深圳大学物理与光电工程学院，光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室，广东 深圳 518060
荧光寿命显微成像（FLIM）已经广泛应用于生命科学研究领域，具有高灵敏和高特异性的特点，在对组织微环境进行定量表征方面具有独特优势，但由于成像速度相对较慢，限制了FLIM的活体应用。近年来，随着光电子器件和人工智能等技术的发展，开启了FLIM活体成像新篇章。介绍通过优化硬件和算法两方面提升时域和频域FLIM技术的成像速度，以及其在生物医学基础研究和临床疾病诊断中的应用研究进展。最后，对活体FLIM成像的未来发展进行展望。
荧光寿命显微成像 人工智能 活体成像 癌症诊断 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618005
1 赋同量子科技（浙江）有限公司，浙江 嘉兴 314100
2 集成电路材料全国重点实验室，中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 200050
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。
超导纳米线单光子探测器 共聚焦显微镜 单线态氧检测 漫反射光谱 荧光寿命成像 激光与光电子学进展
2024, 61(1): 0104002
中国计量大学 光学与电子科技学院，杭州 310018
以柠檬酸和尿素为前驱体通过水热法制备得到绿色荧光碳点，通过透射电子显微镜、紫外可见吸收光谱、荧光光谱以及时间分辨荧光光谱对碳点进行表征和分析。碳点的粒径为6.5 nm，在252 nm、273 nm和410 nm处存在吸收峰，最佳激发和发射波长分别为400 nm和517 nm，根据已有研究推测碳点的荧光主要来源于4-羟基-1H-吡咯并［3，4-c］吡啶-1，3，6（2H，5H）-三酮。发现不同溶剂中的碳点具有不同的发光特性，包括荧光强度、发射峰位和荧光寿命，因此将碳点作为荧光探针检测质子溶剂乙醇和非质子溶剂二甲基甲酰胺中的水含量。实验结果表明随着水含量的增加，混合溶液中碳点的荧光强度下降，发射峰位红移，发射峰轻微加宽，荧光寿命缩短。碳点的荧光强度、发射峰位以及荧光寿命三者与水含量之间均存在线性响应关系，检测范围宽至0~100%。本方法同样适用于甲醇和乙二醇，具有普适性，该碳点有望成为快速灵敏检测有机溶剂中水含量的潜在探针。
碳点 荧光光谱 荧光寿命 含水量 有机溶剂 Carbon dots Fluorescence spectroscopy Fluorescence lifetime Water content Organic solvent 光子学报
2023, 52(12): 1216001
1 清华大学环境学院环境污染溯源与精细监管技术研究中心, 北京 100084 清华苏州环境创新研究院先进监管技术仪器研发团队, 江苏 苏州 215163
2 北京 100084 清华苏州环境创新研究院先进监管技术仪器研发团队, 江苏 苏州 215163
近年来, 三维荧光技术已经成为常用的化学分析技术, 但有些结构相近的荧光有机物的三维荧光光谱十分相似, 可能导致分析结果错误。 因此, 如何精准区分具有相似三维荧光光谱的有机物是十分重要且亟待解决的问题。 荧光量子产率和荧光寿命是荧光有机物两个重要的光学参数, 对于分子结构的差异更灵敏。 对吲哚、 3-甲基吲哚和L-色氨酸的三维荧光光谱、 荧光量子产率和荧光寿命进行了研究。 结果表明, 它们的三维荧光光谱都出现两个荧光峰, 且荧光峰位置十分接近。 吲哚和L-色氨酸的荧光峰大致位于［激发波长, 发射波长］=［275, 340～350］和［220, 340～350］ nm附近, 3-甲基吲哚的荧光峰位于［激发波长, 发射波长］=［280, 365］和［225, 365］ nm附近。 在相同浓度下, 三种有机物在激发波长为275～280 nm处的最高荧光强度依次为: 吲哚>3-甲基吲哚>L-色氨酸。 利用绝对量子产率测量技术测得吲哚、 3-甲基吲哚和L-色氨酸的荧光量子产率分别约为0.264、 0.347和0.145; 利用时间相关单光子计数技术测得吲哚、 3-甲基吲哚和L-色氨酸的荧光寿命分别约为4.149、 7.896和2.715 ns。 研究表明, 荧光寿命和荧光量子产率能区分三维荧光光谱相似的荧光有机物, 研究结果在荧光有机物的准确识别上具有重要的价值。
