DD205522A1 - Anordnung zur messung von lumineszenzabklingfunktionen durch zeitkorrelierte einzelphotonenzaehlung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Kurzzeit-Lumineszenzspektroskopie. Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Anordnung verfuegbar zu haben zur Messung von Lumineszenzabklingfunktionen bzw. von charakteristischen Parametern davon nach dem Prinzip der zeitkorrelierten Einzelphotonenzaehlung mit kontinuierlichen modensynchronisierten Lasern als Anregungslichtquelle. Dabei sollen fuer extreme Anwendungen ausreichende Empfindlichkeit und Zeitaufloesung erreicht werden. Das wird dadurch erreicht, dass die Synchronisation des Messvorganges mit der Impulsfolge des Laserlichtes verbessert, die maximal moegliche Zaehlrate der Lumineszenzphotonen erhoeht, der Dunkelstrom des Lichtempfaengers sowie das Streulicht kompensiert wird. Es werden eine Moeglichkeit zur Registrierung der Lumineszenzabklingfunktion ueber mehrere Anregungsperioden sowie die der unmittelbaren digitalen Datenverarbeitung zur Ermittlung von extrem kurzen Lumineszenzabklingzeiten bis in den Bereich unter 10 hoch minus 11 s beschrieben. Die Anordnung ist damit fuer Forschungsaufgaben auf den Gebieten Fotochemie und- physik, Physik der kondensierten Phasen, Molekularbiologie u. a. einsetzbar.

Description

2AO20 1

Dr. Wolfgang Becker Berlin, 17. 05. 1982

ZuBtellungsbevollmächtigt:

Akademie der Wissenschaften der DDR Zentralinstitut für Optik und Spektroskopie - Patentbüro

1199 Berlin-Adlershof, Rudower Chaussee 6

Anordnung zur Messung von Lumineszenzabklingfunktionen durch zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von Luinineszenzabklingfunktionen bzw. von Lumineszenzabklingzeiten. Sie gewährleistet sehr hohe Empfindlichkeit bei hoher Zeitauflösung und ist deshalb besonders für Messungen bei extrem niedriger Konzentration der untersuchten Substanz sowie zur Untersuchung von Stoffen mit geringer Lumineszenzquantenausbeute geeignet. Das betrifft insbesondere Probleme der Fotochemie und -physik und der Molekularbiologie.

28.MA! 1982*012447

U 2 O

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Alle bekannten Verfahren zur Messung von Lumineszensabklingfunktionen beruhen auf der Bestrahlung des Meßob.jek tes mit einem zeitlich veränderlichen Anregungslicht und der Messung des daraufhin vom Meßob,-jekt abgestrahlten Lumineszenslichtes. Das Signal-Rausch-Yerhältnis bei der Registrierung des Meßlichtes ist dabei auch bei einem idealen, von eigenen Rauschquellen freien Empfänger durch die Quantenstinktur des Lichtes begrenzt und bei Mittelung des Signales Über mehrere Anregungsperioden in der Meßzeit T

Dabei ist I die zeitlich gemittelte Intensität des Meßlichtes in Photonen pro Sekunde, At die Zeitauflösung, X die Lumineszenzabklingzeit und K ein Paktor, der angibt, welcher Anteil der auf den Empfänger fallenden Photonen vom Meßsystem tatsächlich verarbeitet wird. Um auch bei hoher Zeitauflösung, d.h* bei kleinem At, noch ein großes Signal-Rausch-Yerhältnis zu erreichen, muß offenbar für große Werte von I und E gesorgt werden« I kann nur durch Erhöhung der Intensität des Anregungslichtes, der Faktor K vor allem durch ein optimiertes Meßverfahren erhöht werden. Alle bekannten Heßverfahren können unter diesem gemeinsamen Gesichtspunkt betrachtet werden.

Bei den geforderten Zeitauflösungen im ns- und ps-Bereicn kommen zur Registrierung des Meßlichtes folgende elektronische Verfahren in Betrachti

-J-

1. Sampling- bzw. Boxearmethoden

Die Probe wird mit einem kurzen Lichtiaipuls periodisch angeregt. Das vom Lichtempfanger gelieferte Signal wird mit einer Torschaltung in jeder Periode genau einmal abgetastet. Die Abtastdauer ist klein gegen die charakteristischen Zeiten des Signales, so daß bei zeitlicher Verschiebung des Abtastpunktes aus den gewonnenen Abtastwerten der Signalverlauf rekonstruiert werden kann (W, Becker u.a., Sxp. Techn. Phys· 2^ O975)/3, 297 - 306). Durch das Abtastverfahren wird der Ausnutzungefaktor K sehr klein, so daß solche Meßmethoden für LuaiineazsnzmessuzLgen nur in Verbindung mit der hohen Anregungsintensität von JJnpulslasern geeignet sind.

