CN102590159B - 基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量方法及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量方法，包括1)用高重复频率的脉冲光照射样品激发荧光；2)按一定周期诱导样品的荧光寿命发生瞬态变化；3)探测所述样品的荧光光子，输出所对应的代表单光子信号的高速数字脉冲信号；4)将光子的宏时间划分成各个时间区间，按照宏时间将光子分配入不同的组别，所述组别与光子宏时间所在的时间区间对应；5)对于每个宏时间区间内的光子，根据所述高速数字脉冲信号进行时间相关单光子计数，得出该宏时间区间内各荧光光子的相对时间形成的一条荧光衰减曲线，从而得出各宏时间区间内的荧光衰减曲线。本发明还提供了相应的瞬态荧光寿命测量系统。本发明能够进行纳秒级时间序列的瞬态荧光衰减动力学曲线的记录。

Description

基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量方法及测量系统

技术领域

本发明涉及荧光寿命测量技术领域，具体地说，本发明涉及一种瞬态荧光寿命测量方法及相应的测量系统

背景技术

测量标记及非标记的荧光团的荧光寿命是研究生物体系的结构及物理、化学特性的重要手段之一。例如，通过测量标记及非标记的荧光团的荧光寿命，可以获得组织代谢的状态、蛋白质或DNA结构的变化、分子间的相互作用等各方面的信息。并且，通过荧光寿命的测量还可以实现高空间分辨率的成像。可以看出荧光寿命的测量是当前生物光子学领域的重要技术手段之一。

时间相关单光子计数技术(TCSPC)是一种高灵敏度、高时间分辨率(可达到皮秒量级)、高准确度的时间分辨荧光寿命测量技术。该技术本质上是采用一种大样本统计的方式，通过大量收集每个单光子信号到达的时间来获得光子数量-时间坐标分布图，从而测量出样品的荧光寿命。下面通过一个典型的TCSPC荧光寿命测量系统来简要介绍TCSPC的工作原理。

图1示出了现有技术中一种典型的TCSPC荧光寿命测量系统，如图1所示，该系统由激光光源、样品池、二色镜、透镜、滤光片、光子探测器、数据采集卡和数据输出设备组成。其中，激光光源输出周期性脉冲激光，该周期性脉冲激光经过二色镜反射后照射所述样品池使样品池内的样品产生荧光，该荧光经过透镜收集，透过二色镜，然后经滤光片选择所需探测的波长，再由光子探测器接收，光子探测器将所接收的荧光的单光子信号转换成电信号，输出至所述数据采集卡。数据采集卡根据脉冲激光的同步信号来得出每一个单光子信号到达的相对时间，所述同步信号与所述激光光源的脉冲激光的周期相同。

对于荧光样品，当激发光的波长使它能够被样品吸收时，样品会发射出荧光。当激光单脉冲能量、样品消光系数、样品浓度、荧光量子产率四者乘积足够小时，样品发射出一个荧光光子的概率小于1，所以当满足以上条件时，对于每一个周期的激光脉冲激发，样品只可能发出一个荧光子，或者不发出荧光光子。所以，只需要在数据采集卡设置一个单光子信号阈值即可判断当前时刻是否接收到单光子信号。具体地，当光子探测器所输出的电信号大于该阈值时，判断当前时刻接收到单光子信号，当光子探测器所输出的电信号小于该阈值时，判断当前时刻没有接收到单光子信号。在判断当前时刻接收到单光子信号时，数据采集卡还需要记录单光子信号到达的时刻与激发光脉冲的时间差，即荧光光子的发射和它的激发光脉冲的相对时间。在TCSPC荧光寿命测量系统中，单光子信号到达时，记录当前时刻相对于同步信号上升沿(或下降沿)的延时，这样即可记录该光子到达时刻在一个周期内的相对位置(指时间轴上的位置)。

如图2所示，按照上述方法，记录N个周期的单光子信号到达时刻。以一定的时间分辨率将一个周期分为若干个时间区间，将每个光子的到达时刻划分到各个时间区间，统计出各个时间区间内的光子数目，从而得出光子数量-时间坐标分布图。从图2中可以看出，在一个周期内，荧光的光子数先增多再逐步减少，本领域普通技术人员容易理解，可根据所述光子数量-时间坐标分布图，经过合理的函数曲线拟合，即可得出单指数衰减的荧光的寿命，或者是多指数衰减的荧光的各个组分的寿命及权重。

通过上述TCSPC工作原理介绍，容易看出，相对于高速光电探测器+示波器直接采集波形的技术，TCSPC荧光寿命测量系统具有灵敏度高、等效带宽大(可达几百GHz)、时间分辨率高、受噪声干扰小、准确度高等诸多优点。相对于条纹相机技术，TCSPC设备成本较低，并且由于只需要弱光激发，所以TCSPC技术可保证被测样品在测量过程中不会因为强光激发导致破坏或者是荧光寿命的改变，进而保证了信号可真实反映样品的物理、化学信息。

基于上述优势，目前TCSPC已广泛的应用荧光寿命成像、扩散光学层析及单分子光谱等各个领域中。然而，传统的TCSPC荧光寿命测量系统仍然存在一些局限。TCSPC测量原理决定了它需要采集大量周期内的荧光光子，要记录足够多的光子信号需要花费一定的时间，这段时间内，要求样品的荧光衰减曲线的形状保持不变，这样得到的统计结果才是准确的。所以早期的TCSPC技术只能测量稳态的荧光寿命。而在很多实际研究中，研究人员往往会对各种非稳态的现象感兴趣，即样品荧光寿命处于变化中，这就需要去追踪荧光寿命的变化过程。

