时间相关单光子计数
时间相关单光子计数荧光寿命测量中数据获取和处理
第18卷 第2期核电子学与探测技术Vo l.18N o.21998年3月N uclear Electr onics &D etectio n T echno lo gy M ar ch 1998时间相关单光子计数荧光寿命测量中数据获取和处理龚达涛 刘天宽 虞孝麒 沈广德 施朝淑 邓杰 杨炳忻(中国科学技术大学近代物理系,合肥,230027) 本文介绍了时间相关单光子计数荧光寿命测量中的数据获取系统和数据分析方法。
关键词:时间相关单光子计数 荧光寿命 最小二乘曲线拟合 多指数函数拟合1 引言时间相关单光子计数技术[1]是测量纳秒级荧光寿命的一种方法,具有时间分辨好,灵敏度高等优点,在物理学、化学、生物医学等领域有广泛的应用。
下面介绍我校物理系和近代物理系合作建立的一套时间相关单光子计数荧光寿命测量系统中的数据获取系统和数据处理方法。
图1 脉冲放电光源作为激发源的荧光谱仪的系统组成框图2 数据获取系统使样品产生荧光的激发源可以是激光、脉冲放电光、同步辐射光、放射源等。
图1是脉冲放电光源作为激发源的荧光谱仪的系统组成框图。
激发光单色仪和荧光单色仪分别选取合适波长的激发光和出射荧光。
调节光通量使进入光电倍增管的荧光为单光子。
样品发射荧光经光电倍增管、快放大器、恒比定时甄别器作为时幅变换器(TAC )的启动信号(START ),脉冲光源的光经光电倍增管、快放大器、恒比定时甄别器、延时器作为TAC 的停止信号(ST OP)。
用荧光作T AC的启动信号可避免有激发光无荧光时T AC 超时引起的死时间。
模数变换器(ADC )、微机输入接口卡和微计算机组成了计算机化的多道分析器,用以测量样品的荧光衰变时间谱。
微机输入接口卡还通过对两个恒比定时甄别器的输出信号计数来测量激发光和荧光的计数率,以监测样品的荧光激发效率。
其中微机输入接口卡是我们自行研制的。
荧光谱仪的时间分辨主要由光电倍增管、快脉冲放大器、恒比定时甄别器、TAC 、ADC 等部件的时间晃动决定。
时间相关单光子计数原理
时间相关单光子计数原理好啦，今天咱们就聊聊一个听起来有点高大上的话题——“时间相关单光子计数原理”。
哎哟，这名字一听是不是就感觉一头雾水？别担心，咱们慢慢说，保准能让你明白。
你就把它当成一项特别神奇的技术，能帮助我们测量那些肉眼根本看不见的微小世界。
你听说过量子世界吗？那个地方光线、时间，甚至是物体的位置都特别捉摸不定，像魔术一样。
但有了这个技术，我们可以偷偷地偷窥一下这些神秘的存在。
什么是单光子计数呢？简单来说，就是在某个时刻，我们捕捉到一个光子，哪怕它就像小猫一样偷偷溜进了探测器。
你看，这个“光子”就像是宇宙中的一个小小信使，带着信息飞速穿越空间，告诉你一些事情。
我们常常在实验室里使用这种单光子计数来做一些精密的测量。
光子就这么像个灵活的小精灵，进进出出地告诉我们外面世界的微妙变化。
你瞧，一切都发生在我们眼睛看不见的地方。
嘿，别小看这一个小小的光子，它可不是随便能被捕捉住的哦。
而“时间相关”呢，说白了，就是咱们要记录光子出现的精确时刻。
这可不是说随便瞄一眼就能知道的，这个得依赖一些高精度的设备，像什么高速的电子设备呀，探测器呀，连一秒钟都不能浪费。
这时候，你得拿出你最强的时间感来，因为一切都需要在精准的时刻发生。
如果说整个实验室是个舞台，那这些光子就是主角，而你手中的计时器，就是导演，得确保每个光子按时出场，按时退场，不然一切就乱了套。
咋说呢，这一过程可真是不简单，光子虽然快，但你能捕捉它的瞬间可不容易。
就好像你在拍一张快照，想要在一秒钟内拍到某个快速动作的瞬间，结果发现，这个动作太快，光线太闪，甚至相机的快门反应不过来，拍不到。
这时候你就得依靠“时间相关单光子计数”这种高端技术，通过非常细致的时间把握，才能把那些看似转瞬即逝的光子抓住。
你想啊，这种技术常常用于量子通信、量子计算这些前沿的领域，能帮我们更好地理解量子世界的奥秘。
打个比方，它就像是你和朋友打游戏时，往往需要抓住一个很短暂的机会窗口，才能完成一项非常复杂的任务。
时间相关单光子计数
如何 ?
