流式细胞仪是怎么“看见”光的？

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

PMT结构图

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

APD结构图

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。

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。

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。

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

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

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

APD在流式细胞仪中的应用

2011年，Shutao Zhao, Xiaodong Wu, Yongqin Chen等作者在《2011 International Conference on Multimedia Technology》上发表了《High gain avalanche photodiode (APD) arrays in flow cytometer opitical system》一文，介绍了在流式细胞仪光学系统中引入高增益的APD，同一年，作者之一陈永勤博士成立了苏州赛景，研发出APD为光电转换元器件的高灵敏流式细胞仪，后来赛景被Beckman收购，流式细胞仪就衍变成CytoFLEX以及今天的DxFLEX。

那么，其它机型里面有没有用到APD的呢？你知道吗？欢迎留言讨论。

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