Die erreichbare Zeitauflösung wird durch die Breite der Impulsantwort des Lichtempfängers bestimmt und liegt bei Photo-Sekundärelektronenvervielfachern (SET) bei 10"° s, bei Halbleiterpfaotodioden zwischen 10*" und 10*"^ s«

2. Phasenfluorometer

Hie:? wird die Phasenverschiebung zwischen dem LuminesζenalicJit und einem periodischen Anregungslicht gemessen (S*.'?, Resewitz, E. Lippert, 3er. Bunsenges. phys· Chesi. J8 (1974) 1227)*

Ein Hachteil der Methode besteht darin, daß zur Ermittlung charakteristischer Parameter der gesuchten Abklingfunktion· aus der Phasenverschiebung Annahmen über die Form dieser rna.'xtipn; gemacht -,verden müssen. Vor allem bsi mehreren überlagerten Effekten (z. 3* bereits durch gestreutes Anregungslicht) können deshalb leicht Pehlmsssungen auf-. treten» Phasenfluorometer werden deshalb meist nur noch für Messungen im Bereich sehr kurser Abklingzeiten benutzt, der mit d.en anderen Methoden bisher nicht zugänglich ist«

Der Photonenausnutzungsfaktor K liegt beim Phasenfluorometer nahe bei 1. Bei Anregungsfraquenzen in der Größenordnung Ton 100 MHs, wie sie mit modensynchronisierten kontinuierlichen Lasern leicht erreicht werden können, lassen sich Zeitauflösungen bis 10"° s erreichen (K· Berndt, K. Junge, E, Klose - Proc« XH Intern. Congr. High Speed Photogr. and Photonics - Moskau, UdSSR, Okt. 80).

Die Grenze ist dadurch gegeben, daß die Übertragungsfunktion aller Lichtempfänger geringfügig von der Wellenlänge des Lichtes abhängt, so daß systematische Pehler in der Größenordnung von 10 ps auftreten.

3* Sinzelphotoneazählung

Diese Methods beruht auf der impulsmäßigen Anregung der Lumineszenz und der Registrierung einzelner Photonen mit einem SBV* Die Photonen werden nach ihrer zeitlichen Lage in Bezug auf die Anregungsimpul3folge sortiert in einem Digitalspeicher summiert. Unter der Bedingung, daß die Wahrscheinlichkeit des Eintreffens von zwei Photonen pro Anregungsimpuls ausreichend gering ist, erhält man im Speicher die zeitliche Dichtefunktion der Photonen und damit die gesuchte Zeitfunktion des Lichtes (S. Cova, M. Bertalaccini, C. Bussolati, Phys*stat,sol.(a) 18 (1973), 11 - 62)»

Technisch wird das 'Verfahren in folgender Weise gelöst. Der Zeitpunkt -der Registrierung eines Photons im SFV wird aus dem vom SIV gelieferten Einzelphotonenimpuls durch eine geeignete Triggerschaltung zunächst möglichst genau bestimmt» Als zeitliche Bezugspunkte zur Synchronisation des Meßvorganges dienen Impulse, die aus den Lichtimpulsen der Anregungslichtquelle abgeleitet werden» Die Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten des Photons und einem Synchronisationsimpuls wird durch einen Zeit-Amplituden-Konverter in eine proportionale Spannung umgewandelt. Aus dieser Spannung wird in einem. Analog-Digital-Konverter eine Zahl erzeugt, die zur Adressierung'eines Speicherplatzes in

einem Digitalspeicher dient. Auf dem adressierten Speicherplatz wird eine 1 addiert, so daß man nach der Registrierung genügend vieler Photonen im Speicher die zeitliche Verteilung der Photonendichte gewinnt, liach beendeter Messung kann diese Punktion entweder direkt digital oder über einen Digital-Analog-Wandler als Analogsignal aus dem Speicher ausgelesen werden. Das Verfahren ermöglicht einen hohen Photonenausnutzungsfaktor, der sich bei schwachen Lichteignalen asymptotisch an den Wert 1 annähert. Die Z.ei tauf lc* sung wird durch Laufzeit Streuungen der Elektronen im SSV und durch die elektronisch erreichbare Triggergenauigkeit bestimmt und liegt bei 100 ... 300 ps.

