自2001年被发明以来，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）迅速成长为近红外波段的明星光子探测器，其在近红外波段如1550 nm处系统探测效率超过95%，暗计数率低于1 cps（counts per second），时间抖动优于10 ps，探测速率高于1 GHz，并广泛应用在量子信息领域。近年来，研究人员开始将SNSPD引入到生物领域，以替代在近红外波段具有低信噪比、多后脉冲的半导体单光子探测器。本文将介绍SNSPD的探测原理和性能指标，并系统地阐述SNSPD在生物领域中的应用现状和发展前景。

多光子成像技术是一种层析能力好、信噪比高的新型光学成像技术。在皮肤光学三维检测中, 多光子技术已经应用于无创在体成像, 且已得到产业化开发。本文将首先介绍多光子皮肤检测系统的若干核心技术, 即双光子自发荧光技术、二次谐波成像技术、荧光寿命成像技术、相干反斯托克斯-拉曼成像技术等, 然后简要介绍多光子成像系统在皮肤疾病成像检测上的应用, 最后分析该系统的优势和未来可能的发展趋势。

传统荧光光谱分析法虽能用于评估植物生理状况, 但在植物遥感探测中该方法具有抗干扰性弱、待测数据量大的缺陷.针对此问题, 提出一种荧光寿命成像技术, 将植物荧光寿命及光谱信息结合, 分析植物内在生理信息, 实现了远距离、大范围精确测量植物生理状况.采用时间分辨测量法, 用连续激光脉冲照射植物产生大量相同的荧光信号, 同时不断改变探测器的启动延迟时间, 得到完整的荧光信号, 用解卷积法反演植物荧光寿命.对活体法国冬青植株的光谱信息与荧光寿命特性进行了研究, 结果显示植物荧光寿命与叶绿素含量成线性关系, 并且植物叶绿素含量在0.03~0.06 mg/cm2这一特定范围, 线性相关系数高达0.9051, 比荧光光谱能更精确地反映植物叶绿素含量.

双光子荧光寿命成像技术在对生物组织进行高分辨三维成像的同时能获得生物组织的生化特性信息，实现结构和功能的精细定量表征，为生物组织的非侵入、无标记、活体成像提供了一种强有力的工具。该技术在肿瘤检测方面具有广阔的临床应用前景，已成为当前生物医学领域研究的热点之一。首先简要介绍了双光子荧光寿命的概念和常用检测方法；其次，结合课题组开展的胃癌和神经胶质瘤诊断等相关研究成果，详细介绍了双光子荧光寿命成像技术在消化道肿瘤、脑肿瘤及皮肤癌等肿瘤检测方面的最新研究进展；最后展望了该技术在未来临床应用中的潜在优势和可能面临的挑战。

介绍了一种用于荧光寿命图像数据分析的高精度列文伯格-马克夸特(LM)迭代算法。该算法的性能经过标准荧光寿命试剂以及生物图像的算法验证。该算法适用于不同的荧光衰减模型，相对于普通的非线性最小二乘估计方法具有更高的精度。结果表明，列文伯格-马克夸特算法是一种高精度、适用性广的荧光寿命图像计算方法，可以满足生物学、生物化学、生物物理学、医学诊断等实际应用的需求。

提出了一种离线式基于时间门的荧光受激发射损耗(g-STED)显微方法。基于在强光照条件下荧光寿命缩短的理论模型，在常规STED架构基础上，使用时间相关单光子记数(TCSPC)算法获取图像的荧光寿命信息，离线设置合理的时间门阈值，丢弃短寿命信号数据，对荧光信号有效点扩展函数(PSF)进行压缩，达到超分辨显微的目的。与传统STED显微术相比，此方法所需光功率大幅度降低，减少了荧光漂白及光毒性；离线式处理则同时增加了时间门设置的灵活性。在实验中，使用45 mW的连续STED光，最终获取了约80 nm的图像空间分辨率。进一步对时间门的设置对获取图像信号的分辨率和信噪比的影响进行了讨论。

荧光寿命显微成像（FLIM）技术是一种新颖的荧光成像技术，具有其他荧光成像方法无法替代的优异性能，是生物医学工程领域的研究热点。频域调制、门控探测和时间相关单光子计数(TCSPC)是FLIM的几种主要实现方法。综述了这些技术的原理、研究现状和已取得的部分成果，比较了这三种方法的时间分辨率和成像速度等参数的优劣。宽场FLIM更适用于延时成像和实时成像。荧光偏振各相异性成像和内窥镜FLIM技术都是FLIM技术很有前景的应用方向。

Streak camera has high temporal resolution and high sensitivity, and is a powerful tool in biomedical study to measure fluorescence lifetime and perform fluorescence lifetime imaging. However, nonuniformity of the gain in the streak tube and nonlinearity of the sweeping speed limit the precision of fluorescence lifetime measurement, particularly when fluorescence lifetimes are short. We have constructed a twophoton excitation fluorescence lifetime measurement system that is based on a synchroscan streak camera and have developed accordingly a method to correct the effect of gain nonuniformity and nonlinearity of sweeping speed on the measurement precision. A continuous-wave laser of high stability is used to calibrate the gain of the streak camera, and a Fabry-Perot etalon is used to calibrate the nonlinearity of the sweeping speed. Fitting algorithms are used to correct the gain of the streak camera and nonlinearity of the sweeping speed respectively, which significantly improves the measurement precision of the system, as characterized through the fluorescence lifetime of the short-lived fluorescence dye, Rose Bengal. Experimental results show that the measurement fluctuation of the lifetime has been improved from more than 10% to 2% after correcting the effects of gain nonuniformity and sweeping speed nonlinearity.