CN112595699B - 一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统及方法。目的在于克服传统单分子荧光成像无法体现单分子量子相干超快动力学特性的缺点。本发明中的超快动力学成像系统包括单分子相干态的制备与调控系统、飞秒激光延迟锁定系统、单分子激发与荧光探测系统和超快动力学成像数据提取与处理系统；本发明通过监测合束激光的自干涉强度，利用差分放大器与压电陶瓷实现两束激光相对延迟的锁定；通过电光调制晶体周期性改变两束激光的相对相位，实现单分子激发态布居几率的调制；通过计算相干因子，实现基于单分子量子相干的超快动力学成像。通过本发明可获得整个研究系统的超快退相干行为，并进一步阐明环境对单分子超快退相干行为的影响。

Description

一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统及方法

技术领域

本发明属于量子光学与医学交叉技术领域，具体涉及一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统及方法。

背景技术

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)技术具有不接触、无损伤、成像清晰等优点，已经广泛用于临床医学诊断。比如，光学相干断层扫描可用于软组织早期癌变诊断和脑部手术介导；扩散光断层扫描已成为乳腺癌筛查、脑成像、软组织内窥的重要手段之一。相比于这些方法，单分子荧光成像具有更高的空间分辨率、生物兼容性和操作便捷性等特点，可用于研究亚细胞水平的生命活动过程，探测飞秒量级的超快动力学行为，实现单分子量级的高灵敏传感，因此在肿瘤诊断、蛋白质检测、重金属离子检测、新型药物研发等方面得到越来越多的应用。

传统的单分子荧光成像是通过收集聚焦区域内标记荧光分子在一定时间(通常为毫秒量级)内发射出的光子数来实现成像；故而该方法只能反映单分子平均运动动态(毫秒以上)的行为，无法测量生命活动过程对单分子超快动力学行为的影响。特别是，近期研究表明，生命活动过程(如癌变、细胞凋亡)会显著改变标记单分子的超快退相干行为。因此亟需一种新的方法，通过探测单分子的超快退相干行为，从更深层次来理解这些生命活动过程，并为癌变诊断、健康监测等提供新的手段。

发明内容

本发明的目的在于克服传统单分子荧光成像无法体现单分子量子相干超快动力学行为的缺点，提出一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统及方法，利用飞秒超快激光与单分子相互作用的量子相干效应，实现亚细胞水平的超快动力学成像。

本发明采用的技术方案是：

一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统，它包括单分子相干态的制备与调控系统、飞秒激光延迟锁定系统、单分子激发与荧光探测系统和超快动力学成像数据提取与处理系统；

所述单分子相干态的制备与调控系统包括飞秒激光器、起偏器、反射镜、等比分束镜、电光调制晶体、电光调制晶体控制器、第一角隅棱镜式反射镜和第二角隅棱镜式反射镜；

所述飞秒激光器用于制备单分子相干态，激发单分子并获得荧光；所述起偏器设在飞秒激光器的出射光路上，所述反射镜设在起偏器的出射光路上，所述等比分束镜设在反射镜的反射光路上，并形成光强相等的透射激光和反射激光；所述第一角隅棱镜式反射镜位于透射激光的光路上；所述电光调制晶体和第二角隅棱镜式反射镜依次位于反射激光的光路上；透射激光和反射激光分别进入两个角隅棱镜式反射镜经其反射后再次回到等比分束镜，并在等比分束镜处进行合束，形成合束激光；所述电光调制晶体控制器用于对电光调制晶体施加具有特定波形和周期的电压，改变透射激光和反射激光的相对相位

所述飞秒激光延迟锁定系统包括压电陶瓷、不等比分束镜、高速光电探测器、差分放大器及压电陶瓷控制器；

所述压电陶瓷固定在第一角隅棱镜式反射镜的背面，所述不等比分束镜设在合束激光的入射光路上，所述高速光电探测器设在不等比分束镜的反射光路上，所述高速光电探测器的信号输出端与所述差分放大器的信号输入端连接，所述差分放大器的信号输出端与压电陶瓷控制器的信号输入端连接，所述压电陶瓷控制器的信号输出端与压电陶瓷的信号输入端连接；

