测量开始时, 延迟信号发生器的一个通道 首先触发脉冲激光器, 过适当时间后( 这段时间 的长短取决于有关光路的长度及路径上介质的
折射率) , 另一通道的延迟信号触发高压脉冲发 生器。后者发出的脉冲信号通过门输入接口将
探测器打开, 直到激光诱导荧光信号到达时将 其关闭, 测出这两个信号之间的时间延迟便可 得到荧光寿命。
参考文献 1 Lu cas A . et al. Fluorescence spect roscopi c det ect ion of
ear ly, in jury-induced ath eros clerosis . SPIE, 1992, 1642: 183～190 2 A l exander A L. et al. Fluorescence s pectros copy of normal and at heromat ous hum an aort a: O ptim um il lumin at ion w avelengt h. SPIE, 1991, 1424: 6～14 3 A z iz D . et al . Fluorescence res ponse of select ed t issu es in t he canine heart -A t att empt t o f ind t he conduct ion sys tem. S PIE , 1992, 1642: 166～175 4 Pradh an A . at al . T ime res ol ved fl uores cence of normal an d at heros clerot ic ar teries . S PIE, 1991, 1425: 2～5 5 Pat t erson M S , Chance B and W ilson B C. T ime r esol ved refl ectance and tr ans mit t ance for th e noninvas ive ineasur emen t of t is sue opt ical pr op ert ies . A ppl . O pt . , 1989, 28 ( 12) : 2331～2336 6 A nders son-engels S . et al . M alignant T umor and
( 1a)
kq D +
( 1b)
kp 其他生成物
( 1c)
k′2a D + Q +
( 1d)
k′2b D + Q *
( 1e)
其中: —荧光频率;
h —普 朗克 常数 ; Q —消 激发 或淬 灭因 子;
—激发态与基态之间的能量差;
kr—激发态自发辐射光子并回到基态的
速率常数;
kq —分子之间相互作用消激发的速率常
1GHz 的宽带采样示波器则具有 0. 3ns 的上升 时间。
当然, 上升时间并非问题的全部。电子束每
次通过屏幕所产生的图像的亮度决取于阴极射
线管的荧光剂和加速电势。很多高速示波器不
适于观察低重复率信号就是因为其加速电势较
低; 对高重复率信号则不成问题, 因为眼睛累积
期间电子束可在屏幕上扫掠多次。用比较老式
点, 特别是系统的安装比较简单。而其主要缺点
是测量精度不如数字化处理的高, 一般只能达 到中等水平。
示波器的处理速率受其高频截止频率 f c
的限制, 上升沿时间
tr
∝
f
c
1
20M Hz 的 示 波 器 上 升 沿 时 间 约 为 17ns;
50M Hz 的约为 7ns; 300M Hz 的约为 1. 1ns; 而
数;
kp —激发态演变为其他生成物的速率常
数; k′2 = k ′2a + k ′2b—双分子激发态淬灭的速
率常数。
在这种模型下, 激发态 D* 衰减的速率方
程为
d[ D* dt
]
=
-
( kr +
kq +
kp ) [ D* ]
- k ′2[ Q] [ D * ]
( 2)
原则上讲, Q 在实验中会发生变化, 但实际上,
many case. T he fluor escence lifetime has been analy zed. T w o kinds o f measurem ent means bave been
presented by w hich the laser -induced fluor escence lifetime may be sur veied for no rmal or at hero sclero tic
A th eros clerot ic Plaque Diagnosis U s ing Laser-Induced Fl uores cence. IEE E J . of Q uant . E lect . , 1990, 26 ( 12) : 2207～2217
