皮秒时间相关单光子计数光谱仪的核心技术

研制的皮秒时间相关单光子计数光谱仪利用时间相关单光子计数(TCSPC)技术,采用了具有分光时间弥散动态和静态补偿特性的光栅分光系统,解决了传统分光系统的光信号时间弥散问题;使用多道谱分析仪开设时间窗口,测量荧光衰减曲线和时间分辨光谱;用荧光衰减曲线的多指数拟合方法处理数据。给出了光谱仪的原理和总体方案,介绍了系统的集成和工作流程。通过各种标准样品的试验数据分析和对比,得出系统所测荧光寿命可达到ps量级,而且具有最高的灵敏度——单光子计数,时间分辨率达到8．8ps。     

强荧光背景环境中荧光涨落谱--蒙特卡罗模拟研究

荧光涨落谱方法(Fluorescence Fluctuation Spectroscopy)通过分析微小探测区域内的荧光涨落信号,获得粒子亮度、扩散系数以及溶液浓度等信息。利用Monte Carlo模拟方法,研究了溶液中自荧光背景和系统噪声对荧光涨落谱的影响。结果表明,利用双组分光子计数统计方法,可以有效去除低亮度、高浓度背景组分自荧光和均匀分布系统噪声产生的影响。本结果为利用荧光涨落谱方法测量细胞体系复杂环境中的蛋白质相互作用提供帮助。     

微分谱结合独立成分分析对三维荧光重叠光谱的解析

多组分三维荧光重叠光谱是三维荧光光谱的数据解析中的难点之一。本文基于二维微分谱的计算原理, 充分利用三维荧光光谱具有激发光谱和发射光谱的特点, 获得了三维荧光光谱展开后的激发微分谱和发射微分谱. 之后利用独立成分分析对激发光谱或发射光谱的多组分混合微分谱分别进行解析, 得到了单一组分的激发微分谱和发射微分谱。其中三次样条插值有效的弥补了实测激发波长数据点少的缺点, 而粗糙惩罚平滑技术的引入则很大程度上减少了发射光谱的噪声,为微分谱的计算提供了有利的条件。单一组分的标准谱与解析谱的相似性系数的计算表明, 利用独立成分分析对微分谱进行解析更有利于多组分混合三维荧光光谱所含成分的识别。     

三种多环芳烃混合溶液二维荧光相关谱解析

多环芳烃为优先控制污染物,但是由于其含量很低,多组分多环芳烃荧光峰相互重叠,所以常规荧光光谱法无法对其荧光峰进行有效解析。采用二维荧光相关分析方法对三种多环芳烃,蒽、菲和芘的混合溶液进行荧光峰解析。根据研究目标,按照三种多环芳烃浓度比的不同配制了三种混合物体系,共27个样本,每种体系的三种溶液浓度彼此间按规律递增和递减。在此基础上,以浓度为外扰,构建了各体系的同步和异步二维荧光相关谱。同步谱中,在425,402,381,373,365,393及347 nm处产生自相关峰。以未被覆盖的菲在347 nm处荧光峰为线索,通过其与各波长处荧光交叉峰的正负,判断出了402,381,425和452 nm处荧光峰源于混合溶液中的蒽; 373与393 nm处荧光峰源于混合溶液中的芘; 365,356及347 nm处荧光峰源于混合溶液中的菲。通过异步谱解析出菲的385 nm处荧光峰,证明了异步谱比同步谱具有更好的光谱分辨率。研究结果表明,采用二维荧光相关方法对光谱严重重叠的多组分多环芳烃的解析是可行的,并具有一定的优势,可推广到对环境中其他污染物质的检测。     

