时间相关单光子计数荧光寿命测量中数据获取和处理
使用光子计数器进行光学测量实验的数据处理方法
使用光子计数器进行光学测量实验的数据处理方法光学测量实验是现代科学研究中常用的实验之一，而光子计数器是光学测量实验中重要的工具之一。
光子计数器能够精确地测量光子的数量，从而可以用于研究各种物理现象。
然而，对于初学者来说，如何正确处理光子计数器得到的数据却是一项挑战。
本文将介绍一种常用的数据处理方法，帮助读者更好地理解和分析光学测量实验中的数据。
在进行光学测量实验时，我们通常会使用光源照射待测样品，并使用光子计数器记录通过样品的光子数量。
首先，我们需要将光子计数器与电脑等数据采集设备连接，并通过软件将数据导出到计算机中进行分析。
接下来，我们需要对导出的数据进行一些基本的预处理。
首先，我们需要去除实验过程中的噪声。
光子计数器在工作过程中会受到很多因素的干扰，例如环境光、电磁波等。
为了准确地测量样品光子的数量，我们需要通过滤波器等方法去除这些干扰信号。
一种常用的去噪方法是利用低通滤波器，将高频噪声滤除。
这样可以保留下信号中的低频成分，从而提高数据的质量。
接下来，我们需要进行功率归一化处理。
不同实验条件下，光源的功率会有所差异，因此我们需要对数据进行归一化处理。
一种常用的方法是通过光源的功率谱来计算光子的能量，并将数据除以该能量。
这样可以消除实验之间功率差异带来的影响，使得数据具有可比性。
在进行数据处理时，我们常常需要计算一些基本的统计特征，例如平均值、方差等。
这些统计特征能够帮助我们理解数据的分布情况。
对于光学测量实验来说，我们通常关注的是光子的计数率。
通过计算数据的平均值，我们可以得到光子的平均计数率。
而计算数据的方差可以帮助我们估计测量的精度。
如果数据的方差较大，说明测量的误差较大，需要进行进一步的优化。
除了计算统计特征外，我们还可以通过绘制直方图来更好地理解数据的分布情况。
直方图将数据划分成若干个区间，并统计每个区间内的数据数量。
通过观察直方图，我们可以发现数据的峰值、峰宽等特征，进一步了解光子计数器的输出特性。
荧光寿命_论文-自然科学论文
荧光寿命荧光寿命（ FLT）检测摘要这个技术手册介绍了荧光寿命（ FLT）这种新技术的基本原理。
从这本技术手册里，我们可以简单的了解与这项技术相关的理论基础和与之配合的实验条件，以及通过一项应用实例讨论了如何对实验中所获得的数据进行解析和归类的方法。
•微孔板技术在高通量筛选中的价值使用者利用一个 marker或者是标记物受光激发后，通过一台普通的微孔板阅读器，就可以监测生化和生物反应进程。
常用的读取模式包括检测吸收光，荧光强度(FI)，荧光偏振（FP），时间分辨荧光（TRF）。
一般没有方法能够包含所有可能的分析模式，如果达到这样的高分析程度，需要一个配套的方法能够覆盖尽可能宽的实验范围。
尽管如此，，还是会有一种方法被优选选择，通过它能够得到更可靠的数据，更高端的信息，以及迅速的读取数据。
荧光寿命被定义成荧光分析在回到基态之前驻留在激发态的时间。
荧光寿命对荧光标记物周围的微环境高度敏感。
当标记一个反应对，由于化学反应改变这个反应对的状态（例如在酶反应体系中）或者是发生了与其他结合伴侣的结合（例如受体 -配体的结合），将影响到上面所提到的微环境。
无论如何，检测荧光寿命将直接指示反应环境。
这类信号要远远强于通常会影响其它探测方法的干扰信号，因此它将为市场需求加入巨大的推动力。
Tecan Ultran Evolution detection platform已经融入了对荧光寿命的检测。
除了已经发展的各种检测方法以外，这项新技术使得Ultran Evolution技术平台具有更强的市场应用前景。
2.荧光寿命测定的原理用 Ultra Evolution测定荧光寿命采用的一种方法，称作时间关联的单光子计数（TCSPC）。
实验的基本流程显示在图1。
一个脉冲激光器重复激发样品。
调节激发脉冲的强度，使得对于任何一个脉冲，在探测器上只有一个光子被计数。
按照测量的激光脉冲和探测器感应之间的这段时间，将计数值引入已用荧光计数和时间绘制的柱状图。
荧光寿命测定
·632 ·
化学通报 2001 年 第 10 期 http :ΠΠwww. chemistrymag. org
