一种全谱荧光寿命快速测量装置

本发明涉及时间分辨荧光寿命测量，尤其涉及一种全谱荧光寿命快速测量装置。

背景技术：

1、在激发光源的照射下，物质中的分子吸收能量后跃迁到激发态，再以辐射跃迁的形式回到基态并伴随着光子的释放，发出荧光。物质的荧光寿命和其所处微环境的极性和粘度等有关，并且不受荧光团浓度、样品厚度、光漂白、激发光强度等影响，所以对样品进行荧光寿命测量可以获得分子所处微环境的参数，例如ph值、离子浓度等，能更加深入地对生物样本等进行功能性的精准测量。通过发射光谱和荧光寿命的细微变化可以推断分子间相互作用情况和环境参数的影响，例如荧光共振能量转移、温度等。

2、在现有荧光寿命测量技术中，时间相关单光子计数具有测量精度高，适用于测量多组分荧光寿命和荧光强度较弱的样品的优点。测量时需要同步的脉冲电信号和脉冲激光。测量开始后同步脉冲电信号触发计时器开始计时，同时脉冲激光激发样品发出荧光，第一个荧光光子信号到达探测器后停止计时。计时器将记录同步脉冲电信号和荧光光子信号到达探测器的时间间隔，并将其计入脉冲周期内相应的时间通道中。因此在高重复频率的脉冲激光激发下，经过一定时间的累积后，会获得横坐标为时间，纵坐标为光子数的直方图，经平滑处理后得到荧光衰减曲线，如图1所示。

3、在一个激发周期内，普通的单通道时间相关单光子计数最多记录一个光子。若一个激发周期内出现多个光子，会导致测量得到的荧光寿命相比于真实的荧光寿命向短寿命方向偏移，即出现“光子堆积效应”。这种光子堆积效应使时间相关单光子计数法的计数率受到限制。通常荧光光子计数率与激发脉冲重复频率的比值需要低于1％～5％，否则会导致荧光寿命测量失真。因此，要保证足够的光子数，需要足够长的测量时间才能提高结果的准确性。另一方面，单通道时间相关单光子计数法中，一次测量往往只能对某一样品的单一波长进行探测，无法同时获得其他探测波长下的荧光寿命信息。要获得同一样品多个探测波长的寿命信息，需要对样品进行多次测量。这极大地限制了荧光寿命在荧光共振能量转移、多种荧光物质相互作用等研究中的应用。

4、因此，需要一种测量速度快，且能够同时探测多个波长处荧光信息的全谱荧光寿命测量装置。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术中的缺陷，提供了一种全谱荧光寿命快速测量装置。

2、本发明的一种全谱荧光寿命快速测量装置，包括：光学系统以及探测电路系统，

3、所述光学系统沿光路依次包括：准直组件，用于将荧光准直为近似平行的光束；分光组件，用于将不同波长的荧光在一维方向即x方向上分开；光学整形组件，用于在另一维方向即y方向上将光强呈高斯分布的荧光光斑整形为光强均匀分布的光斑即矩形荧光光斑；

4、所述探测电路系统包括多通道探测器和信号处理系统，并执行如下步骤：

5、接收所述光学系统处理后的所述矩形荧光光斑，所述矩形荧光光斑在一维方向即x方向上波长分开，在另一维方向即y方向上光强分布均匀，通过将光信号转换为电信号，在所述多通道探测器的x方向上以及y方向上的多个像素单元中的每个像素单元上进行光子计数，

6、获得所述每个像素单元的电脉冲同步信号与荧光信号到达之间的时间差，

7、根据每个像素单元的光子计数以及对应的每个像素单元的电脉冲同步信号与荧光信号到达之间的时间差，获得每个像素单元的光子数随时间通道的累计直方图，

8、所述多通道探测器的y方向上的多个像素单元中的每个像素单元接收同一个波长的荧光，通过并行处理所述y方向上的光子数累计直方图数据，从而快速获取所述同一个波长下的荧光寿命衰减直方图；所述多通道探测器的x方向上的不同像素单元对应不同荧光波长，从而进一步快速获得全谱荧光寿命衰减直方图即全谱荧光寿命信息。

9、优选地，所述光学系统中，所述分光组件为色散元件，所述色散元件为光栅或棱镜。

10、优选地，所述光学系统的光路中，所述的光学整形组件在所述分光组件后，或所述的光学整形组件在所述分光组件前。

11、优选地，所述光学整形组件在分光组件前时，所述光学整形组件为鲍威尔棱镜。

12、优选地，所述光学整形组件在分光组件后时，所述光学整形组件为平凹柱面镜和鲍威尔棱镜，或平凸柱面镜和鲍威尔棱镜。

13、优选地，所述多通道探测器为面阵列式多像素单光子探测器或多个单像素单光子探测器的二维组合。

14、优选地，所述多通道探测器构造为接收所述矩形光斑，实现每个像素单元上的光子计数，所述信号处理系统构造为获得每个像素单元的电脉冲同步信号与荧光信号到达之间的时间差，以及获得每个像素单元的光子数随时间通道的累计直方图；或所述多通道探测器构造为实现每个像素单元的光子计数和获得每个像素单元的电脉冲同步信号与荧光信号到达之间的时间差，所述信号处理系统构造为获得每个像素单元的光子数随时间通道的累计直方图。