饱和激发情况下的荧光关联谱测量

研究了激发光增强时其对荧光关联谱(FCS)测量的影响. 强激发光产生的饱和激发会改 变激光诱导荧光的空间分布函数,从而影响FCS的测量结果. 首先根据饱和吸收的物理模型,推导出强激发光情况下有效探测区域变化的定量公式,获得了FCS测量所得到的粒子数和扩散时间与饱和激发光强和激光光强的函数关系,并用于消除饱和吸收造成的系统误差.采用Monte-Carlo模拟方法和实验,对理论分析结果进行了验证. 这将有助于完善FCS分析方法的理论模型,为高激发光强度下的FCS探测提供依据. 关键词： 荧光关联谱 饱和激发 Monte-Carlo模拟     

光纤面板窗多碱光电阴极荧光谱特性研究

论述了光致荧光的特点以及微光像增强器多碱光电阴极光致荧光的测量原理, 测量了光纤面板输入窗多碱光电阴极的荧光谱. 测试结果表明, 光纤面板窗的多碱阴极的荧光谱不是一条光滑的高斯型曲线, 而是在一条高斯型曲线上叠加了一些小的干涉峰的曲线. 原因是光纤面板窗所传输的荧光中, 有两束特殊的光线. 一束光为准直光, 另一束光为入射角刚好等于全反射临界角的反射光. 这两束光具有固定的相位差或光程. 当这两束光的相位差相差λ的整数倍时, 它们将干涉并产生干涉加强峰;当这两束光的相位差相差1/2λ的奇数倍时, 它们将干涉并产生干涉减弱峰. 如果在荧光谱的峰值波长处刚好产生干涉加强峰, 那么所测量的峰值荧光强度较其固有的峰值荧光强度要高; 反之, 如果在荧光谱的峰值波长处刚好出现干涉减弱峰, 那么所测量的荧光强度就小于其固有的荧光强度. 另外由于受到干涉的影响, 荧光曲线半峰宽也不能精确确定,所以在分析光纤面板窗光电阴极的荧光谱时, 要考虑到干涉因素的影响.     

立方相Y2O3:Eu纳米晶中C2格位Eu3+的5D0能级量子效率

采用化学自发燃烧法制备了立方相不同粒径的纳米晶Y2O3:Eu(1 mol%),并通过退火处理得到了体相材料,测量了它们的发射谱和处在C2格位上Eu3 的5D0能级室温和10 K下的荧光衰减曲线.利用发射光谱数据计算了Eu3 在不同粒径纳米晶体Y2O3中的光学跃迁强度参数Ωλ(λ=2,4),通过对室温和低温下5D0能级荧光衰减的测量,用两种不同方法估计了处在C2格位上Eu3 的5D0能级的量子效率,对所获得的结果进行了讨论,并对两种获得量子效率不同方法进行了评价.     

梯度场中荧光关联谱测量的Monte Carlo模拟

荧光关联谱（FCS）利用少量分子的荧光涨落获得分子运动和反应信息,是一种探测活细胞内生物过程的有力工具。本文利用Monte Carlo方法模拟激光梯度场下瑞利粒子的布郎运动,分析梯度场对FCS测量得到的扩散时间、粒子数等参数的影响,模拟与初步实验结果定性吻合。文中还讨论了Monte Carlo模拟预测的一些实验现象。     

机油类产品激光诱导荧光时间特性的研究

介绍了一种由三倍频Nd∶YAG激光器、单色仪、光电倍增管以及信号采集处理系统构成的激光荧光谱寿命测量系统及其测量原理和方法,讨论了如何去除激发光脉冲宽度和探测系统响应速度对测量结果的影响,并实际测量了一种应用广泛的燕山机油的荧光谱寿命.本系统具有简便、快捷、准确以及成本低等优点,适合用于未来实用化机载水面监测激光荧光雷达遥感系统中 关键词： 激光诱导荧光 荧光寿命 Nd∶YAG激光器 光电倍增管     

硒化锌单晶薄膜近带边发射的荧光寿命

在2K下,对常压MOCVD方法生长的ZnSe单晶薄膜进行了光致荧光近带边发射谱的测量和辨认.并采用激光超短脉冲技术和时间相关单光子计数技术相结合的方法,对其在2K下近带边发射的荧光寿命进行了测量和分析,并讨论了自由激子弛豫过程.     