导致荧光寿命变化的因素有很多，包括强激光对系统的激发、样品所处的化学试剂的种类、蛋白质或DNA等大分子空间构象变化所引起的与之相连的荧光团所处微环境的改变。样品荧光寿命的变化可以发生在纳秒到数小时的时间尺度，而那些在纳秒至几十微秒时间内引起荧光寿命变化的方法和现象有激光脉冲升温、压力跳变、PH跳变等手段引起的生物分子空间构象变化。跟踪标记或非标记样品的荧光寿命的变化，可以观察蛋白质折叠或DNA等生物大分子空间构象变化的动力学过程，获得蛋白质相互作用信息、研究化学反应动力学问题等。所以瞬态荧光寿命测量技术是一种非常有效的研究手段。

随着技术的进步，通过高重复频率激光光源以及更先进的电子技术，可以使收集光子信号的时间大大缩短，从而使TCSPC可以用来研究动态变化的荧光寿命现象。比如：文献《高级时间相关单光子计数技术》W.Becker著，屈军乐译，科学出版社，2009，86～89页中介绍的蛋白质停流实验和叶绿素瞬态荧光实验，分别实现了100ms和100μs尺度的时间序列的动态荧光寿命测量，文献O.Bilsel，C.Kayatekin，L.A.Wallace，C.R.Matthews，Amicrochannel solution mixer for studying microsecond protein foldingreaction，Rev.Sci.Instrum.76，014302(2005)中报道的实验结果将瞬态变化的荧光寿命的时间序列测量推进到了5μs的分辨率尺度。

然而，由于电子学系统的信号采集死时间(dead time)、以及信号存储最小时间等时间的限制，使得每条荧光衰减动力学曲线的采集时间难以再进一步地降低，因此，现有的TCSPC荧光寿命测量系统难以将时间序列的间隔提高到纳秒量级的分辨率，即难以测量荧光寿命瞬态变化的超快过程。而如果能跟踪标记或非标记样品的瞬态荧光现象，就可以观察蛋白质折叠或DNA等生物大分子空间构象变化的超快动力学过程，获得蛋白质相互作用信息、研究化学反应动力学等问题，因此，测量瞬态变化的荧光寿命具有重要的研究意义。

综上所述，当前迫切需要一种能够进行纳秒级时间序列记录的瞬态荧光寿命测量方法及相应的测量系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够进行纳秒级时间序列记录的瞬态荧光寿命测量方法及相应的测量系统。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量方法，包括下列步骤：

1)用高重复频率的脉冲光照射样品激发荧光；

2)按一定周期诱导样品的荧光寿命发生瞬态变化，该瞬态变化满足：当触发到达后，样品荧光寿命开始发生瞬态变化，经过一段时间后样品特性及荧光寿命经历回复过程，在下一个触发到达前，样品特性及荧光特性回复到原有状态；

3)探测所述样品的荧光光子，输出所对应的代表单光子信号的高速数字脉冲信号，其中每一个数字脉冲代表所探测到的一个光子；

4)将光子的宏时间划分成各个时间区间，按照宏时间将光子分配入不同的组别，所述组别与光子宏时间所在的时间区间对应；所述宏时间是该荧光光子相对于荧光寿命变化的开始时刻的时间，所述相对时间是该荧光光子相对于激发出该荧光光子的高重复频率脉冲光的相应脉冲的时间；

5)对于每个宏时间区间内的光子，根据所述高速数字脉冲信号进行时间相关单光子计数，得出该宏时间区间内各荧光光子的相对时间形成的一条荧光衰减曲线，从而得出各宏时间区间内的荧光衰减曲线。

其中，所述步骤4)包括下列子步骤：

41)将代表单光子信号的高速数字脉冲信号输入一个外触发延时门控选通模块，并由外触发延时门控选通模块的各个不同通道输出；其中每个通道的选通门处于打开状态的时间对应于荧光光子的宏时间区间，光子出现的宏时间位于某个选通门的时间区间内时，便从该选通门内通过且不会从其它选通门内通过；

42)所述外触发延时门控选通模块的各个通道与一个脉冲信号路由器的各个通道一一对应地连接，当某个通道有数字脉冲信号输入时，将该高速数字脉冲信号以原有波形输出，同时将该通道的通道号以数字编码信号的方式输出，该编码信号对应于光子宏时间所在的时间区间.

其中，所述步骤5)中，所述宏时间区间内的时间相关计数并行进行，将所述脉冲信号路由器输出的每个光子的数字脉冲信号和及其对应的编码信号输入一个时间相关单光子计数模块；对于每个光子，通过编码信号打开特定的存储地址单元，并将该光子的相对时间存入该存储地址单元；处于不同宏时间区间的光子则由它们相对时间所存储的地址所在的单元进行区分；

所述步骤5)中还包括：将所有荧光衰减曲线按照其宏时间区间依次排列，形成序列的荧光衰减曲线；所得出的形成序列的荧光衰减曲线中，相邻两个荧光衰减曲线的时间间隔与外触发延时门控选通模块的相邻两个选通门的打开时间的间隔相同，该间隔通过控制所述选通门的打开时间进行调节。

本发明还提供了一种基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量系统，包括：

样品池模块，用于容纳样品；

瞬态荧光寿命变化诱导设备，用于通过一定的方式使样品的荧光寿命发生快速的瞬态变化，该瞬态荧光寿命变化诱导设备具有以下特征：触发到达后，该设备使样品荧光寿命发生瞬态变化，经过一段时间后样品特性及荧光寿命经历回复过程，在下一个触发到达前，样品特性及荧光特性回复到原有状态，以保证每一次触发到达后引起物理、化学或生物现象具有可重复性；这个过程以一定周期重复进行；触发所述瞬态荧光寿命变化诱导设备的周期性信号与触发所述外触发延时门控选通模块的信号之间具有一定的时间差，该时间差可以从正时间差调节到负时间差；

光子探测器模块，用于接收样品荧光的光子得出相应的模拟电压脉冲信号，进而通过阈值鉴别来判断其中模拟电压脉冲是否为单光子模拟电压脉冲，通过恒比鉴别来确定单光子模拟电压脉冲的起始位置，然后将模拟电压脉冲信号转换成高速数字脉冲信号，其中每一个数字脉冲代表着光电探测器模块探测到的一个光子；

