本文作者李炜先生，硕士，西安交通大学生命科学与技术学院生物医学工程系; 彭年才先生，博士; 张镇西先生，博士，副院长，教授，博士生导师。
2004年11月24日收到。
关键词: 光电倍增管 研究进展 生命科学
前言
“2004年北京HAMAMATSU(滨松)技术交流会”于2004年10月27日~29日在浙江杭州召开，它是由北京滨松光子技术有限公司承办的技术交流活动，每年举办一次，邀请各个科研机构和生产单位的专家和技术人员参加，主要介绍滨松公司的产品和相关领域的研究进展，解答用户的技术问题，交流光电器件在科研和生产中的应用。笔者有幸代表西安交通大学生物医学与分子光子学研究室和西安天隆科技有限公司参加了这次交流活动。
滨松是总部设在日本的一家主要生产光器件的跨国公司。它在亚洲、欧洲和北美设有7家分支机构。北京滨松光子技术有限公司是1988年由中国核工业总公司北京核仪器厂与日本滨松光子学株式会社共同投资成立的。
在2004年滨松技术交流会中来自日本滨松总部、电子管事业部、半导体事业部的5位专家做了5场专题报告，分别是“HPK(滨松)与光产业的现状和未来”、“PMT新产品介绍”、“PMT应用技术产品及应用领域”、“半导体光检测新产品介绍”和“光源产品介绍”。会议过程中还穿插有技术交流活动，为来自各个科研院所和生产单位的技术人员提供了一个交流的平台。
光电倍增管技术的研究进展
近些年得到广泛应用的MCP-PMT(Microchannel Plate Photomultiplier)金属封装多通道PMT代表了光电倍增管的最新研究进展。
1.高量子效率，高灵敏度，高响应速度，探测波长向红外延伸，某些型号PMT光谱响应范围可延伸至1200nm。
2.采用金属封装，多通道结构，提高有效光电面积，已有的平板型PMT，其有效光电面积可达89%。
3.采用平板化、多阳极技术，可以小型化，具有二维高分辨率，已有的10×10道阳极，F44的MCP-PMT厚度仅为14.8mm。
4.努力降低暗电流和自身噪声，暗电流最小可达0.5nA，自身噪声可减至5个暗计数/cm2s。
5.将电子管真空技术与半导体技术、微细加工技术、电子轨道技术和周边电路技术相结合。HPD(Hybrid Photo Detector)就是一种结合了电子管真空技术与半导体技术的复合器件。光电转换后的电子经过电场加速，直接照射在CCD或APD上，引起“电子入射倍增效应”。
6.使用简单化，价格降低。
光电倍增管在生命科学领域的新应用
科技的发展使光电倍增管在生命科学领域的应用越加广泛，在生物技术领域可用于细胞分类记数器和对细胞、化学物质进行解析的荧光计; 在医疗领域中可用于 γ相机、PET、液体闪烁计数、血液尿液检查，用同位素、酶、荧光、化学发光和生物发光物质等标定的抗原体的定量测定，另外还可用于以保证胶片得到准确的曝光量的X射线时间计等。下面将就新应用举例如下:
1. PET(Positron Computed Tomography，正电子CT)系统
作为一种检查工具，PET正逐渐用于癌症、心脏病，甚至痴呆的早期普查和诊断。滨松将它所掌握的光子学技术和代表最新技术发展水平的PMT应用在PET上，极大推进了PET的发展，使它灵敏度更高，响应速度更快。滨松已经开始使用自己生产的PET为公司员工做定期的健康检查，并取得了显著效果。
PET的显像原理是分子符合探测成像(Molecular Coincidence Detection，MCD)技术。