所述单分子激发与荧光探测系统包括二向色镜、物镜、被测单分子样品、滤色片组合、偏振分束器、第一时间分辨相机和第二时间分辨相机；所述二向色镜设在不等比分束镜的透射光路上，所述物镜设在二向色镜的反射光路上，所述被测单分子样品设在物镜的出射光路上，被测单分子样品被激发后产生的单分子荧光进入物镜及二向色镜然后进入所述滤色片组合，经滤色片组合滤波后进入偏振分束器分束，形成具有水平和垂直的荧光光强，分别被第一时间分辨相机和第二时间分辨相机探测；

所述超快动力学成像数据提取与处理系统由电脑以及设在电脑中的数据处理程序组成，所述电脑的信号输入端分别与飞秒激光器、第一时间分辨相机以及第二时间分辨相机的信号输出端连接；所述电脑的信号输出端与差分放大器的信号输入端连接。

进一步地，所述飞秒激光器的中心波长为625nm，脉冲宽度为150fs，重复频率为80MHz。

进一步地，所述不等比分束镜对飞秒激光光强的分配比例为1：9，其中1/10激光被反射，9/10激光被透射。

进一步地，所述电光调制晶体控制器对电光调制晶体施加锯齿波波形的电压，相位调节范围为0-2π，调制频率设为1kHz。

进一步地，所述被测单分子样品为旋涂在玻片上的裸单分子或标记在生物体中的荧光分子。

进一步地，所述压电陶瓷用于改变透射激光的光程，进而改变透射激光与反射激光的相对延迟ΔT。

进一步地，所述滤色片组合为陷波滤波片和长通荧光滤波片的组合，陷波滤波片和长通荧光滤色片依次放置在二向色镜与偏振分束器之间，所述陷波滤色片中心波长为625nm，半高全宽为10nm；所述长通荧光滤波片的截至波长为635nm。

进一步地，所述超快动力学成像数据提取与处理系统中的数据处理过程包括：

1)选定相对延迟ΔT与积分时间T；

2)对第一时间分辨相机和第二时间分辨相机上每个像素在积分时间T内所收集到的荧光光子进行求和，获得荧光强度，分别为

和

3)对第一时间分辨相机和第二时间分辨相机在积分时间T内，每个荧光光子的到达时间进行快速傅立叶变换，获得调制频率处的调制强度

和

本发明还提供一种单分子量子相干的超快动力学成像方法，包括以下步骤：

1)激光相对延迟零点校准：打开飞秒激光器，飞秒激光器产生的激光依次经起偏器、反射镜及等比分束镜，形成光强完全相等的透射激光和反射激光；压电陶瓷控制器输出锯齿波电压，连续改变透射激光的光程，通过高速光电探测器监测干涉光强，当干涉光强达到最大值时，透射激光与反射激光的相对延迟ΔT为零；固定压电陶瓷控制器零点电压；

2)改变压电陶瓷控制器的输出电压，将透射激光与反射激光相对延迟固定为ΔT1，通过飞秒激光延迟锁定系统锁定该延迟；

3)电光调制晶体控制器输出锯齿波电压至电光调制晶体，周期性改变透射激光与反射激光的相对相位

周期性调制单分子激发态布居几率；

4)将标记了荧光分子的被测单分子样品固定在物镜下，调整物镜的位置实现聚焦；

5)使用合束激光激发被测单分子样品并获得单分子荧光，通过第一时间分辨相机和第二时间分辨相机采集单分子荧光；

6)根据公式(一)计算获得每个像素点的相干因子ζ^xy，实现相对延迟ΔT1下的超快动力学成像；

每个像素点的相干因子ζ^xy可通过下式计算：

公式(一)中，x和y是最终超快动力学成像像素点的序号，下标1，2分别表示第一时间分辨相机和第二时间分辨相机；x1，y1和x2，y2分别表示第一时间分辨相机和第二时间分辨相机像素在x和y两个方向上的序号；

