单分子-2016-4-时间分辨光谱技术

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时间幅度转换仪（TAC）
Time-to-Amplitude Converter
The ORTEC Model 567 Time-toAmplitude Converter 测量“开始”到“ 结束”之间的脉冲时间间隔。 把时间间隔测量转换为模拟电脉冲信号 的幅度。
START-to-STOP CONVERSION TIME Minimum ≤5 ns. TIME RESOLUTION FWHM ≤0.01% of full scale plus 5 ps for all ranges.
后脉冲概率曲线及拟合曲线
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应用2: 时间分辨光谱技术测量单分子寿命
荧光辐射是分子吸收能量后由激发态回到基
态时所发生的，分子的荧光寿命曲线可以用 单指数衰减的函数表达, 其中τ0是分子的荧光 寿命。 Y I 0 exp t 0
理想单分子对于每个激发光脉冲都只发出一
When
we measure photons emitted by a single molecule, we interpret I(t) to be photon counting rate. The joint probability（符合几率） that one photon is emitted at time t and also another photon at time t+ τ is described by the product
统计分析每秒5M个事件。
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应用1: 时间分辨光谱技术测量ps激光的单光子响应
实验装置
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laser system
Laser pulses as short as 50 ps (FWHM); Repetition rates from single shot to 40 MHz; Laser power and pulse width adjustable via driver unit; Laser wavelength 635 nm.
P2(t; t +τ) = η 2 I(t) ∙ I(t+τ)
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二阶关联函数 Second-order correlation function
Photon emission is characterized in terms of a second-order correlation function: g(2)(t; t +τ). It is the joint probability P2(t; t +τ) for photon counts in the interval [(t; t +dt) and (t+τ; t +τ+dt)], normalized by the probability for two independent counts.

1 T I (t ) I (t ) lim I (t ) I (t )dt T T 0
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荧光强度关联函数 Fluorescence intensity autocrrelation function
测量不同时刻荧光光子数的关联特性。

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二阶关联函数的测量
1. 时间幅度转换仪（TAC） 使用时间关联单光子计数测量，将单光子探测 器输出的TTL脉冲同时连接到时幅转换仪的开始端 和停止端，停止端信号相对于开始端信号的时间间 隔通过TAC转化成与之成正比的脉冲幅度。 2.多通道分析仪（MCA） 不同幅度的电脉冲信号输入多通道分析仪进行脉冲 高度统计分析，得到脉冲光的关联函数。
T. Ha et al. / Chemical Physics Letters 271 (1997) 1-5
量子跳跃： 分子从激发态以很 小的几率跃迁到三 重态的过程。
Fig. 1, Energy level scheme. SO is the singlet ground state, S] is the first excited singlet state and T1 is the first excited triplet state. From SI the molecule may undergo an intersystem crossing to T~ with intersystem crossing rate of klsc that is usually much smaller than the radiative decay rate kR.
S0
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T1 is a “dark” metastable state （亚稳态） When the emission stops, detected photons originate from the background
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Fig. 2. 40 ms sections of total emission time trace for three different molecules on the same sample. On-state average counts Non and off-state lifetime τoff are shown for two molecules in b and c.
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Data analyzed


The data was analyzed in the following way: For each event (transition from 'on' state to 'off' state), we measured the number of counts in the 'on' state, and the duration of the 'off' state and two histograms (distribution of 'on' counts and 'off' duration) were constructed for each molecule. As an example, the histograms for the single molecule of Fig. 2c are shown in Fig. 3. Each histogram can be fit very well with a single exponential. This analysis gives a τoff of 1.2 ms and an 'on' state average counts Non of 60 ± 10 for the molecule. The quality of the fits is evidence for the underlying Poisson statistics governing the random transitions between the two states.
20Байду номын сангаас6年6月13日星期一 20
Lifetime measurement
500 ns 10 ns
t
Build the histogram of residuals dti
虚线 : Instrument Time Response IRF(t) 拟合线 : convolution IRF(t) * exp -t/rad
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时序图：
SPCM1 （Start） Laser pulse （Stop）
TAC
5V
MCA
0v 5v
10v
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单光子探测与后脉冲
APD光子计数器的噪声
◆暗计数
(Dark counts)
◆ 热噪声
◆ 隧穿效应
◆ 后脉冲
(Afterpulse) 当有光子入射单光子探测器时，大量的电荷流过探测器的雪崩 倍增区，一些载流子被缺陷俘获。当雪崩被抑制后，这些从缺陷中心 释放出的载流子受到电场加速，它们会再次触发雪崩，产生与前一次 雪崩脉冲相关联的后脉冲.
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单光子探测与后脉冲
后脉冲
后脉冲概率示意图
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时间分辨光谱技术
脉冲激光的自关联函数曲线与其相应的暗计数
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时间分辨光谱技术测量后脉冲概率
结果与分析
死时间结束后的 3ns内，产生后脉 冲的概率最大；
后脉冲的概率主 要受到两个俘获 能级的影响，其 能级寿命分别为 503ns和33ns。
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TAC基本参数
TAC的可测量时间范围为10 ns ~ 2 ms。TAC输出 的电脉冲信号幅度为0~10V。 TAC允许的最小输出脉冲为0.05V，因此与开始端 TTL脉冲的时间间隔小于5‰TAC量程内到来的停止 端TTL信号将无法引起TAC的响应，这段时间又称 为TAC的死时间。 受TAC死时间的影响，当一个TTL脉冲触发TAC的 开始端后，它将不可能再同时触发TAC的停止端， 只有与其相邻的下一个脉冲才可能触发TAC的停止 端。 TAC输出的脉冲反映了单光子探测器相邻两输出脉 冲的时间间隔。

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多通道分析仪MCA
MCA最大分辨率为2048通道。 The design is capable of converting incoming signals at up-to 1,000,000 events/s or collect data at rates of up-to 5 Mega events/s.
rad = 2.6 ns
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时间分辨光谱技术测量单分子寿命:
Life time measurements on sample 1 MBE, sample 2 CBE and sample 3 GSMBE
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应用3: 时间分辨光谱技术测量量子跳跃
量子跳跃 单分子激发态与三重态之间的跳跃。 2. 分子动力学 通过测量单分子荧光的强度关联函数，确 定单分子在ns至几百秒之间的动力学变化特 性。
1.
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Fluorescence Correlation Spectroscopy
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Correlation functions 相关函数
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三重态 triplet state
Fluorescence monitoring
0.12
<n>W
Window size W=100 bin period = 50 ms
0.08 0.04 0.00 0.140 0.144 0.148 0.152
S1
PISC T
T1
单分子的光学探测与应用(4)
Single-molecule Optical Measurements and Application
陈瑞云
量子光学与光量子器件国家重点实验室 山西大学激光光谱研究所
Tel: 0351-7113866
荧光强度关联函数 Fluorescence intensity autocrrelation function
一阶关联函数 The first order correlation function: g1(τ) ------The correlation function of filed E(t) g1(τ)=< E(t) E(t+τ) >/ < E2(t) > 二阶关联函数 The second order correlation function: g2(τ) ------ The correlation function of intensity I(t) g2(τ)=< I(t) I(t+τ) >/ < I2(t) >
个光子。
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Time dependence of photon counting
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时间分辨光谱技术测量单分子寿命
The excitation pulses are directed toward the sample by the upper PBS. A small fraction of the pulse energy is transmitted through this PBS to provide a signal for the analog APD, which triggers the time-to-amplitude converter TAC.