一种时间相关单光子计数电路及其系统和方法与流程

1.本发明涉及荧光延迟测试领域，尤其涉及一种时间相关单光子计数电路及其系统和方法。


背景技术：

2.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.时间相关单光子计数技术(tcspc)广泛应用于获取从皮秒到微秒的有机和无机样品的荧光衰变动力学。现代技术解决方案以采集模块的形式出现，该模块包含：一个包含所有模拟和数字功能的单一电子印刷电路板、一个电源、一个计算机接口(usb)和两个50欧姆输入。其中一个输入用于同步，另一个接收单光子探测器(如光电倍增管)发出的电脉冲。
4.用高重复频率、短脉冲光源(典型的是激光)激发样品。样品通过发射光子来响应重复的脉冲激励。如果信号保持低水平，只有单个光子将到达探测器。tcspc电子模块的功能是测量相对于从高重复脉冲激励源导出的参考脉冲信号，单个光子的到达时间。这两个脉冲触发一个启停周期，从而产生一个记录下来的单次时间测量。在tcspc实验中测量了数千到数百万次启动
‑
停止周期的到达时间。所有独立测量的结果以到达时间直方图的形式显示出来。该直方图通常是单一或多重指数衰减的形状，表示样本的荧光衰减。测试原理图如图1所示。
5.为了充分匹配样品的衰减特征，需要设置直方图的时间尺度。典型的全时间范围是十纳秒到十微秒。直方图的单个通道的宽度，通常是整个时间范围的1/1000到1/4000。
6.建立tcspc实验的一个特殊困难是找到适当显示完整直方图的条件。直方图的位置受到光子穿过空气、穿过不同透明材料(过滤器、试管壁、透镜)和电脉冲穿过电缆的时间的影响。后者意味着必须要使用一个准确长度的电缆，使得直方图在时间轴上出现在特定位置(图2)。这意味着如果要改变时间范围(完整的时间尺度)必须使用不同长度的电缆。根据经验，光子以30厘米/秒的速度穿过空气，电子以20厘米/秒的速度穿过同轴电缆。因此在商品化仪器中，想要通过改变电缆长度的方式进行调整，是非常困难的。
7.上述设置通常指的是正向工作模式，即激励脉冲作为开始脉冲，电子部分检测到一个光子作为停止脉冲。还有一种模式，是电子部分以反向模式(图3)进行操作，因为可以避免死时间的影响，所以超快衰减的测试通常推荐这种模式。在反向模式中，检测到第一个光子即为电子部分提供开始脉冲，来自激光的电延迟脉冲提供停止脉冲。通常，正向和反向模式的切换，是通过更换开始和停止信号输入电缆来完成的。
8.在反向模式下，为了使来自于激发源的同步信号可以进行足够的延迟，使该同步信号可以在样品发出的光子到达电子部分之后到达(图4和5)，停止通道必须使用很长的电缆。这根电缆的长度可能长至几十米，总长度需要以1cm为单位精确计算。此外，这种用于延迟的电缆长度还与选择的时间范围有很大关系。图6中所示的情况实际上是最好的情况。通常情况下，信号会完全丢失，“找到”直方图需要时间和经验，还需要更换不同长度的电缆。


技术实现要素：

9.技术问题
10.有鉴于此，本发明提供一种时间相关单光子计数电路(tcspc)及其系统和方法，本发明不需要采用传统方式(通过改变电缆长度或更换电缆的方式)就能调整延迟时间，提高获取测量数据的简易性，本发明的tcspc是采用具有集成延迟功能的单一电子板，该电子板可以控制正向模式和反向模式的切换，且在两种模式中都可以自由调节延迟。
11.解决方案
12.为解决以上技术问题，本发明实施例提供一种时间相关单光子计数电路，包括依次连接的恒比鉴相器、时幅转换器和电压放大器，在恒比鉴相器和时幅转换器之间设有第一信号选择器，第一信号选择器和时幅转换器之间有开始电路通道和停止电路通道；所述停止电路通道上设有延时元件；所述第一信号选择器用于在开始脉冲和停止脉冲之间选择切换；所述延时元件用于调节信号的延迟时间。
13.进一步地，所述停止电路通道上还设有与延时元件连接的第二信号选择器；分别用于进行短时延时和长时延时，所述第二选择器用于根据输入的延迟值选择切换短时延迟或长时延迟。
14.进一步地，所述短时延时元件为使直方图在皮秒或低纳秒时间范围内进行时间位移的元件。
15.进一步地，所述长时延时元件为使直方图在亚微秒或微秒时间范围内进行时间位移的元件。
16.进一步地，所述短时延时元件为能调整0ns
‑
300ns的延迟时间的元件。
