时间分辨单光子计数（TCSPC）系统

1. 基本原理：光子事件的时间戳记录

   • TCSPC的核心原理，是探测、记录单个光子的到达时间，并相对于一个周期性参考信号（通常是激发光源的脉冲）进行精确定时。它不是测量光强，而是记录每个光子到达探测器相对于上一个激发脉冲的“飞行时间”。通过累计数万到数百万个这样的独立光子事件，系统能够构建出一个直方图，显示光子到达时间的统计分布。

2. 系统核心组件与工作流程

   • 脉冲激发源：通常使用脉冲激光器或脉冲发光二极管（LED），其脉冲宽度（皮秒到纳秒级）和重复频率（通常为兆赫兹量级）是已知且稳定的。它为整个测量系统提供时间起点（t=0）。
   • 样品：待测的荧光或发光样品，被脉冲光激发。
   • 单光子探测器：如微通道板光电倍增管（MCP-PMT）、雪崩光电二极管（SPAD）等。其关键特性是能响应单个光子，输出一个与光子到达时间同步的电脉冲信号。
   • 定时电子学模块：这是TCSPC的“大脑”，主要包括：
     • 恒定比幅定时甄别器（CFD）：精确识别探测器输出脉冲的到达时刻，消除因脉冲幅度变化引起的时间游动误差。
     • 时间-数字转换器（TDC）：核心计时部件。它测量每个光子到达时间（来自CFD）与下一个（或上一个）激发脉冲同步信号之间的时间间隔。现代TDC的时间分辨率可达皮秒量级。
   • 多道分析器（MCA）：在计算机中虚拟实现。TDC输出的每个时间间隔值（例如5.125 ns）被分配到一个特定的“时间通道”（例如第5125通道）。系统累计大量光子事件，最终形成一个“光子数 vs. 时间延迟”的直方图，即荧光衰减曲线。

3. 关键性能参数：分辨率、死时间与计数率

   • 仪器响应函数（IRF）：系统对无限短光脉冲的响应宽度，由激发脉冲宽度、探测器时间抖动等因素共同决定，决定了系统的时间分辨率（通常为几皮秒到几百皮秒）。IRF越窄，分辨率越高。
   • 死时间：在处理一个光子事件后，系统无法记录下一个新光子的时间间隔。这限制了最大计数率。
   • 最大计数率：通常远低于激发重复频率（约1%），以确保在任意一个脉冲周期内探测到多于一个光子的概率极低（符合“单光子”条件），避免脉冲堆积失真。

4. 核心应用：荧光寿命测量

   • TCSPC是测量荧光寿命的黄金标准技术。累计得到的光子到达时间直方图，即荧光衰减曲线，通过指数函数拟合（如 \(I(t) = I_0 e^{-t/ au}\)），可以直接提取荧光寿命 τ。寿命反映了荧光团所处的微环境（如粘度、pH、温度）、分子间相互作用（如荧光共振能量转移FRET）等信息，是生物传感、细胞成像和材料科学中的关键参数。

5. 高级技术与扩展应用

   • 时间相关单光子计数成像（FLIM）：将TCSPC与激光扫描显微镜结合，为图像中每个像素点记录一条荧光衰减曲线，从而生成荧光寿命图像。FLIM能提供与浓度无关的定量对比，广泛应用于生物医学研究。
   • 多通道与多维TCSPC：使用多个探测器通道，可同时测量不同波长或偏振的光子，获得时间-波长-强度多维信息。结合相关算法，还可用于荧光相关光谱（FCS）测量，分析分子扩散与浓度波动。
   • 量子光学应用：由于其单光子灵敏度与精确计时能力，TCSPC也用于测量单光子源的二阶相关函数（g^(2)(τ)），以验证量子光源的非经典特性（如反聚束效应）。