的分子体积 ( V0 ) ,根据 Perrin 方程来计算荧光寿命[4] ,虽然这种方法所用仪器比较简单 ,但测定过
数有限 ,因此测量精度较差 。1980 年后多频相技术得到发展 ,相调制技术测定荧光寿命的精度也随之
提高 ,从而使复杂体系荧光寿命测定成为可能。但同时仪器也变得昂贵 ,实验测定难度也相应增大。
113 频闪技术[9]
频闪技术也叫脉冲取样 技 术 ( Pulse Sam2
pling Techniques) ,仪器工作原理示于图 3 ( a) 。
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
除了直接应用之外 ,荧光寿命测定还是其它时间分辨荧光技术的基础 。例如基于荧光寿命测 定的荧光猝灭技术可以研究猝灭剂与荧光标记物或探针相互靠近的难易 ,从而对所研究体系中探 针或标记物所处微环境的性质作出判断 。基于荧光寿命测定的时间分辨荧光光谱可以用来研究激 发态发生的分子内或分子间作用以及作用发生的快慢 。另外 ,非辐射能量转移 、时间分辨荧光各向 异性等主要荧光技术都离不开荧光寿命测定 。因此本文拟对荧光寿命测定的主要方法 、各种方法 的原理 、特点以及荧光寿命测定的主要应用进行介绍 。
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。
荧光寿命测定的现代方法与应用
荧光寿命测定的现代方法与应用房 喻 王 辉(陕西师范大学化学系 西安 710062)摘 要 介绍了时间相关单光子计数、相调制和频闪等三种现代荧光寿命测定方法的工作原理,指出了各种方法的优点和局限性;介绍了时间相关单光子计数实验数据的处理方法;概述了时间分辨荧光技术在化学和生命科学中的应用。
关键词 荧光寿命 单光子计数 相调制法 频闪技术Abstract The principles and characteristics of s ome of the m odern techniques,including time2correlated single2 photon counting(T CSPC),phase m odulation and strobe techniques,for fluorescence lifetime measurements have been briefly introduced.The advantages and disadvantages of each method have als o been pointed out.The comm on method used for the analysis of the fluorescence decay,taking T CSPC as an example,has been discussed in detail.On the basis of these introductions,the applications of time2res olved fluorescence techniques in chemical and biological re2 search have been overviewed.K ey w ords Fluorescence lifetime,T ime2correlated single photon counting,Phase m odulation methods,S trobe techniques荧光是分子吸收能量后其基态电子被激发到单线激发态后由第一单线激发态回到基态时所发生的,而荧光寿命是指分子在单线激发态所平均停留的时间。
单光子计数实验报告
引言：单光子计数实验是现代光子学研究中一项重要的技术手段，可以用于精确测量光子的数量和计数。
本文是对单光子计数实验的进一步探索和研究的报告，主要介绍了实验的设备和方法，以及实验过程中所遇到的问题和解决方法。
通过这些实验数据和分析结果，我们可以对单光子计数实验的原理和应用有更深入的了解，为相关研究和技术应用提供参考。
正文内容：一、实验设备和方法1.实验装置：我们采用了型光子计数器作为主要的实验装置。
