时间相关单光子计数荧光寿命测量中数据获取和处理
使用光子计数器进行光学测量实验的数据处理方法
使用光子计数器进行光学测量实验的数据处理方法光学测量实验是现代科学研究中常用的实验之一，而光子计数器是光学测量实验中重要的工具之一。
光子计数器能够精确地测量光子的数量，从而可以用于研究各种物理现象。
然而，对于初学者来说，如何正确处理光子计数器得到的数据却是一项挑战。
本文将介绍一种常用的数据处理方法，帮助读者更好地理解和分析光学测量实验中的数据。
在进行光学测量实验时，我们通常会使用光源照射待测样品，并使用光子计数器记录通过样品的光子数量。
首先，我们需要将光子计数器与电脑等数据采集设备连接，并通过软件将数据导出到计算机中进行分析。
接下来，我们需要对导出的数据进行一些基本的预处理。
首先，我们需要去除实验过程中的噪声。
光子计数器在工作过程中会受到很多因素的干扰，例如环境光、电磁波等。
为了准确地测量样品光子的数量，我们需要通过滤波器等方法去除这些干扰信号。
一种常用的去噪方法是利用低通滤波器，将高频噪声滤除。
这样可以保留下信号中的低频成分，从而提高数据的质量。
接下来，我们需要进行功率归一化处理。
不同实验条件下，光源的功率会有所差异，因此我们需要对数据进行归一化处理。
一种常用的方法是通过光源的功率谱来计算光子的能量，并将数据除以该能量。
这样可以消除实验之间功率差异带来的影响，使得数据具有可比性。
在进行数据处理时，我们常常需要计算一些基本的统计特征，例如平均值、方差等。
这些统计特征能够帮助我们理解数据的分布情况。
对于光学测量实验来说，我们通常关注的是光子的计数率。
通过计算数据的平均值，我们可以得到光子的平均计数率。
而计算数据的方差可以帮助我们估计测量的精度。
如果数据的方差较大，说明测量的误差较大，需要进行进一步的优化。
除了计算统计特征外，我们还可以通过绘制直方图来更好地理解数据的分布情况。
直方图将数据划分成若干个区间，并统计每个区间内的数据数量。
通过观察直方图，我们可以发现数据的峰值、峰宽等特征，进一步了解光子计数器的输出特性。
荧光寿命_论文-自然科学论文
荧光寿命荧光寿命（ FLT）检测摘要这个技术手册介绍了荧光寿命（ FLT）这种新技术的基本原理。
从这本技术手册里，我们可以简单的了解与这项技术相关的理论基础和与之配合的实验条件，以及通过一项应用实例讨论了如何对实验中所获得的数据进行解析和归类的方法。
•微孔板技术在高通量筛选中的价值使用者利用一个 marker或者是标记物受光激发后，通过一台普通的微孔板阅读器，就可以监测生化和生物反应进程。
常用的读取模式包括检测吸收光，荧光强度(FI)，荧光偏振（FP），时间分辨荧光（TRF）。
一般没有方法能够包含所有可能的分析模式，如果达到这样的高分析程度，需要一个配套的方法能够覆盖尽可能宽的实验范围。
尽管如此，，还是会有一种方法被优选选择，通过它能够得到更可靠的数据，更高端的信息，以及迅速的读取数据。
荧光寿命被定义成荧光分析在回到基态之前驻留在激发态的时间。
荧光寿命对荧光标记物周围的微环境高度敏感。
当标记一个反应对，由于化学反应改变这个反应对的状态（例如在酶反应体系中）或者是发生了与其他结合伴侣的结合（例如受体 -配体的结合），将影响到上面所提到的微环境。
无论如何，检测荧光寿命将直接指示反应环境。
这类信号要远远强于通常会影响其它探测方法的干扰信号，因此它将为市场需求加入巨大的推动力。
Tecan Ultran Evolution detection platform已经融入了对荧光寿命的检测。
除了已经发展的各种检测方法以外，这项新技术使得Ultran Evolution技术平台具有更强的市场应用前景。
2.荧光寿命测定的原理用 Ultra Evolution测定荧光寿命采用的一种方法，称作时间关联的单光子计数（TCSPC）。
实验的基本流程显示在图1。
一个脉冲激光器重复激发样品。
调节激发脉冲的强度，使得对于任何一个脉冲，在探测器上只有一个光子被计数。
按照测量的激光脉冲和探测器感应之间的这段时间，将计数值引入已用荧光计数和时间绘制的柱状图。
荧光寿命测定
·632 ·
化学通报 2001 年 第 10 期 http :ΠΠwww. chemistrymag. org
