组成图示
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传感器类型
全细胞生物传感器
检测对象
水杨酸盐（salicylate, sal）；样品基质为最小盐培养基（MSM）中Pseudomonas fluorescens 5RL全细胞培养液（在线流动池）。
检测原理
水杨酸盐进入Pseudomonas fluorescens 5RL后，诱导sal降解操纵子并启动luxCDABE基因盒表达，荧光素酶催化荧光素氧化反应，在细胞内产生生物发光光子。发光强度随水杨酸盐浓度呈剂量依赖性增加，0 ppb为未诱导背景。光子经石英流动池耦合至SPM的APD阵列，每个光子触发雪崩光电二极管产生电脉冲，SPM以单光子均匀增益进行光子计数；PMT作为对照。SPM集成TEC冷却至-20°C以降低暗计数，数字低通滤波（20 mHz）抑制高频噪声，提高信噪比。最终PC输出cps，随被测物浓度升高而增大。
检测灵敏度
LOD: 250 ppb（SPM，数字低通滤波后；未滤波时250 ppb及以下被噪声淹没，100 ppb未检出；PMT可检出100 ppb）；线性范围: 250–5000 ppb（SPM）；R^2 = 0.9933（SPM水杨酸盐校准）；R^2 = 0.8948（PMT水杨酸盐校准）；R^2 = 0.9978（SPM LED模拟光强线性）
效应效果
SPM与PMT均对0–5000 ppb水杨酸盐进行三次重复检测，t检验p<0.02。冷却SPM暗计数约18×10^3 cps，较未冷却同类器件270×10^3 cps降低15倍，MDS和Pmin理论上降低4倍；SPM有效面积0.01 cm²，仅为PMT 0.5 cm²的1/50。SPM在LED模拟光强下线性R²=0.9978，水杨酸盐250–5000 ppb线性R²=0.9933；PMT灵敏度更高，可检出100 ppb，但>500 ppb后偏离线性，R²=0.8948。数字低通滤波使SPM LOD改善至250 ppb。作者认为SPM体积小、低偏压、抗磁场，适合可部署小型生物发光生物传感器，但弱光检测仍受限。
传感器的构成
- 样品流通层：石英流动池（quartz flow cell，8 cm×1.5 cm，约20 mL）与Masterflex泵/Norprene管组成在线流通系统，承载5RL培养液并耦合光路。
- 识别元件：基因工程Pseudomonas fluorescens 5RL全细胞生物报告菌，携带luxCDABE生物发光基因盒，受水杨酸盐诱导发光。
- 信号产生层：luxCDABE编码的荧光素酶催化生物发光反应，产生剂量依赖性光子，无外源标记物。
- 换能器：SensL SPMmini 1035×08硅光电倍增管（SPM）模块，含400个雪崩光电二极管（APD）阵列，感光面积0.01 cm²，将光子转为电脉冲并计数。
- 冷却模块：集成Peltier热电冷却器（TEC），将SPM冷却至-20°C，降低暗计数率。
- 对照换能器：Hamamatsu H7467光电倍增管（PMT）光子计数头，感光面积0.5 cm²，室温运行，用于低光灵敏度对照。
- 读出与处理：PC通过USB/RS232采集，LabWindows/CVI或Visual Basic处理，积分时间0.1 s，每10 s平均，输出光子计数cps；数字低通滤波（20 mHz）降噪。
中文摘要
全细胞细菌生物报告菌需要高灵敏、坚固且可小型化的光子计数模块，才能实现现场生物传感功能。本研究评估了带热电冷却器的硅光电倍增管（SPM）在低水平生物发光检测中的光子计数读出性能，并探讨其用于可部署全细胞生物传感器的潜力与局限。检测性能通过模拟LED光源和基因工程荧光假单胞菌Pseudomonas fluorescens 5RL生物报告菌产生的生物发光进行评价。5RL携带luxCDABE生物发光基因盒，受水杨酸盐诱导产生剂量依赖性发光。与常规光电倍增管（PMT）相比，冷却SPM对250–5000 ppb水杨酸盐诱导的发光具有更宽线性响应范围；冷却显著降低暗计数并改善最小可检测信号，数字低通滤波提高信噪比。但SPM有效面积较小，对极低光信号检测仍受限，说明紧凑型光子计数系统设计中弱光检测仍是挑战。该工作为小型化、低功耗、可部署生物发光生物传感器读出模块提供了依据。
英文摘要
Whole-cell bacterial bioreporters await miniaturized photon counting modules with high sensitivity and robust compatible hardware to fulfill their promise of versatile, on-site biosensor functionality. In this study, we explore the photon counting readout properties of the silicon photomultiplier (SPM) with a thermoelectric cooler and the possibilities of detecting low-level bioluminescent signals. Detection performance was evaluated through a simulated LED light source and the bioluminescence produced by the genetically engineered Pseudomonas fluorescens bacterial bioreporter 5RL. Compared with the conventional photomultiplier tube (PMT), the results revealed that the cooled SPM exhibits a wider linear response to inducible substrate concentrations (salicylate) ranging from 250 to 5000 ppb. Although cooling of the SPM lowered dark count rates and improved the minimum detectable signal, and the application of a digital filter enhanced the signal-to-noise ratio, the detection of very low light signals is still limited and remains a challenge in the design of compact photon counting systems.