17.进一步地，所述短时延时元件可由多个独立lc延迟包串联而成。
18.进一步地，所述短时延时元件上设有用于调整不同延迟时间的多个连接点，用于根据输入的延迟值选择连接相应的连接点进行短时延迟。
19.进一步地，所述长时延时元件为能调整0.8μs
‑
8μs的延迟时间的元件。
20.进一步地，所述长时延时元件包括斜坡函数发生器和比较器，所述比较器用于在停止脉冲触发斜坡函数发生器后在斜坡中选择不同的的点调整延迟时间。
21.进一步地，还包括与电压放大器连接的放大器补偿，用于对延时时间通过变量偏移进行微调。
22.进一步地，所述时幅转换器为能选择测试时间范围的转换器。
23.进一步地，所述延时元件为能选择延迟值的延时元件。
24.另一方面，提供一种荧光延迟测试系统，包括所述的时间相关单光子计数电路。
25.再一方面，提供一种获得tcspc衰减动力学直方图的方法，包括：
26.1)恒比鉴相器分析传入的脉冲信号，并根据斜率设置其时间位置，使返回脉冲具有标准的高度和形状；
27.2)第一信号选择器在两个输入脉冲信号中做选择，以切换为正向模式或反向模式；
28.3)在延时元件中输入选择延迟值，调整延迟时间，建立直方图。
29.进一步地，还包括：对模拟数字转换器施加一个可变补偿来实现对延迟值的微调；可选地，微调的分辨率优于时间范围的0.1％。
30.进一步地，通过第二信号选择器选择短时延迟值或长时延迟值。
31.进一步地，短时延迟为1ns～300ns内的短延迟，由多个单独的串联lc延迟包控制，通过连接到特定点选择相应的延迟值。
32.进一步地，长时延迟为0.8μs～8μs范围内的长延迟，由斜坡函数发生器和比较器控制；可选地，停止脉冲触发斜坡函数发生器，比较器在斜坡中选择特定的一个点来产生停止脉冲，从而提供更长的延迟范围；可选地，通过选择不同的点来调整延迟时间。
33.有益效果
34.(1)本发明通过增加信号选择器、延时元件可以准确定位衰减信号和选择正/反向模式操作，而不需要改变电缆长度或信号输入，提高了获取测量数据的简易性。
35.(2)本发明还对adc施加一个可变补偿来实现对延迟值的微调,如前所述，每个单独的tac获得的adc值定义了直方图上的时间通道，其对应的计数值会增加。对adc应用一个偏移量将改变计数值增加的时间通道。精细延迟调整的分辨率优于时间范围的0.1％，这足以允许将直方图衰减调整到最佳位置。固定延迟和可变偏移的组合在大时间范围内实现了精确和精细的可调延迟，涵盖了直方图平移的所有要求，可应用于正向模式和反向模式。
36.(3)本发明是用于获取tcspc衰减动力学直方图的，时间相关单光子计数电路可为具有集成可变延迟功能的单一电子板，该电子板可以控制正向模式和反向模式的切换，且在两种模式中都可以自由调节延迟。避免了传统的通过电缆长度和更换调节的模式，使得该技术可以应用于商品化仪器。
37.(4)本发明的延迟功能控制时间位移，在“正向模式”工作中，可以使直方图在小和中等时间范围内(皮秒和低纳秒)进行时间位移。在反向模式中，可以使直方图在长时间范围(亚微秒或微秒时间范围)内进行时间位移。采用集成的延时功能，有利于tcspc实验的设置，避免了在选择不同的tcspc时间范围时手动调节。
38.(5)本发明通过离散的被动传播延迟、lc延迟与准连续变量偏置延迟相结合，实现大范围，准连续的、可调的延迟。虚线箭头表示可用通过软件调节的参数。
39.上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。
附图说明
40.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
41.图1是tcspc正向模式获得荧光衰减直方图的通用原理图；
42.图2现有技术中在正向模式下三种不同长度的电缆a和电缆b对直方图产生的影响；其中，a代表光子脉冲到达过早：减少电缆a的长度或增加电缆b的长度；b代表电缆长度合适；c代表光子脉冲到达太晚：增加电缆a的长度或减少电缆长b的长度；
43.图3是tcspc反向模式获得荧光衰减直方图的通用原理图；
44.图4是用三个光子计数来说明正向和反向模式，累计百万的光子计数之后可以形成到达时间的直方图；
