2020最后一天 || 时间相关单光子计数技术的原理和优点

最新推荐文章于 2025-02-23 14:01:15 发布

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分类专栏： # 计算成像 # 非视域成像 # 硬件文章标签：时间相关单光子计数 TCSPC 单光子检测光子计数

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本文介绍了时间分辨荧光光谱法中时间相关单光子计数（TCSPC）技术的工作原理和显著优点。TCSPC解决了传统方法在记录快速衰减信号和弱光信号处理上的难题，通过高时间分辨率的SPAD传感器和周期性激励来收集和重建荧光衰减曲线。该技术基于单光子事件的精确定时配准，利用直方图存储光子到达时间，从而实现对短寿命荧光的高效测量。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

传统方法及缺点

传统方法原理：

记录单个激发-发射循环中信号的时间衰减曲线

传统方法缺点：

要记录的衰减非常快。来自有机荧光团的典型荧光仅持续几百皮秒到几百纳秒。为了恢复荧光寿命，短至例如对于200 ps，必须至少能够解析记录的信号，以使指数衰减由几十个采样时间点表示。这意味着所需的瞬态记录器将必须在例如20 ps时间步长(=200ps/几十)。用合理的动态范围的普通电子瞬态记录器很难做到这一点。

可用的光可能太弱以至于无法采样模拟时间衰减。实际上，每个激发/发射信号可能仅包含单个光子。对于单分子实验或在微量样品体积/浓度下工作通常是这种情况。然后，信号本身的离散特性导致无法进行模拟采样。即使一个分子可以通过增加激发功率以获得更多的荧光，也会有一些限制，例如：由于收集光学损耗，探测器灵敏度的光谱极限或较高激发功率下的光致漂白。

上述两个缺点使用普通电子瞬态记录器很难克服。

时间相关单光子计数(Time-Correlated Single Photon Counting， TCSPC)及优点

优点

对于记录衰减非常快的问题，利用高时间分辨的SPAD Sensor解决；

对于可用的光子太弱的问题，它利用周期性激励（例如来自一个激光器），可以将数据收集扩展到多个周期，因此可以从多个周期中收集的单个光子事件中重建单个周期的衰减曲线。

原理

该方法基于重复的，精确定时的例如单个光子(例如荧光信号)的配准；

定时的参考是相应的激励脉冲；

TCSPC需要配合单光子敏感探测器使用，可以使用光电倍增管（PMT）或单光子雪崩二极管（SPAD）；

假设每个周期记录一个以上光子的概率很低，则每个时间段光子到达所构成的直方图就相当于是从一次拍摄的时间分辨模拟记录中获得的时间衰减。

如果需要，可以（并且必须，否则功率太大会烧坏）通过衰减样品的光水平(即SPAD sensor输出的信号)作为判断单光子概率的先决条件。如果满足单个光子概率条件，则实际上在许多周期中根本没有光子(因为只是概率条件)。下图说明了如何在多个周期内形成直方图。

上述原理如图1所示。

图1 时间相关单光子计数器原理
(source: PicoHarp 300软件使用说明)

直方图收集在一块内存中，其中每个内存单元保存一个时间段(time bin)的光子计数。

(time channels <=> time bins, 都表示时间段；)

实际上，一个光子的配准包括以下步骤：

首先，必须测量光子事件和相应的激发脉冲之间的时间差。
- 为此，两个信号都被转换为电信号。
- 其中，测量光子事件(如荧光光子)的发生时间由单光子探测器同步得到；激发脉冲的时间则通常由激光器同步得到。
- 显然，所有向电脉冲的转换都必须尽可能准确地保持信号的精准定时；
  - 实际的时差测量是通过提供数字定时结果的快速电子设备(fast electronics)完成的。