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光子分辨能力,将生物成像光子“数”得清清楚楚

2025-06-26

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在生命科学领域,生物成像技术是探索微观世界的“利器”,从荧光标记的细胞分裂到活体动物脑神经的钙信号传递,它帮助科学家们不断揭开生物的奥秘。而要获得高质量的生物成像图像,除了追求更高的成像分辨率、更快的动态捕捉能力以及更低的检测极限外,光电探测器的光子分辨能力也不容忽视

成像对我们来说并不陌生,就像用手机拍照一样,手机中的图像传感器完成采样、量化、呈现等过程,将目标物拍摄并呈现在手机中。生物成像系统也是如此,只是其部件和参数存在差异。

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在常见的生物成像中,点扫描成像方式被广泛应用。这种方式通过运动结构对图像进行逐行单点扫描,再通过光电倍增管将光信号转换并放大。如果能够准确测量每个像素点的光子数量,就能更好地还原图像的真实样貌。例如,经过采样和量化后的图像,每个像素点的灰度值反映了光强的大小。假设灰度值与光子数呈一一对应关系,那么准确测量每个像素点的光子数是实现精准成像的关键,而这一切都依赖于光子分辨能力。

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在生物成像系统中,光电倍增管主要是实现光子到电子的转换,然后通过后端的采集电路对电信号进行采集,完成模拟到数字化的过程。同时通过判断电压的大小来判断光子的数量,赋予不同的灰度值,在计算机上重建原始的图像。然而,光电倍增管在实际应用中存在一个显著的局限性。当单个光子或多个光子通过光电倍增管时,我们可能无法仅通过信号的高度来准确区分不同的光子数量。这种现象被称为“倍增分散”。其原因在于,光电倍增管采用多级打拿的方式对光电子进行倍增。在倍增过程中,单个电子的信号差异会逐渐减小,导致阳极输出信号的差异不足以区分光电子的具体数量。因此,光电倍增管无法实现对光子数量的精准定量。

例如,假设光电倍增管无法区分一个光子与两个光子,或者三个光子与四个光子,这将导致输出信号的高度一致。在这种情况下,得到的图像将无法准确反映真实的光子分布情况。这种现象不仅限制了图像的分辨率和准确性,还可能影响后续的分析和研究。因此,解决光电倍增管的倍增分散问题,对于提高生物成像的精度和可靠性至关重要。

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为了优化倍增级的倍增分散问题,混合探测器(HPD)被开发出来。它采用半导体器件作为倍增级,有效解决了传统倍增级倍增分散的问题,显著提升了光子分辨能力。混合探测器(HPD)保留了真空光电倍增管的结构,但使用半导体器件进行倍增,并通过阳极输出信号。对比光电倍增管和混合探测器的单光子谱峰,可以清楚地看到,混合探测器能够精准区分不同的光子数,从而实现扫描点的光子定量。这一改进显著提升了生物成像的精准度,使图像更加清晰。
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因此,如果追求成像的光子定量模式,混合探测器是一个理想的选择。通过改进倍增级的结构,使用倍增分散小的半导体器件,可以有效提升光探测器的光子分辨能力,从而让图像更加清晰、精准。生物成像技术的发展中,光子分辨能力是一个关键参数,它直接影响图像的质量和成像的准确性。通过优化这一参数,混合探测器为生物成像提供了更可靠的解决方案
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