三维荧光光谱 荧光有机物 荧光量子产率 荧光寿命 Excitation-emission matrix Fluorescent organic matter Fluorescence quantum yield Fluorescence lifetime 光谱学与光谱分析
2023, 43(12): 3758
广西大学资源环境与材料学院，广西有色金属及特色材料加工重点实验室，广西 南宁 530004
通过高温固相烧结法制备出一系列Si掺杂的Bi3.79Er0.03Yb0.18Ti2.97W0.03O12∶xSi荧光体，探索其结构和上转换荧光性能。实验与测试结果表明，在不同气氛下制备的Bi3.79Er0.03Yb0.18Ti2.97W0.03O12∶xSi荧光体均为单一层状类钙钛矿结构的Bi4Ti3O12相。Si在荧光体中以Si4+为主，说明即使在氩气氛围中，掺入的大部分Si也发生了氧化。Si掺杂增加了材料的致密性和表面平整度，同时减小了材料的光学带隙并增强了光吸收。在980 nm红外光激发下，所有样品的上转换发射光谱均显示以525 nm、545 nm和765 nm为中心的三个发射带，分别对应Er3+4f电子层内的电子跃迁。掺硅6%摩尔分数的样品的发光强度和荧光寿命约为未掺杂Si的样品2倍，表明Si掺杂可以明显提升稀土掺杂钛酸铋基荧光体的光致发光性能。
材料 上转换荧光 光吸收 光学带隙 荧光寿命 激光与光电子学进展
2023, 60(13): 1316017
深圳大学物理与光电工程学院教育部/广东省光电子器件与系统重点实验室，广东 深圳 518060
荧光寿命显微成像（FLIM）常用来检测活细胞内荧光基团的寿命信息，以实现微观定量分析。荧光共振能量转移（FRET）可用来表征能量从供体荧光分子到受体荧光分子的传递过程。将FLIM技术与FRET结合（FLIM-FRET），可以监测活细胞中蛋白质的相互作用、亚细胞器的动态过程等。构建了以细胞膜上转染的绿色荧光蛋白（sfGFP）为供体、以阿霉素（DOX）为受体的FRET纳米体系，利用双光子激发荧光寿命显微成像（TP-FLIM）系统，通过监测FRET纳米体系中供体荧光寿命的变化，研究了药物DOX在细胞中的递送机制和运输效率。此外，进一步采用四种内吞途径抑制剂，对纳米药物的内吞途径进行了评估。结果证明，牛血清白蛋白（BSA）包裹的DOX（BSA-DOX）纳米颗粒通过网格蛋白介导的内吞作用进入细胞。揭示了BSA-DOX纳米颗粒通过网格蛋白介导的内吞作用进入细胞的动态过程。研究表明，FLIM-FRET技术结合定量分析方法可用于区分小分子药物和纳米颗粒与细胞作用的异同。
生物光学 荧光共振能量转移 荧光寿命 细胞膜
1 1.上海大学 材料基因组工程研究院, 上海 200444
2 2.同济大学 高等研究院, 物理科学与工程学院, 先进微结构材料教育部重点实验室, 上海 200092
3 3.江苏师范大学 物理与电子工程学院, 江苏省先进激光材料与器件重点实验室, 徐州 221116
4 4.南京光宝光电科技有限公司, 南京 210038
