第1章 时间关联单光子计数电子设备的原理及采集模式

1．1 引言：TCSPC技术的基本原理和发展史

1．2 现代时间测量电路

1．3 在荧光寿命之外的应用

1．4 时间标记TCSPC技术

1．5 TCSPC成像和多维技术

1．6 时间标记TCSPC数据实时分析

1．7 前景展望

参考文献

第2章 用于300~1000nm可见光的单光子计数探测器

2．1 总述

2．2 光电倍增管

2．2．1 总体描述

2．2．2 探测效率

2．2．3 暗计数和跟随脉冲

2．2．4 时间分辨率

2．2．5 几何因素

2．3 微通道板光电倍增管（MCP-PMT或MCP）

2．3．1 总体描述

2．3．2 探测效率

2．3．3 暗计数和跟随脉冲

2．3．4 时间分辨率

2．3．5 几何因素

2．4 混合型光电倍增管

2．4．1 总体描述

2．4．2 探测效率

2．4．3 暗计数和跟随脉冲

2．4．4 时间分辨率

2．4．5 几何因素

2．5 单光子雪崩二极管（SPAD）

2．5．1 总体描述

2．5．2 探测效率

2．5．3 暗计数和跟随脉冲

2．5．4 时间分辨率

2．5．5 几何因素

2．6 结语

参考文献

第3章 1~1．7 μm范围内红外波段单光子探测器

3．1 引言

3．2 光电倍增管

3．3InGaAs/InP单光子雪崩二极管（SPAD）

3．4 硅锗单光子雪崩二极管（SPAD）

3．5 量子点探测器

3．6 超导转换边缘传感器

3．7 超导纳米线

3．8 上转换至更高光子能

3．9 结论

参考文献

第4章 用于时间关联光子计数的现代脉冲二极管激光源

4．1 引言

4．2 二极管激光器

4．2．1 引言

4．2．2 光学限制和谐振器设计

4．2．3 增益开关

4．2．4 频率变换

4．3 亚纳秒脉冲IED

4．4 超连续谱产生

4．5 小结

参考文献

第5章 先进的荧光关联光谱：荧光寿命关联光谱和双焦点荧光关联光谱简介

5．1 标准荧光关联光谱

5．2 荧光寿命关联光谱

5．2．1 方法

5．2．2 应用

5．3 双焦点FCS

5．3．1 原理

5．3．2 试验装置

5．3．3 实例

5． 3．4 其他应用

参考文献

第6章 寿命加权FCS与二维FLCS：时间标记TCSPC的先进应用

6．1 前言

6．2 寿命加权FCS

6．3 二维荧光寿命关联光谱（2D FLCS）

6．3．1 构建二维关联图

6．3．2 背景减除

6．3．3 逆拉普拉斯变换与复合分解

6．3．4 应用：DNA动力学

6．4 光子时间间隔分析

6．5 总结

参考文献

第7章 两种TCSPC时间测量信息的方法-MFD-PIE和PIE-FI

7．1 脉冲交替激发法

7．1．1 PIE的工作原理

7．2 利用PIE的多参数荧光探测

7．2．1 福斯特共振能量转移简介

7．2．2 仪器

……

她受激于或红或绿的光：这取决于她对什么敏感。很快便可见她那耀眼的辐射：以她自己的颜色闪烁，但要注意其间的几纳秒。它们会告诉你某种倾向：也许她不同于你的预见。尽管你耐心地试验这个方案：但是仅凭一闪而逝的光亮还是不能够抓住她的重点。实际上，她的情绪是如此极端以至于她似乎非常随性。然而，如果你耐心地细查她的光束就能看到一幅真正美丽的斑图。所以请安心地计数。

