单光子荧光时间谱仪时间分辨率的设计和测定

　　我们曾研制成功带闸控纳秒光源的时间相关单光子荧光谱仪NSY-1[4]、激光时间分辨荧光谱仪[5]。为国内第一台进口的时间相关单光子荧光谱仪SP-7进行了升级改造。为生物大分子国家重点实验室,分子动态和稳态结构国家重点实验室组装和调试成功激光时间相关单光子荧光谱仪。本文介绍了当前最常用的时间分辨荧光谱仪:时间分辨单光子荧光谱仪。论述了决定仪器时间分辨率的因素,为组装设计提供参考。测定了仪器对激发光的响应函数。测定了自定义的时间分辨率。

　　1　仪器装置及工作原理

　　近三十年来,单光子时间分辨荧光谱仪的性能提高很快。在脉冲光源方面,从闸控光源到脉冲激光,从纳秒激光发展到飞秒激光,每十年变化三个量级。在检测系统方面也发生了重大变化。图1给出了时间相关单光子荧光谱仪的框图。表1列出了不同类型设备和性能上的主要差别以及相应整机的参改价格。仪器的性能价格比主要取决于光源和探头。仪器的工作原理为:探测器D1接受脉冲光产生电脉冲,信号通过放大器(AMP1)放大后到恒分甄别器(CFD1)定时,作为光启动时刻去起动时间幅度转换器(TAC)产生一个斜坡信号;脉冲光的另一束通过波长选择后去照射样品,样品荧光通过单色仪后被信号探测器D2检测产生光电信号,通过放大器(AMP2)放大后到恒分甄别器(CFD2)定时,作为荧光信号去终止时幅转换器(TAC)转换。这样时幅转换器送出的斜坡脉冲信号高度正比于终止信号与起始信号之间的时间差(时间相关)。将信号送到脉冲幅度多道分析器(MCA)中记录并储存。通过很多次闪光,可得到一个累加探测到的荧光信号数(次数)随脉冲高度(多道道数即时间)的分布曲线。在每次闪光时,信号光电倍增管最多只能接收到一个荧光光子的条件下(单光子检测),这分布曲线反映被测物质的荧光衰减曲线。通过计算机解卷积处理,可得到荧光寿命及其指前因子。

　　2　仪器时间分辨率的估计

　　仪器的时间分辨率Tr取决于测时的不稳定性或者说是定时的误差,则TR∝TP*TD1*TA1*TC1*TD2*TA2*TC2*TT*TM即为各部分时间不确性的几何相加,其中TP代表光脉冲宽度的变化及前沿的不稳定性,TD1,TD2分别代表探测器D1和D2光脉冲响应上升前沿的时间抖动(Walk time)TA1和TA2分别代表放大器1和2前沿响应的不稳定性,TT代表时幅转换高度的不稳定性,TM代表多道分析器道不稳定性(道漂)与道宽之积。由于电子学的高速发展,从性能和价格上来说,可以容易地选择合适型号的放大器、时幅转换器和多道分析器以满足我们的设计要求,并在实验过程中合理地选择时幅转换器的转换量程,从而得到合理的多道分析器的时间道宽来减少线路单元带来的误差。