的分子体积 ( V0 ) ,根据 Perrin 方程来计算荧光寿命[4] ,虽然这种方法所用仪器比较简单 ,但测定过
数有限 ,因此测量精度较差 。1980 年后多频相技术得到发展 ,相调制技术测定荧光寿命的精度也随之
提高 ,从而使复杂体系荧光寿命测定成为可能。但同时仪器也变得昂贵 ,实验测定难度也相应增大。
113 频闪技术[9]
频闪技术也叫脉冲取样 技 术 ( Pulse Sam2
pling Techniques) ,仪器工作原理示于图 3 ( a) 。
首先商品化 。此外 ,Edinburgh Instruments、IBH、HORIBA 等公司也在生产基于 TCSPC 的时间分辨荧
光光谱仪 。
TCSPC 的工作原理如图 1 所示 ,光源发出的脉冲光引起起始光电倍增管产生电信号 ,该信号通
过恒分信号甄别器 1 启动时辐转换器工作 ,时幅转换器产生一个随时间线性增长的电压信号 。另
除了直接应用之外 ,荧光寿命测定还是其它时间分辨荧光技术的基础 。例如基于荧光寿命测 定的荧光猝灭技术可以研究猝灭剂与荧光标记物或探针相互靠近的难易 ,从而对所研究体系中探 针或标记物所处微环境的性质作出判断 。基于荧光寿命测定的时间分辨荧光光谱可以用来研究激 发态发生的分子内或分子间作用以及作用发生的快慢 。另外 ,非辐射能量转移 、时间分辨荧光各向 异性等主要荧光技术都离不开荧光寿命测定 。因此本文拟对荧光寿命测定的主要方法 、各种方法 的原理 、特点以及荧光寿命测定的主要应用进行介绍 。
时间相关单光子计数原理
时间相关单光子计数原理好啦，今天咱们就聊聊一个听起来有点高大上的话题——“时间相关单光子计数原理”。
哎哟，这名字一听是不是就感觉一头雾水？别担心，咱们慢慢说，保准能让你明白。
你就把它当成一项特别神奇的技术，能帮助我们测量那些肉眼根本看不见的微小世界。
你听说过量子世界吗？那个地方光线、时间，甚至是物体的位置都特别捉摸不定，像魔术一样。
但有了这个技术，我们可以偷偷地偷窥一下这些神秘的存在。
什么是单光子计数呢？简单来说，就是在某个时刻，我们捕捉到一个光子，哪怕它就像小猫一样偷偷溜进了探测器。
你看，这个“光子”就像是宇宙中的一个小小信使，带着信息飞速穿越空间，告诉你一些事情。
我们常常在实验室里使用这种单光子计数来做一些精密的测量。
光子就这么像个灵活的小精灵，进进出出地告诉我们外面世界的微妙变化。
你瞧，一切都发生在我们眼睛看不见的地方。
嘿，别小看这一个小小的光子，它可不是随便能被捕捉住的哦。
而“时间相关”呢，说白了，就是咱们要记录光子出现的精确时刻。
这可不是说随便瞄一眼就能知道的，这个得依赖一些高精度的设备，像什么高速的电子设备呀，探测器呀，连一秒钟都不能浪费。
这时候，你得拿出你最强的时间感来，因为一切都需要在精准的时刻发生。
如果说整个实验室是个舞台，那这些光子就是主角，而你手中的计时器，就是导演，得确保每个光子按时出场，按时退场，不然一切就乱了套。
咋说呢，这一过程可真是不简单，光子虽然快，但你能捕捉它的瞬间可不容易。
就好像你在拍一张快照，想要在一秒钟内拍到某个快速动作的瞬间，结果发现，这个动作太快，光线太闪，甚至相机的快门反应不过来，拍不到。
这时候你就得依靠“时间相关单光子计数”这种高端技术，通过非常细致的时间把握，才能把那些看似转瞬即逝的光子抓住。
你想啊，这种技术常常用于量子通信、量子计算这些前沿的领域，能帮我们更好地理解量子世界的奥秘。
打个比方，它就像是你和朋友打游戏时，往往需要抓住一个很短暂的机会窗口，才能完成一项非常复杂的任务。
荧光寿命测定的现代方法与应用
荧光寿命测定的现代方法与应用房 喻 王 辉(陕西师范大学化学系 西安 710062)摘 要 介绍了时间相关单光子计数、相调制和频闪等三种现代荧光寿命测定方法的工作原理,指出了各种方法的优点和局限性;介绍了时间相关单光子计数实验数据的处理方法;概述了时间分辨荧光技术在化学和生命科学中的应用。
