条纹相机在皮秒荧光寿命测量的应用

荧光寿命是指分子在发射光子之前停留在其激发态的平均时间。一般来说激发态的荧光强度是以指数方式衰减的，其公式如下：

其中，I0为激发态初始的荧光强度，τ为指荧光寿命。因此荧光寿命可以由分子初始荧光强度I0衰减至I0/e所需要的时间表征。

从荧光/磷光材料获得的荧光光谱是控制和评估材料功能和特性（例如峰值波长和荧光强度）的重要参数。但是，荧光光谱通常显示时间积分信息，因此，当材料包含多种物质和反应性元素时，它们的荧光光谱只能作为积分信息获取。在这种情况下，一种有效的方法是通过使用时间轴参数来观察发光动态，在皮秒到秒的范围内测量被脉冲光激发的物质返回其基态所需的时间，这就是荧光寿命测量的意义。
现如今有两种应用比较普遍的荧光寿命测量方法，一种是经典的TCSPC法，另一种是条纹相机法，今天小编就带大家来捋一下这两种方法的优劣短长。

TCSPC荧光寿命测量法

TCSPC法也就是时间相关单光子计数法（Time-correlated single photon counting），其原理如下图所示：

脉冲光源激发样品的同时发出一个“start”信号，探测器接收样品发射光的同时发出一个“stop”信号，TDC模块将不同时间进入的start信号以及stop信号相减，并且转换为电压信号，电压信号由MCA模块转化为关于时间的计数，经由大量数据累计以后，成为计数-时间的曲线，从而得到荧光寿命。

金无足赤人无完人，在这个理论的指引下，虽然TCSPC法具有灵敏度高、测量结果准确、系统误差小等优点，但是这种方法仍然具有一定的局限性。因为TCSPC法的探测器是基于光电倍增管的，所以TCSPC系统的性能基本上由光电倍增管决定，因此TCSPC法只能测量某一个波长下的荧光寿命；TCSPC法无法检测荧光寿命更短的材料；TCSPC法无法测量高强度荧光，只能在弱光下测量荧光寿命。

条纹相机荧光寿命测量法

条纹相机系统作为超快时间分辨测量的专用设备，可以在一次测量中分别得到波长、时间以及强度的三维信息。其原理如下图所示：

图一

被测光通过狭缝，在条纹管的光阴极面上形成狭缝图像。此时，入射的四个光脉冲分别在时间、空间以及强度上略有变化。四个光脉冲入射至光阴极面上，依次转换成与光强度成正比的电子束，再通过加速电极，轰击条纹管末端的荧光屏。

图二

当电子束通过加速电极后，在与入射光同步时序的情况下向扫描电极施加高压（图二）。这将启动扫描电极的高速扫描（电子从上到下扫描）。在高速扫描过程中，到达时间略有不同的电子束在垂直方向上偏转的角度略有不同，并进入MCP（微通道板）。当电子通过MCP时，它们会倍增数千次，然后撞击到荧光屏上，然后再次转换为光。
在荧光屏上，较早的光脉冲相对应的荧光图像在上方，其他图像从上到下依次排列，将时间的分辨通过垂直坐标的位置不同来区分。同时，荧光屏的亮度会与入射光强度成正比，荧光屏水平方向上的位置对应于入射光的水平位置。至此，四个光脉冲的时间、强度以及空间信息均得到测量和显示。

条纹相机优势总结

1.实现100fs的时间分辨率，可以应对更多特殊的极短荧光寿命材料；

2.耦合光谱仪，可以在一次荧光寿命测试中得到一段波长的强度和时间分辨信息，波段范围由光谱仪决定；

3.具有两种测量模式，分别为适用于强光测量的模拟信号测量模式以及弱光测量的光子计数模式；

4.可以简单快捷地提取时间分辨光谱信息。

两种测量方法优劣对比

看到这里想必对TCSPC法和条纹相机法测量荧光寿命的优劣对比已经有了一定的了解，为了更加方便各位对两种方法进行区分，总结了如下表格：

条纹相机推荐

通用型条纹相机C10910

推荐理由

1. 5种光阴极面材料，覆盖从115nm至1600nm，绝大部分荧光材料的发射波段范围；

2. 同步扫描、快速扫描、慢速扫描（可选），支持1ps-1ms的荧光寿命测试范围；

3. 时序控制模块均为0抖动，可以真实还原激光器信号以及荧光信号；

4. 软件自动采集，操作简单，配有专业的荧光寿命拟合功能，可进行多种组分分析。

典型的C10910型条纹相机荧光寿命测量系统
激光器激发样品的同时会分束一部分光束用于触发条纹相机工作，延迟单元用于调节触发信号以及样品信号的时序同步，当二者时序达到同步以后，条纹相机可以采集到样品信号，再输入至软件进行分析。

皮秒荧光寿命测试系统C111200图中分别是C11200系统的软件采集结果、分析部分、系统主体部分以及前端光路部分

推荐理由

1.可以做到5ps的时间分辨率；

2. 拥有超过100000：1的动态范围，扫描时间从1ns-10ms，可以覆盖绝大部分荧光材料的荧光寿命参数及时间分辨光谱；

3. 可覆盖紫外-可见-近红外波段测量范围；

4. 适配标准光路让测量简单快捷稳定。

C11200系统的光源可以搭配钛宝石激光器、搭配放大级的钛宝石激光器以及皮秒激光器，小编下面展示一下不同光源的具体配置：

为了使大家更加直观的了解到条纹相机进行荧光寿命测量时展示出的波长、时间以及强度特性，下面就为大家放上两个案例进行说明。

钙钛矿材料三重态研究

Qin, C., Matsushima, T., Potscavage, W.J. et al. Triplet management for efficient perovskite light-emitting diodes. Nat. Photonics 14, 70–75 (2020).

光催化材料的研究

Won, D.-I.; Lee, J.-S.; Ba, Q.; Cho, Y.-J. et al. Development of a Lower Energy Photosensitizer for Photocatalytic CO2 Reduction: Modification of Porphyrin Dye in Hybrid Catalyst System. ACS Catal 8, 1018−1030(2018).

耀嘉科技有限公司作为日本滨松光子条纹相机的专业代理公司。目前C10910系列条纹相机是应用范围广、配件多的条纹相机产品，广泛被用于荧光寿命测量、瞬态吸收测量、时间分辨拉曼光谱；量子通信检测；同步电子加速、直线电子加速器；等离子体发射、辐射以及爆炸等领域的研究。