氟化钙(CaF2)是一种良好的激光材料基质, 具有较宽的透过范围(0.125~10 µm)、良好的导热性(9.71 W/(m·K))和低非线性效应系数。在Pr:CaF2晶体中, [Pr3+-Pr3+]团簇导致Pr3+离子在较低浓度下出现荧光猝灭现象。在CaF2中共掺入La3+离子有可能打破[Pr3+-Pr3+]团簇。本研究通过温度梯度法(Temperature Gradient Technique, TGT), 成功地生长了一系列共掺入不同浓度La3+离子的Pr:CaF2晶体。在室温下采用X射线粉末衍射、吸收光谱、荧光光谱和荧光衰减寿命对Pr, La:CaF2晶体进行表征。Pr:CaF2晶体共掺入La3+离子后仍具有立方晶体结构。3P0→3H6(604 nm)和3P0→3F2(640 nm)处的最大受激发射截面分别为1.36×10-20和3.18×10-20 cm2, 半峰宽分别为17.0和 3.8 nm。随着La3+离子掺杂含量的增加, 3P0→3H6(604 nm)处的半峰宽从15.84增加到18.53 nm。0.6%Pr,10%La:CaF2 (原子分数)的最大荧光寿命和光谱质量因子分别为45.82 μs和145.8×10-20 cm2·μs。上述结果表明: [Pr3+-Pr3+]离子淬灭团被打破, Pr, La:CaF2晶体是潜在的激光增益材料, 可应用于橙红色激光领域。
Pr, La:CaF2 光谱性能 Judd-Ofelt理论 荧光寿命 Pr, La:CaF2 spectra property Judd-Ofelt theory fluorescence lifetime
厦门理工学院光电与通信工程学院, 厦门 361024
采用高温固相法制备了一系列新型Sr7-xSb2O12∶xDy3+(x=0~0.35)(摩尔分数)荧光粉, 并研究了Sr7-xSb2O12∶xDy3+的物相结构、发光性能、热稳定性以及荧光寿命。在350 nm光激发下, Sr7-xSb2O12∶xDy3+可以检测到中心波长在482 nm处的蓝光发射带和中心波长在576 nm处的黄光发射带, 当x=0.056时, Dy3+浓度猝灭, Sr6.944Sb2O12∶0.056Dy3+ CIE色坐标为(0.340 8, 0.349 3), 猝灭机理归因于电偶极-电偶极相互作用。当x=0.14时, 该荧光粉可以发出色坐标为(0.310 9, 0.314 0)的白光。此外, Sr7-xSb2O12∶xDy3+在453 K的发光强度大约为室温下发光强度的83.3%, 表现出良好的热稳定性。综合以上研究结果表明, Sr7-xSb2O12∶xDy3+有望用于紫外光激发的白光发光二极管器件中。
Dy3+掺杂 高温固相法 荧光粉 光致发光 发光性能 荧光寿命 热稳定性 Dy3+ doping Sr7Sb2O12 Sr7Sb2O12 high temperature solid-state method phosphor photoluminescence luminescence property fluorescence lifetime thermal stability
陕西理工大学机械工程学院, 陕西 汉中, 723001
作为一种重要检测手段, 主动荧光探测利用荧光寿命参数作为荧光探测的特征参数, 可以解决荧光强度易受外界环境因素影响的问题。基于门控探测法测量荧光寿命的原理, 利用荧光寿命衰减曲线结合非线性最小二乘回归拟合荧光寿命衰减函数来提取荧光平均寿命参数, 利用荧光寿命图谱绘制荧光物质的二维空间分布, 进而提出并实验验证了结合支持向量机利用荧光寿命参数作为特征向量进行油种识别的方法。实验结果表明, 利用荧光平均寿命作为参数, 激发区域中像素点荧光寿命值落入各自置信区间内的概率为 68% 以上, 结合支持向量机进行油种识别, 识别概率在 77
主动荧光探测 荧光寿命 门控探测法 支持向量机 active fluorescence detection fluorescence lifetime time-gated detection support vector machine 大气与环境光学学报
2022, 17(2): 258