该光子计数器具有较高的计数精度和稳定性，可以实现单光子计数和时间分辨测量。
2.实验光源：为了获得单光子信号，我们使用了一台型激光器。
该激光器可以发射高稳定度和窄脉冲宽度的光子，适用于单光子计数实验。
3.实验样品：我们选择了一种具有较高荧光量子效率的荧光物质作为实验样品。
通过调节样品的浓度和吸光度，我们可以控制单光子计数的强度和分布。
4.实验控制系统：为了实现精确控制和数据采集，我们采用了一个先进的实验控制系统。
该系统可以实时监测光子计数器的计数和时间，以及控制实验参数的设置。
二、实验过程和数据分析1.实验准备：在进行实验之前，我们需要对实验装置和控制系统进行校准和调试，确保实验的准确性和可靠性。
3.数据分析：通过对实验数据的分析，我们可以得到单光子计数的数据分布和统计特性。
在数据分析过程中，我们采用了一系列数学方法和统计模型，例如：泊松分布，高斯分布等等。
4.结果验证：为了验证实验结果的可靠性，我们进行了重复实验，并与模拟结果进行对比分析。
通过小概率事件的比较和实验误差的评估，我们可以确定实验的可信度和准确性。
5.实验拓展：在实验过程中，我们遇到了一些问题和挑战，例如：背景光噪声的影响，光子计数器的非线性等。
通过改进实验方法和技术手段，我们不断优化实验流程，并获得了更精确和可靠的实验结果。
三、实验结果和讨论1.单光子计数分布图：我们通过实验数据和分析，得到了单光子计数的分布图。
该分布图呈现出明显的峰值和尾部，符合光子计数的统计特性。
时间相关单光子计数
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.它的优点如下：时间分辨本领
好, 灵敏度高,测量精度高,动态范围大,输出数据
数字化,便于计算机存贮和处理等.在近代物理、
化学、生物等领域中获得了广泛的应用, 特别是
➢ 消除了大部分探测器热噪声的影响,提高➢ 在乳腺检查方面与现有的X-CT、磁共振成像MRI
等相比,DOT系统具有无损、低价、功能成像等.
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
杂志,2009,166
析.
2.窄脉冲激光在GI-POF光纤中的特性测量
3.全数字高精度激光测距系统的设计与实现
4.激光扫描显微技术
参考文献：
1王静怡.多通道时间相关单光子计数DOT/FMT系统集成和操作
平台开发D.2009.
2 W. Becker .Advanced Time-Correlated Single Photon Counting
荧光寿命,它表示粒子在激发态存在的平均时间,通
常称为激发态的荧光寿命.
研究荧光寿命有什么意义
荧光物质的荧光寿命不仅与自身的结构而且与其所
处微环境的极性、粘度等条件有关,因此通过荧光
寿命测定可以直接了解所研究体系发生的变化.荧
光现象多发生在纳秒级,这正好是分子运动所发生
的时间尺度,因此利用荧光技术可以 看 到许多复杂
6. 金属纳米颗粒结合后,荧光染料的辐射衰减速率和
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。
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。
荧光寿命谱
荧光寿命谱
荧光寿命谱（Fluorescence Lifetime Spectrum）是一种用于研究物质荧光特性的光谱技术。
荧光寿命是指荧光物质在激发态下的寿命，它与物质的化学结构和所处环境密切相关。
通过测量荧光寿命，可以获取关于物质结构、性质和微观环境的信息。
荧光寿命谱测量技术主要包括时域和频域两种方法：
1. 时域荧光寿命测量：通过测量荧光信号随时间的变化，得到荧光寿命。
这种方法通常采用时间相关单光子计数（Time-Correlated Single Photon Counting，TCSPC）技术，可以测量寿命范围从几十皮秒到几秒的荧光过程。
2. 频域荧光寿命测量：通过测量荧光信号在激发光源频率范围内的变化，得到荧光寿命。
这种方法通常采用相调制（Phase Modulation）和频闪（Frequency Flash）等技术，可以测量寿命范围从几十兆赫兹到几十吉赫兹的荧光过程。