7)改变压电陶瓷控制器的输出电压，将透射激光与反射激光相对延迟固定为ΔT2，重复步骤3)-6)，获得该延迟下的超快动力学成像；

8)重复步骤2)-7)，分析成像图中每个像素点调制强度随一系列相对延迟的变化行为，可以获得每个单分子的超快动力学行为；成像整体随一系列相对延迟的变化即为基于单分子量子相干的超快动力学成像。

本发明的原理如下：

根据飞秒超快激光与单分子相互作用的量子效应，单分子激发态布居几率会随着透射激光与反射激光相对延迟ΔT的变化而发生振荡。由于单分子本身振动弛豫以及周围环境与单分子的相互作用，使得该振荡呈现出明显的阻尼行为，即相对延迟ΔT越长，布居几率变化越小。探测该振荡过程可以表征单分子的超快退相干行为，获得相干时间等参数。受限于单分子较弱的荧光发射能力，该阻尼振荡信号往往被噪声淹没。为了抑制噪声，本发明在通过压电陶瓷改变透射激光与反射激光相对延迟ΔT的同时，通过电光调制晶体周期性改变两束飞秒脉冲的相对相位

实现对单分子激发态布居几率的周期性调制。经调制解调过程，提取调制强度；而背景噪声不被调制，因此能够显著抑制背景噪声的影响。数据处理获得的相干因子即可表征该延迟下单分子的布居几率和超快退相干过程。改变相对延迟时间ΔT，即可获得不同延迟下的超快动力学成像。通过分析超快动力学成像，可获得整个研究系统的超快退相干行为；通过计算局部区域超快退相干行为的关联特性，可进一步阐明环境对单分子超快退相干行为的影响。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明利用飞秒超快激光与单分子相互作用的量子相干效应，实现亚细胞水平的超快动力学成像。通过监测合束激光的自干涉强度，利用差分放大器与压电陶瓷实现两束激光相对延迟的锁定；通过电光调制晶体周期性改变两束激光的相对相位，实现单分子激发态布居几率的调制；通过计算相干因子，实现基于单分子量子相干的超快动力学成像。与现有技术相比，本发明可以表征单分子的超快退相干行为，从更深层次来理解这些生命活动过程，为癌变诊断、健康监测等提供新的手段。

附图说明

图1为本发明基于单分子量子相干的超快动力学成像系统的结构示意图；

图2为本发明基于单分子量子相干的超快动力学成像方法的原理示意图；

图3为时间分辨相机工作原理示意图；

图4为透射激光和反射激光相对延迟锁定前和锁定后飞秒自干涉强度随时间的变化行为；

图5为本发明实施例中肺癌细胞A549细胞的超快动力学成像；

图中，101-单分子相干态的制备与调控系统、105-飞秒激光器、106-起偏器、107-反射镜、108-等比分束镜、109-透射激光、110-第一角隅棱镜式反射镜、111-反射激光、112-电光调制晶体、113-电光调制晶体控制器、114-第二角隅棱镜式反射镜、115-合束激光；102-飞秒激光延迟锁定系统、116-压电陶瓷、117-不等比分束镜、118-高速光电探测器、119-差分放大器、120-压电陶瓷控制器；103-单分子激发与荧光探测系统、121-二向色镜、122-物镜、123-被测单分子样品、124-单分子荧光、125-滤色片组合、126-偏振分束器、127-第一时间分辨相机、128-第二时间分辨相机；104-超快动力学成像数据提取与处理系统、电脑；201-单分子激发态布居几率随激光相对延迟的变化、202-相对延迟为ΔT1下的超快动力学成像、203-相对延迟为ΔT2下的超快动力学成像、204-相对延迟为ΔT3下的超快动力学成像；301-时间分辨相机上的像素、302-时间分辨相机的像素在x方向上的序号、303-时间分辨相机的像素在y方向上的序号。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图1所示，本实施例中的一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统，它包括单分子相干态的制备与调控系统101、飞秒激光延迟锁定系统102、单分子激发与荧光探测系统103和超快动力学成像数据提取与处理系统104；

