阴晓俊，王瑞生，赵帅锋，任少鹏，高鹏，费书国

（1 沈阳仪表科学研究院有限公司 汇博光学公司，沈阳110043）（2 传感器国家工程研究中心，沈阳 110043）

0 引言

生物医学滤光片是应用于生命科学、生物医学领域体外诊断检测分析仪器中的核心关键光学元件。这些检测分析仪器通过检测人体生物物质、病原体、抗体等对光的吸收、散射、荧光辐射等现象，对人体健康状况及所患疾病进行检测分析，协助医生进行疾病诊断。生物医学滤光片是这些检测分析仪器中用于提取检测样品特征光谱的关键部件，直接影响医学检测仪器的检测精度及可靠性。生物医学滤光片主要应用于吸收光度检测、荧光检测和拉曼检测三种光学检测方法的生物医学检测仪器中。吸收光度检测在生化检测、酶标免疫检测中获广泛应用，经过多年发展已趋于成熟，而荧光检测和拉曼检测则处于高速发展的阶段。荧光检测在药物研究［1］、分子成像技术［2］、精准医疗等领域广泛应用，如近期应用于新冠病毒的荧光聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）核酸检测［3］；拉曼检测则应用于医学检测［4］、癌症治疗［5-6］、食品安全［7］等多种无损精准微量检测领域。

20 世纪六、七十年代美国开始进行荧光检测分析和拉曼检测分析研究，2000 年以后，基于这两种检测应用的检测分析技术以及仪器制造技术进入高速发展期。受益于早期应用研究的带动，美国在生物医学滤光片设计制造技术发展上起步较早，一直处于国际前列。自20 世纪90 年代起，国内的沈阳仪表科学研究院、北京电影机械研究所等研究机构才先后开展荧光滤光片的制造技术研究［8］。2010 年，沈阳仪表科学研究院廖邦俊、费书国等在国内率先研制出基于硬膜镀膜材料的接近矩形光谱的滤光片［9-10］，2015 年，沈阳仪表院基于等离子反应溅射镀膜技术研制了透射率为90%，截止陡度为1.5%的高透射、锐截止的生物医学荧光检测滤光片。

近几年随着基于荧光、拉曼光谱检测应用的生物医学检测分析技术的不断普及，特别是对重大流行疾病的控制预防需求不断高涨，仪器的制造开发也向着微量、快速检测迅速发展，对检测灵敏度及检测精度要求不断提高，对仪器中特征光谱提取的核心元件，应用于生物医学荧光、拉曼检测的生物医学滤光片的光谱指标，如通带透射率，截止陡度等，也提出了更高的要求：在高端荧光及拉曼检测中，要求在保持高透射率同时，截止陡度提升到1%甚至0.5%的超锐截止水平。本文介绍应用于高端荧光及拉曼检测用生物医学滤光片的多种典型光谱的膜系设计技术、制造工艺、控制难点，并基于等离子反应磁控溅射技术对上述多种具备高透射、超锐截止光谱性能的滤光片进行设计制造，给出制造结果。

1 生物医学检测应用的五种典型光谱及技术要求

荧光及拉曼光谱检测应用的生物医学滤光片主要有五种典型光谱形式：带通（双侧截止）、单侧截止（长波通、短波通）、陷波截止（负滤光片）、分色滤光片（45°入射）、多通带滤光片。图1 列出了具有代表性的五种常用的生物医学滤光片典型光谱。

带通滤光片被广泛应用于荧光、拉曼检测中，高端应用一般要求通带透射率大于90%，截止陡度优于1%。单侧截止光谱的滤光片主要应用于荧光及拉曼检测应用中发射荧光及拉曼光谱的提取，高端荧光检测要求滤光片透射率大于90%，截止深度优于OD6（ODn表示10-n），截止陡度优于1%；高端应用拉曼检测要求截止陡度优于0.5%。陷波滤光片常用于接收端，用于截止激发光，透射受激发射的荧光及拉曼光。常规陷波滤光片要求截止深度优于OD4，高端陷波滤光片要求优于OD6，陷波截止波长约在15～50 nm 之间（根据系统确定），透射带较宽，一般透射率大于90%。分色镜主要用于激发光或发射光方向改变，入射角一般为45°，通带与反射带的间隔波长宽度取决于激发、发射滤光片通带的间隔，高端应用多小于10 nm。多通带滤光片应用于多色荧光系统中光路的集成简化，常规要求有2～5 个透射带光谱，分离多种荧光试剂对应的激发及发射光谱。