Das Verfahren wird in Verbindung mit ns-Blitzlampen als Anre-gungslichtquelle gut beherrscht. Die Anregungsintensität ist dabei allerdings so gering, daß Lumineszenzmessungen mit Boscarmethoden und Impul3lasera.nregung bessere Empfindlichkeiten liefern. Außerdem sind Impulsdauern unter 1 ßs mit Blitzlampen kaum zu erreichen, so daß die hohe Zeitauflösung des Meß ve rf ahrens nicht ausgenutzt wird.

Außerordentlich attraktiv ist dagegen die Kombination der Sinzelphotonenzäh.iung mit modensynchronisierten kontinuierlichen Lasern

(A. Muenter, J«Phys,Chem. 80 (1976), 2178). Diese Laser ermöglichen je nach Typ Impulsbreiten von 10™"*" «·. 10" ° s und erreichen gleichseitig von allen verwendbaren Anregungslichtquellen die höchste mittlere Leistung, Das Produkt von Anregungsintensität.I und Photonenausnutzungsfaktor K wird dadurch außerordentlich groß. Es ist deshalb eine extrem hohe Empfindlichkeit bei gleichzeitig hoher Zeitauflösung zu erwarten.

Die Impulsfolgeirequens der modensynchronisierten kontinuierlichen Laser führt auf der äachweisseite zu Schwierigkeiten, die einen breiten Einsatz der Photonenzählung in Verbindung mit diesen Lasern bisher verhindert haben«

Bekannte Realisierungen des Meßverfahrens haben folgende !lacht eile:

1. Durch die begrenzte Zählrate der Nachweiselektronik (typische Werte liegen bei 10^ s" ) können die registrierten Lumineszenzphotonen nur bei extrem schwach lumineszierenden Proben vollständig erfaßt werden· Bei höheren Lichtintensitäten sinkt der Photonenausnutzungsfaktor K ab und die Meßzeit wird unnötig verlängert .

2· Bei geringen Lichtintensitäten, die noch einen Ausnut aungsfaktor Ϊ?ώ1 erlauben, d#h» bei denen die Empfindlichkeit der Methode voll 2ur Geltung kommt, stören bereits die unvermeidbaren Dunkeliinpuise des SEV. Diese führen zu einer Verschiebung der Grundlinie des Meßergebnisses und somit zu Auswertungsproblemen. Die erreichbaren Empfindlichkeiten sind weiterhin durch gestreutes Anregungslicht begrenzt.

3· Ss ist nur die Darstellung von weniger als einer Anregungsperiode möglich. Lumineszenzen mit längerer Abklingzeit lassen sich damit ebenso wie solche mit extrem kurzen Abklingzeiten schlecht untersuchen.

4· Die Seitauflösung wird durch ungenaue Synchronisation der Messung mit der Laserimpulsfolge beeinträchtigt. Durch die hohe Folgefrequens der Laserispuise ist die Energie eines Impulses trotz der hohen durchschnittlichen Lichtleistung relativ gering, und ein z. B. mit einer Photodiode erhaltenes Synchronisationssignal hat einen gewissen Rauschanteil, der zu einem zeitlichen Jitter der Synchronisation führt» D&au kommen Fehler aus unvermeidbaren Amplitudanschwankungen der Laaerimpülse.

-τ- ZAUZU 1 U

5. Bei manchen Lasern ist eine stabile Modensynchronisation schwer zu erreichen. PaIIs die Modensynchronisation kurzzeitig ausfällt, ac daß keine saubere Impulsfolge mehr entsteht, kommt es zu erheblichen Meßfehlern. Zur Messung von extrem kurzen Lumineszenzabklingzeiten muß vom Prinzip der Photonenzählung abgegangen und mit Phasenfluoro&etern gearbeitet warden» Da jedoch die Phaseninforsiation, die eis Phasenfluoroaeter zur Ermittlung von Abklingzeiten im ps-Bereich benutzt, ohne Einschränkung auch im Meßergebnis der Einzelphotonenaählung enthalten ist (gleiche Anregungsbedingungen vorausgesetzt), muß e3 Möglichkeiten geben, alle über die Phasenfluorometrie zugänglichen Meßergebnisse auch durch Einzelphotonenzählung za erhalten. Eine solche Erweiterung des Anwendungsbereiches der Einzelphotonenzählung hätte den Vorteil, die Meßmethoden und damit -geräte der Kurzseitspektro3kopie zu vereinheitlichen.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Anordnung verfügbar zu haben zur Messung von Lumineszenzabklingfunktionen bzw. von charakteristischen Parametern davon nach dem Prinzip der" seitkorreiierten Einzelphotonenzählung mit kontinuierlichen raodensynchronisierten Lasern als Anregungslichtquelle. Dabei sollen für extreme Anwendungen ausreichende Empfindlichkeit und Zeitauflösung erreicht werden.