所述单分子相干态的制备与调控系统101包括飞秒激光器105、起偏器106、反射镜107、等比分束镜108、电光调制晶体112、电光调制晶体控制器113、第一角隅棱镜式反射镜110和第二角隅棱镜式反射镜114；

所述飞秒激光器105用于制备单分子相干态，激发单分子并获得荧光，飞秒激光器105的中心波长需根据所激发单分子进行调节；飞秒激光器105的脉冲宽度应根据激光与单分子相互作用强度进行调节。本实施例中采用的飞秒激光器105的中心波长为625nm，脉冲宽度为150fs，重复频率为80MHz。

所述起偏器106设在飞秒激光器105的出射光路上，用于产生水平偏正的激光。所述反射镜107设在起偏器106的出射光路上，用于改变激光的方向。所述等比分束镜108设在反射镜107的反射光路上，并形成光强相等的透射激光109和反射激光111；所述第一角隅棱镜式反射镜110位于透射激光109的光路上；所述电光调制晶体112和第二角隅棱镜式反射镜114依次位于反射激光111的光路上；透射激光109和反射激光111分别进入两个角隅棱镜式反射镜110、114经其反射后再次回到等比分束镜108，并在等比分束镜108处进行合束，形成合束激光115；

所述电光调制晶体控制器113用于对电光调制晶体112施加具有特定波形和周期的电压，改变透射激光109和反射激光111的相对相位

本实施例中施加的电压为锯齿波波形，相位调节范围为0-2π，调制频率设为1kHz。

所述飞秒激光延迟锁定系统102包括压电陶瓷116、不等比分束镜117、高速光电探测器118、差分放大器119及压电陶瓷控制器120；

所述压电陶瓷116固定在第一角隅棱镜式反射镜110的背面，压电陶瓷116为一种精密位移装置，用于改变透射激光109的光程，进而改变透射激光109与反射激光111的相对延迟ΔT。所述相对延迟ΔT的具体数值由压电陶瓷控制器120输出的电压决定。

所述不等比分束镜117设在合束激光115的入射光路上，用于合束激光分束，其中较弱部分反射进入高速光电探测器118，较强部分透射进入二向色镜121。本实施例中，不等比分束镜117对飞秒激光光强的分配比例为1：9，其中1/10激光被反射，9/10激光被透射。

所述高速光电探测器118设在不等比分束镜117的反射光路上，所述高速光电探测器118的信号输出端与所述差分放大器119的信号输入端连接，所述差分放大器119的信号输出端与压电陶瓷控制器120的信号输入端连接，所述压电陶瓷控制器120的信号输出端与压电陶瓷116的信号输入端连接；

为了锁定相对延迟ΔT，合束激光115被不等比分束镜117反射，进入高速光电探测器118，得到激光干涉光强。所述相对延迟ΔT发生改变时，激光干涉光强也会发生相应变化。将光强信号输入差分放大器119，与参考电压比较；比较信号输入至压电陶瓷控制器120；压电陶瓷控制器120根据输入电压的正负值改变压电陶瓷116的位置，实现相对延迟ΔT的锁定。

由于机械蠕动和震动等因素，透射激光109和反射激光111的相对延迟ΔT会发生规律性或者随机抖动，导致成像信噪比下降甚至无法得到超快动力学成像。为了锁定相对延迟ΔT，合束激光115被不等比分束镜117反射，1/10光强进入高速光电探测器118，将激光干涉光强转化为电压值。当相对延迟ΔT发生改变，激光干涉光强也会发生相应变化，因而光电压值也会随之改变。将所得到的光电压输入差分放大器119，与参考电压进行比较；当光电压大于参考电压，压电陶瓷控制器120输出正电压，压电陶瓷116增加第一束激光109光程；当光电压小于参考电压，压电陶瓷控制器120输出负电压，压电陶瓷116减小第一束激光109光程。