为提升荧光及拉曼检测光谱的激发发射效率，高端荧光及拉曼检测应用的生物医学滤光片的截止陡度要求越来越高，高端荧光检测要求滤光片的截止陡度优于1%，高端拉曼检测要求滤光片的截止陡度优于0.5%，达到超锐截止光谱性能。

2 五种典型光谱生物医学滤光片的膜系优化设计

生物医学滤光片应用于生命科学，有较高的环境适应性要求，因而本文高端生物医学滤光片的膜层材料优先采用Nb2O5、Ta2O5、Al2O3、SiO2等硬质氧化物材料，滤光片膜系主要采用Essential Macleod 软件进行优化设计。

2.1 超锐截止带通滤光片的膜系优化设计

带通滤光片的膜系设计可采用长波通叠加短波通为初始膜系，或用多腔带通膜系为初始膜系。以中心波长为660 nm，通带带宽为12 nm 的带通滤光片膜系为例（BP660/12nm），介绍典型高端荧光滤光片单面镀膜结构的膜系设计。该膜系材料为Nb2O5/SiO2，采用长波通叠加短波通结构，在300～1 100 nm 截止深度优于OD6。为了实现高透射与截止陡度在1%以下的锐截止要求，将所有膜层都设定为可优化，优化后的膜层数为230 层，总厚度为22 μm。优化后的膜系每层膜厚如图2 所示。本文的镀制工艺、膜厚控制方案及模拟仿真都以此膜系为例。优化设计的BP660/12 nm 膜系光谱设计结果如图3 所示，双侧截止陡度优于0.9%，通带外截止范围为200～1 100 nm，截止深度优于OD6。

2.2 单侧截止光谱滤光片的膜系设计

单侧截止滤光片膜系的初始膜系多采用（HL）^n高低折射率循环为基本结构，增加循环膜堆的数量n可提升截止陡度，通过多个不同位置的截止膜堆叠加来提升截止范围，通过优化获得宽通带、高透射、锐截止的单侧截止膜系。图4 所示为拉曼检测应用的LP633 膜系设计，基础膜系为（HL）^80，总厚度为12 μm，设计截止陡度为0.4%。

2.3 陷波滤光片（负滤光片）膜系设计

陷波滤光片（负滤光片）可采用等效折射率法［11］，即薄层和厚层的交替结构，或者基于Rugate 理论［12］的渐变折射率方法，或基于一维光子晶体能带结构设计［13］。其光谱特点是双侧宽透射，截止位置深度截止。设计难点在于截止带的压窄与截止深度的增加。图5 给出了基于等效折射率法设计的一个负滤光片的光谱设计结果，该膜系共280 层，34.5 μm，最深点截止深度OD8。

2.4 高陡度分色镜膜系设计

高端应用荧光检测系统中，要求倾斜入射下（一般为45°），分色镜陡度尽可能小。高陡度分色镜膜系可采用类法布里-珀罗腔结构为初始膜系，经优化获得理想结果。图6 展示了陡度小于0.8%，50%透射率位置偏振分离小于2 nm，反射带宽为60 nm 的高陡度分色镜优化设计的光谱计算曲线，该膜系共107 层，总厚度为18.5 μm。

