CN110836883A - 基于spad的时间相关拉曼-荧光寿命光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单光子雪崩二极管(SPAD)阵列传感器，皮秒级时间门控电路，高精度时间数字转换器(TDC)和高速荧光寿命算法的拉曼‑荧光寿命光谱仪。本发明以SPAD阵列为拉曼光谱和荧光信号探测器，以皮秒级时间门控电路滤除噪声以提高信噪比和探测效率；再通过TDC记录拉曼光谱和荧光衰减曲线的时域信息并结合荧光寿命算法快速测算荧光寿命。同时利用荧光背景抑制算法获取真实纯净的拉曼信号，以此提高拉曼光谱和荧光寿命的检测能力、检测效率。本发明使用一套系统既可同时实现拉曼光谱，荧光光谱和荧光寿命测算，又可以分别获得拉曼光谱、荧光光谱和荧光寿命测算，与传统方法相比均具备明显的技术优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于SPAD的时间相关拉曼-荧光寿命光谱仪的设计原理和实现方法，尤其涉及基于单光子雪崩二极管(SPAD)阵列检测器，皮秒级门控电路，高精度时间数字转换器(TDC)，和高速荧光寿命和背景抑制算法的拉曼-荧光寿命光谱仪。
技术背景
拉曼光谱技术是一种基于光与物质相互作用的特性，利用拉曼散射进行无损伤无标记检测的方法，能够在分子水平上解析几乎所有形式的材料的结构组成(SMITH，E.&DENT，G.2013.Modern Raman spectroscopy：a practical approach，John Wiley &Sons.)。由于其具有非接触性、非破坏性、检测时间短、样品所需量小及无需制备的特点，因此目前已广泛应用在食品、化工、生物、材料、地质和医学等研究领域，对于定性分析、定量分析和测定分子结构都显示出重大的应用价值。
拉曼光谱由于拉曼光谱信号微弱，灵敏度很低等缺点在很大程度上限制了其在各方面应用的发展。尤其是很多样品中产生的荧光信号对拉曼信号产生严重干扰和掩盖(HANLON，E.，MANOHARAN，R.，KOO，T.W.，SHAFER，K.，MOTZ，J.，FITZMAURICE，M.，KRAMER，J.，ITZKAN，1.，DASARI，R.& FELD，M.2000.Prospects for in vivo Ramanspectroscopy.Physics in Medicine & Biology，45，R1.)。因此该现象导致很多具有较高荧光信号的样品很难使用拉曼技术进行检测。因此如何提高拉曼信号的信噪比或减弱背景荧光的干扰是拉曼技术发展的关键问题之一。通常的解决方案如下。
1.基于数学算法的基线修正：该方法通过使用数学方法估算背景基线，然后从拉曼光谱中减去该基线以达到消除荧光和背景噪声的目的(HASEGAWA，T.，NISHIJO，J.&UMEMURA，J.2000.Separation of Raman spectra from fluorescence emissionbackground by principal component analysis.Chemical Physics Letters，317，642-646.)。但由于荧光信号的多样性和敏感性而很难准确的估算基线，所以该方法并不能适用于所有类型的荧光背景的消除，也无法获得真正纯净的拉曼光谱。该方法需要对不同样品进行大量的干预以调整敏感的算法参数，而且拟合算法的复杂性使得非专业人员需要大量时间去学习。这种隐性成本在仪器开发和使用过程中常常被低估。