15、优选地，所述测量装置在不包括所述分光组件的情况下可以对同一个波长的荧光进行测量，所述多通道探测器的y方向上的多个像素单元中的每个像素单元接收同一个波长的荧光，通过并行处理所述y方向上的光子数累计直方图数据，从而快速获取所述同一个波长下的荧光寿命衰减直方图。

16、本发明具有如下有益效果：

17、1.本发明与传统的单通道时间相关单光子计数的荧光寿命测量方法相比，通过荧光的分光和整形处理并结合多通道探测器和相应的电路，突破单通道时间相关单光子计数测量方法中光子计数率低的限制，并且可以同时对多个波长荧光进行探测，大幅提高全谱荧光寿命的测量速度。

18、2.本发明中通过荧光光斑的整形处理，使得多通道探测器接收到的光信号在一维度上(y方向上)光强分布均匀，有效地避免了光强中间强、两边弱所导致的多通道探测器两端光子计数率过低、中间通道光子计数率过高而饱和的状态，使得多通道探测器该方向上的所有像素单元得到充分利用。

技术特征：

1.一种全谱荧光寿命快速测量装置，其特征在于，包括光学系统以及探测电路系统，

2.根据权利要求1所述的一种全谱荧光寿命快速测量装置，其特征在于，所述光学系统中，所述分光组件为色散元件，所述色散元件为光栅或棱镜。

3.根据权利要求1所述的一种全谱荧光寿命快速测量装置，其特征在于，所述光学系统的光路中，所述的光学整形组件在所述分光组件后，或所述的光学整形组件在所述分光组件前。

4.根据权利要求3所述的一种全谱荧光寿命快速测量装置，其特征在于，所述光学整形组件在分光组件前时，所述光学整形组件为鲍威尔棱镜。

5.根据权利要求3所述的一种全谱荧光寿命快速测量装置，其特征在于，所述光学整形组件在分光组件后时，所述光学整形组件为平凹柱面镜和鲍威尔棱镜，或平凸柱面镜和鲍威尔棱镜。

6.根据权利要求1所述的一种全谱荧光寿命快速测量装置，其特征在于，所述多通道探测器为面阵列式多像素单光子探测器或多个单像素单光子探测器的二维组合。

7.根据权利要求1所述的一种全谱荧光寿命快速测量装置，其特征在于，所述多通道探测器构造为接收所述矩形光斑，实现每个像素单元上的光子计数，所述信号处理系统构造为获得每个像素单元的电脉冲同步信号与荧光信号到达之间的时间差，以及获得每个像素单元的光子数随时间通道的累计直方图；或所述多通道探测器构造为实现每个像素单元的光子计数和获得每个像素单元的电脉冲同步信号与荧光信号到达之间的时间差，所述信号处理系统构造为获得每个像素单元的光子数随时间通道的累计直方图。

8.根据权利要求1所述的一种全谱荧光寿命快速测量装置，其特征在于，所述测量装置在不包括所述分光组件的情况下可以对同一个波长的荧光进行测量，所述多通道探测器的y方向上的多个像素单元中的每个像素单元接收同一个波长的荧光，通过并行处理所述y方向上的光子数累计直方图数据，从而快速获取所述同一个波长下的荧光寿命衰减直方图。

技术总结
本发明提供了一种全谱荧光寿命快速测量装置，旨在解决基于时间相关单光子计数的荧光寿命测量方法存在的因计数率限制导致测量速度慢、难以同时获得多个波长下的荧光信息的问题。该测量装置包括光学系统和探测电路系统。光学系统用于将不同波长的荧光信号进行分光和整形，使其在一维度上波长分开，另一维度上光强均匀分布。探测电路系统用于接收整形后二维分布的荧光信号，进行光子计数，获得激发光信号和荧光信号之间的时间差，实现每个像素单元荧光光子数的累积，获得不同波长下的荧光寿命衰减直方图，最终获得全谱荧光寿命信息。本发明利用基于时域的荧光寿命测量手段，通过荧光光斑分光和整形并结合多通道探测器及信号处理系统，能够实现样品全谱荧光寿命的快速测量。

技术研发人员：张三军,吴光,周黄梅,陈凯,莫易丹
受保护的技术使用者：华东师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12