时间相关单光子计数.ppt

1、1.时间相关单光子计数技术的原理和应用，信息工程学院演讲人：阿廉菲尔丁，2。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实验框图5 TCSPC经典工作模式和原理图6时间相关单光子计数技术的应用，3。引入时间相关单光子计数法(TCSPC)，该方法最早是由布林杰、贝内特和柯克林在20世纪60年代建立的，用于探测由辐射激发的闪烁体的发射，后来被应用于荧光寿命的测量。其优点是：时间分辨率好，灵敏度高，测量精度高，动态范围大，输出数据数字化，便于计算机存储和处理。它已广泛应用于现代物理、化学、生物学等领域，尤其是发光动力学的研究。4.光子计数技术，也称为

2、光电子计数，是一种测量离散光子脉冲的数字技术。它检测到的光电流强度低于室温下光电探测器本身的热噪声水平(10-14W)，并且隐藏在噪声中的信号不能通过通常的直流检测方法提取。光子计数法利用弱光照射下光子探测器输出电信号的自然离散特性，利用脉冲鉴别技术和数字计数技术识别和提取极微弱信号。5、不同光输入下光电倍增管的输出1、当输入光强时，光电倍增管输出随直流电流波动。当输入光较弱时，光电倍增管输出光电流不再连续。当输入光非常弱时，光电倍增管输出离散脉冲。6、单光子计数器框图1、7、TCSPC实验框图3、纳秒门控放电灯、激光单色仪、样品、放大器、显示器、光电倍增管、多通道分析仪、光电倍增管、荧光单色

3、仪、放大器、鉴别器、延迟装置、计算机、鉴别器、TCSPC原理和示意图2、基本原理：使用窄光脉冲激发样品，然后检测样品发出的第一个荧光光子到达光信号接收器的时间。TAC按比例将该时间转换成相应的电压脉冲，然后通过模数转换将电脉冲引入多通道分析仪3。在多通道分析仪中，这些输出脉冲依次发送到每个通道进行累积和存储。获得了与原始波形一致的直方图。在一定时间间隔内探测到光子的概率与荧光发射强度成正比，荧光强度衰减规律可以通过重复测量得到。10，时间相关单光子计数技术的应用，荧光寿命实验的其他应用，扩散光学层析，11，荧光寿命实验，什么是荧光？什么是荧光寿命？研究荧光寿命的意义是什么？如何测量荧光寿命？有

4、哪些应用？12，什么是荧光？什么是荧光寿命？当一种物质被激光激发时，该物质的分子吸收能量，然后从基态跃迁到激发态，然后以辐射跃迁的形式发荧光回到基态。当激发停止时，分子的荧光强度下降到激发时最大强度的1/e所需的时间称为荧光寿命，它表示粒子处于激发态的平均时间。13、研究荧光寿命的意义是什么？荧光物质的荧光寿命不仅与其自身的结构有关，还与其微环境的极性和粘度有关，因此通过测量荧光寿命可以直接了解所研究体系的变化。荧光现象通常发生在纳秒，这只是分子运动的时间尺度。因此，许多复杂的分子间相互作用过程可以通过荧光技术“看到”，如超分子体系中的分子间聚集、固液界面上吸附聚合物的构象重排以及蛋白质高级结

5、构的变化。，14，如何测量荧光寿命？时间相关单光子法，相位调制法，闪光频率法，15，带有单色仪的荧光寿命谱仪，16，计算方法5，处于激发态的荧光分子在去激发到基态的过程中发射荧光并释放能量，并且被激发的荧光团的荧光强度的衰减由数学公式表示为单指数函数：17，荧光寿命示意图，18，多光谱荧光寿命实验2，通常为了避免光漂白效应，激光总剂量不能太大，并且研究对象的荧光可能动态变化。此外，作为应用于患者的检测、诊断或治疗技术，激光功率受到激光安全性的限制。因此，通常不建议用单色仪扫描来获得时间分辨荧光。此时，有必要记录多个波段的衰减曲线。19、双色分光镜多波长检测侧系统，20、多波长荧光实验，21、记