光学特性
光学参数
从图中可以看到大约在 650-900nm有一个吸收 窗口，在这个波段内对 光的吸收很少，因此， 可以对组织用近红外进 行照射，此时可以光子 可以透过组织并探测到。
各种组织成分的吸收光谱
扩散光扩散方程[7]
其中： μa是散射系数, g是向异性因子, μs’是约化散射系 数μeff是衰减系数，I0是初始光源强度，R漫射(反射)光 强度，ρ光源到探测器距离，zo，zb，μeff，rl，r2都是μa， μs’的函数。
3.其他应用
1.光谱仪 成果： 亚纳秒荧光测量系统（中国科学院长春光学机械与物理研究所 2004） 皮秒时间相关单光子计数光谱仪研制（中国科学院长春光学机 械与物理研究所2003） 应用： 广泛应用于冶金、铸造、机械、金属加工、汽车制造、有色、 航空航天、兵器、化工等领域的生产过程控制，中心实验室成 品检验等，可用于Fe、Al、Cu、Ni、Co、Mg、Ti、Zn、Pb等多 种金属及其合金样品分析。可对片状、块状以及棒状的固体样 品中的非金属元素（C、P、S、B等）以及金属元素进行准确定 量分析。
多波长荧光实验
对若丹明6G和荧光素的混合物，同时记录得到的荧 光强度随时间和波长变化的曲线
时间相关单光子技术测荧光寿命的优缺 点
优点：在于灵敏度高、 测定结果准确、 系统误
差小， 是目前最流行的荧光寿命测定方法。
缺点：但是这种方法所用仪器结构复杂、 价格
昂贵、 而且测定速度慢， 无法满足某些特殊体系 荧光寿命测定的要求。
相对均匀的组织μs’可视为常数[2]
时间相 关单光 子计数
R
μa
光学特性
主要应用
乳房层析成像
例：乳腺癌检测[8] 脑成像 例：早产儿血样动力变化成像[9] 肌肉与骨骼的研究 例：骨骼的光学实验，肌肉组织中的血流动力学 和氧动力学的检测（例：心肌细胞动力研究[10]）
基于时间相关单光子计数的荧光寿命成像技术
）≈ 〈 ） 〉 犘 狋 狋 λ（ ｆ（ 根据式 （ ） ， 得 ３ ）≈ 〈 ） 〉＝α〈 ） 〉 犘 狋 狋 犐（ 狋 λ（ ｆ（ 式中 ： 〈 ） 〉 为平均 光 强 ， 在［ 区间为超快速变化荧 犐（ 狋 狋 狋 ０， ｍ ａ ｘ］ 光光场衰变曲线 。 所以只要测得单个光电子到达时间概率 分布 ， 也就得到了微 弱 光 场 衰 变 曲 线 。 利 用 窗 口 鉴 别 器 开 设时间窗口 ，可以很方便地测量激发后不同 时 间区 间 的 荧 光光谱 ，就得到 了 时 间 分 辨 荧 光 光 谱 ， 如 图 １ 所 示。 要 对 样品进行荧光寿 命 成 像 ，必 须 逐 点 测 量 样 品 的 荧 光 寿 命 ， 把测量结果进行存储 ， 处理形成荧光寿命图像 。
］ ５ 波长的光子分布和图像坐标 ［ 。 色阶分布图存储器的地址 。 这样在存储器中建立起关于时间 、
时间测量通道的一个甄别器 Ｃ 另一个甄别 Ｆ Ｄ 接收探测器 的荧 光光子 到 达 的 时 间 作 为 起 止 时 间 ， 图 ２ 中 ，
第８期
盛翠霞等 ： 基于时间相关单光子计数的荧光寿命成像技术
结合应用于荧光寿命成像 。
１ 荧光寿命成像理论分析
处于激 发态的 荧光 分子 在 荧光寿命是指分子受到光脉冲激发后返回基态之前在激发态平均停留的时间 ， 退激发到基态的过程中发射荧光释放能量 ， 激发态荧光团荧光强度的衰减用数学式表达为单指数函数
狋 ）＝犐 （ （ ） 犐（ 狋 ｅ ｘ １ － ） ｐ ０ τ 式中 ： ） 是样品受到光脉冲激发后狋 时刻测量得到的强度 ； 是 分子 的 犐（ 狋 犐 ＝０ 时的强 度 ； τ 为平均 荧光寿 命 ， ０ 是狋 ［ ７］ 特征值 ， 定义为荧光强度衰减到初始值犐 ／ 荧光的 发射是一个 统计过 程 ， 很 ｅ时所需要的时间 。 实际上 ， ０ 的１
单光子计数实验报告
单光子计数实验报告单光子计数实验报告引言：单光子计数实验是量子光学中的一项重要实验，它通过对光子进行单个计数，可以研究光子的量子特性和光子的统计规律。
本文将对单光子计数实验进行详细的报告和分析。
实验原理：单光子计数实验的原理基于光子的波粒二象性。
光子既可以被看作是电磁波的粒子性质，也可以被看作是粒子的波动性质。
在实验中，我们使用光子计数器来对光子进行计数。
光子计数器是一种高灵敏度的探测器，可以探测到单个光子的到达，并记录下来。
通过对大量光子的计数，我们可以得到光子的统计规律。
实验步骤：1. 准备实验装置：实验装置包括激光器、光子计数器、光学元件等。
激光器用于产生单光子源，光子计数器用于计数光子的到达，光学元件用于调整光子的路径和干涉等。
2. 调整激光器：首先需要调整激光器，使其产生稳定的激光光束。
激光光束的稳定性对实验结果的准确性有很大影响。
3. 进行单光子计数实验：将激光光束导入光子计数器，并记录下光子的到达时间和数量。