2.使用不同波长的激发光源：例如使用长波激发以尽量减少背景荧光，但是会大幅减弱拉曼信号本身的强度，从而需要更长的测量时间；或者更高的激发光能量。另外使用紫外激光进行激发。虽可以因拉曼信号与荧光背景在光谱中位置不同而排除荧光干扰。但紫外拉曼实验属于高端技术，需要复杂的操作，较高样品和设备要求，因此紫外拉曼仪需要较高的制造成本。
3.移频激发法：该方法采用多个波长相近的激发光源分别激发样品得到多幅拉曼光谱，并对这些光谱做差分运算从而消除荧光和背景噪声(WOLF，S.& D RING，H.Application of cheap lasers in shifted excitation Raman differencespectroscopy.Biophotonics：Photonic Solutions for Better Health Care III，2012.International Society for Optics and Photonics，84271A.)。这种类型的方法有如下缺点：1)增加了两次测量中的随机噪声；2)产生的是光谱空间中的衍生谱而不是真正的拉曼光谱；3)从衍生数据重建拉曼光谱存在很多困难，需要使用先进的算法，而这些算法须适用于特定的样本，因为一组算法参数不适用于所有样本。
4.时间门控技术：时间门控方法是在时间尺度上对拉曼信号和荧光背景进行区分。拉曼信号在受激光激发后瞬间产生并在很短的时间内结束(通常为几百皮秒)，而荧光信号则在一定的延迟才会产生并持续较长的一段时间(通常为几纳秒到几百纳秒)，荧光背景信号的面积远大于拉曼信号的面积。所以该方法在于只在收集拉曼信号产生的时间窗口内的光谱信息。但是由于该方法对时间控制的要求极高，所以由CCD传感器作为探测器的主流拉曼光谱仪无法使用该方法。，现有的方案一种是使用克尔光学快门(kerr-gate)(MATOUSEK，P.，TOWRIE，M.，MA，C.，KWOK，W.，PHILLIPS，D.，TONER，W.& PARKER，A.2001.Fluorescence suppression in resonance Raman spectroscopy using a high-performance picosecond Kerr gate.Journal of Raman Spectroscopy，32，983-988.)，另一种是使用门控增强型CCD(gated intensified CCD，ICCD)(EFREMOV，E.V.，BUIJS，J.B.，GOOIJER，C.& ARIESE，F.2007.Fluorescence rejection in resonance Ramanspectroscopy using a picosecond-gated intensified charge-coupled devicecamera.Applied spectroscopy，61，571-578.)或者使用光电倍增管(PMT)来替代普通的CCD传感器。克尔光学快门会极大增加光学系统的复杂性和成本。ICCD方案价格昂贵，系统构架复杂且效率低下。通常商业的ICCD的门控时间分辨率通常限制在1纳秒左右，无法完全杜绝荧光信号。光电倍增管(PMT)受制于其体积限制而很难实现多通道阵列传感器因此不适用于商业拉曼光谱仪。
另一类方法如表面增强拉曼散射(SERS)则专注于提高拉曼信号本身的强度(TIAN，Z.-Q.，REN，B.& WU，D.-Y.2002.Surface-enhanced Raman scattering：from nobleto transition metals and from rough surfaces to ordered nanostructures.ACSPublications.)。SERS需要具有纳米级别的粗糙金属粒子作为基底，吸附在这种表面上的分子将会产生拉曼增强效应。SERS技术的关键在于制备出高稳定性，高增强因子以及重现性好的基底。由于纳米粒子技术的限制而无法制备出大小形状以及表面规整度完全一致的粒子和基底所以SERS必然会增加检测的复杂性和成本，同时无法做到非接触性，而且该方法并不能在拉曼光谱中去除荧光和背景噪声以得到纯净的拉曼信息。