荧光寿命谱在物理学、化学、生物学、材料科学等领域有广泛的应用。
例如，在生物医学研究中，通过测量荧光寿命谱可以研究生物分子之间的相互作用、蛋白质的构象变化等；在材料科学中，可以研究材料的电子结构和光学性质等。
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。
时间分辨荧光技术与荧光寿命测量
第23卷第4期大学化学2008年8月今日化学时间分辨荧光技术与荧光寿命测量李东旭许潇李娜李克安北京大学化学与分子工程学院北京100871 摘要意义及应用。
介绍了时间分辨荧光技术与荧光寿命的测量方法、时间分辨荧光技术有基于时域和基于频域两种测量方法。
由于时间分辨结果数据包含有比稳态荧光数据更多的信息近年来时间分辨荧光技术已成为生物化学与生物物理领域的主要研究工具之一。
荧光寿命成像技术可以同时获得分子状态以及空间分布的信息在生物学仪器及应用等方面简要介绍时间分和医学领域也得到了越来越广泛的应用。
以下将从原理、辨荧光以及荧光寿命测量技术。
1 荧光及荧光寿命的基本原理分子吸光后去活化的原理与过程可以直观的用P errin Jablonsky图表示图1是一种简化表示。
简言之分子中处于单线态基态电子能级S 0 的电子依据 F rank Condon规则吸收一定波长的光子后被激发至单线态激发态电子能级一般是S 1 态中的某一振动能级这一过- 15 - 12 - 10程约10 s 在经历短暂的振动弛豫过程后约10 10 s 会有大量电子在S 1 态的最低振动能态积累。
这一状态的电子会有几种释放能量回到基态S0 态的途径包括振动弛豫在内的这些途径被统称为去活化的过程。
若能量释放的过程中伴随着光子的放出则称为辐射去活若只是通过碰撞等途径释放能量而没有光子放出则称为无辐射去活。
图1 Perrin Jab lon sky 简图荧光发射即为一种常见的辐射去活过程它通常是指电子发生自S1 态至S 0 态的跃迁同- 10 - 7时放出光子的过程这一过程的时间通常在10 10 。
s 利用光学仪器检测荧光发射的强度随时间的变化即可得到体系的荧光寿命信息。
1 无辐射去活过程有以下几种途径: 内转换指的是电子在具有相同多重度的电子能态间发- 11 - 9生跃迁的过程时间通常在10 至10 s 系间跨越指的是电子在不同多重度的能态间发生- 10 - 8跃迁的过程如单线态S 1 至三线态T 1 的跃迁其时间通常在10 10 s 荧光猝灭指的是激发分子通过分子间的相互作用和能量转换从而释放能量的过程也称作外转换。
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
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
测荧光寿命实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 理解荧光寿命的概念及其在化学和生物学研究中的应用。
2. 掌握使用荧光寿命测定仪进行实验操作的方法。
3. 通过实验数据，了解不同物质荧光寿命的差异及其影响因素。
二、实验原理荧光寿命是指荧光分子从激发态回到基态所需的时间。
它反映了荧光分子在激发态的稳定性，是研究荧光分子性质的重要参数。
荧光寿命的测定通常采用荧光寿命测定仪进行，通过记录荧光衰减曲线，计算荧光寿命。
三、实验材料与仪器1. 实验材料：荧光物质（如罗丹明6G）、溶剂（如乙醇）、样品容器等。
2. 实验仪器：荧光寿命测定仪、光源、样品池、计算机等。
四、实验步骤1. 样品制备：将荧光物质溶解于溶剂中，配制成一定浓度的溶液。
2. 样品池准备：将样品溶液注入样品池，确保样品池的光学路径与仪器光路对齐。
3. 仪器设置：打开荧光寿命测定仪，设置激发波长、发射波长、扫描速度等参数。
4. 数据采集：启动仪器，记录荧光衰减曲线，并计算荧光寿命。
5. 重复实验：对同一荧光物质进行多次实验，以验证结果的可靠性。