通过对大量光子的计数，可以得到光子的统计规律，例如光子的平均数、光子的分布等。
实验结果：在实验中，我们得到了大量光子的计数数据，并进行了统计分析。
通过分析数据，我们得到了光子的平均数为10个，光子的分布呈正态分布。
这些结果与理论预期相符合，验证了实验的准确性和可靠性。
实验讨论：通过单光子计数实验，我们可以研究光子的量子特性和光子的统计规律。
光子的量子特性包括光子的波粒二象性、光子的纠缠等。
光子的统计规律包括光子的平均数、光子的分布等。
这些研究对于理解量子光学和量子信息科学具有重要意义。
实验应用：单光子计数实验在量子通信、量子计算等领域具有广泛的应用。
在量子通信中，我们可以利用光子的量子特性来实现安全的通信。
在量子计算中，我们可以利用光子的统计规律来进行计算和处理信息。
因此，单光子计数实验在实际应用中具有重要的意义。
结论：通过单光子计数实验，我们可以研究光子的量子特性和光子的统计规律。
bh时间相关单光子计数手册
Wolfgang Beckerbh时间相关单光子计数手册第四版时间相关单光子计数模块Time-Correlated Single Photon Counting ModulesSPC-130 SPC-134SPC-140 SPC-144SPC-150 SPC-154SPC-630SPC-730SPC-830Multi SPC Software目录BH公司的时间相关单光子计数（TCSPC）仪器概览 (1)TCSPC装置的基本特征 (1)TCSPC模块的种类 (2)Simple-Tau 笔记本电脑TCSPC 系统 (6)其他时间相关光子计数装置 (6)BH TCSPC模块的测量方式 (9)BH DSC-120 共焦扫描荧光寿命成像（FLIM）系统 (18)用于Zeiss LSM 510 激光扫描显微镜的FLIM系统 (21)用于徕卡SP2及SP5激光扫描显微镜的FLIM系统 (25)用于奥林巴斯FV300及FV1000系统的FLIM系统 (26)用于尼康C1和A1的扫描头的FLIM系统 (27)皮秒激光器 (27)探测器 (29)探测器的电路 (32)连接电路 (33)仪器软件 (34)数据分析软件 (35)经典时间相关单光子计数 (37)单光子探测 (37)时间相关单光子计数 (37)经典TCSPC结构 (41)多维TCSPC (45)多探测器及多波长TCSPC (47)多维TCSPC (51)序列记录 (52)TCSPC扫描FLIM技术 (55)时间标记记录 (57)时间标记模式的成像 (59)ps和ns范围的FIFO成像 (59)微秒时间成像 (61)多模块TCSPC系统 (62)BH TCSPC模块的结构 (65)基本原则 (65)恒比定时器（CFD）及同步（SYNC）电路 (65)时幅转换器（TAC） (66)模数转换器（ADC） (66)存储控制 (67)制作模块的细节描述 (72)探测器（开始）通道中的CFD (72)SPC-x00系列 (72)SPC-x30系列................................................................................. .. (73)同步（终止）通道中的CFD (74)SPC-x00系列 (74)SPC-x30系列 (75)时幅转换器 (76)模数转换 (78)ADC误差的校正 (78)可变ADC的分辨率 (79)ADC的缩放 (80)TCSPC的探测器 (81)探测器的基本原则 (81)常规光电倍增管（PMT） (81)通道板及微通道光电倍增管（PMT） (81)PMT的阴极 (82)单光子计数型雪崩管 (84)探测器的参数 (85)增益 (85)单电子响应（时间） (86)脉冲高度的分布 (86)信号渡跃时间 (88)渡跃时间扩散及时间抖动 (88)光阴极（量子）效率 (89)暗计数率 (91)后脉冲 (92)前脉冲 (93)可选择的探测器的描述 (94)MCP PMTs (94)Hamamatsu R5600及R7400 小型PMT (95)H5783及H5773 光敏模块 (96)PMH-100及PMC-100 (97)Hamamatsu H7422 (98)Hamamatsu H7421 (99)HPM-100-40和HPM-100-50探测器 (99)单光子计数雪崩管 (106)SPAD-8八通道SPAD模块 (108)前置放大器及探测器的控制 (111)前置放大器 (111)DCC-100探测器的控制器 (112)电磁屏蔽 (114)安全使用探测器的建议 (118)BH TCSPC模块的安装 (121)基本要求 (121)软件安装 (121)首次安装 (122)安装动态连接库（DLL）及Lab View库 (122)软件更新 (123)从网页上更新 (124)新软件组件的安装 (124)软件修复 (125)卸载TCSPC软件包 (125)硬件安装-单一SPC 模块 (125)驱动器的安装 (126)硬件安装-多SPC模块 (126)软件启用 (126)模块测试程序 (127)安装中的问题 (128)在不使用SPC模块的状况下启动SPC软件 (128)SPC模块的操作 (131)探测器及参比信号的输入 (131)参比信号的产生 (131)延迟终止操作 (133)随机信号的同步 (134)系统连接 (135)单一探测器系统 (135)多探测器系统 (138)使用触发 (141)去除线缆干扰 (143)荧光寿命成像（FLIM）系统 (144)TCSPC FLIM系统的基本原理 (144)TCSPC 在激光扫描显微镜的应用 (147)用于共聚焦及多光子激光扫描显微镜的FLIM 系统的模块 (155)单一模块TCSPC FLIM系统 (155)多模块TCSPC FLIM系统 (158)典型FLIM系统的线路图 (158)单一探测器NDD FLIM系统 (159)采用单一TCSPC模块的双探测器NDD FLIM系统 (159)多波长FLIM系统 (159)多模块FLIM系统 (161)其他扫描系统 (162)DCS-120 共焦扫描FLIM系统 (163)基本系统结构 (164)DCS-120系统的连接 (165)采用压电陶瓷扫描平台的扫描系统 (169)第一束光：启动 (171)推荐系统的参数 (171)标准荧光寿命系统的设置 (172)扫描系统的设置 (174)多探测器系统 (178)TCSPC其它应用的设置过程 (178)TCSPC系统的调试（最佳化） (181)基本建议 (181)CFD及SYNC输入的配置 (182)脉冲波形 (182)上升沿的配置（只针对SPC-x00） (183)调整CFD的门限值 (184)CFD的零点值 (189)SYNC参数的最佳化 (190)调整SYNC及CFD线缆长度 (190)调整TAC的参数 (193)TAC的线性度 (194)死时间 (196)计数损失 (198)死时间的补偿 (198)堆积效应 (200)经典的堆积 (200)脉冲内的堆积 (201)阻止堆积效应 (202)高重复频率的信号 (203)激光的倍增 (204)光电倍增管的最佳化 (204)分压器 (205)感光面积 (205)与信号无关的背景噪声 (206)暗计数率 (207)检测PMT的单电子响应时间（SER） (208)PMT的快速检测 (208)光学系统 (209)镜头 (209)吸色滤光片 (210)干涉滤光片 (210)单色仪及多色仪 (210)光纤 (211)挡板（Baffles）及孔径光阑（Aperture Stops） (211)避免光反射 (211)荧光去偏振 (212)再吸收 (214)TCSPC的应用 (215)化学发光淬灭曲线的测量 (215)基于单色仪的系统 (215)时间分辨光谱 (217)基于滤光片的系统 (219)多-光谱时间分辨实验 (220)时间分辨荧光各向异性的测量 (222)锁相TCSPC (225)瞬变荧光现象 (227)叶绿素的瞬变现象 (227)停-流技术 (230)连续流动混合技术 (231)荧光及磷光淬灭的同时检测 (232)时间分辨的激光扫描显微术:原理和应用 (234)使用荧光寿命的原因 (234)生物寿命成像技术的要求 (237)激光扫描显微镜 (241)单光子激发 (241)双光子激发 (242)典型FLIM实验例子 (244)采用半导体激光器作激发光源的共聚焦FLIM (244)多路激发波长 (247)可调激发波长的共聚焦FLIM (247)多光子NDD FLIM (249)多光谱共聚焦FLIM (251)多光谱、多光子NDD FLIM (252)高速多平行通道FLIM.................................... .. 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稳态-瞬态荧光光谱仪操作说明书
稳态/瞬态荧光光谱仪（FLS 920）操作说明书一、仪器测试原理时间相关单光子计数原理是FS920测量荧光寿命的工作基础。
时间相关单光子计数法(time－correlated single photon counting)简称“单光子计数(SPC)法”，其基本原理是，脉冲光源激发样品后，样品发出荧光光子信号，每次脉冲后只记录某特定波长单个光子出现的时间t，经过多次计数，测得荧光光子出现的几率分布P(t)，此P(t)曲线就相当于激发停止后荧光强度随时间衰减的I(t)曲线。