荧光寿命测量技术能够对标记或非标记的分子或荧光团和其微环境的各种生化和物理参数进行精确的定量分析和测量，例如pH值，各种离子浓度，FRET能量转移，疏水性和细胞新陈代谢状态，蛋白质，RNA和DNA结构，蛋白质间或与DNA间的相互作用等。与传统的荧光强度测量方法比较，荧光寿命信息不受激发光强度，溶液浓度，光漂白等因素影响。荧光寿命信息是所有荧光参数中最能直接表达目标分子与周围环境相互作用的参数。并且还可以实现高空间分辨率成像技术用于生物光子领域的研究。
当激发光的波长可以被荧光样品吸收时会激发出荧光，并且激发后荧光光强会随时间以指数形式衰减。荧光寿命则定义为荧光强度从最大值衰减至1/e的所需要的时间。对于同源分子，其荧光衰减遵循单指数函数。而实际测量中通常为多指数衰减。所以测量荧光寿命的关键为准确地获取荧光衰减曲线。荧光寿命的范围通常在纳秒尺度，所以需要极高的时间分辨率。
荧光寿命测量技术主要分为频域与时域两类。频域技术主要通过使用调制的激发光源(如正弦波或高频脉冲激光)对样品进行激发后测量荧光与激发光相位和角度等差异来测算荧光衰减曲线。频域方法原理清晰，系统和设备要求较低。时域方法通常使用光子探测器如PMT等设备探测荧光信号并结合时间相关单光子计数方法对其进行高精度(皮秒级)的时间测量数据收集从而获取荧光衰减曲线。然后通过函数曲线拟合可以得到单指数荧光寿命或多指数荧光衰减中各组分的寿命时间和权重比例。相比于频域技术来说，时域技术具备更高时间和空间分辨率，尤其是时间相关单光子计数系统的灵敏度，和信噪比具有明显优势尤其是对于低浓度和低计数率的样品。
综上所述，拉曼光谱仪具有非接触性、非破坏性、检测时间短、样品所需量小及无需制备的特点而在食品，药物和材料等的应用领域显示出重大的应用价值。而荧光寿命测量能够提供样品本身和微环境更为丰富的生化和物理参数，与传统荧光光度相比更适于精确的定量分析，从而具有极高的应用价值和潜力。但是由于拉曼光谱自身的缺陷，和传统荧光寿命测量系统的大体积，高复杂度和高成本，从而严重限制了拉曼光谱仪的应用价值和荧光寿命测量技术的普及。
发明内容
为了克服现有拉曼光谱仪易受样品荧光和背景噪声干扰而造成拉曼信号信噪比低，重要拉曼特征谱被掩盖等影响拉曼光谱检测效果的现象，和传统的荧光寿命测量或成像技术测量速率低，系统复杂和成本较高等缺点。本发明公开了一种利用时间门控方法，单光子雪崩二极管(Single Phototn Avalanche Diode，SPAD)阵列传感器，高精度高速信号测量和处理技术实现的新型荧光抑制拉曼光谱-荧光寿命仪。本发明由脉冲激光光源和分光光学系统，线型SPAD阵列传感器，时间门控电路，高精度时间数字转换器(TDC)模块，数据计数和数据处理模块组成。以及基于该设计的高速荧光寿命测算和荧光背景抑制算法。
