单光子计数法_光学脉冲

一、光电倍增管(PMT)简介

光电倍增管(PMT)是利用光的外光电效应的一种光电器件，主要由光电阴极和打拿极构成，其工作原理如下：首先光电阴极吸收光子并产生外光电效应，发射光电子，光电子在外电场的作用下被加速后打到打拿极(dynode，也叫倍增器电极）并产生二次电子发射，二次电子又在电场的作用下被加速达到下一级打拿极产生更多的二次电子，随着打拿极的增加，二次电子的数目也得到倍增，最后由光电阳极接收并产生电流或者电压输出信号。

    模拟型PMT和计数型PMT原理上的区别在于脉冲信号的放大线路，前者采用模拟电路放大，然后采用模数转换为数字信号；
    后者的脉冲信号先经过一级放大，再进入一个数字鉴别器（discriminator），过滤掉低强度的噪声脉冲，然后用第二级放大器将脉冲放大到可用的水平。

    1.1 计数型PMT的优点是：

    （1）信噪比高。PMT的大部分噪声信号是在阴极之后产生的，通常是在打拿级产生的，这些低强度的噪声脉冲可以被鉴别器过滤掉。模拟型PMT从阳极得到的信号是脉冲的直流部分，总和了各种来源的脉冲，噪声伴随着信号，无法有效的分离。

    （2）稳定性好。PMT需要高压供电，电压的微小变化不会影响计数PMT的脉冲计数部分，但会影响模拟部分，使最终得到的脉冲强度发生改变，因此计数型PMT不易受电压变动和系统增益变化的影响；模拟型PMT系统依靠RC振荡电路减少噪声，但是受精度的制约，响应速度也会变慢，计数型PMT则不受电路RC振荡时间的影响。

    （3）更好精确度和实用的量程。计数型PMT的量程通常基于PMT或者第一级放大器的带宽，每秒钟的量程为3－4百万次计数；模拟PMT系统的量程通常基于模拟－数字转换器（ADC）的带宽，典型的ADC是12bit的，量程为2的12次方或者4096个电压级数。计数型PMT可以在不丢失高强度信号的情况下更清晰的分辩出微小的信号和变化。

    1.2 模拟型PMT的优点是：

    （1）适合高强度的信号的测量，比如光吸收、光强度比较高的荧光测量，在高强度的信号下，噪声的强度相对可以忽略；

    （2）成本低。计数型PMT的器件需要手工挑选，对宽容度要求严格，成本高昂。

    模拟检测器由于具有较好的灵敏度，比较宽的动态范围和良好的增益控制，广泛用于荧光测量，Tecan的酶标仪的荧光强度测量和荧光偏振测量都使用的此类PMT，所以在测量时需要设定增益值（Gain值），而增益值的设定是否合适将直接决定了测量结果的可分析性和可重复性的好坏。

    光子计数型检测模式有明显高于模拟方式的信噪比，用于极低水平信号的测量，Tecan Infinite系列酶标仪的发光测量模块使用的就是这种PMT，客户得到的测量结果是1秒种内检测到的光脉冲数量，测量的动态范围是10的6次方，即百万级，客户也不需要设定增益值。 

二、光电倍增管两种工作模式

　　在发光仪上，PMT为传统的选择。它们的优势包括良好的灵敏度，宽广的动态范围和较宽的光谱相应。因为PMT具有很低的暗电流，使得它们具有极佳的信噪比。

　　PMT有两种基本模式——单光子计数和电流感应(模拟)。有些复合系统是在每秒百万个光子以下为单光子模式，超过之后为电流感应。

　　PMT单光子计数系统是超灵敏的。用这类检测器主要是为了满足灵敏度要求较高的测试和定量。越高要求的灵敏度，价格越高。样品测试室必须是光密闭性非常好的。如果光太强会损害PMT。

　　PMT电流感应系统也能获得较好的灵敏度，经常用于比单光子计数系统检测的更强的光。

　　对于选择何种模式的PMT检测器，需要与你的实际需要结合起来选择。现在，这两种检测器的化学发光仪操作都比较简单，灵敏度也都比较好。对此有一个正确的理解，你就可以选择一个比较适合你的应用的设备。

　　PMT主要应用在液相中化学发光的检测，仪器形式可以为管式和板式。其检测结果单位值为RLU（Relative Light Unit），各个公司生产的产品其对RLU的定义会有所不同。

三、化学发光仪与多功能酶标仪中PMT的差异

    PMT有两种基本模式――单光子计数和电流感应(模拟)。系统在每秒百万个光子以下为单光子模式，超过之后为电流感应。

    光子计数器, 适合于探测微弱信号。它的计数范围为每秒101～105个脉冲，相邻的两个脉冲的时间间隔为0.1s～10μS，而光电倍增管内光电子脉冲形成的时间为0.1～10μS，因此光电倍增管中所产生的电脉冲信号是分立的。化学发光仪中PMT为光子计数PMT。光子计数法不适用于强光信号，因而在多功能酶标仪中PMT为电流感应模式。

    因为光电子脉冲和噪声脉冲在幅度大小和分布上都不相同，可以利用幅度甄别器或脉冲高度分析器部分地将二者分开，再通过脉冲成形电路产生等幅等脉宽的脉冲，用电子计数器计数，送入记录仪。所以，化学发光仪与多功能酶标仪中PMT相比较，背景噪音可以降到很低，拥有很高的灵敏度。

参考：错过《PCR用光电探测技术》讲堂不要紧，回放来啦！-微信文章-仪器谱 (antpedia.com)

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