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]）
乳房层析照相原理图
左图：X光照片 右图光学照片脑成像原理图 Nhomakorabea优点
测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以
及其他不稳定因素的影响较小。 消除了大部分探测器热噪声的影响，提高了测量 结果的信噪比。 有比较宽的线性动态区
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。
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 Techniques[M] .(2009) [3] W. Becker, A. Bergmann, C. Biskup, T. Zimmer, N. Klker, K. Benndorf,Multiwavelength TCSPC lifetime imaging, Proc. SPIE 4,620 79������ 84 (2002) [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 中的应用[J].深圳大学学报（理工版）,2005,22(2) [6]张丽敏.时域荧光扩散光层析的基本理论与实验研究 [D].2009.
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[4]。
多光谱荧光寿命实验[2]
通常情况下为了避免光漂白效应，总的激光剂量
不可能太大，而且研究对象的荧光也可能发生动 态变化，此外，作为一种检测、诊断或治疗手法 应用到病人身上，激光功率还受到激光安全方面 的限制。因此用单色仪进行扫描获得时间分辨荧
光常常是不太可取的方法，此时要记录多个波段
的衰减曲线。
双色分光镜多波长探测侧系统
基本原理
光子入射到生物组织中，其经历伴随有反射、吸
收、散射和透射等过程。 光子在组织中的传输大多是基于传输理论。在传 输理论中，主要采用吸收系数、散射系数、各向 异性因子等来描述组织的光学特性。这些组织光
学特性参数是激光诊断、激光治疗、光剂量学等
理论和临床实践的基础。
什么样的？ 红外线 组织体 扩散光
ＳＴＯＰ ＳＴＡＲＴ
光电 倍增管 放大器
甄别器
延时器
ＴＡＣ A/D
甄别器
计算机
多通道 分析仪
显示器
TCSPC 经典工作方式[1]
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 一个荧光光子到达光信号接收器 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。
如何测量荧光寿命？
1. 时间相关单光子法 2. 调相法 3. 闪频法
有单色仪的荧光寿命光谱仪
[5] 计算方法
处于激发态的荧光分子在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：
I(t ) I 0 exp( t /τ )
荧光寿命原理图
τ (t 2 - t 1 ) / ln( I1 / I 2 )
时间相关单光子计数（TCSPC）技术简介
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。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
时间相关单光子计数(TCSPC)技术 原理及应用
信息工程学院
主讲人：Alen Fielding
目录
1 时间相关单光子计数（TCSPC）技术简介 2 光子计数技术 3 单光子计数器框图
4 TCSPC 实验方框图
5 TCSPC 经典工作方式和原理图
6 时间相关单光子计数技术的应用
应用
1. 由于荧光分子与溶剂的相互作用、构象变化以及与 蛋白、缩氨酸和脂质等的不同结合状态而引起的荧 光寿命变化。 2. 荧光分子的寿命随其周围环境的折射率而变化。
3. 压力对荧光寿命的影响在。
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。
在研究发光动力学方面更有它特殊用途.
光子计数技术
光子计数技术也就是光电子计数，是一种计量 离散的光子脉冲的数字技术。它所探测光电流强 度比光电检测器本身在室温下的热噪声水平（1014W）还要低，用通常的直流检测方法是不能把这 种湮没在噪声中的信号提取出来。光子计数方法 利用弱光照射下光子探测器输出电信号自然离散 的特点，采用脉冲甄别技术和数字计数技术把极 其弱的信号识别并提取出来。
光电倍增管（PMT）在不同光输入时的 输出 [1]
(a)输入光较强时PMT输 出有涨落的直流量。 (b)输入光较弱时PMT输 出光电流不再是连续 的。
(c)输入光极弱时PMT输 出离散的脉冲。
单光子计数器框图[1]
TCSPC 实验方框图[3]
纳秒闸控 放电灯 激光 单色仪 样品 荧光 单色仪
光电 倍增管 放大器
[7]覃东利.时间分辨组织体光学参数测量及扩散光学成 像实验研究[D].2007. [8]刘维.用于乳腺扩散光学层析成像的多通道光子计数 系统的设计[D].2007. [9]高峰,杨芳,和慧园.早产儿大脑血氧动力变化的二维 扩散光学层析技术[A].2007年中国科学技术协会年会论 文集[C].2007. [10]程颖,任明明,Poirier N等.心肌细胞NAD(P)H荧光 成分分析法监测心脏移植排斥反应[J].中国胸心血管外 科临床杂志,2009,16(6)
时间相关单光子计数技术的应用
一．荧光寿命实验 二．扩散光学层析
三．其他应用
荧光寿命实验
1. 什么是荧光？什么是荧光寿命？
2. 研究荧光寿命有什么意义？
3. 如何测量荧光寿命？ 4. 有什么应用？
什么是荧光？什么是荧光寿命？
当某种物质被一束激光激发后,该物质的分子吸收
能量后从基态跃迁到某一激发态上,再以辐射跃迁 的形式发出荧光回到基态.当激发停止后,分子的荧 光强度降到激发时最大强度的1/e所需的时间称为 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。
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
什么是扩散光学层析成像
扩散光学层析成(DiffuseOpticalTomography,DOT)就
是利用光与生物组织生理指标密切而灵敏的联系, 通过对组织体穿透能力较强的近红外光照射组织 体,由光电探测阵列采集漫射(扩散)光并取相关算 法反推光学参数空间分布进而反映关联生理变化。