所述的线型SPAD阵列传感器由多个高性能SPAD单元组成。SPAD工作在盖革模式下以达到单光子级别的探测敏感度，结合淬火电路防止器件烧毁并降低死时间以提高重复探测频率。随着CMOS半导体技术发展SPAD阵列传感器各项参数如像元尺寸，量子效率，暗计数和死时间都有明显提高并且成本显著下降。为了提高在拉曼光谱应用中的检测效率以缩短积分时间，SPAD可组成大规模的线型阵列。根据不同的系统设计，SPAD线型阵列的长度并不固定，通常从256像素到4096像素甚至更高。而为了达到较好的光谱分辨率，阵列传感器的像元尺寸通常低于30微米，优秀的器件可以达到12微米左右。对于本发明采样的时间门控方法，SPAD传感器的仪器响应函数(IRF)也是极其重要的参数。因为仪器响应函数(IRF)的宽度会影响到SPAD是否能够以足够精度保留拉曼信号的时间信息。SPAD器件工作时需要将PN结两端加上大于雪崩击穿电压的偏置电压，也就是盖革模式。当接收区探测到光子时会引发雪崩效应并在输出端通过一些转换电路产生脉冲信号并输出给TDC模块或数据计数模块，因此不需要像CCD传感器需要使用模拟数字转换器从而避免了读出噪声和转换器噪声误差。之后通过淬火电路使探测器恢复到初始状态以等待下次探测。
所述时间门控电路主要实现对SPAD传感器皮秒级的使能控制。通常与SPAD阵列传感器集成在CMOS芯片上。使用该电路产生具有皮秒级精度和电平宽度的门控窗口信号，并用此信号控制使SPAD传感器只在该时间窗口内探测光子，而忽略窗口外的光子。在使用过程中需要对门控窗口的位置和宽度进行调节以尽可能的覆盖拉曼信号，滤除其他的荧光和背景噪声信号以达到荧光抑制效果。基本概念如图1所示，根据不同的脉冲激光源和样品，拉曼信号的持续时间通常从100皮秒到1纳秒左右。当与TDC同时使用时可以扩大门控窗口宽度，使得系统可以获得时域上荧光衰减曲线用于对荧光寿命的测量和估算。
所述的TDC模块的功能类似于高精度秒表，用于测量两个输入信号：脉冲激光激发(激光驱动参考时钟)与SPAD探测到光子(SPAD输出脉冲)之间的时间间隔并以二进制形式输出给数据计数模块。为了适配大规模SPAD阵列几百至上千像素长度和保证较快的探测并行速率，本发明中该模块需要多通道TDC阵列并可以通过两种方式实现：1.使过CMOS技术集成在单独的芯片上或与SPAD传感器阵列集成在同一芯片上。通道数量可以达到几十至几千通道。时间分辨率一般可以达到几十皮秒级别。2.使用FPGA芯片实现多通道TDC阵列。通常使用抽头延时线架构实现。通道数量根据选用的FPGA芯片和TDC配置可以实现几十到几百通道并行测量，时间分辨率可以达到10皮秒级别甚至更低。测量范围因为需要覆盖荧光寿命衰减周期从而要根据样品类型和系统设计从几百皮秒到几百纳秒不等。
所述的数据计数模块为一维或二维的计数器阵列，其主要功能是根据光谱和TDC测量结果对SPAD探测到的信号进行分类计数。在只用作拉曼光谱仪并且不使用TDC的情况下，该模块中计数器为一维线型分布。既每个单一谱段对应单个计数器。计数器的数量与拉曼谱段的数量或者是SPAD阵列的长度相关。当累积一定测量时间后计数模块中就会记录着拉曼光谱不同谱段的信号强度。在使用TDC对时域信息进行测量的情况下，每次测量时会由TDC得到光子的到达时间信息，所以该模块中的计数器为二维矩阵分布。既每个单一谱段对应多个计数器，而该谱段中所探测到的光子则根据到达时间被对应的计数器所记录。所以计数器的数量等于拉曼谱段的数量乘以TDC位数。当累积一定测量时间后计数模块中就会记录着拉曼光谱不同谱段的时域分布和荧光衰减曲线。该模块的实现可以与TDC集成在同一CMOS芯片上，也可以使用FPGA内逻辑资源实现。
当使用TDC模块时，由于拉曼光谱和荧光衰减曲线被记录下来，因此可以在数据处理模块中通过对时域信息中的荧光衰减曲线进行分析得到荧光寿命参数和荧光光强。对于拉曼信号，可以利用荧光衰减曲线精确的估算与拉曼信号重合荧光信号的强度，从而更好的分离荧光信号，因此可以获取近乎纯净的拉曼光谱。当不使用时间门控电路的情况下，可以通过忽略时间窗口外的TDC测量结果达到时间门控的效果。所以本发明使用一套测量系统既可以同时实现拉曼光谱，荧光光谱和荧光寿命的测量功能，也可以分别获得待测物质的拉曼光谱、荧光光谱和荧光寿命的测量。