当正电子核素或正电子核素标记的化合物注入人体内后，它们随血液循环分布至全身。由于正电子核素为贫中子核素，它们在衰变的过程中，质子衰变为中子，同时发射出1个正电子β，正电子在组织中飞行极短的距离后便与周围组织内的电子相遇并发生湮没辐射，正、负电子消失，其物质转变为2个方向相反(互成180度），能量皆为511keV的 γ光子，它们穿透人体并被环绕人体的PET扫描仪探测到。PET扫描仪利用γ光子对的直线性和同时性两个特性来进行符合探测，当成对 γ光子被2个互成180度探测器在符合时间窗宽（10~ 20ns)内同时被探测到，便得到1个符合电脉冲(计算机记录为1次湮没辐射事件)，如图7所示，计算机对这些符合电脉冲进行甄别、分析，确定哪些是真符合事件，哪些是随机符合和散射光子，然后通过图像重建处理，得到的断层图像便为PET图像。
PET使用的正电子核素大多是构成人体的基本元素或其它类似物，如11C、15O、13N、18Fe等，其标记物则多是人体生理物质，如葡萄糖、水、氨基酸、神经介质等，因而PET显像结果实质上反映了某种生理物质在人体内的动态变化或代谢过程，从而在分子水平上反映了人体的生理或病理变化，是一种代谢功能显像。
正电子发射成像技术同样可以应用于植物生长的光子分析中。
以往要想准确了解在植物体中到底发生了什么是非常困难的，但是滨松使用的“平板正电子发射成像(Planar Positron Emission Imaging)”技术使实时观察植物新陈代谢和化学物质的转移成为可能。这项技术在农业科学方面有广泛的应用前景。
2. 时空分解拉曼散射光谱技术—按分子分离癌细胞和正常细胞
图9中可以清晰地看到癌组织(a)，正常组织和癌组织边界(b)，正常组织(c)之间的光谱差异。
当激光照射在一种材料上时就会发生拉曼散射效应; 光线是散射的，其中一小部分散射光发生能量损失，转换为分子的振动能，分子的振动频率是特有的，通过分析这些散射光，就能获得材料的结构和化学组成特征。
2002年日本东京大学研究生院理学系教授滨口宏夫等人组成的研究小组与日本庆应大学和日本滨松公司合作，使用时空分解拉曼散射光谱技术，对癌细胞和正常细胞成功进行了分子分离。实验中使用的激励光源是波长为1064nm的近红外激光(Nd∶YaG激光器)。尽管实验中是利用从生物活体上切除下来的肺癌样品对拉曼散射光光谱进行观测，但如果开发出象光纤内窥镜那样的装置的话，就能够以数百纳米的空间分辨率实时地观测癌细胞，可以用于对癌症的早期发现和治疗等。
过去没有方便的能够检测近红外光光谱的设备，因此一般情况下都是使用可见光作为光源。由于此时产生的荧光比拉曼散射光要强，因此难以检测出光谱。随着PMT响应曲线向红外方向延伸，人们可以利用PMT制造出能够检测近红外拉曼散射光光谱的检测设备，从而利用拉曼散射光谱技术精确区分出癌细胞和正常细胞，并获得它们的分子结构差异。时空分解拉曼光谱技术能够对由空间和时间所导致的拉曼散射光光谱的变化进行分析。因此可根据患部的位置，检测出不同的光谱。进行癌症切除手术时，还能够一边确认癌细胞的范围，一边进行切除。在建立了各种癌细胞及正常细胞的拉曼散射光光谱数据库之后，这项技术就可以应用于实际诊断。
3. 跟踪“电子发光”优化IC设计
现在的集成电路技术可以在很小的硅片上集成数以百万计的晶体管，但是如何确定电路是否工作一切正常成了新的问题。一种全新的方法是跟踪电子的“发光轨迹”，如果能捕获到电子通过晶体管时发出的数个光子，就能十分精确地评估电子线路的工作状态。采用这项技术，IC制造商可以在设计初期发现隐藏的问题，改进产品设计。
但是这项技术需要专门的超高灵敏度的光探测器，它不仅能进行单光子计数，还能确定光子在平面上的确切位置，而且时间响应在秒以内，因此可以采用具有快速响应特性的位置探测型PMT。
来源：《世界医疗器械》
出版日期：2005年5月