24020 1 0

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei zeitaüfgelösten Lumineszenzmessungen nach dem Prinzip der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung unter Verwendung von modensynchronisierten kontinuierlichen Lasern eine Anordnung mit wesentlich vergrößerter Meßgenauigkeit, vergrößertem Signal-Rausch-Verhältnis und erhöhter Zeitauflöeung zu schaffen.

Dazu sind eine exakte Synchronisation des Meßvorganges mit der Laaerimpulsfolge auch bei verrauschtem Synchronisationssignal und bei kurzzeitigen Amplitudenachwanlcungen der Laserimpulse zu gewährleisten, im Ergebnis mehr ale eine Anregungsperiode darzustellen, die maximale Zählrate der Nachweiselektronik zu erhöhen, den Einfluß der Dunkelimpulse des SEV und des gestreuten Anregungßlichtes zu kompensieren und Möglichkeiten zur direkten Signalverarbeitung im Meßsystem zu schaffen und damit die Ermittlung von Parametern der Abklingfunktion mit der gleichen Zeitauflösung und Genauigkeit wie bei Phasenfluorometern zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Maßnahmen gelöst:

Eine exakte Synchronisation des Meßvorganges auch bei gestörtem Synchronisationssignal wird durch Störbefreiung mittels eines Phasenregelkreises (PLL) erreicht. Der Phasenregelkreis besteht aus einem spannungsgesteuerten Oszillator, einem Phasendetektor und einem Tiefpaßfilter. Die Phase der vom Oszillator erzeugten Schwingung wird im iPhasendetektor mit der Phase des Eingangssignales verglichen. Der Phasendetektor liefert eine Steuerspannung, die über das Tiefpaßfilter den Oszillator solange nachregelt, bis die Phasendifferenz zwischen Eingangs- und Oszillatorsignal konstant bzw. bei einem integrierenden Anteil der Tiefpaßfunktion Null wird. Da kurzzeitige Störungen vom

240 20

Tiefpaß unterdrückt werden, ist das Phasenjitter der Oszillatorschwingung wesentlich kleiner als das des Eingangssignales. Damit ist eine gute Synchronisation des Meßvorganges auch bei gestörtem EingangB-Synchronisationssignal gewährleistet.

Eine Darstellung von mehreren Signalperioden wird durch eine Frequenzteilung des Synchronisationssignales erreicht. Diese Frequenzteilung kann entweder durch den PLL selbst · erfolgen oder mit einem nachgeschalteten Frequenzteiler. Zwischen Analog-Digital-Wandler und Speicher wird ein Adressenregister zur Zwischenspeicherung der Adresse eingefügt. Damit wird erreicht, daß während der Verarbeitung eines registrierten Photons im Speicher, d.h. während des Lesens des Speicherplatzes, der +1-Addition und während des anschließenden Schreibens bereits für das nächste registrierte Photon die A-D-Wandlung ablaufen kann. Da die Analog-Digital-Wandlung und der Speicherzugriff die zeitaufwendigsten Schritte der Signalverarbeitung sind, ergibt sich durch diese zeitlich verschachtelte Betriebsweise eine Erhöhung der maximalen Registrierrate.

Die Registrierrate wird weiterhin dadurch erhöht, daß das Ausgangseignal des Zeit-Amplituden-Konverters durch einen Fenster-Diskriminator mit einstellbaren Schwellen überwacht wird. Die weitere Verarbeitung eines Photons wird nur dann durchgeführt, wenn die Ausgangsspannung des Zeit-Amplituden Konverters im gewünschten Bereich zwischen beiden Diskrirainatorschwellen liegt. Dadurch werden nur solche Photonen verarbeitet, die in einem gewissen, für die Messung vorgegebenen Zeltintervall liegen. Alle anderen Photonen lösen keine A-D-Wandlung und keinen Speicherzugriff aus, so daß diese zeitaufwendigen Schritte für "uninteressante" Photone eingespart werden*

Zur Eliminierung der Dunkelimpulse des SEV und aes gestreuten Anregungslichtes wird abwechselnd die zu messende Probe und eine Vergleichssubstanz (z. B. eine Küvette, die nur