光学系统与常规的拉曼光谱仪，荧光光谱仪或荧光寿命仪类似或通用，通常包括脉冲激光器，狭缝，衍射光栅及各种透镜，滤光片和反射镜。通过加入相应的扫描模块如扫描样品台，可以实现拉曼光谱成像和荧光光度-寿命成像等功能。脉冲激光器的波长根据样品和系统设计可以从紫外，可见光到红外波段。优选的波长为532，633，785和1064纳米。激光脉冲宽度小于100皮秒。激光重复频率根据系统设计最高至100MHz。衍射光栅的刻线密度根据系统设计和光谱分辨率要求从300gr/mm至3600gr/mm。
与传统的基于CCD传感器的商业拉曼光谱仪相比，本发明提出的拉曼光谱测量方法能够有效滤除拉曼信号中荧光信号和背景噪声以极大的提高信噪比。尤其对于具有较高荧光信号的样品能够在使用较短波长的激发光的情况下依然获得较为纯净的拉曼光谱信号以提高测量效率，降低激发光能量。同时能够基于使用高精度TDC和荧光抑制算法，获取更为纯净的拉曼信号为混合物的结构鉴定、成分分析和定量分析打下良好的基础，与基于光电倍增管(PMT)和传统的时间相关单光子计数的荧光寿命测量技术相比，本发明使用的大规模SPAD阵列传感器具有更低的死时间，更多的通道数量，极低的器件体积和成本。而全数字TDC阵列和片上的数据收集和处理模块能够通过多通道并行处理方式极大的提高数据测量和处理能和系统集成度。综上所述，本发明所提出的技术具有在一套系统中同时实现拉曼光谱和荧光寿命测量的功能，并较各自的传统方法上均具备明显的技术优势。
附图说明
图1.拉曼和荧光信号时域分布和时间门控原理
图2.基于SPAD的时间相关拉曼光谱-荧光寿命仪结构框图
图3.拉曼光谱-荧光寿命仪光学系统示意图
图4.SPAD，TDC，计数模块结构框图1
图5.时间门控拉曼光谱仪结构框图
图6.SPAD，TDC，计数模块结构框图2
具体实施方式
为使该发明的目的，技术方案和优势更清晰明了，以下结合具体实施实例，并参照具体附图，对本发明做进一步的说明。
实施实例一
如图2所示，一种基于SPAD传感器的时间相关荧光抑制拉曼光谱-荧光寿命仪，主要由脉冲激光器，光学系统，时间门控电路，SPAD阵列传感器，TDC模块，数据计数模块，数据处理模块以及相应的软件和用户界面组成。
激光光源通常使用可见光波段，脉冲宽度小于100皮秒的脉冲激光器作为激发光源。并由激光驱动器驱动并输出参考时钟给TDC和时间门控电路。光学系统主要由各种滤光片，透镜，反射镜，狭缝和衍射光栅组成。系统搭建根据仪器配置参数而不同，如图3为一种常用的拉曼光谱仪光学系统，但并不局限于该光学系统的架构。当样品被脉冲激光照射后产生激发复合光，其中包括拉曼光谱和其他荧光背景光。复合光通过滤光片将瑞利射线滤除，之后通过入射狭缝和反射镜将激发光准直，使用衍射光栅将混合的入射光色散成拉曼光谱分布图像。最后通过光学系统成像到传感器的接收区域。该传感器也广泛适用于其他不同的光学系统。
SPAD阵列传感器用于接收和探测色散后的入射光。具体传感器参数根据系统设计和要求有所不同，本实施实例中使用的是基于CMOS半导体技术设计制造的8×1024像素SPAD阵列。为达到良好的光谱分辨率像元尺寸约12微米。IRF的半高宽低于200皮秒，填充因子达到近50％。对可见光到红外均有良好的量子效率。当SPAD探测到光子后产生脉冲信号输出，通过淬火电路恢复到初始状态。脉冲信号输出给TDC模块进行测量。