关键词 荧光寿命 单光子计数 相调制法 频闪技术Abstract The principles and characteristics of s ome of the m odern techniques,including time2correlated single2 photon counting(T CSPC),phase m odulation and strobe techniques,for fluorescence lifetime measurements have been briefly introduced.The advantages and disadvantages of each method have als o been pointed out.The comm on method used for the analysis of the fluorescence decay,taking T CSPC as an example,has been discussed in detail.On the basis of these introductions,the applications of time2res olved fluorescence techniques in chemical and biological re2 search have been overviewed.K ey w ords Fluorescence lifetime,T ime2correlated single photon counting,Phase m odulation methods,S trobe techniques荧光是分子吸收能量后其基态电子被激发到单线激发态后由第一单线激发态回到基态时所发生的,而荧光寿命是指分子在单线激发态所平均停留的时间。
单光子计数实验报告
引言：单光子计数实验是现代光子学研究中一项重要的技术手段，可以用于精确测量光子的数量和计数。
本文是对单光子计数实验的进一步探索和研究的报告，主要介绍了实验的设备和方法，以及实验过程中所遇到的问题和解决方法。
通过这些实验数据和分析结果，我们可以对单光子计数实验的原理和应用有更深入的了解，为相关研究和技术应用提供参考。
正文内容：一、实验设备和方法1.实验装置：我们采用了型光子计数器作为主要的实验装置。
该光子计数器具有较高的计数精度和稳定性，可以实现单光子计数和时间分辨测量。
2.实验光源：为了获得单光子信号，我们使用了一台型激光器。
该激光器可以发射高稳定度和窄脉冲宽度的光子，适用于单光子计数实验。
3.实验样品：我们选择了一种具有较高荧光量子效率的荧光物质作为实验样品。
通过调节样品的浓度和吸光度，我们可以控制单光子计数的强度和分布。
4.实验控制系统：为了实现精确控制和数据采集，我们采用了一个先进的实验控制系统。
该系统可以实时监测光子计数器的计数和时间，以及控制实验参数的设置。
二、实验过程和数据分析1.实验准备：在进行实验之前，我们需要对实验装置和控制系统进行校准和调试，确保实验的准确性和可靠性。
3.数据分析：通过对实验数据的分析，我们可以得到单光子计数的数据分布和统计特性。
在数据分析过程中，我们采用了一系列数学方法和统计模型，例如：泊松分布，高斯分布等等。
4.结果验证：为了验证实验结果的可靠性，我们进行了重复实验，并与模拟结果进行对比分析。
通过小概率事件的比较和实验误差的评估，我们可以确定实验的可信度和准确性。
5.实验拓展：在实验过程中，我们遇到了一些问题和挑战，例如：背景光噪声的影响，光子计数器的非线性等。
通过改进实验方法和技术手段，我们不断优化实验流程，并获得了更精确和可靠的实验结果。
三、实验结果和讨论1.单光子计数分布图：我们通过实验数据和分析，得到了单光子计数的分布图。
该分布图呈现出明显的峰值和尾部，符合光子计数的统计特性。
时间相关单光子计数
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
➢ 消除了大部分探测器热噪声的影响,提高➢ 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.
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
杂志,2009,166
析.
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
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.