五、实验结果与讨论1. 实验数据：| 荧光物质 | 激发波长（nm） | 发射波长（nm） | 荧光寿命（ns） || -------- | -------------- | -------------- | -------------- || 罗丹明6G | 530 | 580 | 4.2 ± 0.2 |2. 结果分析：根据实验数据，罗丹明6G的荧光寿命为4.2 ± 0.2 ns。
结果表明，罗丹明6G在激发波长为530 nm、发射波长为580 nm的条件下，荧光寿命相对稳定。
3. 影响因素：荧光寿命受到多种因素的影响，如温度、溶剂、荧光物质浓度等。
在本实验中，荧光寿命的稳定性主要得益于实验条件的一致性。
六、实验总结通过本次实验，我们掌握了荧光寿命测定仪的使用方法，了解了荧光寿命的概念及其在化学和生物学研究中的应用。
(完整word版)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。
光子学技术在生物分析与检测中的实验技巧与数据处理方法实用指南
光子学技术在生物分析与检测中的实验技巧与数据处理方法实用指南光子学技术是一种基于光子学原理的新兴技术，在生物分析与检测领域有着广泛的应用。
本文将介绍光子学技术在生物分析与检测中的实验技巧与数据处理方法，以帮助研究人员更好地应用光子学技术开展实验研究。
首先，光子学技术的实验技巧对于实验结果的准确性和可靠性至关重要。
在样品准备过程中，应注意避免氧化、光解、水解等可能对样品造成影响的因素。
此外，适当的样品处理方法也是关键。
对于生物样品，应注意避免样品的氧化和破坏，合理选择适用的方法提取和纯化样品。
在光学系统的搭建中，应选择合适的光学元件以确保实验所需的光学路径和样品检测能力。
适当选择光源的波长和功率，以及选择适当的滤波器和透镜等光学元件，可以提高系统的灵敏度和分辨率。
在实验过程中，光子学技术的测量过程也需要一些技巧。
首先，应注意调整光路，保证样品与探测器之间的光学路径的对齐。
对于散射、吸收和荧光等光学特性的测量，需要根据不同的样品特性和光学系统参数进行相应的调整。
此外，在测量过程中应控制好环境的干扰，例如降低环境光的干扰，确保准确而可靠的测量结果。
在数据处理方面，针对光子学技术的特点，有一些常用的数据处理方法。
首先，对于光子计数实验，可以利用直方图和峰值拟合等方法对数据进行分析，得到样品的光子数量等信息。
此外，对于光子相关实验，可以利用相关函数和自相关函数等方法分析数据，获得样品的相关时间和弛豫时间等信息。
在光谱分析方面，可以利用谱峰拟合和傅里叶变换等方法对光谱数据进行处理，提取出相关的光谱信息。
在实验设计和数据处理过程中，还需要注意一些常见的误差来源。
例如，光子计数实验中的光电倍增管的非线性响应、镜头中的散射和吸收等。
在数据处理过程中，应注意选择合适的拟合模型和算法，以最小化由于模型不准确或算法不稳定导致的误差。
总结而言，光子学技术在生物分析与检测中具有重要的应用价值。
在实验技巧方面，需要注意样品的准备、光学系统的搭建和测量的技巧。
荧光寿命测定的现代方法与应用
荧光寿命测定中的数据处理
利用解卷积的办法可得到脉冲响应函数I ( t) ,进而求得描述样 品荧光衰减本质的荧光寿命(τ) 等有关参量。
4、数据分析 数据分析的目的在于,通过拟合实验所得荧光衰减曲线,建立一 种最能揭示荧光衰减本质、描述衰减过程的理论模型,从而对所研 究体系作出深刻的理解。随着时间分辨荧光技术日益发展,人们相 继提出了多种荧光衰减数据分析方法。例如: 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。
荧光寿命的概念
态S1或S2后由第一单线激发态S1回到基态S0时所发生的。 荧光寿命是指分子在单线激发态 S1所平均停留的时间， 或者说处于激发态S1的分子数目衰减到原来的1/e所经历的 时间。 由于荧光现象多发生在纳秒级,这正好是分子运动所发生 的时间尺度,因此利用荧光技术可以“看”到许多复杂的分 子间作用过程,例如超分子体系中分子间的簇集、固液界面 上吸附态高分子的构象重排、蛋白质高级结构的变化等。
(b) 检测时间门与荧光衰 减关系示意图
频闪技术(Strobe Techniques)
频闪技术(Strobe Techniques)的优缺点： 新一代频闪分时光谱仪有着TCSPC 的准确性，比 相调制测定速度更快，操作也很方便，仪器价格也大 大降低。不过脉冲法得到的荧光衰减曲线包含噪音的 水平尚无法知道，在数据分析时应当有所估计。
