一种荧光寿命检测装置及检测方法与流程

1.本技术实施例涉及检测装置技术领域，具体而言，涉及一种荧光寿命检测装置及检测方法。


背景技术：

2.当某种物质被一束激光激发后，该物质的分子吸收能量后从基态跃迁到某一激发态上，再以辐射跃迁的形式发出荧光回到基态。当去掉激发光后，分子的荧光强度降到激发时的荧光最大强度所需要的时间，称为荧光寿命。
3.测量荧光寿命对于研究目标分子及其周围环境在物理化学和生物化学领域的动态行为，以及区分在分析化学中荧光光谱彼此相似的荧光材料至关重要。现阶段，主要有时域法和频域法两种方法可有效地完成荧光寿命的检测。其中，时域法的使用较为普遍。其是通过高频激光脉冲照射荧光材料，使得处于基态的原子吸收到激光能量而跃迁到激发态。然后，通过采用特殊的方式对激发态中的原子自发跃迁到基态的过程中辐射出的荧光光子进行处理，从而获得相应的荧光寿命数据。
4.但是，目前测量荧光寿命的设备成本较高。


技术实现要素：

5.本技术实施例在于提供一种荧光寿命检测装置及检测方法，旨在降低测量荧光寿命设备的成本。
6.本技术实施例第一方面提供一种荧光寿命检测装置，包括：
7.基板以及设置在所述基板上的至少一个检测单元；
8.所述检测单元包括发光模块、探测模块和控制模块，所述发光模块和所述探测模块分别与所述控制模块连接；
9.所述发光模块用于响应于所述控制模块发送的发光信号，朝向待测样品发出光线；
10.所述探测模块用于探测所述待测样品被所述光线激发后辐射的荧光光子，并生成探测信号发送给所述控制模块；
11.所述控制模块用于在发送所述发光信号时开始计时，并在接收到所述探测信号后停止计时，以根据开始发送发光信号与接收到所述探测信号之间的时间间隔，确定所述待测样品的荧光寿命。
12.可选地，所述发光模块包括micro-led芯片或mini-led芯片。
13.可选地，所述micro-led芯片包括设置在背光侧的反射层和设置在出光侧的半透半反层；
14.或者，所述micro-led芯片包括设置在出光侧的滤光层。
15.可选地，所述探测模块包括单光子雪崩二极管芯片。
16.可选地，所述荧光寿命检测装置还包括：互联层，位于所述基板与所述检测单元之
间；
17.所述发光模块、探测模块和控制模块通过互联层连接。
18.可选地，所述荧光寿命检测装置还包括：封装层，设置在所述检测单元背离所述基板的一侧。
19.可选地，所述控制模块包括信号发送单元，所述信号发送单元与所述发光模块连接；
20.所述信号发送单元用于所述发送发光信号至所述发光模块。
21.可选地，所述控制模块还包括时间数字转换器；
22.所述数字转换器用于在所述信号发送单元开始发出所述发光信号时开始计时，在所述控制模块接收到所述探测信号时结束计时，以获取从发光信号发出到接收探测信号之间的时间间隔。
23.本技术实施例第二方面提供一种荧光寿命检测方法，应用于如本技术实施例第一方面提供的荧光寿命检测装置，所述检测方法包括：
24.发送发光信号至发光模块，使所述发光模块朝向待测样品发出光线，并在发送发光信号时开始计时，；
25.探测所述待测样品被所述光线激发后辐射的荧光光子，并生成探测信号；
26.接收所述探测信号，并在接收到所述探测信号后停止计时；
27.根据开始发送所述发光信号与接收到所述探测信号之间的时间间隔，确定所述待测样品的荧光寿命。
28.有益效果：
29.本技术提供一种荧光寿命检测装置及检测方法，通过设置基板以及设置在基板上的至少一个检测单元，其中检测单元包括发光模块、探测模块和控制模块，发光模块和探测模块分别与控制模块连接；发光模块可以响应于控制模块发送的发光信号，朝向待测样品发出光线；探测模块可以探测待测样品被光线激发后辐射的荧光光子，并生成探测信号发送给控制模块；控制模块可以在发送发光信号时开始计时，并在接收到所述探测信号后停止计时，以根据开始发送发光信号与接收到探测信号之间的时间间隔，确定待测样品的荧光寿命；利用基板上的至少一个检测单元，可以一次性检测待测样品辐射出的荧光光子的多组发射概率数据，并且根据多组数据统计分布，得到待测样品的荧光寿命，从而提高了荧光寿命检测的精确性。