外触发延时门控选通模块，用于接收光子探测器模块输出的高速数字脉冲信号，并选通特定时间门内的代表单光子信号的数字脉冲，将单光子信号按其所属的宏时间归入不同的时间区间；

脉冲信号路由器，用于接收外触发延时门控选通模块所输出的高速数字脉冲信号；判断脉冲信号出现在外触发延时门控选通模块的哪一个通道，将通道号码编码成编码信号输出，不同的通道代表单光子信号的宏时间所在的区间，同时还将输入的经过时间门选通的数字脉冲信号以完全相同的波形输出；

同步时钟信号源，用于提供与荧光激发光源重复频率相同的、相位锁定的同步时钟信号；

时间相关单光子计数模块，用于记录每个单光子出现时间与同步时钟信号相应脉冲的相对时间，同时接收所述脉冲信号路由器输出的编码信号，并根据所对应的编码信号将每个单光子的信息存储至相应的地址单元，单光子信号所出现的时间相对于荧光寿命发生变化的开始时刻作为宏时间，将所述宏时间归入不同的时间区间并放入相应的存储地址单元，所述宏时间的不同时间区间由存储地址单元进行区分；以及

控制分析模块，用于根据所采集到的各单光子信号的所述相对时间和所述宏时间进行统计、拟合从而得出形成序列的荧光寿命曲线，同时还用于对整个系统进行控制。

其中，所述外触发延时门控选通模块中，每个选通门处于打开状态的起始时间可独立调节。

其中，所述外触发延时门控选通模块为多通道外触发延时门控选通模块，所述的多个通道由一个外部信号触发后并行开启，形成多个并行的选通门，每个选通门所在的时间位置代表了一个特定的宏时间区间，用于判断前一级的光子探测器模块输出的数字脉冲信号能否通过，当光子探测器模块输出的数字脉冲信号出现的宏时间时刻位于其中一个选通门代表的时间区间之内时，便可以从该选通门内通过。

其中，相邻两个选通门的间隔可调，调节步长为纳秒量级。

其中，所述基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量系统还包括瞬态荧光寿命变化启动信号源和双路延时器；

所述瞬态荧光寿命变化启动信号源用于给双路延时器同时提供触发信号，该信号的重复频率为Hz～kHz量级。

所述双路延时器的输入端接收瞬态荧光寿命变化启动信号源的输出信号，该信号经过两个不同的延时后，在双路延时器的两个输出端分别输出，其中一路用于触发瞬态荧光寿命变化诱导设备，另一路用于给所述外触发延时门控选通模块提供外触发信号。

其中，所述双路延时器提供给所述外触发延时门控选通模块的外触发信号与提供给所述瞬态荧光寿命变化诱导设备的开始信号之间的相对延时可调，相对延时调节范围从-10ms～+10ms。

其中，所述瞬态荧光寿命变化诱导设备采用激光脉冲升温、PH跳变、压力跳变或者其它能使样品物理、化学特性在纳秒至微秒尺度发生瞬间变化的诱导技术，样品物理、化学特性的变化导致样品荧光寿命的改变。

其中，所述单光子探测器模块包括安全保护电路，用于确保进入光子探测器的光为单光子光强，并在光强超过单光子强度时控制挡光快门，使探测器关闭，同时还提供开盖保护，在仪器开盖时关闭探测器。

其中，所述外触发延时门控选通模块与脉冲信号路由器之间安装有电压匹配模块，用于使前后级电压达到匹配。

其中，所述基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量系统还包括荧光激发光源是高重复频率脉冲光，用于提供激发荧光的高重复频率的脉冲光；以及

光路系统，该光路系统包括荧光激发耦合光路和荧光收集耦合光路；其中，荧光激发耦合光路用于调节激发光的光强并将激发光引入样品池，荧光收集耦合光路用于收集样品发射的荧光。

其中，所述编码信号是TTL编码信号。TTL全称为Transistor-TransistorLogic，中文译为晶体管-晶体管逻辑。

相对于现有技术，本发明具有下列技术效果：

1、与现有的各种荧光寿命测量技术相比，本发明可进行纳秒级时间序列的瞬态荧光衰减动力学曲线的记录，其中，纳秒级的时间序列，即相邻两条荧光衰减曲线的时间间隔最低可达纳秒量级，本发明中，该时间间隔从4.5ns～138ns可调。

2、本发明使用弱光激发，相比于其它技术，不会损坏样品，或改变荧光发射的特性。

3、本发明使用单光子计数的方法进行测量，相比于高速光电探测器+示波器直接采集波形的技术，可抑制背景噪声和热噪声的干扰，信噪比高。

4、本发明使用单光子计数的方法进行测量，相比于高速光电探测器+示波器直接采集波形的技术，响应速度快，响应函数半高宽窄，响应函数中不存在电容、电感引起的过冲和振荡效应，响应函数不随光强改变，使数据在后期处理拟合中符合退卷积的数学条件，各组分寿命测量准确性高。

5、本发明使用单光子计数的方法进行测量，可在样品浓度很低的情况下测量，甚至是单分子测量。

6、本发明不仅可实现瞬态变化的荧光寿命的测量，而且可覆盖传统TCSPC系统测量稳态荧光寿命，或慢速变化的动态荧光寿命的功能。

7、本发明可测量的荧光波长覆盖光谱范围宽，可从300nm～850nm。可测量的最短荧光寿命可达0.1ns。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1示出了现有技术中的一个典型TCSPC技术的测量装置的示意图；

图2示出了传统TCSPC技术测量原理示意图；

图3示出了本发明的一个实施例的瞬态荧光寿命测量系统的结构示意图；

图4示出了本发明一个优选实施例的光路系统的内部结构示意图；

图5示出了本发明一个优选实施例中的瞬态荧光寿命测量方法的时序原理示意图；

图6示出了本发明一个优选实施例中的光子探测器模块的结构示意图；

图7示出了本发明一个优选实施例中使用的皮秒脉冲半导体激光器的结构示意图；

图8示出了根据本发明的一个实施例所测得的实验数据所绘制的具有二维时间坐标的荧光衰减曲线序列图；该图即为纳秒级时间序列瞬态荧光寿命的曲线图。

具体实施方式

下面，结合附图和实施例对本发明作进一步地描述。

根据本发明的一个实施例，提供了一种基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量方法，包括下列步骤1)～5)：