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
6. 金属纳米颗粒结合后,荧光染料的辐射衰减速率和
时间相关单光子计数法测量荧光寿命-2011
时间相关单光子计数法测量荧光寿命（一）实验目的与要求目的：1、了解时间相关单光子计数法测量荧光寿命的原理和方法2、学习时间相关单光子计数荧光光度计的使用方法要求：1、掌握时间相关单光子计数法测量荧光寿命的原理；2、理解荧光寿命测量在物质定性及定量分析中的应用；3、了解时间分辨荧光光光度计的基本组成，各部件的作用；4、学习利用Origin软件处理实验数据。
（二）实验原理1 时间相关单光子计数器工作原理TCSPC（Time-Correlated Single Photon Counting）是目前主要应用的荧光寿命测定技术。
1975 年由PTI(Photon Technology International) 公司首先商品化，此外，Edinburgh Instruments、IBH、HORIBA 等公司也在生产基于TCSPC 的时间分辨荧光光谱仪。
TCSPC 的工作原理如图1 所示，光源发出的脉冲光引起起始光电倍增管产生电信号，该信号通过恒分信号甄别器1 启动时辐转换器工作，时幅转换器产生一个随时间线性增长的电压信号。
另外，光源发出的脉冲光通过激发单色器到达样品池，样品产生的荧光信号再经过发射单色器到达终止光电倍增管，由此产生的电信号经由恒分信号甄别器2 到达时幅转换器并使其停止工作。
这时时幅转换器根据累积电压输出一个数字信号并在多道分析仪(Multichannel Analyzer) 的相应时间通道计入一个信号，表明检测到寿命为该时间的一个光子。
几十万次重复以后，不同的时间通道累积下来的光子数目不同。
以光子数对时间作图可得到如图2 所示直方图,此图经过平滑处理得到荧光衰减曲线。
图1 TCSPC 的工作原理简图图2 时间相关单光子计数2 荧光寿命及其含义假定一个无限窄的脉冲光(δ函数) 激发n 0个荧光分子到其激发态，处于激发态的分子将通过辐射或非辐射跃迁返回基态。
假定两种衰减跃迁速率分别为Γ和k nr ，则激发态衰减速率可表示为)()()(t n k dtt dn nr +Γ-= 其中n (t ) 表示时间t 时激发态分子的数目，由此可得到激发态物种的单指数衰减方程。
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第18卷 第2期
核电子学与探测技术Vo l.18N o.21998年3月N uclear Electr onics &D etectio n T echno lo gy M ar ch 1998
时间相关单光子计数荧光寿命
测量中数据获取和处理
龚达涛 刘天宽 虞孝麒 沈广德 施朝淑 邓杰 杨炳忻
(中国科学技术大学近代物理系,合肥,230027)
本文介绍了时间相关单光子计数荧光寿命测量中的数据获取系统和数据分析方法。
关键词:时间相关单光子计数 荧光寿命 最小二乘曲线拟合 多指数函数拟合
1 引言
时间相关单光子计数技术[1]是测量纳秒级荧光寿命的一种方法,具有时间分辨好,灵敏度高等优点,在物理学、化学、生物医学等领域有广泛的应用。
下面介绍我校物理系和近代物理系
合作建立的一套时间相关单光子计数荧光寿命测量系统中的数据获取系统和数据处理方法。
图1 脉冲放电光源作为激发源的荧光谱仪的系统组成框图
2 数据获取系统
使样品产生荧光的激发源可以是激光、脉冲
放电光、同步辐射光、放射源等。
图1是脉冲放电
光源作为激发源的荧光谱仪的系统组成框图。
激发光单色仪和荧光单色仪分别选取合适波
长的激发光和出射荧光。
调节光通量使进入光电
倍增管的荧光为单光子。
样品发射荧光经光电倍
增管、快放大器、恒比定时甄别器作为时幅变换器
(TAC )的启动信号(START ),脉冲光源的光经
光电倍增管、快放大器、恒比定时甄别器、延时器
作为TAC 的停止信号(ST OP)。
用荧光作T AC
的启动信号可避免有激发光无荧光时T AC 超时
引起的死时间。
模数变换器(ADC )、微机输入接
口卡和微计算机组成了计算机化的多道分析器,
用以测量样品的荧光衰变时间谱。
微机输入接口卡还通过对两个恒比定时甄别器的输出信号计数来测量激发光和荧光的计数率,以监测样品的荧光激发效率。
其中微机输入接口卡是我们自行研制的。
荧光谱仪的时间分辨主要由光电倍增管、快脉冲放大器、恒比定时甄别器、TAC 、ADC 等部件的时间晃动决定。
测试表明,在其他部件仔细选择的情况下,该谱仪的时间分辨主要由光电倍增管的时间晃动决定[2]。
119
图2 数据采集主程序和中断处理子程序流程图3 微机输入接口卡和在线数据采集程序
微机接口电路由一片8255和两片8253芯片
以及时序逻辑电路组成。
ADC 数据通过8255芯
片获取,8255设为工作模式1,当ADC 卡上A/D
变换完成时,8255自动将数据读入片上缓存,向
计算机发出中断请求信号。
中断处理子程序从
8255中读入数据,放入显示缓冲区,在线数据采
集主程序从显示缓冲区取数据并实时显示。
恒比
定时甄别器的信号用8253计数,分别对应激发光
子和荧光光子计数(见图1),利用微机内部时钟,