SPAD传感器受时间门控电路控制使能。门控电路以驱动脉冲激光器的时钟信号作为参考，通过延时电路等设计生成和控制门控窗口信号用于使能SPAD传感器。其中主要需要控制两个参数，一个是门控窗口相对于参考时钟的时序位置，主要和激光器和SPAD响应速度与光学系统相关；另一个为门控窗口信号的窗口宽度，与系统IRF宽度，样品激发光特性和使用的荧光估计算法有关，通常为几百皮秒到几十纳秒。在本优选实例中可以实现对窗口位置和窗口宽度50皮秒的控制精度。为了保留足够的时域荧光信息用于荧光寿命测算，时间窗口需要宽于拉曼信号宽度本覆盖样本的荧光寿命范围。根据不同的样品其荧光寿命会有明显不同从次纳秒到十几纳秒。
该优选实例中基于CMOS半导体技术使用环形振荡器架构实现512通道的TDC阵列。为了减少信号传输中的偏移和误差并使系统小型化，将TDC阵列与SPAD阵列传感器集成在同一芯片上，如图4所示。传感器时间分辨率从50皮秒到6.4纳秒可调。当TDC接收到SPAD输出的脉冲信号后可测量其与参考时钟的时间间隔并以二进制形式输出。
该优选实例中的数据计数模块同样与TDC与SPAD集成在同一CMOS芯片内以提高数据传输速率，如图4所示。模块中计数器为二维架构以记录每个光谱谱段中的时域信息。当累积到足够的信息用于重建拉曼光谱谱线和荧光衰减曲线后将收集的信息输出给后续的数据处理模块。
数据处理模块在FPGA芯片中实现，将计数模块中收集的数据分析，提取最后压缩输出。其中荧光寿命数据子模块负责根据收集的荧光衰减曲线使用寿命估算法实现快速的谱段的荧光寿命参数计算。拉曼光谱子模块负责在时域信息中修正不同谱段的偏差，精调门控宽度，并根据荧光衰减曲线进一步从拉曼信号中剔除荧光信息。然后在数据读出模块中整理拉曼光谱数据和荧光寿命数据并输出。
实施实例二
本实施例与实施实例一相似。区别在于只使用时间门控电路而不使用TDC模块以简化系统，所以只具备拉曼光谱仪的功能，其系统架构如图5所示。因此需要对门控电路更精细的控制以达到理想的荧光背景抑制效果。因此门控窗口需要只覆盖拉曼信号的时间范围而完全忽略掉其他时间内信号如荧光和背景噪声。该方法无法向实施实例一那样获取更纯净的拉曼信号和其他附加荧光光谱信息，但依然能达到明显的荧光抑制效果并且能提高拉曼光谱的探测速度。如图6所示，而数据计数模块中只需要一维计数器架构同时数据处理模块的功能也会大幅简化，因此该实施实例在系统复杂度和成本上会明显降低。
实施实例三
本实施实例通过加入扫描模块(如使用高精度步进电机驱动的二维扫描样品台)以实现拉曼成像和荧光寿命成像功能。通过对样品不同位置的逐点扫描和采样。这样图像中每一个像素中都包含着完整的拉曼光谱和各谱段的荧光衰减曲线信息。然后根据从这些信息中提取的参数不同生成伪彩色图像以直观的显示样品中各种参数的空间分布。例如使用拉曼峰的强度，位置和半高宽等参数进行成像可获得如材料浓度，分子结构和结晶度的空间分布。使用荧光衰减曲线可以得到不同光谱谱段的荧光光度和寿命空间分布。一般的实现方法可以将样品至于扫描样品台上并在测量过程中逐点沿x轴和y轴移动，而系统其它部分与实施实例一类似并在扫描过程中保持静止以对样品当前位置的拉曼和荧光信息进行采集。收集到足够信息后由系统控制扫描样品台将样品移动到下一个位置。
需要说明的是，以上实施实例阐释和说明了本发明的基本原理，结构，实现，操作方法，主要特征和优势优点。本发明不受上述实施实例的局限和限制。任何基于本发明的同等变换技术，均应在本发明的专利保护范围之内。
Claims (11)
1.一种基于SPAD的时间相关拉曼-荧光寿命光谱仪，由脉冲激光光源，分光光学系统模块，线型SPAD阵列传感器，时间门控电路，高精度时间时间数字转换器(TDC)模块，数据计数和数据处理模块组成。以及基于该设计的高速荧光寿命算法和背景荧光抑制算法。并可以引入扫描模块实现拉曼光谱成像和荧光寿命成像等功能。