45.图5是tcspc在高重复频率光源时的正向(上)和反向(下)模式下运行时死时间的影响；(死时间可能比图中显示的激励脉冲之间的时间长得多，原理图中为了清晰展示，而用示意长短表说死时间)。
46.图6现有技术中在反向模式下三种不同长度的电缆a和电缆b对直方图产生的影响；其中，a代表光子脉冲到达过早:增加电缆a的长度或减少电缆长b的长度；b代表电缆长度合适；c代表光子脉冲到达太晚:缩短电缆a的长度或增加电缆b的长度；
47.图7是现有技术的tcspc电子原理电路图；cfd
‑
恒比鉴相器；tac
‑
时幅转换器；amp
–
电压放大器；adc
‑
模拟数字转换器；mem
‑
存储器。工作流程为：恒比鉴相器(cfd)分析传入的脉冲，并根据斜率设置其时间位置，返回脉冲具有标准的高度和形状。时幅转换器(tac)将开始信号和停止信号之间的时间周期转换为电压，通过开始脉冲启动一个电压斜坡，再由停止脉冲停止。因此，停止脉冲到达的时间越晚，tac电压越大。tac输出电压被连接到放大器(amp)，该放大器适当地缩放tac电压。模拟数字转换器(adc)将放大器的输出转换为数字值，然后转移到存储器(mem)中，这个值对应于直方图时间轴上的一个特定的通道，使得在该通道处的计数值增加1。在测量中该过程被重复数百万次，建立一个衰减直方图；
48.图8是本发明的tcspc电子部分电路图；
49.图9是本发明的在正向模式下的测试示例图；其中：a代表开始信号增加25ns带来的直方图位移；b代表直方图的正确显示形式；c代表停止信号增加37.0ns产生的直方图位移；
50.图10是本发明的在反向模式下的测试示例图；其中：a代表由于tr(在停止通道中)由50.0ns变为20.0ns导致的测量位移；b代表使用50.0ns的tr值，直方图正确显示；c代表由于tr由50.0ns变为72.0ns导致的测量位移。
具体实施方式
51.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
52.除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。
53.在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在所述元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向(旋转90度或其他取向)且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。
54.在本文中，术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位，并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之，在一些实施例中，术语“第一”、“第二”等也可以彼此互换。
55.本发明提供一种时间相关单光子计数电路的实施例，如图8所示包括依次连接的
恒比鉴相器cfd、时幅转换器tac和电压放大器amp，在恒比鉴相器cfd和时幅转换器tac之间设有第一信号选择器，第一信号选择器和时幅转换器tac之间有开始电路通道和停止电路通道；停止电路通道上设有延时元件；第一信号选择器用于在开始脉冲和停止脉冲之间选择切换；延时元件用于调节信号的延迟时间。
56.本发明在使用时，如图8所示通过第一信号选择器可以简单地将启动或停止通道分配给信号源或检测器，以选择正向模式或反向模式，例如，假设脉冲1来自光源，脉冲2来自检测器：1)在正向模式下，第一信号选择器分配脉冲1为启动脉冲、脉冲2为停止脉冲；2)在反向模式下，第一信号选择器分配脉冲1为停止脉冲、脉冲2为启动脉冲。
57.进一步地，所述停止电路通道上还设有与延时元件连接的第二信号选择器；所述第二选择器用于根据软件输入的延迟值选择切换使用短时延迟或长时延迟。第一信号选择器或第二信号选择器可以为双多路复用器。
58.第二信号选择器选择应用于停止脉冲的“短延迟”或“长延迟”，这取决于用户在软件中输入的延迟值。
59.进一步地，所述短时延时元件为使直方图在皮秒或低纳秒时间范围内进行时间位移的元件。
60.进一步地，所述长时延时元件为使直方图在亚微秒或微秒时间范围内进行时间位移的元件。
61.进一步地，所述短时延时元件为能调整0ns
‑
300ns的延迟时间的元件。
