化獲得理想結(jié)果。該方法實現(xiàn)最多5 個通帶位置，且半寬連續(xù)可調(diào)的多通帶濾光片光譜膜系設(shè)計。

與多通帶濾光片相匹配的是多通帶分色鏡，可應(yīng)用初始膜系S｜［（aL HLbH LHaL）^m］｜A 或S｜［（aL HLHbL HLHaL）^m］｜A，實現(xiàn)多個通帶位置連續(xù)可調(diào)，P 光和S 光在峰值透射率Tpeak的50%處偏振分離小于3 nm，陡度小于10 nm。其中a為峰位系數(shù)，b為通帶消偏振系數(shù)，m為基礎(chǔ)膜系的總體循環(huán)個數(shù)。

圖7 為采用上述方法優(yōu)化設(shè)計的三通帶濾光片及分色鏡膜系光譜設(shè)計曲線，其中三通帶濾光片鄰域陡度設(shè)計值＜1%，三通帶分色鏡三個下降沿陡度均小于7 nm。

3 超多層光學(xué)薄膜的等離子反應(yīng)磁控濺射鍍膜及精密膜厚控制

高端應(yīng)用的生物醫(yī)學(xué)濾光片，不但具有超高透射、超銳截止的光譜性能要求，部分激光光源系統(tǒng)或成像應(yīng)用，也具有低波前畸變的需求。在單基片上鍍制超多層薄膜的濾光片，具有透射波前可控，易獲得更高透射率的優(yōu)點。但約100～300 層的超多層薄膜，對膜厚控制精度及缺陷控制提出了挑戰(zhàn)。本文提及的超銳截止生物醫(yī)學(xué)濾光片均為單個基片上單面或者雙面鍍制超多層薄膜結(jié)構(gòu)，采用等離子輔助反應(yīng)磁控濺射鍍膜技術(shù)鍍制，基于BUHLER Leybold 的Helios800Pro 等離子反應(yīng)濺射鍍膜設(shè)備制造。

3.1 超多層光學(xué)薄膜的膜厚控制精度要求

對2.1 節(jié)中提及的230 層超銳截止帶通濾光片BP660/12 nm 膜系采用Essential Macleod 軟件模擬，圖8是膜厚誤差分別為0.3%及0.15%的誤差模擬結(jié)果，該膜系的整體膜厚容差要求優(yōu)于0.15%。

此膜系容差小，除了由于超多層薄膜層數(shù)多以外，深度優(yōu)化造成的膜層厚度離散大也是重要原因。采用光控法監(jiān)控鍍膜過程時，規(guī)整的周期性結(jié)構(gòu)易于控制誤差，而薄層與厚層頻繁出現(xiàn)的深度優(yōu)化膜系，光控走值不規(guī)律，膜厚誤差的監(jiān)控難度更大。

3.2 超多層光學(xué)薄膜的膜厚控制方案

BP660/12 nm 帶通濾光片膜系，采用多光學(xué)監(jiān)控片的直接光控法進行超多層薄膜的膜厚控制。若用一個監(jiān)控片去監(jiān)控所有膜層，很難達到要求的膜厚監(jiān)控精度。使用的鍍膜設(shè)備配備了可更換光控片系統(tǒng)，采用多光學(xué)監(jiān)控片的膜厚控制方案，可極大提高監(jiān)控精度，降低控制誤差。

為提高薄膜光學(xué)厚度監(jiān)控精度，此膜系的光控方案中共設(shè)計了10 個光學(xué)監(jiān)控片，根據(jù)光譜變化特點，優(yōu)化設(shè)計每個監(jiān)控片上每層薄膜的控制方式，圖9 是其中一個監(jiān)控片上32 層薄膜的光控走值設(shè)計及實際鍍膜監(jiān)控實施后，該監(jiān)控片上的光譜測試結(jié)果。

在確認膜厚監(jiān)控方案后，應(yīng)用計算機軟件模擬仿真鍍膜過程中可能獲得的沉積誤差，評價膜厚控制方案，再根據(jù)模擬結(jié)果改進膜系設(shè)計及膜厚控制方案。圖10 是BP660/12 nm 膜系的計算機模擬仿真誤差結(jié)果，平均誤差控制小于0.15%，達到了采用Macleod 軟件誤差模擬時，膜厚誤差小于0.15%要求。

4 超銳截止光譜表征及檢測

帶通濾光片的截止陡度常用透射區(qū)向截止區(qū)的過渡波長間隔和截止波長的比值表征［20］。如截止沿波長位置（對應(yīng)峰值透射率Tpeak的50%）為λ50%Tpeak，從截止沿位置向截止端過渡到OD6 的波長位置為λOD6，則截止陡度可表示為