基于LabVIEW的空间相机试验测控系统设计

在LabVIEW开发环境下,基于虚拟仪器和PXI总线,采用National Instrument(NI)公司的数据采集卡,设计了一个空间相机试验测控系统,实现了硬件设计和软件功能。该系统具有多个通道,可测试温度、应力、应变等多种参数,能实现测控参数设置、数据采集与处理、数据及曲线显示、信号分析与处理、远程通信等多种功能。在某空间相机分系统热平衡试验中,用于测试、控制36个热敏电阻测温点和14个热电偶测温点的温度。结果表明,系统达到了0.5℃的控温要求;热电偶的标定和标准水银温度计的比对结果表明,本系统测温精度可达到0.15℃。与传统的文本语言相比,利用LabVIEW节省了大约80%的时间。本系统具有延续开发能力和可移植性,其设计方法能为其它测控系统的开发提供参考。     

A Statistical Analysis of Fluorescence Correlation Data

Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) is a relatively recent technique in which the diffusion coefficient of fluorescently labeled molecules can be determined. The change in diffusion behavior when these molecules interact with others can also be used to study interactions in solution. A new statistical method is proposed to analyze FCS measurements that cannot be evaluated with a classical autocorrelation function, which is normally used to analyze FCS data. It applies to binding studies where one of the interacting particles has a much brighter fluorescence intensity with respect to the other, which causes high fluorescence bursts whenever these molecules are detected. This biases the autocorrelation function, making it in most cases impossible to use this function as a fitting equation. Here, a statistical approach is used to quantify the amount of fluorescence found in bursts, thereby enabling to perform binding studies in cases where the fluorescence per molecule of both interacting species differs greatly. The method is demonstrated on a system of known composition, making it a promising tool for future FCS measurements.     

基于LabVIEW的空间相机试验测控系统设计

在LabVIEW开发环境下,基于虚拟仪器和PXI总线,采用National Instrument(NI)公司的数据采集卡,设计了一个空间相机试验测控系统,实现了硬件设计和软件功能。该系统具有多个通道,可测试温度、应力、应变等多种参数,能实现测控参数设置、数据采集与处理、数据及曲线显示、信号分析与处理、远程通信等多种功能。在某空间相机分系统热平衡试验中,用于测试、控制36个热敏电阻测温点和14个热电偶测温点的温度。结果表明,系统达到了0.5℃的控温要求;热电偶的标定和标准水银温度计的比对结果表明,本系统测温精度可达到0.15℃。与传统的文本语言相比,利用LabVIEW节省了大约80%的时间。本系统具有延续开发能力和可移植性,其设计方法能为其它测控系统的开发提供参考。     

Investigation of Molecular Diffusion at Block Copolymer Thin Films Using Maximum Entropy Method-Based Fluorescence Correlation Spectroscopy and Single Molecule Tracking

Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) has been widely used to investigate molecular diffusion behavior in various samples. The use of the maximum entropy method (MEM) for FCS data analysis provides a unique means to determine multiple distinct diffusion coefficients without a priori assumption of their number. Comparison of the MEM-based FCS method (MEM-FCS) with another method will reveal its utility and advantage as an analytical tool to investigate diffusion dynamics. Herein, we measured diffusion of fluorescent probes doped into nanostructured thin films using MEM-FCS, and validated the results with single molecule tracking (SMT) data. The efficacy of the MEM code employed was first demonstrated by analyzing simulated FCS data for systems incorporating one and two diffusion modes with broadly distributed diffusion coefficients. The MEM analysis accurately afforded the number of distinct diffusion modes and their mean diffusion coefficients. These results contrasted with those obtained by fitting the simulated data to conventional two-component and anomalous diffusion models, which yielded inaccurate estimates of the diffusion coefficients. Subsequently, the MEM analysis was applied to FCS data acquired from hydrophilic dye molecules incorporated into microphase-separated polystyrene-block-poly(ethylene oxide) (PS-b-PEO) thin films characterized under a water-saturated N₂ atmosphere. The MEM analysis revealed distinct fast and slow diffusion components attributable to molecules diffusing on the film surface and inside the film, respectively. SMT studies of the same materials yielded trajectories for mobile molecules that appear to follow the curved PEO microdomains. Diffusion coefficients obtained from the SMT data were consistent with those obtained for the slow diffusion component detected by MEM-FCS. These results highlight the utility of MEM-FCS and SMT for gaining complementary information on molecular diffusion processes in heterogeneous material systems.