6、录罗丹明6G和荧光素混合物的荧光强度随时间和波长变化的曲线，22、时变单光子技术在测量荧光寿命方面的优缺点，它具有灵敏度高、测量结果准确、系统误差小的优点，是目前最流行的测量荧光寿命的方法。缺点：该方法所用仪器结构复杂，价格昂贵，测定速度慢，不能满足某些特殊系统对荧光寿命测定的要求。23、应用、荧光分子和溶剂之间相互作用引起的荧光寿命变化、构象变化以及与蛋白质、肽和脂质的不同结合状态。荧光分子的寿命随着周围环境的折射率而变化。压力对荧光寿命的影响是。电子和质子转移与荧光寿命的关系。光动力疗法的相关研究。金属纳米粒子的加入提高了荧光染料的辐射衰减速率和光稳定性。24，扩散光学层析成像(DOT)，

7、什么是扩散光学层析成像？基本原则是什么？主要应用是什么？优势：25。什么是扩散光学断层扫描？扩散光学层析成像(DOT)利用光与生物组织生理指标之间的密切而敏感的关系，用穿透能力强的近红外光照射组织，通过光电探测阵列收集扩散(扩散)光，并利用相关算法反演光学参数的空间分布，从而反映相关的生理变化。基本原理，入射到生物组织中的光子经历诸如反射、吸收、散射和透射的过程。光子在组织中的传输主要基于传输理论。在透射理论中，吸收系数、散射系数和各向异性因子主要用来描述组织的光学性质。这些组织光学特征参数是激光诊断、激光治疗、光学剂量学等理论和临床实践的基础。27，如何获得光学特性？28、红外线、组织、漫射

8、光、光学参数、光学特性、什么样的？29，各种组织成分的吸收光谱。从图中可以看出，在大约650-900纳米处有一个吸收窗口，并且在该波段几乎没有光吸收。因此，可以用近红外辐射组织，并且光子可以穿透组织并在此时被检测到。30，其中：a是散射系数，g是各向异性系数，S是减少的散射系数，eff是衰减系数，I0是初始光源强度，r是漫射(反射)光强度，从光源到检测器的距离，zo，zb，eff，rl和r2都是a和S的函数.扩散光扩散方程7，31，相对均匀的组织s可视为常数2，a，光学特性，时间相关的单光子计数，r，32，主要应用，乳腺断层摄影实例：乳腺癌检测8脑成像实例：早产儿血样动态变化成像9肌肉和骨骼研

9、究实例：骨光学实验，肌肉组织中血液动力学和氧动力学检测(实例：心肌细胞动态研究10)乳腺摄影示意图，34，左图：x光照片，右图，35，脑成像示意图，36，优点，测量结果与现有的x光计算机断层扫描和磁共振成像相比，数字成像系统具有无损、低成本和功能成像的优点。37，3。其他应用，1。光谱仪成就：亚纳秒荧光测量系统(中国科学院长春光学、力学与物理研究所，2004)皮秒时变单光子计数光谱仪的研制(中国科学院长春光学、力学与物理研究所，2003)应用：广泛应用于冶金、铸造、机械、金属加工、汽车制造、有色金属、航空航天、武器、化工等领域的生产过程控制。该方法能准确定量分析非金属元素(碳、磷、硫、硼等)。

10、)和片状、块状和棒状固体样品中的金属元素。38，2。GI-POF光纤3中窄脉冲激光的特性测量。全数字高精度激光测距系统的设计与实现。激光扫描显微镜，39，参考文献：1王静宜。多通道时间相关单光子计数DOT/FMT系统集成与操作平台的开发高级时间相关单光子计数技术，贝克尔，博格曼，比斯库普，齐默，克拉克，本多夫，多波长TCSPC寿命成像，程序。SPIE 4，620 7984 (2002)四个房间。荧光寿命测量的现代方法与应用J.化学通报，2001，64(10) 5刘立新，曲军乐，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(科技版)，2005，22(2) 6张立民.时域荧光扩散光学层析成像。时间分辨组织光学参数测量和扩散光学成像