-¹⁰- 24 0 20 1 C

das Lösungsmittel enthält) vom Anregungslicht bestrahlt. Das Lumineszenzlicht + Streulicht der Probe und das Streulicht der Vergleichssubstanz werden abwechselnd auf den Empfänger gegeben. Der SEV liefert dann abwechselnd Impulse, die vom Meßlicht + Streulicht oder vom Streulicht erzeugt werden· Dazu kommen Dunkelimpulse, deren Häufigkeit in beiden Fällen gleich ist. Eine Eliminierung des Störeignales ist dadurch möglich, daß der Adressenbereich des Speichers synchron mit der Lichtumschaltung umgeschaltet wird. Meß- und Störsignal gelangen so in verschiedene Speicherbereiche und können anschließend subtrahiert werden. Eine weitere Möglichkeit der Kompensation besteht darin, beim Speicherzugriff jeweils zwischen einer Addition und einer Subtraktion umzuschalten, so daß die vom Störsignal erzeugten Registrierungen unmittelbar subtrahiert werden. Sollen lediglich die Dunkelimpulse des SEV eliminiert werden, wird das Anregungslicht nur periodisch unterbrochen. Die während der Unterbrechung erhaltenen Registrierungen - d.h. die Dunkelimpulse - werden nach einer der o.g. Methoden subtrahiert, so daß sich bei gleicher Zeitdauer von Einstrahlung und Unterbrechung des Lichtes die Dunkel-Impulse im Mittel wegsubtrahieren.

Zur Ermittlung der Parameter extrem schnell verlaufender Abklingvorgänge werden das Luminesζenζsignal und das Anregungslicht selbst nacheinander aufgenommen und in verschiedenen Speicherbereichen abgespeichert. Zur Ermittlung der gesuchten Punktionsparameter dient ein im Meßsystem enthaltenes Mikrorechnersystem. Der Mikroprozessor kann Über einen vorgegebenen Adressenbereich direkt zum Speicher des Meßsystems zugreifen. Damit ist die Verarbeitung der Meßwerte nach den im ROM gespeicherten Programmen möglich.

24020 1

AuafUhrungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Aueführungsbeispiel erläutert werden. Das elektronische Prinzip des Meßsystems ist in Fig. 1 dargestellt.

Der zur Anregung dienende Laserstrahl L wird in zwei Teile aufgeteilt. Bin Teil regt die Lumineszenz im Meßobjekt M an, mit dem anderen Teil wird in der Fotodiode FD ein Synchronisationssignal erzeugt, das zur Synchronisation des Phasenregelkreises (PLL) dient. Das Oszillatorsignal des Phasenregelkreises steuert einen Frequenzteiler an, an dessen Ausgang wahlweise die Impulsfolgefrequenz des Lasers selbst oder ein ganzzahliger Bruchteil davon zur Verfügung steht. Das gewählte Teilerverhältnis bestimmt die Anzahl der erfaßten Signalperioden. PLL mit getrenntem Frequenzteiler ist zwar aufwendiger als eine über den Phasenvergleich von Oberwellen mögliche direkte Frequenzteilung im PLL; «** *· hat aber den Vorteil, daß das Schleifenfilter des PLL für eine optimale JitterunterdrUckung dimensioniert werden kann.

Die im Meßobjekt erzeugten Lumineszenzphotonen gelangen normalerweise unter Zwischenschaltung eines optischen Syste OS - auf den Photovervielfacher (SEV), der bei der Registrierung jedes Photons einen verwertbaren Impuls liefert. Da dieser Impuls in seiner Amplitude stark schwankt, schließt sich ein sogenannter Constant-Fraction-Trigger an, der am Ausgang einen definierten Impuls liefert, der unabhängig von der Amplitude des^SEV-Impulses zeitlich möglicht genau mit dem Zeitpunkt der Photonenregistrierung korrelie: ist.

Durch diesen Impuls wird bei der Registrierung eines Photoi der Zelt-Amplituden-Konverter (TAC) gestartet, der eine zej proportional ansteigende Spannung erzeugt, bis vom Frequenzteller FT ein Stop-Impuls eintrifft. Von diesem Momen· an bleibt die Ausgangsspannung des Zeit-Amplituden-Konverti konstant. Sie ist damit linear mit der zeitlichen Lage des

240201 Q

registrierten Photons in bezug auf die Laserimpulsfolge verknüpft.

Die erzeugte Spannung wird durch einen Fenster-Diskriminator DIS überwacht. Diese Baugruppe besteht aus zwei Komparatoren mit einer anschließenden Verknüpfungslogik und gibt immer dann ein Signal ab, wenn die angelegte Spannung nicht zwischen den einstellbaren Schaltschwellen der beiden Komparatoren liegt. Das bedeutet, daß das registrierte Photon nicht in dem interessierenden Zeitintervall liegt. Ein solches Photon wird deshalb nicht weiter verarbeitet, indem der Analog-Digital-Wandler (ADC) gesperrt und der Zeit-Amplituden-Konverter (TAG) sofort zurückgestellt wird. Das Meßsystem ist damit unmittelbar zur Verarbeitung des nächsten Photons bereit.