Graphical Abstract

     

Fluorescence Correlation Spectroscopy with Photobleaching Correction in Slowly Diffusing Systems

Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) is a powerful tool to quantitatively study the diffusion of fluorescently labeled molecules. It allows in principle important questions of macromolecular transport and supramolecular aggregation in living cells to be addressed. However, the crowded environment inside the cells slows diffusion and limits the reservoir of labeled molecules, causing artifacts that arise especially from photobleaching and limit the utility of FCS in these applications. We present a method to compute the time correlation function from weighted photon arrival times, which compensates computationally during the data analysis for the effect of photobleaching. We demonstrate the performance of this method using numerical simulations and experimental data from model solutions. Using this technique, we obtain correlation functions in which the effect of photobleaching has been removed and in turn recover quantitatively accurate mean-square displacements of the fluorophores, especially when deviations from an ideal Gaussian excitation volume are accounted for by using a reference calibration correlation function. This allows quantitative FCS studies of transport processes in challenging environments with substantial photobleaching like in living cells in the future.     

基于扩散滤波方法的地震数据修复技术

将基于偏微分方程的图像修复技术引入到地震资料数字处理领域,提出基于扩散滤波方法的地震数据修复技术.将待修复数据区域附近的未受损数据按照一定的扩散函数规则,通过扩散滤波方法将其扩散至待修复区域,每次迭代计算仅更新待修复区域内的数据,未受损区域内的数据保持不变,根据迭代前后的残差与阈值比较,最终确定迭代终止的条件.地震数据插值处理以及地震数据的局部修复处理2个应用实例表明,采用扩散滤波方法的地震数据修复技术可以修复地震数据,能够有效恢复缺失的地震波场信息,在地震资料数字处理中有一定的应用价值.     

金属电子逸出功的测定的计算机数据处理

通过测量金属电子逸出功实验,通过简单软件进行数据处理,使实验数据处理更直观,快捷。     

基于统计量的差分吸收光谱烟气SO2浓度反算方法

提出了一种基于统计量的差分吸收光谱SO2浓度反算方法,利用差分吸收度标准差的大小表征SO2浓度的高低.使用主元素分析(principle component analysis,PCA)方法对差分吸收光谱进行处理,将处理结果、信号相关度与标准差结合为综合统计量,用于反算SO2的浓度.该方法应用于光程为0.3 m的烟气浓度...     

伏安法测电阻的方法研究

研究了初中伏安法测电阻的电路选择方法和数据处理方法,完善了电路选择方法,拓展和规范了现行教科书的数据处理方法;依据标配电表和待测电阻参量给出了运用电路选择方法的可行结果,结合实测数据给出了运用数据处理方法的合理结果,提出了相应的教学建议.     

Method for measuring liquid phase diffusion based on tilted fiber Bragg grating

We propose and experimentally demonstrate a method for measuring liquid phase diffusion based on tilted fiber Bragg grating (TFBG). By monitoring the transmission spectra of the TFBG placed at different positions of the diffusion zone and calculating the normalized area enclosed by the upper and lower envelope curves of the cladding modes, the distribution curves of the glycerol concentration are obtained, according to the experimental calibration formulas between the glycerol concentration and the normalized area. This method can conveniently achieve remote and distributed measurement of the liquid phase diffusion in hostile environment because of its all-fiber structure.