时间相关单光子计数（TCSPC）技术 简介
时间相关单光子计数技术首先由 Bollinger、 Bennett、Koechlin 三人在六十年代为检测被射
线激发的闪烁体发光而建立的,后来人们把它应用
到荧光寿命的测量。它的优点如下：时间分辨本 领好, 灵敏度高,测量精度高,动态范围大,输出数 据数字化,便于计算机存贮和处理等。在近代物理、 化学、生物等领域中获得了广泛的应用, 特别是
多波长荧光实验
对若丹明6G和荧光素的混合物，同时记录得到的荧 光强度随时间和波长变化的曲线
时间相关单光子技术测荧光寿命的 优缺点
优点：在于灵敏度高、 测定结果准确、 系统误
差小， 是目前最流行的荧光寿命测定方法。
缺点：但是这种方法所用仪器结构复杂、 价格
昂贵、 而且测定速度慢， 无法满足某些特殊体系 荧光寿命测定的要求。
[7]覃东利.时间分辨组织体光学参数测量及扩散光学成 像实验研究[D].2007. [8]刘维.用于乳腺扩散光学层析成像的多通道光子计数 系统的设计[D].2007. [9]高峰,杨芳,和慧园.早产儿大脑血氧动力变化的二维 扩散光学层析技术[A].2007年中国科学技术协会年会论 文集[C].2007. [10]程颖,任明明,Poirier N等.心肌细胞NAD(P)H荧光 成分分析法监测心脏移植排斥反应[J].中国胸心血管外 科临床杂志,2009,16(6)
在研究发光动力学方面更有它特殊用途.
光子计数技术
光子计数技术也就是光电子计数，是一种计 量离散的光子脉冲的数字技术。它所探测光电流 强度比光电检测器本身在室温下的热噪声水平 （10-14W）还要低，用通常的直流检测方法是不 能把这种湮没在噪声中的信号提取出来。光子计 数方法利用弱光照射下光子探测器输出电信号自 然离散的特点，采用脉冲甄别技术和数字计数技 术把极其弱的信号识别并提取出来。
如何测量荧光寿命？
1. 时间相关单光子法 2. 调相法 3. 闪频法
有单色仪的荧光寿命光谱仪
[5] 计算方法
处于激发态的荧光分子在退激发到基态的过程中
发射荧光释放能量，激发态荧光团荧光强度的衰
减用数学式表达为单指数函数：
I (t ) I 0 exp( t / τ )
荧光寿命原理图
τ ( t 2 - t 1 ) / ln ( I 1 / I 2 )
研究荧光寿命有什么意义？
荧光物质的荧光寿命不仅与自身的结构而且与其所
处微环境的极性、粘度等条件有关，因此通过荧光 寿命测定可以直接了解所研究体系发生的变化。荧
光现象多发生在纳秒级，这正好是分子运动所发生
的时间尺度，因此利用荧光技术可以 “看” 到许
多复杂的分子间作用过程，例如超分子体系中分子
间的簇集、固液界面上吸附态高分子的构象重排、 蛋白质高级结构的变化等[4]。
2.窄脉冲激光在GI-POF光纤中的特性测量
3.全数字高精度激光测距系统的设计与实现
4.激光扫描显微技术
参考文献：
[1]王静怡.多通道时间相关单光子计数DOT/FMT系统集成和操 作平台开发[D].2009. [2] W. Becker .Advanced Time-Correlated Single Photon Counting Techniques[M] .(2009) [3] W. Becker, A. Bergmann, C. Biskup, T. Zimmer, N. Klker, K. Benndorf,Multiwavelength TCSPC lifetime imaging, Proc. SPIE 4,620 79������ 84 (2002) [4]房喻.荧光寿命测定的现代方法与应用[J].化学通 报,2001,64(10) [5]刘立新,屈军乐,林子扬等.荧光寿命成像及其在生物医学 中的应用[J].深圳大学学报（理工版）,2005,22(2) [6]张丽敏.时域荧光扩散光层析的基本理论与实验研究 [D].2009.
基本原理
光子入射到生物组织中，其经历伴随有反射、吸
收、散射和透射等过程。 光子在组织中的传输大多是基于传输理论。在传 输理论中，主要采用吸收系数、散射系数、各向 异性因子等来描述组织的光学特性。这些组织光
学特性参数是激光诊断、激光治疗、光剂量学等
理论和临床实践的基础。
什么样的？ 红外线 组织体 扩散光
如何 ?