1)用高重复频率的脉冲光照射样品激发荧光。

2)按一定周期诱导样品的荧光寿命发生瞬态变化，该瞬态变化满足：当触发到达后，样品荧光寿命开始发生瞬态变化，经过一段时间后样品特性及荧光寿命经历回复过程，在下一个触发到达前，样品特性及荧光特性回复到原有状态。其相关内容可参考文献：Ye，M.P.，et al.，Infraredspectroscopic discrimination between the loop and alpha-helices anddetermination of the loop diffusion kinetics by temperature-jumptime-resolved infrared spectroscopy for cytochrome c.Biophysical Journal，2007.93(8)：p.2756-2766。

3)探测所述样品的荧光光子，输出所对应的代表单光子信号的高速数字脉冲信号，其中每一个数字脉冲代表所探测到的一个光子。

4)将光子的宏时间划分成各个时间区间，按照宏时间将光子分配入不同的组别，所述组别与光子宏时间所在的时间区间对应；所述宏时间是该荧光光子相对于荧光寿命变化的开始时刻的时间，所述相对时间是该荧光光子相对于激发出该荧光光子的高重复频率脉冲光的相应脉冲的时间。

5)对于每个宏时间区间内的光子，根据所述高速数字脉冲信号进行时间相关单光子计数，得出该宏时间区间内各荧光光子的相对时间形成的一条荧光衰减曲线。

在一个优选实施例中，步骤4)包括下列子步骤：

41)将代表单光子信号的高速数字脉冲信号输入一个外触发延时门控选通模块，并由外触发延时门控选通模块的各个不同通道输出；其中每个通道的选通门处于打开状态的时间对应于荧光光子的宏时间区间，光子出现的宏时间位于某个选通门的时间区间内时，便从该选通门内通过且不会从其它选通门内通过；

42)所述外触发延时门控选通模块的各个通道与一个脉冲信号路由器的各个通道一一对应地连接，当某个通道有数字脉冲信号输入时，将该高速数字脉冲信号以原有波形输出，同时将该通道的通道号以数字编码信号的方式输出，该编码信号对应于光子宏时间所在的时间区间。

进一步地，在另一个优选实施例中，所述步骤5)还包括：将所有荧光衰减曲线按照其宏时间区间依次排列，形成序列的荧光衰减曲线；所得出的形成序列的荧光衰减曲线中，相邻两个荧光衰减曲线的时间间隔与外触发延时门控选通模块的相邻两个选通门的打开时间的间隔相同，该间隔通过控制所述选通门的打开时间进行调节。其中，所述宏时间区间内的时间相关计数并行进行，将所述脉冲信号路由器输出的每个光子的数字脉冲信号和及其对应的编码信号输入一个时间相关单光子计数模块；对于每个光子，通过编码信号打开特定的存储地址单元，并将该光子的相对时间存入该存储地址单元；处于不同宏时间区间的光子则由它们相对时间所存储的地址所在的单元进行区分。

现有单光子计数技术中，对光子探测器输出的脉冲信号并不按照时间区间分配到不同通道后并行输出，而是对所有的信号进行串行采集，因此其对不同时间段的光子信号的统计受到采集死时间及数据存储时间的限制，无法使时间区间的间隔达到微秒以下的量级，所以无法对瞬态荧光寿命进行纳秒级时间序列记录。而本发明中，单光子信号按照宏时间进行分组并由不同通道输出，对于各个通道的单光子计数并行进行，将宏时间的不同转换成通道号的不同，并且将多个诱导周期内属于同一宏时间区间的光子放在一起统计并得出一条荧光衰减曲线，这种方法不受信号采集死时间和数据存储时间的限制，即可大大缩小单个时间区间的长度和时间区间的间隔，因此，本发明时间区间的间隔可达纳秒量级。

根据本发明的另一个实施例，还提供了一种瞬态荧光寿命测量系统。如图3所示，该瞬态荧光寿命测量系统包括：荧光激发光源301、样品池模块302、光子探测器模块303、光路系统304、单光子信号模拟-数字信号转换模块305、外触发延时门控选通模块306、脉冲信号路由器307、同步时钟信号源308、时间相关单光子计数模块309、瞬态荧光寿命变化启动信号源310、双路延时器311、瞬态荧光寿命变化诱导设备312和控制分析模块313。

其中，荧光激发光源是高重复频率脉冲激光器，用于提供激发荧光的高重复频率的脉冲激光。一般来说，选用重复频率在10MHz以上，脉冲宽度为飞秒、皮秒或亚纳秒的脉冲光源即可。

样品池模块包括样品台、样品池和样品台控制装置。样品台用于放置样品池。样品池用于容纳样品。样品台控制装置用于控制样品台移动，使得样品能够相对于激发光斑移动，这样不仅可以选取样品上不同的位置进行测量，而且还可以避免样品因长时间激发同一个位置而造成损坏。本领域技术人员可以使用多种方式实现所述样品台控制装置，比如，在一个示例中，样品台控制装置包括高精度光学一维平移台、步进电机以及基于单片机的可编程式步进电机控制器。

光子探测器模块用于接收荧光的单光子信号并输出相应的模拟电压脉冲信号。在一个实施例中，光子探测器模块包括光电倍增管、一体化的光电倍增管制冷热沉及电磁屏蔽壳、挡光快门、安全保护电路、高精度线性稳压光电倍增管电源和光电倍增管增益控制器。其中，制冷热沉采用PID控温半导体制冷方式；挡光快门用于防止强光进入光电倍增管；安全保护电路可提供开盖保护、高光强保护及过增益保护，并控制挡光快门。