如图4所示，为透射激光109和反射激光111相对延迟锁定前和锁定后飞秒自干涉强度随时间的变化行为。图4中给出了没有对激光相对延迟ΔT进行锁定的情况下，高速光电探测器118得到的光电压信号，该信号随时间发生不规律变化，说明相对延迟ΔT的不规律变化。图4也给出了对激光相对延迟ΔT进行锁定的情况下，高速光电探测器118得到的光电压信号，光电压信号稳定，说明相对延迟ΔT非常稳定。

所述单分子激发与荧光探测系统103包括二向色镜121、物镜122、被测单分子样品123、滤色片组合125、偏振分束器126、第一时间分辨相机127和第二时间分辨相机128；

所述二向色镜121设在不等比分束镜117的透射光路上，所述二向色镜121用于反射合束激光115，并透射单分子荧光124。所述二向色镜121需要根据飞秒激光中心波长和单分子荧光波长而改变。优选地，在本实施例中，所使用的二相色镜型号为ET655lp：对655nm以上激光的透射率达到99％以上，对648nm以下透射率小于0.001％。

所述物镜122设在二向色镜121的反射光路上，所述物镜122用于聚焦激光，使用宽场模式。优选地，在本实施例中，所使用的物镜为Nikon商用物镜，数值孔径为1.3。

所述被测单分子样品123设在物镜122的出射光路上，所述被测单分子样品123为旋涂在玻片上的裸单分子或标记在生物体中的荧光分子。在本实施例中，所使用单分子样品为标记在肺癌细胞A549中的方酸衍生轮烷分子简称为SR分子，该分子最大吸收波长在620nm，最大荧光发射峰位于670nm。

所述合束激光115被不等比分束镜117透射后，经二向色镜121反射，再被物镜122聚焦，激发被测单分子样品123。被测单分子样品123被激发后产生的单分子荧光124穿过物镜122及二向色镜121，进入所述滤色片组合125滤波去除激光和背景噪声光子的影响，然后进入偏振分束器126分束，形成具有水平和垂直的荧光光强，分别被第一时间分辨相机127和第二时间分辨相机128探测；

所述滤色片组合125为陷波滤波片和长通荧光滤波片的组合，陷波滤波片和长通荧光滤色片依次放置在二向色镜121与偏振分束器126之间，所述陷波滤色片中心波长为625nm，半高全宽为10nm；所述长通荧光滤波片的截至波长为635nm。

所述第一时间分辨相机127和第二时间分辨相机128用于探测荧光强度，并具有时间分辨能力，可以给出每个荧光光子的绝对到达时间。优选地，本实施例中使用PhotonForce公司生产的PF32时间分辨相机，时间分辨率为55皮秒。如图3所示，为时间分辨相机工作原理示意图，图中301为时间分辨相机上的像素，302为时间分辨相机的像素在x方向上的序号，303为时间分辨相机的像素在y方向上的序号。

所述超快动力学成像数据提取与处理系统104由电脑129以及设在电脑129中的数据处理程序组成，所述电脑129的信号输入端分别与飞秒激光器105、第一时间分辨相机127以及第二时间分辨相机128的信号输出端连接；所述电脑129的信号输出端与差分放大器119的信号输入端连接。

