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流式细胞仪是怎么“看见”光的?

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发表于 2017-7-20 20:46:45 | 显示全部楼层 |阅读模式

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不单单流式细胞仪,其它化学发光、生物发光检测仪器,以及影像科仪器(包括CT、MRI等)也都涉及到将电磁信号转换为电子信号的过程(光也是一种电磁信号)。实现光电转换的电子元器件目前主要有4大类:
  • 光电倍增管(PMT)
  • 硅光电倍增管(SiPM)
  • 雪崩光电二极管(APD)
  • 硅光电二极管


在流式细胞仪上用的主要是PMT和APD。从制造之初就开始用PMT,到最近几年,有些仪器开始使用APD。那么这两种光学器件究竟长什么样?有什么区别呢?下面我们逐层解剖看看。


PMT
Fig2.PMT.jpg
PMT结构图

Fig1.PMT.jpg
PMT元器件

PMT由真空玻璃或金属外壳内的光敏表面(光电阴极),电子倍增器(倍增极)和收集电极(阳极)组成。 光进入输入窗口并被光电阴极吸收。 电子从阴极发射并通过施加的电压加速到第一倍增电极。 电子被加速到足够的电势,当它与倍增极碰撞时,产生二次电子。 这些二次电子又被加速到下一个倍增电极,重复该过程直到在阳极收集电子云。


APD
Fig4.APD.jpg
APD结构图

Fig3.APD.jpg
APD元器件

APD是一种以高反向偏置电压为特点的硅PIN光电二极管。 高反向电压在PN结处产生高电场。 在该场中通过或产生的一些电子 - 空穴对获得足够的能量(大于带隙能量)以产生额外的电子 - 空穴对。 这个过程称为冲击电离。 如果新创建的电子 - 空穴对获得足够的能量,它们也产生电子 - 空穴对。 这被称为雪崩倍增,是APD产生内部增益的机制。


PMT和APD的对比

通过图形观察,两者之间的性能差异特别浅显易懂。
首先看APD和PMT的量子效率。APD从400nm到1000nm都有着很高的量子效率且要远远高于PMT。由于PMT的检测效率在800nm以下,因此很多长波段的染料的应用得到了限制,APD的可以更好的拓展这些染料的使用。

Fig5pre.png
APD和PMT的量子效率

其次是荧光CV值。从下图看,PMT的CV值整体大于APD,但在发射波长600nm以下差别不显著,600nm以上PMT的CV值逐渐增大,800nm以上PMT的CV值更是急剧增高,而APD的CV值均稳定在1%左右。

Fig5.png
不同波长发射光PMT和APD的CV值变化

最后是微球、细胞的分群能力。

Fig6a.jpg Fig6b.png
585nm波长下,微球和单个核细胞的荧光信号分群,PMT和APD无显著差异

Fig7a.png
690、700、800nm波长下,微球的分群情况,PMT在弱荧光信号上分群能力明显差于APD,尤其是800nm以上,更是出现少峰现象

Fig7b.png
800nm波长下,单个核细胞的荧光信号分群,与微球相似,PMT亦出现阳性峰缺失现象,而APD则能显著分出一个小阳性峰



参考文献

[1] A comparison of avalanche photodiode and photomultiplier tube detectors for flow cytometry. Conference Paper in Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering 6859:68590M-68590M-11 · March 2008
[2] https://www.photonics.com/EDU/Handbook.aspx?AID=25535
[3] High gain avalanche photodiode (APD) arrays in flow cytometer opitical system

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发表于 2019-10-23 16:21:55 | 显示全部楼层
讲的很深入了,牛
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