Für Photonen, die im geforderten Zeitintervall liegen, wird nach dem Stop des Zeit-Amplituden-Konverters der Analog-Digital-Wandler (ADC) gestartet. Nach beendeter AD-Wandlung wird die erzeugte Binärzahl in das Adressenregister AR übernommen, dessen Ausgangesignal im Speicher MEM einen Speicherplatz anwählt, der dem Zeitpunkt der Photonenregistrierung entspricht. Die Adresse wird aus der vom AD-Wandler erzeugten Binärzahl und einem oder mehreren zusätzlichen Bits gebildet, über diese Bits ist eine Umschaltung des Adressenbereiches möglich, in dem die Meßkurve eingespeichert wird. Damit können parallel die Signale aus der eigentlichen Messung und aus der Vergleichsregistrierung und danach nötigenfalls der Aufnahme des Anregungslichtes abgespeichert werden. Der Inhalt des adressierten Speicherplatzes wird über den Speicherausgang O gelesen und einer Additions/Subtraktions-Schaltung AS zugeführt, die gleichzeitig Speichereigenschaften hat. Der Speicherinhalt wird hier zunächst gespeichert, anschließend wird in Abhängigkeit von einem angelegten Steuersignal S2 entweder eine 1 addiert oder eine 1 subtrahiert. Das Ergebnis wird dem Eingang I des Speichers zugeführt und neu eingespeichert. Die Schaltung A/S kann

24 0 20 1 0

sehr günstig durch einen Vorwärts/Rückwärts-Zähler gebildet werden. Der Zähler wird zuerst mit dem Speicherinhalt geladen, dann wird einmal vorwärts bzw. rückwärts gezählt und damit die Addition bzw. Subtraktion erreicht. Ist die Schaltung A/S durch S2 auf Addition geschaltet, so erhält man im Speicher die zeitliche Verteilung der Lumineszenz-Photonen, noch "verunreinigt" durch Streulichtanteile und Dunkelimpulse des SEV.

Eine Unterdrückung des Streulichtes und der Dunkelimpulse ist über eines der beiden Steuersignale S1 oder S2 im Zusammenwirken mit einem optiochen System nach Pig« 2 möglich, Die beiden Spiegel Sp3 und Sp4 sind auf einer gemeinsamen Welle befestigt und werden schrittweise um jeweils 180° gedreht. Das kann z. B. über einen geeignet gesteuerten Schrittmotor SM geschehen. Der Laserstrahl L trifft dadurch abwechselnd die Küvette K1, die die Meßsubstanz enthält und die Vergleichsküvette K2. Das von der jeweils bestrahlten Küvette ausgehende Licht gelangt über die Linsen L1 bzw. L2 und die Spiegel Sp1 und Sp2 auf den Spiegel Sp3, der das Licht auf den Eintrittsspalt des Monochromators MC lenkt, an dessen Ausgang der SEV angeordnet ist. (Pur Messungen mit verminderter spektraler Auflösung kann der Monochromator auch weggelassen oder durch Filter ersetzt werden.) Wenn bei dieser Anordnung eines der beiden Signale S1 oder S2 synchron mit der Drehung der Spiegel Sp3 und Sp4 umgeschaltet wird, bekommt man Meß- und Störsignal entweder (durch S1) in verschiedenen Speicherbereichen abgespeichert oder (durch S2) unmittelbar die Differenz beider Signale im gleichen Speicherbereich. Dieser enthält nach Abschluß dei Messung dann schon das störbefreite Luraineszenzsignal. Die Geschwindigkeit der Spiegeldrehung kann relativ gering sein, da die abwechselnde Messung von Nutz- und Störsignal nur bei schwacher Intensität, also bei langer Meßzeit notwendig ist. Im Falle ausreichender Lichtintensität bleiben die Spiegel fest auf die Meßküvette ausgerichtet.

24 0 20

Das optische System kann vereinfacht werden, wenn auf die Kompensation des Streulichtes verzichtet wird und nur die Dunkelimpulse des SBV unterdrückt werden sollen. In diesem Falle genügt eine rotierende Blende im Anregungsstrahl und e.ine synchrone Umschaltung der A/S-Schaltung über S2. Zur Ermittlung der Parameter extrem schnell verlaufender Abklingvorgänge wird nach dem Meßsignal - in einem besonderen Speicherbereich - auch das Anregungssignal abgespeichert. Dazu wird in das Meßsystem eine spezielle Küvette eingesetzt, der Speicherbereich umgeschaltet und ansonsten wie bei den üblichen Messungen verfahren.