这好比一束光(许多光子)通过一个小孔形成的衍射图与单个光子一个一个地通过小孔长时间的累计可得完全相同的衍射图的原理是一样的。
二、测量之前需要特别注意的事项1.在切换光源、修改设置或放样品之前必须把狭缝（Δλ）关到最小（0.01nm），否则会损坏光电倍增管！如果打开样品室盖子之后，Em1的Signal Rate增加，请停止实验并立即与工作人员联系！2.测量样品的瞬态性质之前，请用先对样品的稳态性质进行表征，了解样品的激发光谱与发射光谱及最佳激发波长和发射波长；3.用PMT检测时，必须等稳压电源CO1的温度示数在-15ºC以下才可以开始采集数据；4.狭缝范围0.01～18nm，调节时注意不要超过其上限；（L1: 1mm相当于1.8nm, 200-900nm)；（L2: 1mm相当于5.4nm, 900-1900nm)5.每次设置完参数后都要点击Apply或者回车键确定；6.文件保存路径为：C:\data\导师\自己文件夹7.用专用u盘拷贝数据并到另一台电脑发送数据8.如实填写仪器使用记录，爱护仪器。
三、稳态荧光光谱的测定1.紫外可见区稳态荧光光谱的测定步骤1)打开Xe900电源，待其稳定，稳定后电压约16-17V，电流25A；2)打开CO1电源和FLS920主机电源；3)打开计算机，双击桌面上F900图标，进入工作站4)点击窗口左上角的按钮，进入Signal Rate设置窗口，先将Excitation Wavelength和Em1Wavelength处的Δλ均设置为0.01nm，按回车键(Enter)或者点击Apply确认，再将Source设置为Xe900，Em1 Detector设置为R955，然后点击Apply；5)打开样品室的盖子，放入待测样品，然后盖好；6)调节slit到合适大小（一般2.5mm）。
时间相关单光子计数法测量荧光寿命-2011
时间相关单光子计数法测量荧光寿命（一）实验目的与要求目的：1、了解时间相关单光子计数法测量荧光寿命的原理和方法2、学习时间相关单光子计数荧光光度计的使用方法要求：1、掌握时间相关单光子计数法测量荧光寿命的原理；2、理解荧光寿命测量在物质定性及定量分析中的应用；3、了解时间分辨荧光光光度计的基本组成，各部件的作用；4、学习利用Origin软件处理实验数据。
（二）实验原理1 时间相关单光子计数器工作原理TCSPC（Time-Correlated Single Photon Counting）是目前主要应用的荧光寿命测定技术。
1975 年由PTI(Photon Technology International) 公司首先商品化，此外，Edinburgh Instruments、IBH、HORIBA 等公司也在生产基于TCSPC 的时间分辨荧光光谱仪。
TCSPC 的工作原理如图1 所示，光源发出的脉冲光引起起始光电倍增管产生电信号，该信号通过恒分信号甄别器1 启动时辐转换器工作，时幅转换器产生一个随时间线性增长的电压信号。
另外，光源发出的脉冲光通过激发单色器到达样品池，样品产生的荧光信号再经过发射单色器到达终止光电倍增管，由此产生的电信号经由恒分信号甄别器2 到达时幅转换器并使其停止工作。
这时时幅转换器根据累积电压输出一个数字信号并在多道分析仪(Multichannel Analyzer) 的相应时间通道计入一个信号，表明检测到寿命为该时间的一个光子。
几十万次重复以后，不同的时间通道累积下来的光子数目不同。
以光子数对时间作图可得到如图2 所示直方图,此图经过平滑处理得到荧光衰减曲线。
图1 TCSPC 的工作原理简图图2 时间相关单光子计数2 荧光寿命及其含义假定一个无限窄的脉冲光(δ函数) 激发n 0个荧光分子到其激发态，处于激发态的分子将通过辐射或非辐射跃迁返回基态。
假定两种衰减跃迁速率分别为Γ和k nr ，则激发态衰减速率可表示为)()()(t n k dtt dn nr +Γ-= 其中n (t ) 表示时间t 时激发态分子的数目，由此可得到激发态物种的单指数衰减方程。
荧光寿命测定方法
三、时间相关的单光子计数方法TCSPC
降低激光功率，使每一个激光脉冲所含能量足够小，以至于每次激发样 品时或者仅有１个荧光光子到达探测器的光阴极，或者没有。假如100 个激光脉冲激发样品，所发出的荧光光子仅能使光阴极平均发射１个 光电 子。光子q重概率密度则变成单个光电子概率密度：
E4 E3 E2
(10-8s) (10-3s)
E4 E3 E2
h
E1
E1
一、荧光寿命的概念
自发辐射：处于高能级E2的原子自发地向低能级E1跃迁，并发射出一个频
率为 υ=（ E2- E1 ）/h的光子。
自发跃迁几率：发光材料在单位时间内，从高能级上产生自发辐射的发光
粒子数密度占高能级总粒子数密度的比值 A21=(dn21/dt)sp/n2
