[发明专利]一种基于少通道TCSPC和多探测器的时间分辨荧光测量系统

说明书

本发明提供了一种基于少通道TCSPC和多探测器的时间分辨荧光测量系统，包括：激光光源，用于发出高频脉冲激光以激发样品发出荧光；分光组件，用于将不同波长的所述荧光在空间中分开；多个光子探测器，设置在不同位置上，用于探测由所述分光组件分离开的不同波长的荧光，并将光信号转化为光电脉冲信号；单光子计数器，具有两个以上通道。所述多个光子探测器中的每一个光子探测器探测到的光电脉冲信号经过连接多个探测器的不同电路传递到所述单光子计数器的多个通道中，通过光电脉冲信号到达不同通道的时间差来确定光电探测器的编号。本发明通过采用多个探测器，计数器的利用效率最高可以大幅提高。

技术领域

本发明涉及时间分辨荧光测量技术领域，尤其涉及一种基于少通道时间相关单光子计数器(TCSPC)和探测器的时间分辨荧光系统。

背景技术

时间相关单光子计数(TCSPC，time-correlated single-photon counting)技术是在1960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。它具有时间分辨本领好，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优点。TCSPC时间分辨荧光测量系统(以下简称“TCSPC系统”)的结构和基本工作原理，如图1(a)所示，TCSPC系统通常采用高重复频率的激发光源，现在常用的有80Mhz，40MHz，20MHz，10MHz等，对应的脉冲间隔时间为12.5ns，25ns，50ns，100ns等，这个时间被称为一个激发周期。该高频脉冲激光光源被分为两束，此两束的物理特性完全相同。其中一束激光用于激发样品室内的样品(荧光物质)，样品受到激光光源照射发出荧光。由于荧光体系中可能存在弛豫过程，会使得荧光存在不同的寿命。该荧光通过滤波片、偏振片和聚焦透镜后进入单色仪。接着，通过单色仪的单色光进入光子探测器，光子探测器将光信号转换为光电脉冲信号，该光电脉冲信号(脉冲信号)经电缆(即通道ch1)传输到单光子计数器中。另一束激光作为同步脉冲信号(即通道ch0)，用于触发单光子计数器，计数器受到触发而开始计数。

第一束激光连续地发出单个脉冲，依次激发样品产生荧光；第二束激光的连续脉冲依次触发TCSPC系统，且此二束激光脉冲的激发和触发是同步进行的。由于是单光子计数器，每个激发周期时间内只记录第一个到达的光子信号。然后检测样品发射的第一个荧光光子到达光子计数器的时间。这里，一个激发周期被分成很多时间间隔，每个时间间隔即为一个时间通道。每个激发周期内被检测到的荧光光子均被依次送入各对应的时间通道中累加贮存，通过计算机处理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，重复多次测量就能得到荧光强度衰变的规律，如图1(b)所示。

图1(c)即是某一波长处的荧光衰减曲线，其中横轴表示时间，纵轴表示光子计数数量。图中曲线的上升沿就是零时刻，表示此时刻开始出现荧光辐射。可以通过ch0或者ch1的电缆线长度来调节该零时刻的位置。

测量不同波长下的时间分辨荧光光谱可以获得更多的激发态能级信息，所以可以测量不同波长下的时间分辨荧光光谱的设备是很有意义的。而传统的TCSPC系统每次激发时，要求被激发出的荧光足够弱，平均每个激发周期只能记录到0.01个光子以下，也就是说，平均激发100次才能探测到一个光子，尽量保证每个激发周期只有一个光子到达计数器，因此计数器的利用率不高。

因此，需要一种能提高计数器利用效率的时间分辨荧光测量系统。

发明内容

本发明基于上述现有技术的缺点，提出了一种基于少通道时间相关单光子计数器和多探测器的时间分辨荧光测量系统。通过单光子探测器光电脉冲信号经过不同电路到达时间相关单光子计数器不同时间通道的时间差别，确定单光子探测器的编号Di信息，之后将该光电脉冲与同步信号之间的时间间隔累加到单光子探测器Di对应的时间通道中，从而实现一种基于少通道时间相关单光子计数器和多探测器的时间分辨荧光光谱和成像的快速测量。