2.5 多通带滤光片与多通带分色镜

近年来在新发展的多色标定的荧光检测设备中，为实现高效便捷的检测，多通带光谱滤光片和多通带分色镜需求越来越多。通带数量、通带位置、通带宽度和背景截止度是多通带滤光片的关键技术指标。国内外均已有多种该类型滤光片的设计报道［14-17］，沈阳仪表院近年来发展了两种新的多通带膜系设计方法，通过对多腔带通膜系间隔层系数的适当调整获得多通带滤光片初始膜系［18-19］，再优化获得理想结果。该方法实现最多5 个通带位置，且半宽连续可调的多通带滤光片光谱膜系设计。

与多通带滤光片相匹配的是多通带分色镜，可应用初始膜系S｜［（aL HLbH LHaL）^m］｜A 或S｜［（aL HLHbL HLHaL）^m］｜A，实现多个通带位置连续可调，P 光和S 光在峰值透射率Tpeak的50%处偏振分离小于3 nm，陡度小于10 nm。其中a为峰位系数，b为通带消偏振系数，m为基础膜系的总体循环个数。

图7 为采用上述方法优化设计的三通带滤光片及分色镜膜系光谱设计曲线，其中三通带滤光片邻域陡度设计值＜1%，三通带分色镜三个下降沿陡度均小于7 nm。

3 超多层光学薄膜的等离子反应磁控溅射镀膜及精密膜厚控制

高端应用的生物医学滤光片，不但具有超高透射、超锐截止的光谱性能要求，部分激光光源系统或成像应用，也具有低波前畸变的需求。在单基片上镀制超多层薄膜的滤光片，具有透射波前可控，易获得更高透射率的优点。但约100～300 层的超多层薄膜，对膜厚控制精度及缺陷控制提出了挑战。本文提及的超锐截止生物医学滤光片均为单个基片上单面或者双面镀制超多层薄膜结构，采用等离子辅助反应磁控溅射镀膜技术镀制，基于BUHLER Leybold 的Helios800Pro 等离子反应溅射镀膜设备制造。

3.1 超多层光学薄膜的膜厚控制精度要求

对2.1 节中提及的230 层超锐截止带通滤光片BP660/12 nm 膜系采用Essential Macleod 软件模拟，图8是膜厚误差分别为0.3%及0.15%的误差模拟结果，该膜系的整体膜厚容差要求优于0.15%。

此膜系容差小，除了由于超多层薄膜层数多以外，深度优化造成的膜层厚度离散大也是重要原因。采用光控法监控镀膜过程时，规整的周期性结构易于控制误差，而薄层与厚层频繁出现的深度优化膜系，光控走值不规律，膜厚误差的监控难度更大。

3.2 超多层光学薄膜的膜厚控制方案

BP660/12 nm 带通滤光片膜系，采用多光学监控片的直接光控法进行超多层薄膜的膜厚控制。若用一个监控片去监控所有膜层，很难达到要求的膜厚监控精度。使用的镀膜设备配备了可更换光控片系统，采用多光学监控片的膜厚控制方案，可极大提高监控精度，降低控制误差。

为提高薄膜光学厚度监控精度，此膜系的光控方案中共设计了10 个光学监控片，根据光谱变化特点，优化设计每个监控片上每层薄膜的控制方式，图9 是其中一个监控片上32 层薄膜的光控走值设计及实际镀膜监控实施后，该监控片上的光谱测试结果。

在确认膜厚监控方案后，应用计算机软件模拟仿真镀膜过程中可能获得的沉积误差，评价膜厚控制方案，再根据模拟结果改进膜系设计及膜厚控制方案。图10 是BP660/12 nm 膜系的计算机模拟仿真误差结果，平均误差控制小于0.15%，达到了采用Macleod 软件误差模拟时，膜厚误差小于0.15%要求。

4 超锐截止光谱表征及检测

带通滤光片的截止陡度常用透射区向截止区的过渡波长间隔和截止波长的比值表征［20］。如截止沿波长位置（对应峰值透射率Tpeak的50%）为λ50%Tpeak，从截止沿位置向截止端过渡到OD6 的波长位置为λOD6，则截止陡度可表示为

