文|陈根

时间相关单光子计数(TCSPC) 是为检测被射线激发的闪烁体发光而建立的技术,后来被应用到荧光寿命的测量,具有时间分辨率高、灵敏度高、测量精度高、动态范围大、便于计算机存贮和处理等优点。其在近代物理、化学、生物等领域中获得了广泛应用,特别在研究发光动力学方面更有它的特殊用途。

在传统的TCSPC工具中,该技术只能测量到一定精度的时间。如果两个光子到达设备时距离太近,例如相隔100万亿分之一秒或更短,探测器就会将它们记录为一个光子,从而会影响最终结果的准确性。

近日,科罗拉多大学博尔德分校的研究人员尝试使用一种被称为“时间透镜”的超快光学工具来解决这一问题。研究人员表明,在几乎所有的TCSPC系统中,都可以加入时间透镜的修改。利用该方法测量光子的到达,单光子计时分辨率大大提高,比现有工具好约100多倍。

通常情况下,TCSPC使用一个同步信号源驱动激光器,出射光脉冲照射样品池,再利用光子探测装置(多为PMT)对荧光信号进行探测,每一个光子计数信号都会落入一个对应的时间窗口。

在多通道分析器中,这些输出脉冲均依次送人各通道中累加贮存,就获得了与原始波形一致的直方图。在某一时间间隔内检测到光子的几率与荧光发射强度成正比例,重复多次测量得到荧光强度衰变规律,以此得到对事物的了解。

现在,研究人员使这两个光子经过时间透镜,在这个过程中,其中一个光子变慢了,而另一个光子变快了,两个光子之间的分离将被放大,可以使用一个探测仪测量。此外,内置时间透镜的TCSPC设备可以区分到达检测器的光子,这些光子的间隙为几十万亿分之一秒,比普通设备所能达到的效果优秀几个数量级。

未来,该发明可能会带来一系列成像技术的重大改进,比如绘制森林和山脉传感器,或者诊断像阿尔茨海默氏症和癌症这样的疾病。