光路系统包括荧光激发耦合光路、荧光收集耦合光路和诱导荧光寿命发生变化的激光脉冲耦合光路。在一个实施例中，荧光激发耦合光路用于将激发光引入样品池以及调节激发光强度，荧光收集耦合光路用于收集样品发射的荧光、选取所需探测的荧光波长以及滤去杂散光。诱导荧光寿命发生变化的激光脉冲耦合光路用于将诱导样品荧光寿命发生变化的激光脉冲引入样品池。

单光子信号模拟-数字信号转换模块用于接收光子探测器模块所输出的模拟电压脉冲信号，抑制背景噪声和热噪声，鉴别其中的单光子模拟电压脉冲信号，并将模拟电压脉冲信号转换成高速数字脉冲信号，其中每一个数字脉冲信号即代表着光电探测器模块探测到的一个光子。在一个示例中，单光子信号模拟-数字信号转换模块包括宽带高频前置放大器、阈值鉴别器和恒比鉴别器。通过阈值鉴别来判断其中模拟电压脉冲是否为单光子模拟电压脉冲，通过恒比鉴别来确定单光子模拟电压脉冲的起始位置。

外触发延时门控选通模块用于接收单光子信号模拟-数字信号转换模块所输出的数字脉冲信号，并选通特定时间门内的数字脉冲信号，时间门的位置可调，并由外部信号触发开启。在一个实施例中，外触发延时门控选通模块为8通道外触发延时门控选通模块，该模块8个通道由一个外部信号触发后并行开启，分别形成8个并行的选通门，用于判断前一级的单光子信号模拟-数字信号转换模块输出的数字脉冲信号能否通过，当单光子信号模拟-数字信号转换系统输出的数字脉冲信号出现在8个选通门中的某一个之内时，便可以从该选通门内通过，否则便无法从任何一个选通门内通过，任何一个输入的数字脉冲信号都不会同时从两个或两个以上的选通门内同时通过。本实施例中，选通门的脉宽和选通门的打开时间可调(即选择合时的光子信号可以通过)。选通门的打开时间是指相对瞬态荧光寿命变化启动信号源的时间。用户可以根据实验需要，调节选通门的打开时间，从而调节门和激光加热脉冲的相对位置(参见图5)。

脉冲信号路由器用于接收外触发延时门控选通模块所输出的高速数字脉冲信号。在一个实施例中，脉冲信号路由器由8个并行通道构成，该路由器判断脉冲信号出现在8个并行通道中的哪一个后，将该通道号码编码成3位TTL信号输出，同时将输入的经过时间门选通的数字脉冲信号以完全相同的波形输出。

同步时钟信号源，用于提供与荧光激发光源重复频率相同的、相位锁定的同步时钟信号。在一个实施例中，当使用激光二极管或发光二极管作为激发光源时，该时钟信号可以直接从脉冲电压信号源的同步参考通道获得，当使用锁模超快激光器时，该时钟信号源可以从高速光电二极管+锁相环电路获得。

时间相关单光子计数模块，用于记录每个单光子出现时间与同步时钟信号相应脉冲的相对时间，并进行数据存储。在一个实施例中，时间相关单光子计数模块可接收脉冲信号路由器输出的代表光子出现时间的TTL编码信号，根据此信号，来决定光子信号的存储地址单元。

瞬态荧光寿命变化启动信号源，用于给双路延时器同时提供触发信号，该信号的重复频率为Hz～kHz量级可调。

双路延时器的输入端接收瞬态荧光寿命变化启动信号源的输出信号，该信号经过两个不同的延时后，在双路延时器的两个输出端分别输出，其中一路用于触发瞬态荧光寿命变化诱导设备，另一路用于给所述外触发延时门控选通模块提供外触发信号。在一个实施例中，该外触发信号与提供给瞬态荧光寿命变化诱导设备的开始信号之间的相对延时可调，相对延时调节范围从-10ms～+10ms，步进大小为1μs。

瞬态荧光寿命变化诱导设备接收双路延时器的触发后，通过一定的方式使样品的荧光寿命发生快速的瞬态变化，该设备需要具有以下特征：触发到达后，该设备使样品荧光寿命发生瞬态变化，经过一段时间后样品特性及荧光寿命经历回复过程，在下一个触发到达前，样品特性及荧光特性回复到原有状态，以保证每一次触发到达后引起物理、化学或生物现象具有可重复性。这个过程以一定周期重复进行，周期与瞬态荧光寿命变化启动信号源输出的触发信号相同。该瞬态荧光寿命变化诱导设备可以采用激光脉冲升温、PH跳变、压力跳变等能使样品荧光寿命在纳秒至微秒尺度发生瞬间变化的诱导技术。一般不采用诸如停流技术、连续流混合技术等相对较慢的荧光寿命变化诱导技术。

控制分析模块，用于统计、计算及拟合所采集到的数据，同时还用于对整个系统进行控制。控制分析模块一般采用软件实现。

进一步地，为更好地实现各模块间的匹配，本实施例的瞬态荧光寿命测量系统还包括高频宽带衰减器、时钟信号脉宽/电平适配器。

高频宽带衰减器为20dB高频宽带衰减器，该20dB高频宽带衰减器连接在所述外触发延时门控选通模块和所述脉冲信号路由器之间，用于对所述外触发延时门控选通模块输出的信号进行衰减，从而实现前后级的电压匹配。

时钟信号脉宽/电平适配器，用于对所述同步时钟信号源输出的时钟信号的脉宽、电压进行转换，以便与系统中的下一级模块的输入端匹配，该时钟信号脉宽/电平适配器输出的脉冲信号与输入信号的重复频率相同，相位锁定。