Dem Meßwertspeicher ist ein Mikrorechner mit direkter Zugriffsmöglichkeit zugeordnet.

Zur Ermittlung extrem kurzer Abklingzeiten kommen vor allem zwei Verfahren in Betracht:

1. Laser- und Lumineszenzlicht-Impulsfolge werden jeweils in eine Pourierreihe zerlegt. Bei den einzelnen Harmonischen (bei exponentiellem Abklingen genügt die Grundwelle) werden die Phasenverschiebungen zwischen Lumineszenz- und Anregungslicht bestimmt. Daraus lassen sich die gesuchten Parameter der Abklingfunktion ermitteln. Die vom Mikrorechner durchgeführten Operationen sind mit den im Phasenfluorometer ablaufenden elektronischen Vorgängen verwandt. Es werden demzufolge auch die gleichen Genauigkeiten erreicht.

2. Eine zweite Möglichkeit besteht in der Simulation einer bestimmten Abklingfunktion. Diese Funktion wird im Rechner mit der gemessenen Laserimpulsfolge gefaltet. Die entstehende Funktion wird mit der erhaltenen Lumineszenz-Impulsfolge verglichen, wobei die Parameter der simulierten Funktion solange verändert werden, bis die Abweichungen minimal sind.

24 0 20 10

Eine Möglichkeit zur Integration eines Mikrorechners in das Meßsystem ist in Fig. 3 dargestellt. Der Rechner selbst besteht aus der Zentraleinheit (CPU), einem Lese-Schreib-Speicher (RAM), dem Lesespeicher (ROM) und einer Eingabe/Ausgabe-Einheit (I/O) sowie dem zugehörigen Bus-System (Steuerbus SB, Adressenbus AB, Datenbus DB).

Zur Kopplung mit dem Rechner werden das Adressenregister AR und die Additione/Subtraktions-Schaltung A/S mit Tri-State-Ausgängen versehen, über die Eingänge DS können die Ausgänge dieser Schaltungen durch ein angelegtes Η-Signal in den inaktiven (Tri-State-) Zustand geschaltet werden, wenn ein Zugriff des Mikrorechnersystems zum Meßspeicher gewünscht wird. Der Zugriff des Mikrorechners zum Meßspeicher erfolgt, nachdem auf dem Mikrorechner-Steuerbus SB das Speicher-Anforderungssignal MREQ den Wert L angenommen hat und gleichzeitig vom Decoder DEC 1 erkannt wird, daß die auf dem Mikrorechner-Adressenbus AB liegende Adresse zu einem Speicherplatz im Speicher MEM des Meßsystems gehört. Sollte zu diesem Zeitpunkt der Speicher MEM gerade vom Meßsystem benötigt werden, so wird der Rechner von der Steuerschaltung des Meßsystems iiber das Signal WAIT solange in den WAIT-Zustand versetzt, bis die laufende Operation abgeschlossen ist.

Anschließend schaltet die Steuerschaltung das Signal MS/MP auf H und gibt das Lese~Schreib-Signal RD vom Mikrorechner-Steuerbus auf den Meßspeicher. Die Ausgänge des Adressenregisters AR und der Additions-Subtraktions-Schaltung werden dadurch gesperrt und die auf dem Mikrarechner-Adressenbus liegende Adresse wird durch den Adressenpuffer TP-A auf den Meßspeicher MEM gegeben.

Da die meisten Mikroprozessoren mit Datenwortbreiten von 8 bit arbeiten, im Meßsystem aber eine größei-e Wortbreite (16 oder 24 bit) günstiger ist, sind zur übertragung der Daten zwischen Meßspeicher und Mikrorechnersystem ein

24020 1. 0

Multiplexer M und ein Datenselektor S mit Tri-State-Ausgängen notwendig. Diese Schaltungen werden ebenfalls über das Signal MS/MP aktiviert, wobei das auf dem Steuerbus SB vorhandene Signal RD dafür sorgt, daß der Datenselektor S nur bei einem Speicherlesebefehl eingeschaltet wird. Der Decoder DEC2 sorgt dafür, daß das 16 bzw. 24-Bit-Wort des Meßspeichers in 2 oder 3 8-Bit-Worte aufgeteilt wird, die vom Mikrorechner aus über verschiedene Adressen zugänglich sind.

