作者：戴xl 时间：2024-11-08
时间相关单光子计数（Time - Correlated Single Photon Counting，TCSPC）是一种极为重要的技术，其基本内核是单光子探测技术，它能够以皮秒级的时间分辨率记录低水平光信号。这项技术在现代科学研究和许多实际应用中发挥着关键作用。其 SPC - series模块系列为该技术的应用提供了坚实的基础。美国Boston Electronics（波士顿电子）在推广和应用TCSPC技术方面发挥了重要作用。
随着科学技术的不断发展，TCSPC技术在各个领域的应用越来越广泛。它不仅为科学家们提供了深入研究物质性质和微观结构的有力工具，也为许多实际应用提供了高精度、高灵敏度的解决方案。
TCSPC的典型应用与应用优势
在超快速记录光学波形、荧光寿命测量、单分子检测与识别、DNA 测序、光学断层扫描、荧光寿命成像等应用中光子计数系统发挥着重要作用。
图1：TCSPC应用案例
相较于传统技艺，TCSPC具有超高时间分辨率、超高灵敏度、短测量时间、高动态范围、高线性度、优秀的信噪比、高增益稳定性、抑制探测器漏电流等显著优势。
TCSPC的工作原理
TCSPC技术利用时间相关单光子计数器基于对周期性光信号中单光子探测，光子技术系统负责测量单光子的检测时间，并根据个体时间测量重建波形。对于低水平、高重复率的信号，光强度通常很低，一个信号周期内检测到一个光子的概率远小于1。因此，检测到多光子的情况可以忽略。当检测到光子时，测量相应探测器脉冲的时间，并将事件通过在内存中与检测时间成比例的地址位置添加 “1” 来收集。经过许多光子后，检测时间的直方图，即光脉冲的波形在内存中建立起来。
图2：TCSPC测量原理
灵敏度
光子计数系统的灵敏度主要受探测器暗计数率的限制，定义灵敏度为信号等于暗信号噪声时的强度，其计算公式为：
S = （Rd*N/T）1/2/Q
其中Rd = 暗计数率，N = 时间通道数，Q = 探测器的量子效率，T = 总体测量时间。例如，对于典型值（未冷却的 PMT，多碱阴极）Rd = 300s - 1，N = 256，Q = 0.1 和 T = 100s，灵敏度为 S = 280 光子 / 秒，这比典型激光的强度（1018 光子 / 秒）小 1015倍。因此，当样品被激光激发并测量发射光时，对于 10-15的转换效率，发射仍可检测到。
时间分辨率
SPC方法与模拟信号处理方法的不同之处在于，时间分辨率不受检测器脉冲响应宽度的限制。对于SPC方法，只有检测通道中的定时精度是至关重要的。这种精度由传输时间决定。单光子脉冲在探测器中的传输和电子系统中的触发精度。定时精度比检测器脉冲响应的半宽度高10倍。
图3：激光脉冲记录30 ps半高宽
精度
测量的精度由特定时间通道中收集的光子数量的标准偏差给出。在给定光子数量 N 的情况下，信噪比为SNR = N-1/2。在光强度不太高的情况下，几乎所有检测到的光子都对结果有贡献。因此，SPC 在给定强度和测量时间下产生非常好的信噪比。此外，在 SPC 方法中，由于泄漏电流、增益不稳定性和探测器的随机增益机制引起的噪声不会出现在结果中，与模拟信号处理方法相比，这会带来额外的信噪比改善。
图4：荧光衰减曲线，激发带Ar+激光器
记录速度
传统的TCSPC设备记录速度较慢，但最新设备每秒可实现约 106个光子的计数率。因此，收集 1000个光子可在不到 1 毫秒内完成，该设备可用于检测通过毛细管的单分子、快速图像扫描、研究不稳定样品或作为光学示波器等高速应用。
图3：通过毛细管的单分子荧光衰减信号。每条曲线采集时间1毫秒。
多通道和多探测器能力
最新的TCSPC模块中更新了多通道和多探测器能力。设备内存空间为多个波形提供存储空间，每个光子的目的地由外部信号控制。结合快速扫描设备，可获得高达 128 x 128 像素的时间分辨图像，每个像素包含一个完整的波形。此外，一个TCSPC模块可使用多个探测器，利用不同探测器中同时检测到多个光子的可能性非常小的事实，通过外部设备确定特定光子在哪个探测器中被检测到，并将光子路由到包含各个探测器波形的不同内存模块中。
图4：128 x 128像素的扫描，包含16384个波形
TCSPC的潜力与未来方向
TCSPC技术作为一种先进的光学测量技术，在科学研究和实际应用中展现出了巨大的潜力。随着相关技术的不断发展和创新，相信TCSPC将在更多领域得到广泛应用，为人类探索未知、推动科学进步提供更强大的支持。同时，我们也期待着 Boston Electronics（波士顿电子） 等相关企业能够继续在TCSPC技术的研发和推广中发挥重要作用，时间相关单光子技术器系列不断更新，TCSPC技术水平不断提升，为用户提供更优质的产品和服务。