如在截止沿位置為500 nm 處，峰值透射率的50%波長位置到OD6 過渡波長間隔為5 nm，則截止陡度為1%。

對45°分色鏡的截止陡度，截止過渡波長用透射90%到反射90%的最小波長間隔表示，截止陡度可表示為

式中，λ90%T為距截止沿附近透射率等于90%處的波長，λ90%R為截止沿附近反射率等于90%處的波長。

生物醫(yī)學(xué)濾光片的光譜性能主要采用分光光度法進行檢測。OD8 以上的截止深度以及優(yōu)于0.5%的銳截止陡度，已達到商用測試儀器的測試極限，需開發(fā)特定的測試方法。通過采用較窄的測試帶寬，在參考光路中加適當(dāng)?shù)乃p，可提升銳截止及深截止的測試能力。圖11 是同一帶通濾光片樣品在同一臺檢測設(shè)備上采用標(biāo)準(zhǔn)檢測方法與特定測試方法的測試結(jié)果對比。

5 多種典型光譜銳截止生物醫(yī)學(xué)濾光片的制造結(jié)果

基于超銳截止濾光片膜系優(yōu)化設(shè)計、超多層等離子反應(yīng)濺射鍍膜技術(shù)開發(fā)及光譜檢測方法，完成了單側(cè)銳截止、帶通、陷波、分色鏡及多通帶等多種典型銳截止生物醫(yī)學(xué)濾光片鍍制，列舉了部分濾光片設(shè)計制造結(jié)果。所有測試采用Cary6000 或Cary7000 分光光度計進行測量。

5.1 超銳截止帶通濾光片研制檢測結(jié)果

圖12 為230 層BP660/12nm 超銳截止帶通濾光片的光譜檢測結(jié)果：通帶平均透射率＞93%，峰值透射率＞95%，截止深度優(yōu)于OD6，雙側(cè)實測截止陡度達到0.95%。

相較于一般通帶平均透射率為90%、截止陡度為1.5%、截止深度為OD6 的典型熒光濾光片，該類型超銳截止濾光片可使PCR 系統(tǒng)信噪比平均提升近20%。

5.2 超銳截止單側(cè)截止濾光片研制檢測結(jié)果

圖13 為2.2 節(jié)所述用于拉曼檢測的長波通超銳截止濾光片LP633 單面鍍膜結(jié)果：通帶透射率平均值大于95%，截止深度優(yōu)于OD6，鄰域截止深度優(yōu)于OD7，實測截止陡度為0.67%。濾光片的截止陡度決定拉曼光譜儀的量程范圍，0.67%超高陡度可實現(xiàn)633 nm 附近100 cm-1的低波數(shù)測量。

5.3 陷波濾光片研制檢測結(jié)果

圖14 所示為2.3 節(jié)所述負濾光片制造結(jié)果：平均透過率＞95%，在808±3 nm 范圍內(nèi)截止背景＞OD6。

由于800 nm 附近為分光光度計切換光柵和探測器的波長區(qū)間，此波長位置附近光探測器接收能力較弱，即使通過增加積分時間等方式增加對光的接收，也無法實現(xiàn)OD6 以上的深背景準(zhǔn)確測試。

5.4 多通帶濾光片研制檢測結(jié)果

圖15（a）所示為三通帶濾光片鍍制后測試結(jié)果，截止陡度均小于1%，透射率＞95%。圖15（b）所示為雙通帶高陡度分色鏡，兩個上升沿的陡度設(shè)計值均為5 nm。

5.5 典型45 度入射高陡度分色鏡研制檢測結(jié)果

圖16 所示為2.4 節(jié)所述高陡度分色鏡設(shè)計鍍制結(jié)果（含增透）：平均透射率＞95%，陡度＜1%。該類型分色鏡適用于熒光激發(fā)、發(fā)射峰較近的情況，從高反射快速轉(zhuǎn)換為高透射，根據(jù)熒光染料的不同可提升10%～30%的接收能量。

6 結(jié)論

針對熒光及拉曼光譜檢測的生物醫(yī)學(xué)檢測需求，本文采用多種優(yōu)化設(shè)計方法優(yōu)化設(shè)計了多種典型光譜的濾光片膜系，包括單側(cè)截止、帶通、陷波、分色鏡及多通帶等。介紹了采用等離子反應(yīng)濺射鍍制及光學(xué)薄膜膜厚控制技術(shù)鍍制超多層光學(xué)薄膜的研究，并給出了五種典型光譜的超銳截止濾光片制造結(jié)果，以滿足高端生物醫(yī)學(xué)熒光及拉曼檢測發(fā)展需求。

隨著生物醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)的發(fā)展，要求進一步提升生物醫(yī)學(xué)濾光片截止陡度，需要設(shè)計極高透射、極銳截止的濾光片新膜系，研究更多層光學(xué)薄膜的穩(wěn)定精準(zhǔn)鍍制工藝，以及更銳截止陡度的精確測試方法，以滿足行業(yè)進一步深入發(fā)展需求。