进一步地，在一个优选实施例中，荧光激发光源采用自制的高重复频率皮秒脉冲半导体激光器，其标称波长405nm，可通过控温的方式，在正负10nm范围内调节发射波长，脉冲宽度60ps，最小重复频率31MHz。该荧光激发光源具体结构如图7所示。701为激光二极管；702为光斑准直非球面透镜；703为光斑矫形柱透镜对；704为温度探头及控温片；705为bias-T三通器，用于交直流耦合；706为射频宽带功率放大器，用于放大脉冲源的功率；707为高重复频率脉冲信号源；708为可调偏置电路，给激光二极管提供直流偏置电压(或电流)，本实施例中采用恒定负电压偏置的方式，波长405nm的激光二极管偏压-3.5V～-4V；709为PID控温电路，温度调节范围0℃～70℃，精度＜0.05℃。

进一步地，在另一个优选实施例中，光子探测器模块如图6所示，包括光电倍增管601；上下对称分布的温度探头及制冷片602；一体化的光电倍增管制冷热沉及电磁屏蔽壳603，它同时用于散热及电磁干扰屏蔽；挡光快门604，用于在高光强时给光电倍增管提供保护；光强感应探头605；压力开关606，用于在仪器盖打开时告知安全保护电路，并启动挡光快门；安全保护电路607，用于探测光强感应探头、压力开关及放大器的过增益信号以控制挡光快门，从而为光电倍增管提供三重保护；PID控温制冷电路608，用于给光电倍增管制冷，降低热噪声，其制冷温度设定为16℃。

进一步地，在另一个优选实施例中，光路系统如图4所示，包括荧光激发耦合光路、荧光收集耦合光路和诱导荧光寿命发生变化的脉冲激光耦合光路。光路系统具体包括：大数值孔径的消色散凸透镜401，用于会聚荧光激发光，同时收集样品发射的荧光；二色镜402，该镜片对于激发光的波段表现为反射，对于荧光的波段表现为透射，本实施例中的二色镜可根据用户使用的激发光波长和荧光波长的需要，选择不同的型号；带通滤光片403，用于选取探测波长；镀银高反镜404；视场光阑405，它位于光子探测器模块之前，用于限制杂散光进入探测器引起干扰；可调衰减片406，用于调节激发光光强，使探测器探测到的信号为单光子，它需要放置在荧光激发光的耦合光路中；镀金高反镜407，用于反射1.9μm的红外激光；氟化钙凸透镜408，氟化钙材料对于1.9μm的红外光有高透过率。图中409为样品池模块中的样品池，用于存放溶液样品，前后两面均为石英窗片。

本发明所述实施例的测量系统中，用于单光子信号传输、参考时钟信号传输、以及外触发信号传输的电缆均采用型号为RG-174的50欧姆阻抗同轴电缆，接口采用SMA射频接口。

本发明还提供了与上述瞬态荧光寿命测量系统相应的测量方法，该测量方法的时序原理如图5所示，所采用的测量系统如图3所示。

在测量时，采用纳秒激光脉冲升温技术诱导样品的荧光寿命发生迅速的改变。具体实施方式为：瞬态荧光寿命变化启动信号源310(参考图3)产生重复频率为10～20Hz的TTL电平方波信号，输入双路延时器311(参考图3)，该信号经过其中一路的延时后输出，触发瞬态荧光寿命变化诱导设备312(参考图3)，此实施例中该设备为调Q脉冲激光系统。受触发后，该设备产生波长为1.9μm，脉宽10ns，重复频率与触发信号频率相同的激光脉冲。该激光光束经过光路系统的镀金高反镜407和氟化钙凸透镜408(参考图4)，以背入射的方式射入样品池409(参考图4)引起样品温度迅速跳变，当样品被脉冲激光加热时，温度迅速升高，这一温跳发生在十几纳秒的时间尺度之内，随即样品的荧光寿命也发生迅速变化，荧光寿命变化的过程和速率取决于样品的物理、化学特性，这也正是用户使用该测量系统所需研究的科学问题。在经过几个毫秒之后，样品的温度会回复到加热脉冲激发之前的状态，同时荧光寿命也相应地回复到原来的值，以等待下一个加热脉冲的激发，所以每一个加热脉冲都会使样品经历相同的过程，这一过程以确定的重复频率周期性地持续进行，重复频率与瞬态荧光寿命变化启动信号源310(参考图3)输出信号的重复频率相同。

在一个实施例中，对于上述基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量系统，可通过以下操作步骤实现瞬态荧光寿命测量：

1)将样品装入样品池，然后放置在移动样品台上；

2)通过光学系统将波长405nm、脉宽60ps、重复频率31MHz的半导体激光引入样品池，使光斑照射在需要测量的位置；

3)进一步调节光学系统中的各个透镜和反射镜，使样品发射的荧光的光斑会聚于光子探测器模块的光接受窗口内；

4)荧光收集的光路中插入带通滤光片，用来选择所需探测的荧光波长，本实施例中根据待测样品的荧光发射波长，选择了中心波长为460nm，带宽60nm的干涉滤光片；

5)调节光子探测器模块前的视场光阑，使杂散光不能进入探测器；

6)调节位于激发光光路中的可调衰减片，使激发光的强度达到最小；

7)将光子探测器模块输出端与单光子信号模拟-数字信号转换模块的输入端连接，并将输出端与带宽500MHz以上的高速示波器连接，本实施例中单光子信号模拟-数字信号转换模块中的鉴别阈值电压设置为-30mV，过零点电压设置为3.2mV；

8)打开光子探测器模块的安全保护电路和PID控温半导体制冷器，制冷温度设定在露点之上1℃～2℃左右，在本实施例中设置为16℃；

9)打开光子探测器模块的+15V线性稳压供电电源；

10)打开光子探测器模块的增益控制，将控制电压调到合适的电压值+0.8V；

11)将示波器的输入阻抗设置为50欧姆，并将电压量程范围设为50mV～400mV，水平时间量程范围设置为100ns～400ns；

12)调节可调衰减片，逐步增大激发光强，同时观察示波器上的信号，当出现足够多的短脉冲信号时，表示探测器已经探测到了荧光的单光子信号，当光强更高时，安全保护电路将启动挡光快门关闭，这样可以保证光子探测器模块探测到的是单光子信号，同时也保护了该探测模块；