附图说明
30.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1是本技术一实施例提出的一种荧光寿命检测装置的平面结构示意图；
32.图2是本技术一实施例提出的一种荧光寿命检测装置的结构示意图；
33.图3是本技术一实施例提出的一种荧光寿命检测装置中发光模块的结构示意图；
34.图4是本技术一实施例提出的一种荧光寿命检测装置中包含反射层和半透半反层
的发光模块的结构示意图；
35.图5是本技术一实施例提出的一种荧光寿命检测装置中包含滤光层的发光模块的结构示意图；
36.图6是本技术一实施例提出的一种荧光寿命检测装置中探测模块的结构示意图；
37.图7是本技术一实施例提出的一种荧光寿命检测方法的步骤流程图。
38.附图标记说明：10、基板；20、检测单元；21、发光模块；211、第一半导体层；212、发光层；213、第二半导体层；214、反射层；215、半透半反层；216、滤光层；217、第一键合层；218、第二键合层；22、探测模块；221、雪崩光电二极管；222、阴极；23、控制模块；30、互联层。
具体实施方式
39.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
40.相关技术中，时间相关单光子计数(tcspc)技术是一种灵敏，精确且成熟的测量技术，其主要是用于测量两个光脉冲之间的时间间隔。对于荧光寿命检测应用来说，其是用于测量激光脉冲与受激光脉冲激发后辐射出的荧光光子脉冲之间的时间间隔，从而构建出相应的能反映出荧光光子发射概率随激发时间变化关系的光子直方图，从而可以实现生物样品成像、传感和dna测序等功能。
41.有鉴于此，本技术实施例提出一种荧光寿命检测装置及检测方法，通过设置基板以及设置在基板上的至少一个检测单元，其中检测单元包括发光模块、探测模块和控制模块，发光模块和探测模块分别与控制模块连接；发光模块可以响应于控制模块发送的发光信号，朝向待测样品发出光线；探测模块可以探测待测样品被光线激发后辐射的荧光光子，并生成探测信号发送给控制模块；控制模块可以在发送发光信号时开始计时，并在接收到所述探测信号后停止计时，以根据开始发送发光信号与接收到探测信号之间的时间间隔，确定待测样品的荧光寿命；利用基板上的至少一个检测单元，可以一次性检测待测样品辐射出的荧光光子的多组发射概率数据，并且根据多组数据统计分布，得到待测样品的荧光寿命，从而提高了荧光寿命检测的精确性。
42.参照图1所示，为本技术实施例公开的一种荧光寿命检测装置，该检测装置包括基板10以及设置在基板10上的至少一个检测单元20。
43.具体地，基板10可以包括刚性材料或柔性材料。在基板10具有刚性需求时，可以选用刚性材料，例如玻璃等等；在基板10具有可弯曲或可折叠的需求时，也可以选用柔性材料，例如聚酰亚胺等等。在本技术实施例中，基板10选用玻璃材料。同时，基板10上还具有互联层30，互联层30为在基板10上通过金属走线工艺形成的电路结构。
44.进一步地，参照图2所示，检测单元20包括发光模块21、探测模块22和控制模块23。发光模块21和探测模块22分别通过互联层30与控制模块23实现连接。
45.具体地，发光模块21与控制模块23连接，并且控制模块23可以发送发光信号给发光模块21，使发光模块21响应于所述发光信号，朝向待测样品发出光线。
46.在本技术实施例中，发光模块21包括micro-led芯片或mini-led芯片。具体地，