所述超快动力学成像数据提取与处理系统104中的数据处理过程包括：

1)选定相对延迟ΔT与积分时间T；

2)对第一时间分辨相机127和第二时间分辨相机128上每个像素301在积分时间T内所收集到的荧光光子进行求和，获得荧光强度，分别为

和

3)对第一时间分辨相机127和第二时间分辨相机128在积分时间T内，每个荧光光子的到达时间进行快速傅立叶变换，获得调制频率处的调制强度

和

4)每个像素点的相干因子ζ^xy可通过下式计算：

公式(一)中，x和y是最终超快动力学成像像素点的序号；下标1，2分别表示第一时间分辨相机127和第二时间分辨相机128；x1，y1和x2，y2分别表示第一时间分辨相机127和第二时间分辨相机128像素在x和y两个方向上的序号302和303；

图2为基于单分子量子相干的超快动力学成像的原理示意图。根据飞秒超快激光与单分子相互作用的量子效应，单分子激发态布居几率会随着透射激光109与反射激光111相对延迟ΔT的变化而发生振荡，从而产生单分子激发态布居几率随激光相对延迟的变化201。由于单分子本身振动弛豫以及周围环境与单分子的相互作用，使得该振荡呈现出明显的阻尼行为，即相对延迟ΔT越长，布居几率变化越小。为了抑制噪声，本发明在通过压电陶瓷改变透射激光109与反射激光111相对延迟ΔT的同时，通过电光调制晶体周期性改变两束飞秒脉冲的相对相位

实现对单分子激发态布居几率的周期性调制。经调制解调过程，提取调制强度；而背景噪声不被调制，因此能够显著抑制背景噪声的影响。数据处理获得的相干因子即可表征该延迟下单分子的布居几率和超快退相干过程。改变相对延迟ΔT，即可获得不同延迟下的超快动力学成像202、203和204，其中202为相对延迟为ΔT1下的超快动力学成像、203为相对延迟为ΔT2下的超快动力学成像，204为相对延迟为ΔT3下的超快动力学成像。通过分析超快动力学成像，可获得整个研究系统的超快退相干行为；通过计算局部区域超快退相干行为的关联特性，可进一步阐明环境对单分子超快退相干行为的影响。

以下结合图2阐述本实施例中的单分子量子相干的超快动力学成像方法，该方法通过以下步骤实现：

1)激光相对延迟零点校准：打开飞秒激光器105，飞秒激光器105产生的激光依次经起偏器106、反射镜107及等比分束镜108，形成光强完全相等的透射激光109和反射激光111；压电陶瓷控制器120输出锯齿波电压，连续改变透射激光109的光程，通过高速光电探测器118监测干涉光强，当干涉光强达到最大值时，透射激光109与反射激光111的相对延迟ΔT为零；固定压电陶瓷控制器120零点电压；

2)改变压电陶瓷控制器120的输出电压，将透射激光109与反射激光111相对延迟固定为ΔT1，通过飞秒激光延迟锁定系统102锁定该延迟；

3)电光调制晶体控制器113输出锯齿波电压至电光调制晶体112，周期性改变透射激光109与反射激光111的相对相位

周期性调制单分子激发态布居几率；所述周期性相位调制，用于调制单分子激光态布居几率，实现对单分子相干态及发射荧光强度的周期性调制，进而抑制背景噪声，提取单分子超快退相干参数；

4)将标记了SR分子的肺癌细胞A549细胞固定在物镜122下，调整物镜122的位置实现聚焦；

5)使用合束激光115激发被测单分子样品123并获得单分子荧光124，通过第一时间分辨相机127和第二时间分辨相机128采集单分子荧光，采集时间即积分时间；在本实施例中，积分时间为1s；

6)根据公式(一)计算获得每个像素点的相干因子ζ^xy，实现相对延迟为ΔT1下的超快动力学成像202；

每个像素点的相干因子ζxy可通过下式计算：

公式(一)中，x和y是最终超快动力学成像像素点的序号；下标1，2分别表示第一时间分辨相机127和第二时间分辨相机128；x1，y1和x2，y2分别表示第一时间分辨相机127和第二时间分辨相机128像素在x和y两个方向上的序号302和303；