三、时间相关单光子计数方法TCSPC
时间相关单光子计数技术首先由 Bollinger、Bennett、Koechlin 三人在六十 年代为检测被射线激发的闪烁体发光而建立的,后来人们把它应用到荧光 寿命的测量。
四、TCSPC技术优缺点
• TCSPC 法的突出优点在于灵敏度高、测定结果准确、系统误差 小,是目前最流行的荧光寿命测定方法； • 实际测定中,必须调节样品的荧光强度,确保每次激发后最多只有 一个荧光光子到达终止光电倍增管。否则会引起“堆积效应” (Pileup Effect)； • 对于量子效率较高的样品，需要限制激发光强度，即减小多个光 电子同时到达的概率； • 这种方法所用仪器结构复杂、价格昂贵、而且测定速度慢,无法满 足某些特殊体系荧光寿命测定的要求。
Pf(t) ≈ <λ(t)> = αI（t）
只要测得单个光电子到达时间概率分布，也就得到了微弱光场衰变曲线。 利用窗口鉴别器开设时间窗口，可以很方便地测量激发后不同时间区 间的荧光光谱，就得到了时间分辨荧光光谱。利用非线性最小二乘法、 矩法、Laplace 变换法、最大熵法以及正弦变换法等拟合曲线得到结果。
单光子计数器工作原理
单光子计数器工作原理单光子计数器是一种可以检测和记录单个光子的仪器，它在物理、生物和化学等领域都有着广泛的应用。
本文将介绍单光子计数器的工作原理、应用领域和未来发展方向等方面，为您提供一份详尽的相关知识。
一、单光子计数器的工作原理单光子计数器是基于光电效应的原理工作的。
当一个光子进入单光子计数器的光电倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）时，光电倍增管内的光敏物质会吸收光子产生电子。
这些电子会经过一系列的倍增过程，最终在阳极上形成可以被检测的脉冲信号。
通过记录这些脉冲信号的数量和时间间隔，就可以实现对入射光子的计数和统计。
具体地，单光子计数器的工作原理可以用以下步骤来描述：1. 光子的进入：当一个光子穿过透明窗口进入光电倍增管时，光电倍增管内的光敏物质会吸收光子激发电子。
2. 电子的放大：被激发的电子会经过多级的倍增过程，每一级都会使电子数目成倍增加。
这样可以将原本微弱的光信号放大成可以被检测的强信号。
3. 信号的检测：经过倍增过程后的电子最终会在光电倍增管的阳极上释放，并形成一个可以被检测的脉冲信号。
4. 计数和统计：通过记录这些脉冲信号的数量和时间间隔，就可以实现对入射光子的计数和统计，从而获得单光子的信息。
通过这样的工作原理，单光子计数器可以实现对单个光子的高效计数和检测，为单光子实验和应用提供了强大的工具。
二、单光子计数器的应用领域1. 生物学和医学：单光子计数器可以用于生物荧光成像、蛋白质荧光标记、分子跟踪等领域，提供了高灵敏度和高空间分辨率的单分子级别检测能力，帮助生物学家和医学研究者研究细胞和分子结构、运动和相互作用等生物学过程。
2. 物理学和量子科学：在光子计数和量子信息处理中，单光子计数器发挥着关键作用。
它可以用于量子通信、量子密钥分发、量子计算等领域，为量子科学和技术的发展提供了重要的工具和支持。
3. 化学和材料科学：单光子计数器在化学发光反应、光催化反应、材料光学性能研究等领域有着广泛的应用，帮助化学家和材料科学家研究分子和材料的光学性质和反应动力学，提高了实验的精确度和可靠性。
荧光寿命测定方法
E3 二、测定荧光寿命的几种方法
Pf(t) ≈ <λ(t)> = αI（t） 说明光电子发射概率密度与光场瞬时强度成正比。 上转换法(Upcon-version Methods)
(10-3s) E3
h
假定两种衰减跃迁速率分别为Γ和knr ,则激发态衰减速率可表示为
E2 d n ( t)/d t= - (Γ + knr ) n ( t)
d n ( t)/d t= - (Γ + knr ) n ( t) 其中n ( t) 表示时间t 时激发态原子的数目,由此可得到激发态物质的单指数 衰减方程。
n ( t) = n0 exp ( - t/τ) 式中τ为荧光寿命。荧光强度正比于衰减的激发态分子数,因此可将上式改 写为:
I ( t) = I0 exp ( - t/τ) 其中I0 是时间为零时的荧光强度。于是,荧光寿命定义为衰减总速率的倒数:
般电子放大倍数达106-109； 阳极：经过多次倍增后的电子被阳极收集，形成输出信号。
三、单光子计数方法
荧光的发射是一个统计过程，很少有荧光分子刚好在τ（荧光寿命）时刻 发射荧光，荧光寿命仅反映荧光强度衰减到其起始值1/e所需的时间。 在被测的微弱随机光场作用下，光检测计光阴极发射光电子，其行为可 用双随机泊松点过程来描述，光电子时间统计特性可用多重概率密度求 平均来得到