采集软件每隔1s 读取激发光光子和荧光光子计
数,计算这段时间的计数比,在屏幕上显示出来。
实时监测这个参数对实验人员调试系统比较重
要。
在线数据采集软件在数据采集的同时,还可
以实时进行谱显示,监测出射荧光/激发光计数比。
主程序用Borland C ++3.1编写,中断处理子程序和数据接口初始化部分用汇编语言编写。
界面采用图形化界面,操作简单方便。
由于实验测量时间往往较长,采集软件允许用户设定定时间、定谱峰高、定激发光计数和定谱总计数等4种自动终止方式。
终止条件满足时采集软件将停止采集,并将数据自动存盘,因此可以实现无人看守自动工作。
在采集过程中允许用户进行逐道查看谱数据、谱图放大缩小等操作,允许用户随时用键盘中断采集过程,便于实验人员调试系统。
图2是数据采集主程序和中断处理子程序流程图。
4 离线数据分析
离线数据分析程序从所选激发光波长和荧光波长的时间谱数据出发,分析各荧光成分的强度和寿命。
含有多种衰变成分的荧光时间谱假定为:
G (t )=∑M
k =1A k ex p(-t / k )(1)
其中A k 为第k 种成分的幅度, k 为第k 种成分的寿命,M 为成分数量。
考虑仪器响应函数P (t )和本底计数B 的影响,测量时间谱应为
Y (t )=B +∫+∞-∞P (t ′)G (t -t ′)d t ′(2)
离线分析的任务是从实测曲线I (t )及仪器响应函数P (t )分析各成分的强度A k 和寿命 k 。
分析采用非线性最小二乘曲线拟合方法,迭代过程用M ar quardt 法[3]。
拟合初值可由用户输入,也可对曲线粗略分析得到。
如对两种衰变成分的衰变曲线,先由曲线尾部段进行单指数曲线拟合得到长寿命成分参数,再由曲线前段进行双指数曲线拟合得到(其中长寿命成分参数已得到)短寿命成分参数。
120
拟合过程中所用的目标函数为:
2=∑N 2
i =N 1[I (t i )-B -Y (t i )]2I (t i )
(3)其中N 1、N 2为拟合的起始道和终止道。
拟合过程应使得 2最小。
拟合效果采用两个方法检验:第一个依据是拟合优度,定义为
2v = 2min /(N 2-N 1+1-r )
(3)其中r 为要分析的参数个数。
对于泊松分布的数据, 2v 应接近于1。
2 太小,可能是数据量太小
的缘故。
2v 太大,可能是拟合曲线假设不合理。
第二个依据是残差
R (t i )=I (t i )-B -Y (t i )(3)
对于好的拟合,R (t i )应在0两侧随机分布;如果假设曲线不合理,R (t i )的分布往往呈某种规图3 BaF 2的荧光寿命谱
律性。
5 实验结果
图3是用该谱仪测得的BaF 2的
一个荧光寿命谱,实验条件是:激发
光220nm ,荧光61.1nm,温度10K,
仪器函数假定为 函数。
图3a 纵轴
为计数值的对数,横轴是时间,每道
0.08ns,散点为实验数据点,实线为
拟合曲线。
图3b 为归一化的残差分
布曲线。
分析结果表明,两种成分的
寿命分别为0.81、14.9ns ,幅度分别
为60.27和0.016,拟合优度为
1.17。
参 考 文 献
1
邢蕴芳.时间相关单光子计数法及其生物学应用前景.生物化学与生物物理进展,1987.(3):36.2
沈广德.一个时间分辨谱仪的电子学系统的研制(硕士论文).合肥:中国科学技术大学.1991.26.3刘钦圣.最小二乘问题计算方法.北京工业大学出版社.1989.90.(1997年1月7日 收到)Data A cquisition and Processing for T ime Correlated Single
Photon Counting Fluorescence Lifet im e M easuring
ong Datao Liu Tiankuan Yu Xiaoqi Shen Guangde Shi Chao shu Deng Jie Yang Binx in
(Dept of M odern Phy sics,U ni o f Science and T echno lo g y of China,Hefei,230027)
Abstract
T his paper int ro duces the data acquisitio n sy st em and off-line data pro cessing pr og ram fo r time co rr elat-ed sing le photo n co unt ing fluor escence lifetime measur ing .
(Key Wo rds:T ime co rr elated sing le pho to n counting Fluor escence lifetime L east squar e curv e fitting M ulti-ex ponential curv e fitting )
【作者简介】
龚达涛,男,26岁,硕士,博士生;刘天宽,男,28岁,助教,硕士;虞孝麒,男,58岁,教授;沈广德,男,33岁,工程师,硕士;施朝淑,女,59岁,教授,博导;邓杰,男,29岁,讲师,博士;杨炳忻,男,51岁,教授。
121。