7)改变压电陶瓷控制器120的输出电压，将透射激光109与反射激光111相对延迟固定为ΔT2，重复步骤3)-6)，获得该延迟ΔT2下的超快动力学成像203；

8)重复步骤2)-7)，分析成像图中每个像素点调制强度随一系列相对延迟的变化行为，可以获得每个单分子的超快动力学行为；成像整体随一系列相对延迟的变化即为基于单分子量子相干的超快动力学成像。

图5给出了本实施例中肺癌细胞A549细胞的超快动力学成像，他们的相对延迟分别为0fsa、50fsb、100fsc和150fsd。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统，其特征在于，它包括单分子相干态的制备与调控系统(101)、飞秒激光延迟锁定系统(102)、单分子激发与荧光探测系统(103)和超快动力学成像数据提取与处理系统(104)；

所述单分子相干态的制备与调控系统(101)包括飞秒激光器(105)、起偏器(106)、反射镜(107)、等比分束镜(108)、电光调制晶体(112)、电光调制晶体控制器(113)、第一角隅棱镜式反射镜(110)和第二角隅棱镜式反射镜(114)；所述飞秒激光器(105)用于制备单分子相干态，激发单分子并获得荧光；所述起偏器(106)设在飞秒激光器(105)的出射光路上，所述反射镜(107)设在起偏器(106)的出射光路上，所述等比分束镜(108)设在反射镜(107)的反射光路上，并形成光强相等的透射激光(109)和反射激光(111)；所述第一角隅棱镜式反射镜(110)位于透射激光(109)的光路上；所述电光调制晶体(112)和第二角隅棱镜式反射镜(114)依次位于反射激光(111)的光路上；透射激光(109)和反射激光(111)分别进入两个角隅棱镜式反射镜(110、114)经其反射后再次回到等比分束镜(108)，并在等比分束镜(108)处进行合束，形成合束激光(115)；所述电光调制晶体控制器(113)用于对电光调制晶体(112)施加具有特定波形和周期的电压，改变透射激光(109)和反射激光(111)的相对相位

所述飞秒激光延迟锁定系统(102)包括压电陶瓷(116)、不等比分束镜(117)、高速光电探测器(118)、差分放大器(119)及压电陶瓷控制器(120)；

所述压电陶瓷(116)固定在第一角隅棱镜式反射镜(110)的背面，所述不等比分束镜(117)设在合束激光(115)的入射光路上，所述高速光电探测器(118)设在不等比分束镜(117)的反射光路上，所述高速光电探测器(118)的信号输出端与所述差分放大器(119)的信号输入端连接，所述差分放大器(119)的信号输出端与压电陶瓷控制器(120)的信号输入端连接，所述压电陶瓷控制器(120)的信号输出端与压电陶瓷(116)的信号输入端连接；

所述单分子激发与荧光探测系统(103)包括二向色镜(121)、物镜(122)、被测单分子样品(123)、滤色片组合(125)、偏振分束器(126)、第一时间分辨相机(127)和第二时间分辨相机(128)；所述二向色镜(121)设在不等比分束镜(117)的透射光路上，所述物镜(122)设在二向色镜(121)的反射光路上，所述被测单分子样品(123)设在物镜(122)的出射光路上，被测单分子样品(123)被激发后产生的单分子荧光(124)进入物镜(122)及二向色镜(121)然后进入所述滤色片组合(125)，经滤色片组合(125)滤波后进入偏振分束器(126)分束，形成具有水平和垂直的荧光光强，分别被第一时间分辨相机(127)和第二时间分辨相机(128)探测；

所述超快动力学成像数据提取与处理系统(104)由电脑(129)以及设在电脑(129)中的数据处理程序组成，所述电脑(129)的信号输入端分别与飞秒激光器(105)、第一时间分辨相机(127)以及第二时间分辨相机(128)的信号输出端连接；所述电脑(129)的信号输出端与差分放大器(119)的信号输入端连接；