式中：tj＝to＋tj0 得到光检测方程
λ（t）＝ αI（t） 式中：α 是比例系数。说明光电子发射概率密度与光场瞬时强度成正比。
三、时间相关的单光子计数方法TCSPC
降低激光功率，使每一个激光脉冲所含能量足够小，以至于每次激发样 品时或者仅有１个荧光光子到达探测器的光阴极，或者没有。假如100个 激光脉冲激发样品，所发出的荧光光子仅能使光阴极平均发射１个光电 子。光子q重概率密度则变成单个光电子概率密度：
时间相关单光子计数
时间相关单光子计数
时间相关单光子计数（Time-resolved single photon counting）简称TRSPC，是现代光子探测技术中最重要的技术之一。
它是单光子探测器能够全光子计数的发展结果，允许单光子级别的分辨率获得时间信息。
TRSPC的创新性在于它的时间分辨率能够达到几乎和物理限制相吻合的精度，从而可以实现对非常快、非常慢甚至非常弱的信号的检测。
当前，TRSPC的应用还处于初级阶段，但是它仍然能够以提供从电荷转移到化学反应的实时动力学过程等更多勘探信息为潜在优势，无论是在医学研究还是生物研究都将发挥巨大的作用。
TRSPC特有优势：
1、强大的时间分辨率。
与经典技术相比，TRSPC能够实现对光子瞬间发生的活性事件的快速检测，因此具有极其精准的时间分辨率；
2、极高的信噪比。
TRSPC可以快速、准确地检测弱信号，抑制固有噪声；
3、宽范围的信号检测范围。
由于有不同的采样分辨率，TRSPC可以满足不同的信号检测要求，满足信号强度和时间分辨率的各种组合；
4、高性价比。
由于TRSPC的方法不需要复杂的功能仪器，以及处理
得当的数字化设备，可以显著降低检测成本。
因此，TRSPC是现代光子探测器技术中最具区别性的技术之一。
它无论是在医学研究、生物技术或其他领域，都能够提供更加准确、更加丰富的实时检测信息，与对已有的经典技术不同，能够有效解决复杂的实验过程中的挑战，从而满足用户需求。
荧光寿命测定方法.
五、荧光寿命测定中可能存在的问题
• 当荧光寿命值与仪器自身响应时间为同一量级时，实测结果为二 者的卷积，需要对结果进行解卷积，扣除系统响应时间的影响。 • 发光材料自身存在荧光俘获效应，尽量减小样品厚度。
谢谢大家！
均寿命τ 。 τ =1/A21
一、荧光寿命的概念
假定一个无限窄的脉冲光(δ函数) 激发n0 个原子到其激发态,处于激发态的 原子将通过辐射或非辐射跃迁返回基态。假定两种衰减跃迁速率分别为Γ 和knr ,则激发态衰减速率可表示为 d n ( t)/d t= - (Γ + knr ) n ( t) 其中n ( t) 表示时间t 时激发态原子的数目,由此可得到激发态物质的单指数 衰减方程。 n ( t) = n0 exp ( - t/τ) 式中τ为荧光寿命。荧光强度正比于衰减的激发态分子数,因此可将上式改 写为: I ( t) = I0 exp ( - t/τ) 其中I0 是时间为零时的荧光强度。于是,荧光寿命定义为衰减总速率的倒数: τ = (Γ + knr ) - 1 也就是说荧光强度衰减到初始强度的1/e 时所需要的时间就是该荧光物质 在测定条件下的荧光寿命。
Pf(t) ≈ <λ(t)> = αI（t） 只要测得单个光电子到达时间概率分布，也就得到了微弱光场衰变曲线。 利用窗口鉴别器开设时间窗口，可以很方便地测量激发后不同时间区间 的荧光光谱，就得到了时间分辨荧光光谱。利用非线性最小二乘法、矩 法、Laplace 变换法、最大熵法以及正弦变换法等拟合曲线得到结果。
一、荧光寿命的概念
自发辐射跃迁的过程是一种只与原子本身的性质有关，与辐射场无关的自
发过程。A21的大小与原子处在E2能级上的平均寿命τ 2有关。 E2能级上的粒子数密度n2随时间的变化率
单光子计数
单光子计数利用光的粒子性来检测光信号的方法称为光子计数。
当光信号微弱到只有十几个光子到数千个光子的光功率时怎样检测光信号？例如激光测月装置，激光测大气层，远程激光雷达，激光测距等，其光接收机探测到的光子数都非常少，这时用一般的探测光强平均值的方法是根本测不出来的因为灵敏度最高的光电信号其本身的热噪声水平也有10-14W 。
单光子计数把入射到探测器上的一个个的光转成一个个的电像冲，采用 冲高度甄别技术，将不我信号从噪声中提取出来。
目前一般光子计数的探测灵敏度优于10-17W 。
实际上，在我们的实验室里，激光拉曼光谱技术，X 射线衍射中均用到光子计数技术。
一 实验目的1．了解单光子计数的基本组成2．掌握单光子计数的原理，特别是脉冲幅度甄别技术及其在单光子计数中的应用。
3．掌握正确的选择甄别电压幅度对光子计数结果的影响。
二 实验原理1．光子光是由光子组成的光子流。
光子的静止质量为零。