13)将单光子信号模拟-数字信号转换模块输出的ECL电平数字脉冲信号送入8通道外触发延时门控选通模块的“signal”通道；

14)依次将瞬态荧光寿命变化启动信号源、双路延时器中的CH1、以及调Q脉冲激光系统的触发端口连接；

15)调节双路延时器CH1和CH2两路的相对延时大小和正负，用于选择测量的开始时间与待测样品荧光寿命发生变化的开始时间的相对延时，该延时根据科学研究的实验需要设定，本实施例中设定相对延时为0μs；

16)将双路延时器的CH2与8通道外触发延时门控选通模块的“trigger”通道连接；

17)将波长1.9μm的加热脉冲通过光路系统引入样品池，使加热脉冲的光斑覆盖荧光激发光的光斑；

18)打开移动样品台控制器，使样品池在3cm的范围内作往复运动；

19)分别设定8通道外触发延时门控选通模块每一通道各自的延时编码器，采用8位TTL电平编码的方式设定延时时间，延时范围0～1μs，最小步进时间4.5ns。该延时决定了每一通道各自的选通门与“trigger”输入端接收到的数字脉冲信号的相对延时，在本实施例所述的测量中，分别设定8通道各自的延时为0ns、50ns、100ns、150ns、200ns、250ns、300ns、350ns；

20)将8通道外触发延时门控选通模块的8个输出通道分别与8个20dB高频宽带衰减器连接，继而再连接到8路脉冲信号路由器的8个输入端口；

21)连接8路脉冲信号路由器的信号输出端与时间相关单光子计数模块”的光子信号输入端；通过串口线连接8路脉冲信号路由器的3位TTL编码信号输出端与时间相关单光子计数模块的TTL信号串口通道输入端；

22)依次将高重复频率短脉冲信号源的同步时钟输出端、时钟信号脉宽/电平适配器和时间相关单光子计数模块的参考信号输入端连接；

23)启动控制分析软件，设置采样模式为“single”，阈值电压的设置为-50mV，设置时间相关单光子计数模块接收3位TTL编码信号，设置采集时间，并开始数据采集。3位TTL编码信号可以告知时间相关单光子计数模块的单光子脉冲信号来自于8路脉冲信号路由器的哪个通道并分别记录到不同的内存地址序列，每一个内存地址序列记录到的是荧光寿命发生瞬态变化后的某个时刻的荧光寿命，一次测量可以同时获得8个延时时刻的瞬态荧光寿命。根据本实施例中的步骤19)所述，本实施例中瞬态荧光寿命测量的范围是0～350ns，每条曲线间隔50ns，所测曲线的序列如图8所示，其中，序列中每一条荧光衰减曲线来自于一个特定的宏时间区间，序列中的各条曲线按照宏时间区间的值依次排列，并绘制在同一幅图上；

24)将待测样品换为某已知荧光寿命的参比样品，关闭调Q脉冲激光系统，重复上述的测量步骤，根据参比样品的测量曲线获得仪器响应函数曲线；

25)根据待测样品和参比样品的测量结果，拟合、计算并绘制出待测样品的纳秒时间序列瞬态荧光寿命曲线图。将步骤23)所获得的荧光衰减曲线图，通过退卷积计算的方式，将步骤24)所述的仪器响应函数扣除，即可得到每一条荧光衰减曲线所代表的荧光寿命的绝对值。

虽然上面通过实施例描述了本发明，但本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，本发明的申请文件的权利要求包括这些变形和变化。

Claims (13)

1.一种基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量方法，其特征在于，包括下列步骤：

1）用高重复频率的脉冲光照射样品激发荧光；

2）按一定周期诱导样品的荧光寿命发生瞬态变化，该瞬态变化满足：当触发到达后，样品荧光寿命开始发生瞬态变化，经过一段时间后样品特性及荧光寿命经历回复过程，在下一个触发到达前，样品特性及荧光特性回复到原有状态；

3）探测所述样品的荧光光子，输出所对应的代表单光子信号的高速数字脉冲信号，其中每一个数字脉冲代表所探测到的一个光子；

4）将光子的宏时间划分成各个时间区间，按照宏时间将光子分配入不同的组别，所述组别与光子宏时间所在的时间区间对应；所述宏时间是该荧光光子相对于荧光寿命变化的开始时刻的时间；

5）对于每个宏时间区间内的光子，根据所述高速数字脉冲信号进行时间相关单光子计数，得出该宏时间区间内各荧光光子的相对时间形成的一条荧光衰减曲线，所有宏时间区间内的时间相关计数并行进行，从而得出各宏时间区间内的荧光衰减曲线；所述相对时间是该荧光光子相对于激发出该荧光光子的高重复频率脉冲光的相应脉冲的时间。

2.根据权利要求1所述的瞬态荧光寿命测量方法，其特征在于，所述步骤4）包括下列子步骤：

41）将代表单光子信号的高速数字脉冲信号输入一个外触发延时门控选通模块，并由外触发延时门控选通模块的各个不同通道输出；其中每个通道的选通门处于打开状态的时间对应于荧光光子的宏时间区间，光子出现的宏时间位于某个选通门的时间区间内时，便从该选通门内通过且不会从其它选通门内通过；

42）所述外触发延时门控选通模块的各个通道与一个脉冲信号路由器的各个通道一一对应地连接，当某个通道有数字脉冲信号输入时，将该高速数字脉冲信号以原有波形输出，同时将该通道的通道号以数字编码信号的方式输出，该编码信号对应于光子宏时间所在的时间区间。

3.根据权利要求2所述的瞬态荧光寿命测量方法，其特征在于，所述步骤5）中，所述宏时间区间内的时间相关计数并行进行，将所述脉冲信号路由器输出的每个光子的数字脉冲信号及其对应的编码信号输入一个时间相关单光子计数模块；对于每个光子，通过编码信号打开特定的存储地址单元，并将该光子的相对时间存入该存储地址单元；处于不同宏时间区间的光子则由它们相对时间所存储的地址所在的单元进行区分；