62.进一步地，所述短时延时元件可由多个独立lc延迟包串联而成，例如11个独立lc延迟包串联而成。
63.进一步地，所述短时延时元件上设有用于调整不同延迟时间的多个连接点，用于根据输入的延迟值选择连接相应的连接点进行短时延迟。
64.进一步地，所述长时延时元件为能调整0.8μs
‑
8μs的延迟时间的元件。
65.进一步地，所述长时延时元件包括斜坡函数发生器和比较器，所述比较器用于在停止脉冲触发斜坡函数发生器后，在斜坡中选择不同的点调整延迟时间。
66.一种短时延迟的实施例可以为：短时延时元件能控制约0ns
‑
300ns(可选为1ns
‑
300ns)内的短延迟，可由11个单独的串联lc延迟包控制，11个lc延迟分别为1,1,2.5,10,10,30,30,30,60,60,60ns。通过连接到上述的11个特定点，可用延迟值分别为：0(即不连接延迟)，1,2,4.5,14.5，24.5，54.5，84.5，114.5,174.5,234.5,294.5ns。
67.一种长时延迟的实施例可以为：长时延时元件能控制在0.8μs到8μs范围内的长延迟，由斜坡函数发生器和比较器进行控制。停止脉冲触发一个斜坡函数发生器，比较器在斜坡中选择一个特定的点来产生停止脉冲，从而提供更长的延迟范围。通过选择不同的点来调整延迟时间。可用的时延值为0.8、1、2、4、8μs。
68.进一步地，还包括与电压放大器连接的放大器补偿，用于对延时时间通过变量偏移进行微调。
69.由于延时元件的短延迟和长延迟是某个特定的值。为了实现对延迟值的微调，对adc施加一个可变补偿来实现对延迟值的微调(图8)。如前所述，每个单独的tac获得的adc值定义了直方图上的时间通道，其对应的计数值会增加。对adc应用一个偏移量将改变计数值增加的时间通道。精细延迟调整的分辨率优于时间范围的0.1％，这足以允许将直方图衰
减调整到最佳位置。固定延迟值和可变偏移的组合在大时间范围内实现了精确和精细的可调延迟，涵盖了直方图平移的所有要求，可应用于正向模式和反向模式。
70.进一步地，所述时幅转换器为能选择测试时间范围的转换器。
71.进一步地，所述延时元件为能选择固定延迟值的延时元件。
72.另一方面，提供一种荧光延迟测试系统，包括所述的时间相关单光子计数电路。
73.再一方面，提供一种获得tcspc衰减动力学直方图的方法，包括：
74.1)恒比鉴相器分析传入的脉冲信号，并根据斜率设置其时间位置，使返回脉冲具有标准的高度和形状；
75.2)第一信号选择器在两个输入脉冲信号中做选择，以切换为正向模式或反向模式；
76.3)在延时元件中输入选择延迟值，调整延迟时间，建立直方图。
77.进一步地，还包括：对模拟数字转换器施加一个可变补偿来实现对延迟值的微调；可选地，微调的分辨率优于时间范围的0.1％。
78.进一步地，通过第二选择器选择短时延迟值或长时延迟值。
79.进一步地，短时延迟为1ns～300ns内的短延迟，由多个单独的串联lc延迟包控制，通过连接到特定点选择相应的延迟值。
80.进一步地，长时延迟为0.8μs～8μs范围内的长延迟，由斜坡函数发生器和比较器控制；可选地，停止脉冲触发斜坡函数发生器，比较器在斜坡中选择特定的一个点来产生停止脉冲，从而提供更长的延迟范围；可选地，通过选择不同的点来调整延迟时间。
81.第一信号选择器的正反向模式选择，可根据荧光衰减寿命进行选择，例如，测试超短寿命会用反向模式。
82.恒比鉴相器是时间相关单光子计数电路的常见元件，当电子部分有输入信号时，恒比鉴相器会对到达的脉冲信号进行评估，只有脉冲高度高于某个阈值的信号时才能被接受用于进一步的信号处理，小振幅的噪声信号将会被屏蔽掉，选择时间位置时一般会将输入脉冲初始边缘最陡的斜率部分选择为时间位置。
83.本发明的cfd可输入调整阈值，第一信号选择器可输入选择正向和反向模式，延迟元件可输入选择固定延迟值，tac可输入选择测试的时间范围，可变偏移补偿软件输入精细调节延迟值。
84.通过本发明的tcspc获取直方图的测试结果如图9、图10所示。说明本发明能够很好的选择合适的延迟时间。
85.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。针对上述示例性实施方案所做的任何简单修改、等同变化与修饰，都应落入本发明的保护范围。