单光子雪崩二极管 (SPAD) 的工作方式是偏置电压高于其击穿电压的 pn 结。在快速紧凑型探测器阵列的推动下，激光扫描显微镜领域正在快速发展。

这些探测器凭借其卓越的可靠性、坚固性、操作简便性和高检测效率，在显微镜应用中日益受到青睐。异步读出 SPAD 阵列探测器经过优化，显著增强了荧光激光扫描显微镜 (LSM) 的性能。这些专用探测器能够提供独特的单光子时空信息，为温和定量的超分辨率成像开辟了新的可能性。

SPAD阵列探测器简介

SPAD 可单独使用或以多像素配置使用，主要通过单光子计数 (SPC)、专用定时电子设备促进的光子定时以及时间门控 SPC 来使用。

《物理学前沿》杂志最近发表的一篇文章强调，当光子在SPAD的倍增区域被吸收时，它可以触发自持雪崩。这种固有的正反馈使电流迅速增加到宏观水平，从而实现单光子灵敏度，并以皮秒时间分辨率标记检测到的光子的到达时间。每次检测后，都需要一段死区时间来抑制雪崩并重置SPAD，使传感器暂时失灵。

将SPAD和电子器件集成在同一芯片上，使得SPAD阵列能够自然发展，这涉及到在探测器之外加入必要的信号处理辅助电路。为了满足特定的应用需求，已经提出了各种设计策略。

初始阶段涉及一个简单像素阵列，每个像素包含一个SPAD及其前端电路。后续阶段涉及将处理电路集成到像素中以执行特定功能，从而促进每个SPAD像素的并行和独立运行。在每个像素内集成多个SPAD及其前端电路也是可行的，以抵消SPAD固有死时间的影响并提高光子数分辨率。

支持 SPAD 的手持式荧光寿命扫描显微镜

荧光成像是材料分析的有力工具，特别是在生物应用中，许多生物分子在受到照射时会显示自发荧光。

与传统的荧光成像相比，荧光寿命成像显微镜 (FLIM) 采用时间分辨检测系统来捕捉特征荧光寿命，而不是仅仅关注发射光的强度或光谱。

在扫描显微镜领域，实现必要时间分辨率的最强大、最优雅的方法之一是利用 SPAD。

在最近发表于《光学快讯》（Optics Express）的一篇文章中，研究人员演示了一种手持式荧光寿命成像（FLIM）系统，该系统采用远端安装的SPAD阵列，占地面积不到2平方毫米，分辨率为128×120，可通过长度超过1米的有线接口进行操作。研究团队使用了一种名为Horiba FLIMera时间相关单光子计数（TCSPC）相机的特殊相机，该相机在商业上用于获取精确的荧光寿命信息。

研究人员展示了一张使用手持式荧光强度成像（FLIM）系统拍摄的绵羊肾脏的荧光图像。图像聚焦于肾盂，即输尿管、静脉和动脉与肾脏汇合的地方。在荧光强度图像中，没有迹象表明该区域的组织成分与肾脏其他部分有任何差异。

图像呈现出显著的对比度，寿命范围从约1.2纳秒到约2纳秒。强度水平非常相似的区域显示出明显的寿命差异，这与之前发表的绵羊肾脏横截面的荧光寿命成像（FLIM）图像一致。

Endocam 能够在距离控制板约 1 米的距离内提供频率超过 1 Hz 的 FLIM 图像，这代表着一项重大成就。这标志着 SPAD 阵列首次以这种方式运行。这些发现非常有用，因为它们证实了该便携式系统可以有效地用于生物工程和其他领域。

SPAD阵列探测器面临的挑战

根据《光学快讯》（ Optics Express）最近发表的一篇研究文章，大多数前照式 (FSI) SPAD 探测器的填充因子仍然相对较低。填充因子是指粒子撞击区域的像素面积与总像素面积之比。通常，对于 SPAD 来说，该因子低于 50%。这一限制导致光子探测效率 (PDE) 受限。

在光子数量有限的场景下，尤其是在生物光子学领域，这可能会带来挑战。一些研究采用了独特的光学系统，以SPAD作为一种特殊的共焦针孔，使光线能够直接聚焦在感光区域。然而，此类设置并非常态，而只是例外情况，其设计开发和维护通常颇具挑战性。

人工智能如何改进SPAD探测器成像系统？

荧光寿命成像（FLI）是一种基于从激发态到基态的衰减时间来表征分子的成像技术。

时间相关单光子计数 (TCSPC) 因其在时间分辨率、动态范围和稳定性方面优于其他技术，在 FLI 系统中广受欢迎。在过去十年中，SPAD 已成功应用于 TCSPC 系统。然而，目前的 FLI 系统在处理速度和精度方面存在局限性。

神经网络为快速提取荧光寿命提供了一种新途径。在《科学报告》发表的一项开创性研究中，研究人员将循环神经网络 (RNN) 集成到 SPAD-TCSPC 系统中，以实现实时荧光寿命提取 (FLI)。

与传统的深度学习方法不同，传统的深度学习方法依赖于仅在数据采集后才可用的直方图作为输入，而循环神经网络 (RNN) 则消除了直方图的绘制，并以事件驱动的方式处理原始时间戳。这种方法可以随着每个入射光子的到来而逐步、持续地更新寿命估计值，从而实现实时或采集后立即读取荧光寿命。

这种创新方法无需存储或传输时间戳数据或直方图，大大减轻了硬件内存的负担和数据传输要求。

突破：光子分辨图像扫描显微镜

荧光共聚焦激光扫描显微镜 (LSM) 是生命科学研究中最广泛使用的工具之一。专为 LSM 应用设计的单光子 SPAD 阵列探测器的出现预计将进一步推动 LSM 的普及。

与传统的LSM单元件探测器相比，这类传感器保留了入射荧光光子的空间分布。与科研级相机不同，每个阵列元件都作为完全独立的SPAD运行，从而确保了较高的时间精度。将现代数据采集 (DAQ) 系统与这些探测器集成，可以高效、快速地进行光子分辨的发射测量。

在最近发表在《先进光子学》（Advanced Photonics）杂志上的一篇文章中，研究人员成功地将一种基于数字频域 (DFD) 的新型数据采集 (DAQ) 和控制系统集成到单光子激光扫描显微镜 (SP-LSM) 中，并集成了商用 SPAD 阵列探测器。该模块实现了超分辨率显微镜 (FLISM) 的荧光寿命成像。

研究人员使用自适应像素重新分配（APR）从原始数据中重建超分辨率图像。

FLISM 的性能优于传统的共聚焦激光扫描显微镜，其捕获的图像分辨率更高。为了进一步检验其活力，研究人员测量了用 CellBrite? NIR 680 细胞质膜染料标记的活体 HeLa 细胞。

FLISM 能够洞察荧光寿命值的广泛分布，从而能够区分质膜（荧光寿命较长）与脂质结构或细胞内囊泡（荧光寿命较短）。探针的荧光寿命变化使得能够有效监测局部环境的变化。

这项研究的结果表明，激光扫描显微镜的未来与SPAD阵列探测器之间存在着紧密的联系。将SPAD阵列探测器与定制的采集系统集成，可以简化光子分辨成像光谱显微镜的获取和使用。