2.如权利要求1所述的脉冲激光光源，其特征是波长根据不同实验测量要求从紫外，可见光到红外光，常用的波长为325纳米，532纳米，785纳米和1064纳米等。脉冲宽度从几皮秒到纳秒级。重复频率最高到100MHz。
3.如权利要求1所述的分光光学系统模块，其特征是主要由狭缝，反射光栅，透镜已经反射镜组成。器件的参数选择和光学系统的搭建反射根据系统的不同设计要求而不同。
4.如权利要求1所述的线型SPAD阵列传感器，其特征在于使用互补金属氧化物(CMOS)半导体技术设计制造的SPAD阵列传感器，使其工作在盖革模式以达到单光子级敏感度，线型阵列长度为128至4096像素甚至更高以获得理想的光谱范围。像元尺寸(pixel pitch)小于30微米以保证光谱分辨率。当探测到光子时输出脉冲信号，并且仪器响应函数(IRF)的半高宽达到皮秒级以保留足够精确的时域信息。
5.如权利要求1所述的时间门控电路，其特征是能产生皮秒级门控信号以使SPAD传感器只在门控信号的时间窗口内探测光子。并且门控信号窗口的时序位置和宽度可以以皮秒级精度调节。
6.如权利要求1所述的高精度TDC模块，其特征是使用CMOS或现场可编程门阵列(FPGA)器件实现，具有极高时间分辨率。在本发明中TDC用于测量从脉冲激光激发到SPAD探测到光子直接的时间间隔并以数字形式输出。为了提高测量速率，尽量使用多通道TDC设计。根据实现方式和器件可以达到几皮秒到几百皮秒的时间分辨率，在FPGA器件中可实现几十到几百通道TDC阵列，在CMOS器件可以实现几百到上万通道的TDC阵列。
7.如权利要求1所述的数据收集模块，其特征是根据不同的下作模式的实现不同的工作方式。如果作为单独的拉曼光谱仪时并且只使用时间门控电路而没有TDC模块的情况下，需要将在光谱谱段中探测到的所有信号全部累积在数据计数模块中的该谱段所对应的单一计数器中。而当使用TDC模块的情况下，每一个光谱谱段将对应多个计数器。每个谱段对应的计数器数量与TDC的测量范围直接相关。则在该工作模式下，每个谱段中被SPAD探测到的信号的时间会被TDC模块测量，并被累积到与该时间测量结果对应的计数器中。因此通过一定数量的累积，每个谱段中拉曼信号和荧光衰减曲线会被数据收集模块完整记录下来。
8.如权利要求1所述的数据收集模块，其实施方法特征为：1)使用CMOS半导体设计实现，可以使用单独芯片实现，或与TDC，SPAD传感器集成在同一CMOS芯片内。2)使用FPGA芯片设计实现，可以使用单独的FPGA芯片，也可以与FPGA-TDC集成在一起。3)使用软件实现，将TDC测量结果传输到PC上，使用软件收集整理计数数据。
9.如权利要求1所述的数据处理模块，其特征是在使用TDC模块和相应的计数模块获得每个谱段的拉曼信号和荧光衰减曲线信息后，通过荧光寿命算法对数据分析和处理，获取背景荧光信号的强度或荧光寿命信息。并根据荧光衰减曲线和荧光抑制算法消除与拉曼信号重叠的背景荧光以提高拉曼信号的信噪比和纯净度。实现方法根据系统配置而不同，可以通过FPGA硬件实现以提高处理速度，也可以通过软件实现。
10.如权利要求1所述的荧光寿命光谱仪，其特征为使用权利要求9中得到的荧光寿命参数和荧光光度参数作为测量结果，以实现拉曼-荧光寿命光谱仪，极大地拓展仪器的检测范围和功能。
11.如权利要求1的拉曼成像和荧光寿命成像功能，其特征为使用扫描模块如用高精度步进电机驱动的二维扫描样品台对样品进行逐点采样。并收集每个采样点的完整拉曼光谱信息和荧光衰减曲线。然后通过硬件或软件方式提取和估算出各种信息如拉曼峰的强度，位置和半高宽等参数和荧光光度和荧光寿命参数进行伪彩色成像。
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