所述超快动力学成像数据提取与处理系统(104)中的数据处理过程包括：

1)选定相对延迟ΔT与积分时间T；

2)对第一时间分辨相机(127)和第二时间分辨相机(128)上每个像素(301)在积分时间T内所收集到的荧光光子进行求和，获得荧光强度，分别为

和

3)对第一时间分辨相机(127)和第二时间分辨相机(128)在积分时间T内，每个荧光光子的到达时间进行快速傅立叶变换，获得调制频率处的调制强度

和

2.根据权利要求1所述的一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统，其特征在于：所述飞秒激光器(105)的中心波长为625nm，脉冲宽度为150fs，重复频率为80MHz。

3.根据权利要求1所述的一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统，其特征在于：所述不等比分束镜(117)对飞秒激光光强的分配比例为1：9，其中1/10激光被反射，9/10激光被透射。

4.根据权利要求1所述的一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统，其特征在于：所述电光调制晶体控制器(113)对电光调制晶体(112)施加锯齿波波形的电压，相位调节范围为0-2π，调制频率设为1kHz。

5.根据权利要求1所述的一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统，其特征在于：所述被测单分子样品(123)为旋涂在玻片上的裸单分子或标记在生物体中的荧光分子。

6.根据权利要求1所述的一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统，其特征在于：所述压电陶瓷(116)用于改变透射激光(109)的光程，进而改变透射激光(109)与反射激光(111)的相对延迟ΔT。

7.根据权利要求1所述的一种基于单分子量子相干的超快动力学成像系统，其特征在于：所述滤色片组合(125)为陷波滤波片和长通荧光滤波片的组合，陷波滤波片和长通荧光滤色片依次放置在二向色镜(121)与偏振分束器(126)之间，所述陷波滤波片中心波长为625nm，半高全宽为10nm；所述长通荧光滤波片的截至波长为635nm。

8.基于权利要求1-7任一项所述单分子量子相干的超快动力学成像系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)激光相对延迟零点校准：打开飞秒激光器(105)，飞秒激光器(105)产生的激光依次经起偏器(106)、反射镜(107)及等比分束镜(108)，形成光强完全相等的透射激光(109)和反射激光(111)；压电陶瓷控制器(120)输出锯齿波电压，连续改变透射激光(109)的光程，通过高速光电探测器(118)监测干涉光强，当干涉光强达到最大值时，透射激光(109)与反射激光(111)的相对延迟ΔT为零；固定压电陶瓷控制器(120)零点电压；

2)改变压电陶瓷控制器(120)的输出电压，将透射激光(109)与反射激光(111)相对延迟固定为ΔT1，通过飞秒激光延迟锁定系统(102)锁定该延迟；

3)电光调制晶体控制器(113)输出锯齿波电压至电光调制晶体(112)，周期性改变透射激光(109)与反射激光(111)的相对相位

周期性调制单分子激发态布居几率；

4)将标记了荧光分子的被测单分子样品(123)固定在物镜(122)下，调整物镜(122)的位置实现聚焦；

5)使用合束激光(115)激发被测单分子样品(123)并获得单分子荧光(124)，通过第一时间分辨相机(127)和第二时间分辨相机(128)采集单分子荧光；

6)根据公式(一)计算获得每个像素点的相干因子ζxy，实现相对延迟ΔT1下的超快动力学成像(202)；

每个像素点的相干因子ζxy可通过下式计算：

公式(一)中，x和y是最终超快动力学成像像素点的序号；下标1，2分别表示第一时间分辨相机(127)和第二时间分辨相机(128)；x1，y1和x2，y2分别表示第一时间分辨相机(127)和第二时间分辨相机(128)像素在x和y两个方向上的序号(302，303)；

7)改变压电陶瓷控制器(120)的输出电压，将透射激光(109)与反射激光(111)相对延迟固定为ΔT2，重复步骤3)-6)，获得该延迟下的超快动力学成像(203)；

8)重复步骤2)-7)，即可实现基于单分子量子相干的超快动力学成像。

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