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時間相關單光子計數原理

發布時間:2021-12-07 09:32:59 瀏覽量:4280 作者:Leaf

摘要

時間分辨熒光光譜是基礎物理和生命科學領域中強大的分析工具,目前大部分是一些有物理背景的科研人員在做這方麵的研究,期待不久的將來能催生時間分辨熒光光譜在生命科學領域中的廣泛国产成人在线观看免费网站。

正文


時間相關(guan) 單光子計數原理

在時域範圍內(nei) 實現時間分辨熒光光譜需要記錄激光脈衝(chong) 激發後發射光隨時間變化的強度分布。理論上可以記錄單個(ge) 激發-發射循環的信號的時間衰減曲線,但在實際国产成人在线观看免费网站中還存在著許多問題。首先,要記錄的時間衰減非常快,比如普遍使用的有機熒光團光致發光過程僅(jin) 持續幾百皮秒到幾十納秒;另外不僅(jin) 要獲取熒光壽命,還要還原熒光衰減曲線形狀,通常為(wei) 了解決(jue) 多指數衰減,必須能夠在時間上將記錄的信號解析到這樣的程度:由幾十個(ge) 樣品進行衰減。


使用普通的電子瞬態記錄儀(yi) 很難達到所需的時間分辨率。 另外如果發射的光太弱則無法產(chan) 生代表光通量的模擬電壓。 實際上光信號可能隻有每個(ge) 激發/發射周期的幾個(ge) 光子。 然後信號本身的離散特性導致無法進行模擬采樣。 即使可以通過增加激發功率來獲得更多熒光,也會(hui) 存在限製,例如,由於(yu) 收集光學損耗、檢測器靈敏度的光譜限製或在更高激發功率下的光漂白。Z終,當觀察到的樣品僅(jin) 由幾個(ge) 甚至單個(ge) 分子組成時,就會(hui) 出現問題。


使用時間相關(guan) 單光子計數tcspc)可以有效解決(jue) 上述問題。通過周期性激發可以將數據收集擴展到多個(ge) 激發和發射循環,因此可以從(cong) 多個(ge) 周期中收集到的單光子事件中重建單個(ge) 周期的衰減曲線。 


該方法基於(yu) 對單個(ge) 光子的重複、精確定時配準。 計時的參考是相應的激發脈衝(chong) 。 單光子靈敏探測器可以使用光電倍增管 (PMT)、微通道板 (MCP)或單光子雪崩二極管 (SPAD)。 假設每個(ge) 周期記錄一個(ge) 以上光子的概率很低,每個(ge) 時間段光子到達形成的直方圖表示從(cong) 單次時間分辨模擬記錄中獲得的時間衰減。 如有必要,可以通過衰減樣品處的光來滿足單光子概率的前提條件。



如上圖說明了如何在多個(ge) 周期內(nei) 形成直方圖。激光脈衝(chong) 反複激發產(chan) 生光致發光。 激發和發射之間的時間差是由像秒表一樣的電子設備測量的。 如果滿足單光子概率條件,實際上在許多周期中根本沒有光子。應該注意的是光子或空循環的出現完全是隨機的,隻能用概率來描述。 因此,這同樣適用於(yu) 各個(ge) 秒表讀數。



如上圖所示,秒表讀數被分成一個(ge) 由一係列“時間段”組成的直方圖。 時間段的寬度通常對應於(yu) 秒表的分辨率(幾皮秒),但可以選擇更寬以覆蓋更長的總時間跨度。 時間分辨熒光實驗的典型結果是一個(ge) 直方圖,隨著時間的推移,計數呈指數下降。對多個(ge) 分子的單次激發實驗中熒光強度呈指數下降可以解釋如下:假設從(cong) 1000 個(ge) 激發分子開始,設每個(ge) 分子在D1個(ge) 納秒內(nei) 返回基態的概率為(wei) 50%,在下一納秒的觀察中,又損失了 50%,依此類推,由於(yu) 光的強度是由在任意時間段內(nei) 發射的光子數量決(jue) 定的,因此它與(yu) 受激分子的存在數量成正比。


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