TCSPC技術測量熒光壽命原理

1、時間相關單光子計數器工作原理

TCSPC(Time-Correlated Single Photon Counting)是目前主要應用的熒光壽命測定技術。熒光壽命通常在ps~us量級,在如此短的時間量級上進行測量,TCSPC是最為成熟準確的測試手段。TCSPC 的工作原理如圖1 所示,使用一個同步信號源驅動激光器,出射光脈沖照射樣品池,在利用光子探測裝置(多為PMT)對熒光信號進行探測,每一個光子計數信號在FT1010中都會落入一個對應的時間窗口,經過一定時間的統計疊加后即得到熒光壽命曲線。幾十萬次重復以后,不同的時間通道累積下來的光子數目不同。以光子數對時間作圖可得到如圖2 所示直方圖,此圖經過平滑處理得到熒光衰減曲線。

 

圖1 熒光壽命測試原理

 

圖2 TCSPC工作原理

 

 

2、熒光壽命及其含義
假定一個無限窄的脈沖光(δ函數) 激發n0個熒光分子到其激發態,處于激發態的分子將通過輻射或非輻射躍遷返回基態。假定兩種衰減躍遷速率分別為Γ和knr,則激發態衰減速率可表示為:

其中n(t)表示時間t時激發態分子的數目,由此可得到激發態物種的單指數衰減方程。熒光壽命定義為衰減總速率的倒數:

熒光強度正比于衰減的激發態分子數,因此可將上式改寫為:

其中I0是時間為零時的熒光強度,τ為熒光壽命。也就是說熒光強度衰減到初始強度的1/e 時所需要的時間就是該熒光物種在測定條件下的熒光壽命。實際上用熒光強度的對數對時間作圖,直線斜率即為熒光壽命倒數的負值。熒光壽命也可以理解為熒光物種在激發態的統計平均停留時間。事實上當熒光物質被激發后有些激發態分子立即返回基態,有的甚至可以延遲到5倍于熒光壽命時才返回基態,這樣就形成了實驗測定的熒光強度衰減曲線。

 

3、熒光壽命測定中的數據處理
由于實際體系的復雜性,熒光衰減往往要用多指數或非指數衰減方程描述:

式中ai為第i項的指前因子。衰減方程的復雜性反映了體系中熒光物種的多樣性或存在狀態的復雜性。當所測量的熒光壽命較短時,實驗數據就和光源的脈沖寬度,光電倍增管及電子學電路的響應時間有著密切的關系。為了去掉儀器響應對測量結果的影響,需要解下面的積分方程:

樣品的實測熒光衰減曲線N,實際上為L與脈沖響應函數I的卷積,即利用解卷積的辦法有可能得到脈沖響應函數I(t),進而求得描述樣品熒光衰減本質的熒光壽命(τ) 等有關參量。實際工作中一般以膠體SIO2 (商品名Ludox) 為虛擬樣品進行測定,儀器響應函數表明了儀器能夠測定的最短熒光壽命。

 

——星秒光電(SIMINICS)

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