所述步骤5）中还包括：将所有荧光衰减曲线按照其宏时间区间依次排列，形成序列的荧光衰减曲线；所得出的形成序列的荧光衰减曲线中，相邻两个荧光衰减曲线的时间间隔与外触发延时门控选通模块的相邻两个选通门的打开时间的间隔相同，该间隔通过控制所述选通门的打开时间进行调节。

4.一种基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量系统，其特征在于，包括：

样品池模块，用于容纳样品;

瞬态荧光寿命变化诱导设备，用于通过一定的方式使样品的荧光寿命发生快速的瞬态变化，该瞬态荧光寿命变化诱导设备具有以下特征：触发到达后，该设备使样品荧光寿命发生瞬态变化，经过一段时间后样品特性及荧光寿命经历回复过程，在下一个触发到达前，样品特性及荧光特性回复到原有状态，以保证每一次触发到达后引起物理、化学或生物现象具有可重复性；这个过程以一定周期重复进行;触发所述瞬态荧光寿命变化诱导设备的周期性信号与触发外触发延时门控选通模块的信号之间具有一定的时间差，该时间差可以从正时间差调节到负时间差；

单光子探测器模块，用于接收样品荧光的光子得出相应的模拟电压脉冲信号，进而通过阈值鉴别来判断其中模拟电压脉冲是否为单光子模拟电压脉冲，通过恒比鉴别来确定单光子模拟电压脉冲的起始位置，然后将模拟电压脉冲信号转换成高速数字脉冲信号，其中每一个数字脉冲代表着光电探测器模块探测到的一个光子；

外触发延时门控选通模块，用于接收光子探测器模块输出的高速数字脉冲信号，并选通特定时间门内的代表单光子信号的数字脉冲，将单光子信号按其所属的宏时间归入不同的时间区间；

脉冲信号路由器，用于接收外触发延时门控选通模块所输出的高速数字脉冲信号；判断脉冲信号出现在外触发延时门控选通模块的哪一个通道，将通道号码编码成编码信号输出，不同的通道代表单光子信号的宏时间所在的区间，同时还将输入的经过时间门选通的数字脉冲信号以完全相同的波形输出；

同步时钟信号源，用于提供与荧光激发光源重复频率相同的、相位锁定的同步时钟信号；

时间相关单光子计数模块，用于记录每个单光子出现时间与同步时钟信号相应脉冲的相对时间，同时接收所述脉冲信号路由器输出的编码信号，并根据所对应的编码信号将每个单光子的信息存储至相应的地址单元，单光子信号所出现的时间相对于荧光寿命发生变化的开始时刻作为宏时间，将所述宏时间归入不同的时间区间并放入相应的存储地址单元，所述宏时间的不同时间区间由存储地址单元进行区分；以及

控制分析模块，用于根据所采集到的各单光子信号的所述相对时间和所述宏时间进行统计、拟合从而得出形成序列的荧光寿命曲线，同时还用于对整个系统进行控制。

5.根据权利要求4所述的基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量系统，其特征在于，所述外触发延时门控选通模块中，每个选通门处于打开状态的起始时间可独立调节。

6.根据权利要求4所述的基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量系统，其特征在于，所述外触发延时门控选通模块为多通道外触发延时门控选通模块，所述的多个通道由一个外部信号触发后并行开启，形成多个并行的选通门，每个选通门所在的时间位置代表了一个特定的宏时间区间，用于判断前一级的光子探测器模块输出的数字脉冲信号能否通过，当光子探测器模块输出的数字脉冲信号出现的宏时间时刻位于其中一个选通门代表的时间区间之内时，便可以从该选通门内通过。

7.根据权利要求6所述的基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量系统，其特征在于，相邻两个选通门的间隔可调，调节步长为纳秒量级。

8.根据权利要求4所述的基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量系统，其特征在于，所述基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量系统还包括瞬态荧光寿命变化启动信号源和双路延时器；

所述瞬态荧光寿命变化启动信号源用于给双路延时器同时提供触发信号，该信号的重复频率为Hz～kHz量级。

所述双路延时器的输入端接收瞬态荧光寿命变化启动信号源的输出信号，该信号经过两个不同的延时后，在双路延时器的两个输出端分别输出，其中一路用于触发瞬态荧光寿命变化诱导设备，另一路用于给所述外触发延时门控选通模块提供外触发信号。

9.根据权利要求8所述的基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量系统，其特征在于，所述双路延时器提供给所述外触发延时门控选通模块的外触发信号与提供给所述瞬态荧光寿命变化诱导设备的开始信号之间的相对延时可调，相对延时调节范围从－10ms～＋10ms。

10.根据权利要求4所述的基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量系统，其特征在于，所述瞬态荧光寿命变化诱导设备采用激光脉冲升温、PH跳变、压力跳变或者其它能使样品物理、化学特性在纳秒至微秒尺度发生瞬间变化的诱导技术，样品物理、化学特性的变化导致样品荧光寿命的改变。

11.根据权利要求4所述的基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量系统，其特征在于，所述单光子探测器模块包括安全保护电路，用于确保进入光子探测器的光为单光子光强，并在光强超过单光子强度时控制挡光快门，使探测器关闭，同时还提供开盖保护，在仪器开盖时关闭探测器。

12.根据权利要求4所述的基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量系统，其特征在于，所述外触发延时门控选通模块与脉冲信号路由器之间安装有电压匹配模块，用于使前后级电压达到匹配。

13.根据权利要求4所述的基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量系统，其特征在于，所述基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量系统还包括荧光激发光源，用于提供激发荧光的高重复频率的脉冲光；以及

光路系统，该光路系统包括荧光激发耦合光路和荧光收集耦合光路；其中，荧光激发耦合光路用于调节激发光的光强并将激发光引入样品池，荧光收集耦合光路用于收集样品发射的荧光。

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