进行诊断已有很多年的历史, 而以激光作为激 的光学路径也是不可重复的, 这样, 环境的散射
发源诱导组织发射荧光则使这种诊断方法变得 和光学路径的调整便使由测量的强度和光谱来
更加有效。
判断荧光物的性质的工作复杂化。而光谱的相
荧光发射包括光谱( 频域) 特性和时间( 时 域) 行为两方面的信息。因而, 依据激光诱导荧 光的特性进行疾病诊断相应地也有两种方法, 一种是荧光光谱法, 其依据是人体正常组织与 病变组织的荧光具有不同的光谱特性, 介绍这 种方法的例子如文献[ 1] ～[ 2] ; 另一种则称为 荧光寿命法, 其依据是人体正常组织与病变组 织的荧光寿命之 间存在显著差 异, 文献[ 4] ～ [ 6] 介绍的便是这种方法。
迁发生在激发态三重态和基态之间, 则属于量 子力学“禁戒”跃迁, 辐射的光称为磷光。荧光寿
命一般都很短, 依赖于荧光体, 从几十纳妙到几
个纳妙, 乃至亚纳妙。
用 D 和 D* 分别表示系统的基态和激发
态, 研究荧光寿命时主要关心的是激发态的衰
减速率, 衰减过程可以用以下一组关系表示:
D* kr D + h
激发态的寿命 是一种统计平均值, 其积
分形式为
∫∫ =
∞
t
0
-
d[ D * ] dt
dt
∞ 0
-
d[ D* ] dt
dt
( 6)
对激发态随时间按指数规律衰减的情况, 将方
程( 5) 代入方程( 6) 得:
∞
te- ktdt
∫ =
0 ∞
=
e- ktdt
∫0
1 k
( 7)
即激发态平均寿命等于其衰减常数的倒数。
现及发展, 激光诱导荧光寿命可以用更精确的 方法进行测量, 图 2 是这种方法的原理性框图。 图中虚线表示可选择连接, 当它接通时 ICCD 的控制器工作在外同步模式, 不接通时工作在 非同步模式。
图 1 示波器法测量荧光寿命框图 EL—激发光源; S—样品; FL—荧光;
O—示波器; PD—光电二极管; PM—光电倍增管; HV—高压电源。
由于激发态寿命很短, 所以, 在测量寿命的过程
中可以认为 Q 保持不变, 因而可将其归入常数 k′2, 并引进表示激发态衰减的总速率常数。
2
k = kr + kp + kq + k2
其中:
k 2 = k′2 [ Q]
( 3)
于是, 速率方程( 2) 简化为
d[ D* ] dt
=
-
k[ D* ]
( 4)
二、荧光寿命机理 被激光或其他光源激励到激发态的荧光体
1
光 学 技 术 1997 年 3 月
分子会在 很短的时间内自发跃迁回到基态, 同 时辐射比激发光波长稍长的光。如果这种跃迁
发生在激发态单态和基态单态之间, 则属于量
子力学允许的跃迁, 辐射的光称为荧光; 如果跃
的示波器观察低重频信号就更加困难。通过改
善荧光剂性能和提高加速电压, 很多现代的非
常高速的示波器则甚至对单脉冲信号也能产生
可观察像。
各种记忆式示波器非常适合于荧光寿命的
测量。对一个脉冲信号, 这类示波器典型的扫掠
速度为 0. 2～10 s/ cm 甚至更慢。这就说, 即使 用单次发射, 也可以在屏幕上产生一个有用的
踪迹, 或“半持久性”像。
2. 用 ICCD 测量荧光寿命 随着 ICCD( 像增强型电荷耦合器件) 的出
图 2 ICCD 测量荧光寿命的原理框图 D G—多通道延迟信号发生器; PL—脉冲激光器; L —激光束; S —样品; FL —荧光信号; S P—光谱仪; GI—ICCD 的门输入; C —控制器; HV —高压脉冲发生器。
三、荧光寿命的测量
测量荧光寿命有很多种方法, 最直接的方 法就是测量样品受到脉冲光照射后其发射光对
时间的依赖。由样品对激励脉冲的响应关系可
获得激发态衰减的动态特性。下面将介绍两类
测量装置, 第一类的检测设备为光电倍增管和
示波器; 第二类则采用 ICCD 器件。 1. 采用示波器的测量装置
图 1 是这种装置的方框图。图中 ET 是示
第 19 97
2 年
3
期月
光 学 技 术
No. 2
OPTICAL TECHNOLOGY
March 1997
激光诱导荧光命及其测量
阎吉祥 李家泽
( 北京理工大 学光电工程系, 北京 100081)
摘 要: 激光诱导荧光特性的研究可用于包括心血管病在内的多种疾病的诊断。荧光发射包括光谱 ( 频域) 和时间( 时域) 两方面的信息, 后者表现为荧光寿命。在很多情况下, 测量荧光寿 命是比测量光谱 更为有效的诊断方法。本文从理论上讨论了荧光寿命 问题, 并介绍两种测量 方法, 可用 于测量人体正常 组织和病变组织的激光诱导荧光寿命。