micro-led是指微型发光二极管(micro light emitting diode)，其尺寸通常为100μm以下，且由于其尺寸较小，因此micro-led阻容迟滞时间延迟效应减弱，使得micro-led可以更好地应用于高频需求领域，并且micro-led工作在ghz频段下，即可实现百皮秒的光脉冲，可以很好的满足tcspc的技术需求。mini-led是指次毫米发光二极管(mini light emitting diode)，其尺寸约为100-300μm。mini-led由于其尺寸较小，也可以很好地满足tcspc的技术需求。在本技术实施例中，发光模块21选用micro-led芯片。
47.参照图3所示，micro-led芯片可以包括层叠设置的第一半导体层211、发光层212和第二半导体层213。其中，第一半导体层211靠近基板10设置。micro-led芯片可以通过倒装结构与基板10连接，具体而言，第一半导体层211可以通过第一键合层217与基板10上的电路结构连接，第二半导体层213可以通过第二键合层218与基板10上的电路结构连接，在输入电信号后，发光层212便可以实现发光。并且micro-led芯片朝向背离基板10的一侧发光，即朝向基板10的一侧为micro-led芯片的背光侧，背离基板10的一侧为micro-led芯片的发光侧。micro-led芯片根据实际检测需要选择特点的发光波段，一般来说多采用紫外波段的gan-led芯片，当然也可以选用其他材料的芯片，本技术实施例在此不多做赘述。
48.进一步地，探测模块22与控制模块23连接。在待测样品被发光模块21发出的光线照射后，待测样品会被所述光线激发，并辐射出荧光光子，探测模块22可以探测待测样品辐射出的荧光光子，并生成探测信号发送给控制模块23。
49.具体地，参照图6所示，在本技术实施例中，探测模块22包括单光子雪崩二极管芯片。单光子雪崩二极管(single photon avalanche diode，spad)技术，在spad技术中，其核心是工作在盖革模式(正常工作时该器件的反向工作电压大于二极管反向击穿电压)下的雪崩光电二极管221。
50.当施加在雪崩光电二极管221两端的工作电压高于雪崩击穿点时，雪崩光电二极管221处于强反偏状态，耗尽区产生强电场；此时，若一个光子进入耗尽区，其有很大的概率被吸收并产生光生电子-空穴对，光电子在强电场的作用下加速运动，碰撞晶格产生更多电子-空穴对，通过倍增效应，能在极短的时间内产生强增益。因此，探测模块22可以快速地探测到待测样品辐射的荧光光子。
51.参照图6所示，单光子雪崩二极管芯片还包括与雪崩光电二极管221连接的阴极222和阳极。在本技术实施例中，雪崩光电二极管221的阴极222通过硅通孔工艺引至单光子雪崩二极管芯片的背侧(即靠近基板10的一侧)，同时使阴极222通过键合方式与基板10上的电路结构进行连接。
52.进一步地，控制模块23用于在发送所述发光信号时开始计时，并在接收到所述探测信号后停止计时，以根据开始发送发光信号与接收到所述探测信号之间的时间间隔，确定所述待测样品的荧光寿命。
53.具体地，控制模块23可以包括信号发送单元和时间数字转换器。信号发送单元可以发送发光信号至发光模块21，从而使发光模块21发出光线。时间数字转换器则可以在信号发送单元发出发光信号时开始计时，并在接收到探测信号时结束计时，从而获取从发光信号发出到接收到探测信号之间的时间间隔，进而确定待测样品的荧光寿命。
54.需要说明的是，时间数字转换器所获取的数据可以通过相适配的读取模块(例如读出芯片)进行读取，本技术实施例在此不多做赘述。
55.这样，通过将发光模块21、探测模块22和控制模块23集成到基板10上，并通过发光模块21、探测模块22和控制模块23便可以确定待测样品的荧光寿命，无需其他设备，从而使得检测装置检测荧光寿命的成本得以降低。并且，在进行检测时，只需将待测样品置于检测装置表面即可实现相关检测，使得荧光寿命的检测更为便利。