如在截止沿位置为500 nm 处，峰值透射率的50%波长位置到OD6 过渡波长间隔为5 nm，则截止陡度为1%。

对45°分色镜的截止陡度，截止过渡波长用透射90%到反射90%的最小波长间隔表示，截止陡度可表示为

式中，λ90%T为距截止沿附近透射率等于90%处的波长，λ90%R为截止沿附近反射率等于90%处的波长。

生物医学滤光片的光谱性能主要采用分光光度法进行检测。OD8 以上的截止深度以及优于0.5%的锐截止陡度，已达到商用测试仪器的测试极限，需开发特定的测试方法。通过采用较窄的测试带宽，在参考光路中加适当的衰减，可提升锐截止及深截止的测试能力。图11 是同一带通滤光片样品在同一台检测设备上采用标准检测方法与特定测试方法的测试结果对比。

5 多种典型光谱锐截止生物医学滤光片的制造结果

基于超锐截止滤光片膜系优化设计、超多层等离子反应溅射镀膜技术开发及光谱检测方法，完成了单侧锐截止、带通、陷波、分色镜及多通带等多种典型锐截止生物医学滤光片镀制，列举了部分滤光片设计制造结果。所有测试采用Cary6000 或Cary7000 分光光度计进行测量。

5.1 超锐截止带通滤光片研制检测结果

图12 为230 层BP660/12nm 超锐截止带通滤光片的光谱检测结果：通带平均透射率＞93%，峰值透射率＞95%，截止深度优于OD6，双侧实测截止陡度达到0.95%。

相较于一般通带平均透射率为90%、截止陡度为1.5%、截止深度为OD6 的典型荧光滤光片，该类型超锐截止滤光片可使PCR 系统信噪比平均提升近20%。

5.2 超锐截止单侧截止滤光片研制检测结果

图13 为2.2 节所述用于拉曼检测的长波通超锐截止滤光片LP633 单面镀膜结果：通带透射率平均值大于95%，截止深度优于OD6，邻域截止深度优于OD7，实测截止陡度为0.67%。滤光片的截止陡度决定拉曼光谱仪的量程范围，0.67%超高陡度可实现633 nm 附近100 cm-1的低波数测量。

5.3 陷波滤光片研制检测结果

图14 所示为2.3 节所述负滤光片制造结果：平均透过率＞95%，在808±3 nm 范围内截止背景＞OD6。

由于800 nm 附近为分光光度计切换光栅和探测器的波长区间，此波长位置附近光探测器接收能力较弱，即使通过增加积分时间等方式增加对光的接收，也无法实现OD6 以上的深背景准确测试。

5.4 多通带滤光片研制检测结果

图15（a）所示为三通带滤光片镀制后测试结果，截止陡度均小于1%，透射率＞95%。图15（b）所示为双通带高陡度分色镜，两个上升沿的陡度设计值均为5 nm。

5.5 典型45 度入射高陡度分色镜研制检测结果

图16 所示为2.4 节所述高陡度分色镜设计镀制结果（含增透）：平均透射率＞95%，陡度＜1%。该类型分色镜适用于荧光激发、发射峰较近的情况，从高反射快速转换为高透射，根据荧光染料的不同可提升10%～30%的接收能量。

6 结论

针对荧光及拉曼光谱检测的生物医学检测需求，本文采用多种优化设计方法优化设计了多种典型光谱的滤光片膜系，包括单侧截止、带通、陷波、分色镜及多通带等。介绍了采用等离子反应溅射镀制及光学薄膜膜厚控制技术镀制超多层光学薄膜的研究，并给出了五种典型光谱的超锐截止滤光片制造结果，以满足高端生物医学荧光及拉曼检测发展需求。

随着生物医学检测技术的发展，要求进一步提升生物医学滤光片截止陡度，需要设计极高透射、极锐截止的滤光片新膜系，研究更多层光学薄膜的稳定精准镀制工艺，以及更锐截止陡度的精确测试方法，以满足行业进一步深入发展需求。