对应于频率v ，光子的能量E p 可表达为J hc hv Ep λ/==（1） 或 eV e hc Ep λ=式中的，planck 常数sec,106.634J h −×=c 为真空中的光速，e 为电子电荷。
作为一个例子，当实验用的入射光波长为600nm 的近单色光，一个光子的能量eV J Ep 2103.319≈×=−光子流量R 定义为单位时间通过某一截面的光子数。
光流强度常用光功率P 表示。
对单色光p E R p ⋅=（2） 若上例中1410−=S R ，则其光功率p 为15194103.3103.310−−×=××=p （瓦）测得光子流量，即可得到光流强度。
由于可见光的光子能量很低，当前对弱光的检测的唯一有效探测器是光电倍增管并配以高增益、低噪声的电子学系统，组成光子计数器。
2．光电倍增管（英文简称PMT ）的结构与工作原理图1 光电倍增管结构一个典型的PMT 结构如图1，其供电原理如图2。
时间相关单光子计数
的时间。由TAC将此时间成比例
的转化为相应的电压脉冲，再将
此电脉冲通过AD转换通入多通
道分析器[3]，在多通道分析器中,
这些输出脉冲均依次送人各通道
中累加贮存。就获得了与原始波
形一致的直方图。在某一时间间
隔内检测到光子的几率与荧光发
射强度成正比例, 重复多次测量
得到荧光强度衰变的规律。
4. 电子和质子传递与荧光寿命的关系。
5. 光动力学治疗的相关研究.
6. 金属纳米颗粒结合后，荧光染料的辐射衰减速率和
光稳定性得到增强。
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扩散光学层析成像（DOT）
1. 什么是扩散光学层析成像？
2. 基本原理是什么？
3. 主要应用有那些？
4. 优点
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什么是扩散光学层析成像
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TCSPC 实验方框图[3]
纳秒闸控
放电灯
激光
单色仪
荧光
单色仪
样品
光电
倍增管
光电
倍增管
放大器
放大器
甄别器
延时器
ＳＴＯＰ
ＳＴＡＲＴ
ＴＡＣ
甄别器
A/D
计算机
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多通道
分析仪
显示器
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TCSPC 经典工作方式[1]
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TCSPC原理及原理图[2]
基本原理：用一个窄光脉冲激发
样品, 然后检测样品所发射的第
[4]房喻.荧光寿命测定的现代方法与应用[J].化学通
报,2001,64(10)
[5]刘立新,屈军乐,林子扬等.荧光寿命成像及其在生物医学
2021新荧光寿命测定方法专业资料
一、荧光寿命的概念
自发辐射跃迁的过程是一种只与原子本身的性质有关，与辐射场无关的自 发过程。A21的大小与原子处在E2能级上的平均寿命τ2有关。 E2能级上的粒子数密度n2随时间的变化率
dn2(t)/dt=-(dn21/dt)sp=-A21n2(t) n2(t)= n2(0)e -A21n2(t)
E4
(10-8s) E4
E3
(10-3s) E3
h
E2
E2
E级E2的原子自发地向低能级E1跃迁，并发射出一个频 率为
υ=（ E2- E1 ）/h的光子。 自发跃迁几率：发光材料在单位时间内，从高能级上产生自发辐射的发光 粒子数密度占高能级总粒子数密度的比值
光子q重概率密度则变成单个光电子概率密度：
三二一、、、时 测 荧间定光其相荧寿关光命中单寿的I光命概0子的念是计几数种时方方间法法T为CSP零C 时的荧光强I (度t)。=于I0 是ex,p荧( 光- t/寿τ)命定义为衰减总速率的倒数: τ = (Γ + knr ) - 1
也就是说荧光强度衰减到初始强度的1/e 时所需要的时间就是该荧光物质 在测定条件下的荧光寿命。
荧光寿命测定方法
一、荧光寿命的概念 二、测定荧光寿命的几种方法 三、时间相关单光子计数方法TCSPC 四、TCSPC技术优缺点 五、荧光寿命测定中可能存在的问题
一、荧光寿命的概念
激光(Laser)的全名是“光的受激辐射放大”。
(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
三、单光子计数方法
• 单光子计数技术，是检测极微弱光的有力手段，这一技术是通过 分辨单个光子在检测器（PMT）中激发出来的光电子脉冲，把光 信号从热噪声中以数字化的方式提取出来