56.同时，在本技术实施例中，基板10上可以设置多个检测单元20，因此在实验过程中，可以一次性获取多组数据，而后，再根据多组数据的统计分布，便可以估计待测样品的实际荧光寿命，从而根据荧光寿命推断出待测样品的许多特性；多组数据可以提高实验数据的精确性。
57.在一种可选的实施方式中，参照图4所示，本技术实施例还提供一种荧光寿命检测装置，在该检测装置中，micro-led芯片包括设置在背光侧的反射层214和设置在出光侧的半透半反层215；或者，micro-led芯片包括设置在出光侧的滤光层216。
58.具体地，反射层214设置在第一半导体层211背离发光层212的一侧，半透半反层215设置在第二半导体层213背离发光层212的一侧，反射层214和半透半反层215均选用无机材料，例如sio2、sinx、sic等等。同时，反射层214和半透半反层215可以包括单层结构，也可以包括多层结构。示例性地，反射层214可以包括单层的同一材料的单一结构，也可以包括多层的不同材料组成的复合结构。
59.利用反射层214和半透半反层215可以使发光层212发出的光线在micro-led芯片内部发生反射，从而使得micro-led芯片发出的光源具备更窄的半峰宽，实现窄光谱出光，进而实现更好的检测效果。
60.在一种可选的实施方式中，参照图5所示，也可以在第二半导体层213背离发光层212的一侧设置滤光层216。利用滤光层216同样可以使micro-led芯片发出的光源具备更窄的半峰宽，进而实现更好的检测效果。
61.在一种可选的实施方式中，本技术实施例还提供一种荧光寿命检测装置，在该检测装置中还包括封装层，封装层设置在检测单元20背离基板10的一侧。
62.具体地，封装层可以通过涂覆封装胶的形式制作，封装层可以对整个检测装置进行保护，从而增加检测装置的使用寿命。
63.图7示出了一种荧光寿命检测方法的步骤流程图。参照图7所示，本技术实施例提供一种荧光寿命检测方法，应用于如本技术实施例前文所述的任一种荧光寿命检测装置，所述检测方法包括：
64.步骤101：发送发光信号至发光模块21，使所述发光模块21朝向待测样品发出光线，并在发送发光信号时开始计时。
65.具体地，发光模块21在接收到发光信号后，会朝向待测样品发出光线，使待测样品被光线照射而辐射出荧光光子，同时处理模块中的时间数字转换器开始计时。
66.步骤102：探测所述待测样品被所述光线激发后辐射的荧光光子，并生成探测信号。
67.具体地，利用探测模块22对待测样品辐射的荧光光子进行探测，并且在探测到荧光光子后，生成探测信号发送给控制模块23。
68.步骤103：接收所述探测信号，并在接收到所述探测信号后停止计时。
69.具体地，利用处理模块接收探测模块22发送的探测信号，并且在接收到探测信号
后，使时间数字转换器停止计时。
70.步骤104：根据开始发送发光信号与接收到所述探测信号之间的时间间隔，确定所述待测样品的荧光寿命。
71.具体地，根据基板10上的多个检测单元20，并重复上述步骤数千次，便可以获得多组实验数据，对多组实验数据进行统计分布，并构建光子计数与时间的直方图，从直方图中可以估计待测样品的荧光寿命。
72.需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
73.还需要说明的是，在本文中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
74.以上对本技术所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术，在具体实施方式及应用范围上均会有不同形式的改变之处，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本技术的保护范围之中。