时间相关单光子记数法(Time-Correlated Single-Photon
Counting , TCSPC) TCSPC 的工作原理如图所示
电 信 号
荧光
电信号
累积电压信号
停止工作
时间相关单光子记数法(Time-Correlated Single-Photon
基于时间相关单光子计数的荧光寿命成像技术
基于时间相关单光子计数的荧光寿命成像技术
盛翠霞;李田泽
【期刊名称】《强激光与粒子束》
【年(卷),期】2010(22)8
【摘要】采用时域法中的时间相关单光子计数方法记录荧光寿命,时间相关单光子计数采用多波长通道同时记录荧光光子数,可以提高计数效率和信息量,还可以在稳态图像中分离不同荧光团,形成4维图像.并采用多光子激发技术,利用长波长光源发出的两个或多个光子可以激发出一个短波长的光子.多个光子必须几乎同时到达激发点, 才能提供被激发分子足够的能量以产生荧光.多光子激发波长较长, 生物组织对其散射减小,因而可以穿透到更深层的组织,从而提高荧光成像深度和空间分辨力,并减少对活体样品的损伤.
【总页数】4页(P1731-1734)
【作者】盛翠霞;李田泽
【作者单位】山东理工大学,电气与电子工程学院,山东,淄博,255049;山东理工大学,电气与电子工程学院,山东,淄博,255049
【正文语种】中文
【中图分类】Q631
【相关文献】
1.皮秒时间相关单光子计数光谱仪的核心技术 [J], 张秀峰;宋克菲;于涛;韩炳冬;盛翠霞;林久令
2.时间相关单光子计数记录快速荧光寿命图像 [J], Bertram SU;Vicky KATSOULIDOU
3.时间相关单光子计数荧光寿命测量中数据获取和处理 [J], 龚达涛;刘天宽;虞孝麒
4.基于弹性变分模态提取的时间相关单光子计数信号去噪 [J], 汪书潮;苏秀琴;朱文华;陈松懋;张振扬;徐伟豪;王定杰
5.IEC/TS 62607-3-3:2020《纳米制造-关键控制特性-第3-3部分:发光纳米材料-时间相关单光子计数(TCSPC)测定半导体量子点荧光寿命》标准解读 [J], 樊阳波;王益群
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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。
测试表明,在其他部件仔细选择的情况下,该谱仪的时间分辨主要由光电倍增管的时间晃动决定[2]。
119
图2 数据采集主程序和中断处理子程序流程图3 微机输入接口卡和在线数据采集程序
微机接口电路由一片8255和两片8253芯片
以及时序逻辑电路组成。
ADC 数据通过8255芯
片获取,8255设为工作模式1,当ADC 卡上A/D
变换完成时,8255自动将数据读入片上缓存,向
计算机发出中断请求信号。
中断处理子程序从
8255中读入数据,放入显示缓冲区,在线数据采
集主程序从显示缓冲区取数据并实时显示。
恒比
定时甄别器的信号用8253计数,分别对应激发光
子和荧光光子计数(见图1),利用微机内部时钟,
采集软件每隔1s 读取激发光光子和荧光光子计
数,计算这段时间的计数比,在屏幕上显示出来。
实时监测这个参数对实验人员调试系统比较重
要。
在线数据采集软件在数据采集的同时,还可
以实时进行谱显示,监测出射荧光/激发光计数比。
主程序用Borland C ++3.1编写,中断处理子程序和数据接口初始化部分用汇编语言编写。
界面采用图形化界面,操作简单方便。
由于实验测量时间往往较长,采集软件允许用户设定定时间、定谱峰高、定激发光计数和定谱总计数等4种自动终止方式。
终止条件满足时采集软件将停止采集,并将数据自动存盘,因此可以实现无人看守自动工作。
在采集过程中允许用户进行逐道查看谱数据、谱图放大缩小等操作,允许用户随时用键盘中断采集过程,便于实验人员调试系统。
图2是数据采集主程序和中断处理子程序流程图。
4 离线数据分析
离线数据分析程序从所选激发光波长和荧光波长的时间谱数据出发,分析各荧光成分的强度和寿命。
含有多种衰变成分的荧光时间谱假定为:
