CN111175258A - 基于逐次比较法的荧光寿命测量方式 - Google Patents

基于逐次比较法的荧光寿命测量方式 Download PDF

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CN111175258A CN201811348751.7A CN201811348751A CN111175258A CN 111175258 A CN111175258 A CN 111175258A CN 201811348751 A CN201811348751 A CN 201811348751A CN 111175258 A CN111175258 A CN 111175258A
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徐江涛
查万斌
聂凯明
林鹏
顾天宇
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Tianjin University Marine Technology Research Institute
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6489—Photoluminescence of semiconductors

Abstract

基于逐次比较法的荧光寿命测量方式，主要通过模拟域比较器对光探测单元输出的电压信号进行实时比较并取舍的方式，使最终的输出信号只包括最高电压、最低电压和时间信号，大大减少了传感器输出的有效数据量，减轻了带宽压力。

Description

基于逐次比较法的荧光寿命测量方式
技术领域
本发明涉及到CMOS成像领域，尤其涉及基于逐次比较法的荧光寿命测量方式。
背景技术
荧光寿命成像是一种利用荧光团受到激发后产生的衰减曲线进行微观成像的方式。这种荧光成像方式不会受到斯托克斯距离太短、环境自荧光效应、荧光团浓度不均以及光通路不同等因素的影响，只取决于荧光团所处的物理及化学环境，因此被广泛地应用于现代医学以及生命科学研究中，例如检测药物在血液中的传递及吸收、检测癌细胞的扩散情况等。
目前的荧光寿命成像方式主要有时间相关的单光子计数法、门控图像增强以及频域下的相量法三种。但是这三种方式在高频脉冲激光对荧光团进行激发后，光探测单元会产生大量的数据，需要即时处理。这样就给传感器的输出带宽带来了很大的压力，严重限制了图像传感器的成像帧率。因此如何有效减少输出的数据量成为设计荧光寿命图像传感器的重要考量。
发明内容
针对现有技术存在的难题，本发明一种基于逐次比较法的荧光寿命测量方式，主要通过模拟域比较器对光探测单元输出的电压信号进行实时比较并取舍的方式，使最终的输出信号只包括最高电压、最低电压和时间信号，大大减少了传感器输出的有效数据量，减轻了带宽压力。
基于逐次比较法的荧光寿命测量方式，具体实施方案为：
（1）基于逐次比较法的荧光寿命测量方式的系统结构
荧光寿命测量方式的系统结构包括高频脉冲源、涂有荧光染料样品、光子探测单元以及两个模拟域比较器，如图1所示。当高频脉冲激光照射涂有荧光染料的样品后，荧光染料会辐射出与入射光波长不同的荧光光线；这些辐射出的荧光光线照射到光子探测单元，被转化为电压信号，送入两个模拟域比较器；比较器一保存下整个测量过程中各个时间段所输出的最高电压，比较器二保存下整个测量过程中各个时间段所输出的最低电压；最终传感器将最高电压、最低电压与采集到最低电压的时刻输出，即可计算出荧光寿命。
（2）荧光寿命计算算法
荧光寿命，即荧光光强衰减到其峰值的
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
所需要的时间。如图2所示，我们将整个测量时间T分为n个曝光时间，每个曝光时间为：
Figure 338038DEST_PATH_IMAGE002
在每个曝光时间结束后，将光探测单元的输出
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
分别传入两个比较器。在比较器一中判断其是否比参考电压高，若比参考电压高则输出
Figure 135006DEST_PATH_IMAGE003
，否则输出保持参考电压；在比较器二中判断其是否比参考电压低，若比参考电压低则输出
Figure 69464DEST_PATH_IMAGE003
及当前时间
Figure 875877DEST_PATH_IMAGE004
，否则输出保持参考电压及参考时刻；整个测量时间T结束以后，比较器一输出
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
，比较器二输出
Figure 505573DEST_PATH_IMAGE006
及时间
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
，根据荧光寿命的衰减函数
Figure 117951DEST_PATH_IMAGE008
即可得到荧光寿命
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
。
基于逐次比较法的荧光寿命测量方式，提出的测量荧光寿命的方式与传统的荧光寿命成像方式相比，实时地筛选了冗余的数据，大大降低了传感器读出的数据量，节省了输出带宽，有效地提高了成像帧率。
附图说明
图1基于逐次比较法的荧光寿命测量方式系统示意图；
图2基于逐次比较法的荧光寿命测量方式计算原理曲线图。
具体实施方式
本发明中所述的脉冲光源可使用波长在700nm-900nm的近红外光源，光探测器可采用
Figure 516703DEST_PATH_IMAGE010
的单电子雪崩二极管阵列，模拟域比较器可利用五管比较器和CD4051多通道选择器构成，整个电路可以基于
Figure DEST_PATH_IMAGE011
-CMOS工艺进行制造，全部测量时间T设为5ns，每个曝光时间
Figure 8864DEST_PATH_IMAGE012
设置为50ps。脉冲激光照射样品与系统曝光在同一时刻开始，脉冲激光对样品的照射不长于50ps。在整个测量周期结束后，可以取得较为精确的荧光寿命测量结果。
例如，我们采用波长为900nm的光源对样品进行激发，样品用4'，6-二脒基-2-苯基吲哚进行标记。激发光源对样品的照射时间为50ps，每个曝光周期为50ps，一共对样品进行5ns的曝光。电路采用1.8V的电源进行供电。若测量到最小电压的时间为4.6ns，测量到的最大电压值为1.5V，最小电压值为0.3V，则该点计算出的荧光寿命为2.86ns。每一个像素分别读出该像素点所计算出的荧光寿命后，即可得到荧光寿命分布图。

Claims (1)

1.基于逐次比较法的荧光寿命测量方式，其特征在于：具体实施方案为：
（1）基于逐次比较法的荧光寿命测量方式的系统结构
荧光寿命测量方式的系统结构包括高频脉冲源、涂有荧光染料样品、光子探测单元以及两个模拟域比较器；当高频脉冲激光照射涂有荧光染料的样品后，荧光染料会辐射出与入射光波长不同的荧光光线；这些辐射出的荧光光线照射到光子探测单元，被转化为电压信号，送入两个模拟域比较器；比较器一保存下整个测量过程中各个时间段所输出的最高电压，比较器二保存下整个测量过程中各个时间段所输出的最低电压；最终传感器将最高电压、最低电压与采集到最低电压的时刻输出，即可计算出荧光寿命；
（2）荧光寿命计算算法
荧光寿命，即荧光光强衰减到其峰值的
Figure DEST_PATH_IMAGE001
所需要的时间；将整个测量时间T分为n个曝光时间，每个曝光时间为：
Figure 66555DEST_PATH_IMAGE002
在每个曝光时间结束后，将光探测单元的输出
Figure DEST_PATH_IMAGE003
分别传入两个比较器；在比较器一中判断其是否比参考电压高，若比参考电压高则输出
Figure 46013DEST_PATH_IMAGE003
，否则输出保持参考电压；在比较器二中判断其是否比参考电压低，若比参考电压低则输出
Figure 463567DEST_PATH_IMAGE003
及当前时间
Figure 45727DEST_PATH_IMAGE004
，否则输出保持参考电压及参考时刻；整个测量时间T结束以后，比较器一输出
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，比较器二输出
Figure 423881DEST_PATH_IMAGE006
及时间
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，根据荧光寿命的衰减函数
Figure 59393DEST_PATH_IMAGE008
即可得到荧光寿命
Figure DEST_PATH_IMAGE009
。
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