1926年，物理学家Frithiof Wolfers和化学家Gilbert N. Lewis创造出了“光子”一词，用以命名人们在约20年前发现的光量子。虽然乍看起来稍显肤浅，但是这让我们注意到了诸多化学家对于量子物理学发展过程中在此处以及其他地方所做的贡献。的确，量子力学作为一种现代科学理论所取得的压倒性成功，与其说归功于纯粹物理学的因素，不如说是因为该理论几乎在物理、化学和材料科学等各方面都具有不容置疑的解释力。为原子和分子建立模型是我们理解并最终利用几乎所有从前很神秘的光谱效应的关键。这种模型将原子和分子视为在不同量子态之间跃迁的量子力学系统，其中一些系统还涉及光子的吸收和发射。从这个意义上来说，本书中讨论的诸多方法目前更多地应用于化学及其相关领域而不是纯粹物理学领域这一点并不足为奇。实际上，光谱法已经成为生物化学研究中必不可少的方法，原因在于光能够用作活细胞的探针，恰当应用完全不会损伤样本，也不会过度破坏正在研究中的细胞机能或过程。虽然经典光谱学并不要求进行单光子作业，但事实证明这么做是非常有用的。在涉及的过程中只有极少数分子的情况下，特别是在分子生物学探索的一些重要过程中，就要用到这个优势。比经典光谱学更引人注目的是另一种应用量子力学性质的情况：激发态的寿命。事实证明，分子激发态的平均寿命受分子及其环境的影响极大，因此，除光谱外，该平均寿命也可作为分子的一种指纹或者特定环境参数的探针。虽然根据量子力学理论单个激发态的寿命完全不可预测，但其平均寿命却是可测量且有意义的。实际操作中，它可以通过受短促闪光激发的全体分子的持续荧光时间来观测。荧光和磷光寿命的测量是靠观测到的现象来说明的。这种情况下，由于是对来自全体分子的光子进行同步观测，因而求单个激发态寿命的平均值就被悄然地实现了。另一个令人关注的方案是仅观测一个分子多次循环的激发和光子发射，据此求出激发态寿命的平均值。事实上，通过借助遍历性，这种测量方法得到与整体测量法相同的结果。在这种情况下，时间关联单光子计数（time-correlated single photon counting，TC-SPC）是可选方法之一。TCSPC能够测量单分子以及其他孤立量子系统的荧光寿命。通过结合光谱信息和诸如荧光寿命等信息，研究者就能得到所关注分子的更精密的“指纹”，从而在显著的背景下也能识别出相应的分子。单分子检测、单分子光谱学以及基于TCSPC技术的显微镜学领域最终之所以能够取得诸多令人难以置信的成就，很大程度上得益于这种构想与共聚焦检测的结合。当一些强有效的方法，如将分子尺度的荧光共振能量转移（forster resonant energy transfer，FRET）也按照这种理念实现单分子作业时，它们便成了研究蛋白质折叠和相互作用的常规工具。

不过，TCSPC技术不仅在单分子处理方面有用。正如本书第1章介绍的那样，即使是在进行整体测量时，TCSPC技术也有助于典型探测器实现更好的时间分辨率。TCSPC技术相关章节将会讨论当前硬件的新发展状况，也希望这些章节能够向读者表明，尽管测量方法本质上具有统计性，但现在的用户可以信赖各种快得不可思议的工具，而完全不必像开篇那首过时的短诗中建议的那样保持耐心。的确，很大程度上，操作那些“过时”仪器的记忆留下了TCSPC技术很缓慢的印象。很多人的个人回忆都能说明这一点，很可能不仅局限于本书的编辑们：“我怀念起独自待在昏暗的地下实验室等待我们那由45kHz闪光灯驱动的迷人TCSPC巨兽收集到至少1000份峰值数据的漫漫长夜。”这就是过去的情景。如今情况已经发生了戏剧性变化，这不仅是因为TCSPC电子器件运行速度的提高，很大程度上也得益于激光使用速度的提高以及操作的简化，本书中有一章专门探讨这一点，其余章节将包含各个领域的大量应用主题以及试验和数据分析过程中的方法论。尽管生命科学应用十分重要，我们还是试图涵盖更广的范围，包括将钻石中的缺陷中心当作单光子源和量子传感器，也包括光学层析成像以及超分辨率显微技术。同样，在方法论和仪器使用方面，我们致力于展示一些引人关注的新选择，这些选择源于几种明显不同方法的结合，例如经典TCSPC技术与基于光强涨落的荧光寿命测量方法的结合。我们在此表达对本书作者们的感激之情，希望献上一本既在概述该领域当前的发展状况有直接价值，又在参考文献的整理方面有一定长期价值的书。