G (t )=∑M
k =1A k ex p(-t / k )(1)
其中A k 为第k 种成分的幅度, k 为第k 种成分的寿命,M 为成分数量。
考虑仪器响应函数P (t )和本底计数B 的影响,测量时间谱应为
Y (t )=B +∫+∞-∞P (t ′)G (t -t ′)d t ′(2)
离线分析的任务是从实测曲线I (t )及仪器响应函数P (t )分析各成分的强度A k 和寿命 k 。
分析采用非线性最小二乘曲线拟合方法,迭代过程用M ar quardt 法[3]。
拟合初值可由用户输入,也可对曲线粗略分析得到。
如对两种衰变成分的衰变曲线,先由曲线尾部段进行单指数曲线拟合得到长寿命成分参数,再由曲线前段进行双指数曲线拟合得到(其中长寿命成分参数已得到)短寿命成分参数。
120
拟合过程中所用的目标函数为:
2=∑N 2
i =N 1[I (t i )-B -Y (t i )]2I (t i )
(3)其中N 1、N 2为拟合的起始道和终止道。
拟合过程应使得 2最小。
拟合效果采用两个方法检验:第一个依据是拟合优度,定义为
2v = 2min /(N 2-N 1+1-r )
(3)其中r 为要分析的参数个数。
对于泊松分布的数据, 2v 应接近于1。
2 太小,可能是数据量太小
的缘故。
2v 太大,可能是拟合曲线假设不合理。
第二个依据是残差
R (t i )=I (t i )-B -Y (t i )(3)
对于好的拟合,R (t i )应在0两侧随机分布;如果假设曲线不合理,R (t i )的分布往往呈某种规图3 BaF 2的荧光寿命谱
律性。
5 实验结果
图3是用该谱仪测得的BaF 2的
一个荧光寿命谱,实验条件是:激发
光220nm ,荧光61.1nm,温度10K,
仪器函数假定为 函数。
图3a 纵轴
为计数值的对数,横轴是时间,每道
0.08ns,散点为实验数据点,实线为
拟合曲线。
图3b 为归一化的残差分
布曲线。
分析结果表明,两种成分的
寿命分别为0.81、14.9ns ,幅度分别
为60.27和0.016,拟合优度为
1.17。
参 考 文 献
1
邢蕴芳.时间相关单光子计数法及其生物学应用前景.生物化学与生物物理进展,1987.(3):36.2
沈广德.一个时间分辨谱仪的电子学系统的研制(硕士论文).合肥:中国科学技术大学.1991.26.3刘钦圣.最小二乘问题计算方法.北京工业大学出版社.1989.90.(1997年1月7日 收到)Data A cquisition and Processing for T ime Correlated Single
Photon Counting Fluorescence Lifet im e M easuring
ong Datao Liu Tiankuan Yu Xiaoqi Shen Guangde Shi Chao shu Deng Jie Yang Binx in
(Dept of M odern Phy sics,U ni o f Science and T echno lo g y of China,Hefei,230027)
Abstract
T his paper int ro duces the data acquisitio n sy st em and off-line data pro cessing pr og ram fo r time co rr elat-ed sing le photo n co unt ing fluor escence lifetime measur ing .
(Key Wo rds:T ime co rr elated sing le pho to n counting Fluor escence lifetime L east squar e curv e fitting M ulti-ex ponential curv e fitting )
【作者简介】
龚达涛,男,26岁,硕士,博士生;刘天宽,男,28岁,助教,硕士;虞孝麒,男,58岁,教授;沈广德,男,33岁,工程师,硕士;施朝淑,女,59岁,教授,博导;邓杰,男,29岁,讲师,博士;杨炳忻,男,51岁,教授。
121。