光学特性
光学参数
从图中可以看到大约在 650-900nm有一个吸收 窗口，在这个波段内对 光的吸收很少，因此， 可以对组织用近红外进 行照射，此时可以光子 可以透过组织并探测到。
各种组织成分的吸收光谱
扩散光扩散方程[7]
Байду номын сангаас
其中： μa是散射系数, g是向异性因子, μs’是约化 散射系数μeff是衰减系数，I0是初始光源强度，R漫 射(反射)光强度，ρ光源到探测器距离，zo，zb， μeff，rl，r2都是μa，μs’的函数。
左图：X光照片
右图光学照片
脑成像原理图
优点
测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以
及其他不稳定因素的影响较小。 消除了大部分探测器热噪声的影响，提高了测量 结果的信噪比。 有比较宽的线性动态区
在乳腺检查方面与现有的X-CT、磁共振成像(MRI)
等相比,DOT系统具有无损、低价、功能成像等。
ＳＴＯＰ ＳＴＡＲＴ
光电 倍增管 放大器
甄别器
延时器
ＴＡＣ A/D
甄别器
计算机
多通道 分析仪
显示器
TCSPC 经典工作方式[1]
TCSPC原理及原理图[2]
基本原理：用一个窄光脉冲激发 样品, 然后检测样品所发射的第 一个荧光光子到达光信号接收器 的时间。由TAC将此时间成比例 的转化为相应的电压脉冲，再将 此电脉冲通过AD转换通入多通 道分析器[3]，在多通道分析器中, 这些输出脉冲均依次送人各通道 中累加贮存。就获得了与原始波 形一致的直方图。在某一时间间 隔内检测到光子的几率与荧光发 射强度成正比例, 重复多次测量 得到荧光强度衰变的规律。
时间相关单光子计数技术的应用
一．荧光寿命实验 二．扩散光学层析
三．其他应用
荧光寿命实验
1. 什么是荧光？什么是荧光寿命？
2. 研究荧光寿命有什么意义？
3. 如何测量荧光寿命？ 4. 有什么应用？
什么是荧光？什么是荧光寿命？
当某种物质被一束激光激发后,该物质的分子吸收
能量后从基态跃迁到某一激发态上,再以辐射跃迁 的形式发出荧光回到基态.当激发停止后,分子的荧 光强度降到激发时最大强度的1/e所需的时间称为 荧光寿命，它表示粒子在激发态存在的平均时间, 通常称为激发态的荧光寿命。
光电倍增管（PMT）在不同光输入 时的输出 [1]
(a)输入光较强时PMT 输出有涨落的直流量。 (b)输入光较弱时PMT 输出光电流不再是连 续的。
(c)输入光极弱时PMT 输出离散的脉冲。
单光子计数器框图[1]
TCSPC 实验方框图[3]
纳秒闸控 放电灯 激光 单色仪 样品 荧光 单色仪
光电 倍增管 放大器
时间相关单光子计数(TCSPC)技术 原理及应用
信息工程学院
主讲人：Alen Fielding
目录
1 时间相关单光子计数（TCSPC）技术简介 2 光子计数技术 3 单光子计数器框图
4 TCSPC 实验方框图
5 TCSPC 经典工作方式和原理图
6 时间相关单光子计数技术的应用
相对均匀的组织μs’可视为常数[2]
时间相 关单光 子计数
R
μa
光学特性
主要应用
乳房层析成像
例：乳腺癌检测[8] 脑成像 例：早产儿血样动力变化成像[9] 肌肉与骨骼的研究 例：骨骼的光学实验，肌肉组织中的血流动力学 和氧动力学的检测（例：心肌细胞动力研究[10]）
乳房层析照相原理图
3.其他应用
1.光谱仪 成果： 亚纳秒荧光测量系统（中国科学院长春光学机械与物理研究所 2004） 皮秒时间相关单光子计数光谱仪研制（中国科学院长春光学机 械与物理研究所2003） 应用： 广泛应用于冶金、铸造、机械、金属加工、汽车制造、有色、 航空航天、兵器、化工等领域的生产过程控制，中心实验室成 品检验等，可用于Fe、Al、Cu、Ni、Co、Mg、Ti、Zn、Pb等 多种金属及其合金样品分析。可对片状、块状以及棒状的固体 样品中的非金属元素（C、P、S、B等）以及金属元素进行准 确定量分析。
扩散光学层析成像（DOT）
1. 什么是扩散光学层析成像？ 2. 基本原理是什么？
3. 主要应用有那些？
4. 优点
什么是扩散光学层析成像
扩散光学层析成(DiffuseOpticalTomography,DOT)
就是利用光与生物组织生理指标密切而灵敏的联 系,通过对组织体穿透能力较强的近红外光照射组 织体,由光电探测阵列采集漫射(扩散)光并取相关 算法反推光学参数空间分布进而反映关联生理变 化。
应用
1. 由于荧光分子与溶剂的相互作用、构象变化以及与 蛋白、缩氨酸和脂质等的不同结合状态而引起的荧 光寿命变化。 2. 荧光分子的寿命随其周围环境的折射率而变化。
3. 压力对荧光寿命的影响在。
4. 电子和质子传递与荧光寿命的关系。 5. 光动力学治疗的相关研究. 6. 金属纳米颗粒结合后，荧光染料的辐射衰减速率和 光稳定性得到增强。
多光谱荧光寿命实验[2]
通常情况下为了避免光漂白效应，总的激光剂量
不可能太大，而且研究对象的荧光也可能发生动 态变化，此外，作为一种检测、诊断或治疗手法 应用到病人身上，激光功率还受到激光安全方面 的限制。因此用单色仪进行扫描获得时间分辨荧
光常常是不太可取的方法，此时要记录多个波段
的衰减曲线。
双色分光镜多波长探测侧系统