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采用光子流时间分辨荧光法，在两个波长下同步监测蝶豆花提取物与α-淀粉酶的结合过程
摘要： 研究了蝶豆花提取物与消化酶α-淀粉酶的结合情况。该提取物是含花青素类黄酮的混合物，先前已证实其能抑制该酶活性，这对调节淀粉消化具有意义。由于提取物含有包括花青素在内的多种类黄酮，为研究动力学特性，我们采用时间分辨荧光技术同步监测提取物发出的两个不同发射波段。通过"光子流"方法实现该测量，并利用荧光寿命和强度变化追踪相互作用过程。较长波长波段（655纳米）被归因于混合物中的花青素，其结合速率比短波长（485纳米）监测到的其他类黄酮慢一个数量级。通过衰减相关光谱进一步评估了结合过程中提取物荧光发射的变化。
关键词： 时间相关单光子计数、蝶豆花、花青素、酶抑制、黄酮类化合物
更新于2025-09-23 15:21:21
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基于时间相关CMOS单光子雪崩二极管线阵传感器的距离分辨拉曼雷达
摘要： 远程拉曼光谱技术广泛应用于矿物、爆炸物及空气污染检测等领域。但其主要问题在于环境光和样品荧光产生的背景辐射。据我们所知，本研究首次提出一种基于可调谐时间相关互补金属氧化物半导体（CMOS）单光子雪崩二极管线阵列传感器的距离分辨拉曼雷达装置。该装置能在常规远距光谱仪工作的同时测量目标样品位置，并通过亚纳秒级时间门控技术显著抑制背景辐射。在常规光谱仪工作状态下，我们验证了其3.75厘米的距离分辨率——该系统分别在250厘米（250勒克斯背景照度）和100厘米（7600勒克斯背景照度）距离处成功识别了二氧化钛的拉曼光谱。此外，在250勒克斯背景照度下，该系统还能在30厘米距离处识别出橄榄油的拉曼主峰（其荧光/拉曼信号比为33，荧光寿命为2.5纳秒）。我们认为这种时间相关CMOS单光子雪崩二极管传感器，将为需要同时获取数米范围内距离信息与拉曼光谱的新型紧凑型距离分辨拉曼雷达开辟道路。
关键词： 时间相关单光子计数（TCSPC）、远程拉曼光谱、CMOS单光子雪崩二极管（SPAD）、时间间隔测量、距离分辨拉曼雷达、远距离拉曼光谱仪
更新于2025-09-23 15:21:21
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采用低成本、紧凑型单光子雪崩探测器的时间分辨漫射光学光谱原型系统表征及其在组织光学中的应用
摘要： 时间分辨漫射光学光谱技术（TR-DOS）是一种日益广泛应用的漫射介质光学特性测定方法，尤其适用于包括功能性脑部、乳腺及肌肉测量在内的医学领域。针对医学成像应用，新一代TR-DOS系统的重要特征在于低成本、小型化及高效的反向建模能力。为解决低成本、紧凑尺寸与高集成度需求，我们采用130纳米硅互补金属氧化物半导体（CMOS）技术开发了自由运行（FR）单光子雪崩二极管（SPAD），并将其应用于TR-DOS原型机。该原型机通过两项组织光学应用领域的TR-DOS系统评估标准协议验证：基于基础仪器性能协议，其总仪器响应函数达亚纳秒级且微分非线性误差低于百分之几；使用低于人体皮肤最大允许照射量的光功率时，该原型机能在反射几何模式下获取与人體组织光学特性相似的仿体原始数据。依据MEDPHOT协议，基于Levenberg-Marquardt算法的最佳拟合模型可高精度线性地反演多个均匀仿体的绝对光学特性值。研究表明，基于硅CMOS的SPAD探测器可用于构建多通道TR-DOS原型机，结合时间数字转换器（TDC）后，将实现对肌肉、乳腺及新生儿头部等人体组织的实时功能监测。
关键词： 漫反射光谱技术、时间分辨光谱技术、组织光学、单光子雪崩二极管、硅光电探测器、时间相关单光子计数
更新于2025-09-23 15:21:01
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具有尖锐时间响应和降低相关噪声的0.16微米BCD硅光电倍增管
摘要： 硅光电倍增管（SiPMs）近年来性能显著提升，现已广泛应用于多个领域。但商用SiPM采用的定制化制造技术无法集成额外电子元件（如片上读出电路与模拟/数字处理电路）。本文展示了两款基于0.16微米BCD（双极-互补金属氧化物半导体-双扩散金属氧化物半导体）工艺的微电子兼容型SiPM设计及特性：芯片总面积0.67毫米×0.67毫米，含10×10方形像素阵列，填充因子达53%。其光子探测效率（PDE）超过33%（含填充因子），暗计数率（DCR）为33万次/秒。虽然暗计数密度逊于最新一代SiPM，但该制造工艺能开发基于SiPM探测器的低成本片上系统（SoC）。此外，相关噪声成分（后脉冲与光学串扰）及光子计时响应均达到顶级商用SiPM水平。
关键词： 硅光电倍增管（SiPM）、光子计数、光子数分辨率、光学串扰、时间相关单光子计数（TCSPC）、后脉冲
更新于2025-09-23 15:21:01
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采用掺铥上转换纳米颗粒增强激光扫描多光子显微镜的分辨率与对比度
摘要： 利用磷光标记物抑制光学背散射和自发荧光产生的短寿命背景噪声可实现高对比度光学成像。然而长寿命磷光通常与高速激光扫描成像模式不兼容。本研究证明，采用8%铥共掺杂的NaYF4:Yb上转换纳米粒子（8T-UCNP）结合商用激光扫描多光子显微镜，能独特地实现对生物体系的标记并获得高对比度的高分辨率图像。与多数磷光标记物相比，8T-UCNP约15微秒的发光寿命可实现快速成像。实验和理论验证其四阶光学非线性（n≈4）将UCNP的分辨率极限推进至衍射极限。通过两种方式实现背景抑制以增强对比度：(i)对8T-UCNP 455纳米窄发射峰进行带通光谱滤波；(ii)采用时间相关单光子计数系统实现时间门控——该方案使人乳腺癌细胞SK-BR-3摄取的聚乙烯亚胺包覆8T-UCNP对比度提升超过2.5倍。实验结果显示，小鼠尾静脉注射8T-UCNP溶液15分钟后，新鲜取出的脾脏组织中离散的8T-UCNP纳米颗粒清晰可见。该方法为强自发荧光、外源染色及浑浊等复杂环境（如活体成像典型场景）中的高对比度、高分辨率、高速多光子显微镜技术开辟了新途径。
关键词： 时间相关单光子计数、时间门控成像、扫描显微镜技术、自体荧光、上转换纳米粒子
更新于2025-09-19 17:13:59
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以多种绿色荧光蛋白作为化学交联供体，用于育空橙色荧光蛋白的福斯特共振能量转移：一项基于项目的本科实验教学体验
摘要： 福斯特共振能量转移（FRET）是生物医学研究中众多技术的基础。由于其在分子传感中的广泛应用，FRET常被纳入生物学、化学和物理学课程。尽管FRET在生物物理科学中具有重要意义，但构建FRET实验的复杂性和难度导致其在本科实验室环境中的应用有限。在此，我们介绍一个实用的本科实验室实验，通过使用多种绿色发射荧光蛋白（FPs）作为供体，与交联的育空橙色FP进行能量转移来教授FRET。该实验使学生能够将基础实验操作与实际应用联系起来，适用于分子生物学、生物化学、物理化学和生物物理实验室课程。
关键词： 高年级本科生，橙色荧光蛋白，荧光寿命，蛋白质，绿色荧光蛋白，生物化学，时间相关单光子计数，荧光光谱学
更新于2025-09-10 09:29:36