Der Mikrorechner kann so mit dem Meßspeicher in der gMchen Weise arbeiten, wie mit den anderen, der Zentraleinheit (CPU) fest zugeordneten Lese-Schreib-Speichern (RAM) oder Lese-Speichern (ROM). Im allgemeinen wird man allerdings das Programm des Rechners so gestalten, daß Zugriffe zum Meßspeicher möglichst nicht während des laufenden Meßprogramms notwendig sind, denn dadurch würde die Registrierrate des Meßsystems verringert.

Bs sei noch erwähnt, daß die Adressenregister AR und in der Additions-Subtraktions-Schaltung ablaufenden Funktionen im Prinzip auch vom Mikrorechner übernommen werden könnten. Mit einer solchen Meßanordnung wäre aber nur dann eine hohe Registrierrate erreichbar, wenn ein sehr schneller Mikrorechner eingesetzt würde. Ein solcher Rechner, der nicht nur eine extrem schnelle Zentraleinheit (CPU), sondern auch sehr schnelle Speicher enthalten müßte, ist aber für die eigentliche Verarbeitung der Meßwerte nicht notwendig. Damit bei höheren Registrierraten keine Überschneidungen einzelner Punktionsabläufe auftreten, muß der Arbeitsablauf natürlich durch eine Steuerschaltung ST überwacht werden· Die Steuerung sichert, daß der Zeit-Amplituden-Konverter nach der Registrierung eines Photons gesperrt bleibt, bis der A/D-Wandler (ADC) sein Ergebnis an das Adressenregister AR übergeben hat und zur nächsten Wandlung bereit ist.

24 0 20 1

Andererseits muß die Übergabe der Adresse in das Register AR verzögert werden, falls der Speicher noch mit der Verarbeitung des letzten Photons beschäftigt ist. Durch eine solche Steuerung des Arbeitsablaufes wird erreicht, daß während eines Speicherzugriffs bereits die A/D-Wandlung für das nächste Photon durchgeführt werden kann.

Claims (8)

24 0 20 1 Erfindungsanspruch

1. Anordnung zur Messung von Lumineszenzabklingfunktionen durch zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung mit einem modensynchronisierten kontinuierlichen Laser als Anregungslichtquelle, ; aufweisend ein optisches System zur Erfassung des Lumineszenzlichtes, einen Photo-Sekundärelektronenvervielfacher, eine Triggerschaltung, einen Zeit-Amplituden-Konverter, einen schnellen Analog-Digital-Wandler, einen Meßwertspeicher, eine Baugruppe zur Synchronisation des Meßvorgangs mit der Laserimpulsfolge und eine Schaltung- zur Steuerung des Arbeitsablaufes, gekennzeichnet dadurch, daß dem Aufnehmer des Synchronisationssignales ein Phasenregelkreis zur Störbefreiung dieses Signals und wahlweise zur Frequenzteilung oder ein Phasenregelkreis und ein besonderer Frequenzteiler nachgeordnet sind und daß am Ausgang des Zeit-Amplituden-Konverters ein Fensterdiskriminator mit einstellbaren Schwellen angeordnet ist, mit dessen Hilfe ein Zeitintervall für die Photonenregistrierung vorgegeben werden kann und daß zwischen Analog-Digital-Wandler und Meßwertspeicher ein Adresaenregister geschaltet ist und daß dem in Bereiche zur getrennten Abspeicherung von Meß-, Vergleichs- und Anregungssignalen unterteilten Meßwertspeicher eine Schaltung zur on-line-Korrektur der Meßwerte und wahlweise ein Mikrorechner zu ihrer on-line-Verarbeitung fest zugeordnet sind und das optische System zwischen Laser und SEV Elemente zur Signalartumschaltung und zur Ableitung von Steuersignalen enthält.

24020

2. Anordnung nach 1., gekennzeichnet dadurch, daß der Meßwertspeicher in eine Schleife mit einer Additions-/ Subtraktionsschaltung mit Speichereigenschaften geachaltet ist, die nach Maßgabe eines aua dem zur abwechselnden Aufnahme eines Meß- und eines Vergleichssignals ausgebildeten optischen Systems, abgeleiteten Steuersignals bei Registrierung eines Photons eine Inkrementierung oder Dekrementierung des Inhalts des adressierten Speicherplatzes durchführt.

3. Anordnung nach 1. und 2., gekennzeichnet dadurch, daß die Additions-Subtraktionsschaltung ein Vorwärts-/Rückwärts-Zähler ist.

4. Anordnung nach 1., gekennzeichnet dadurch, daß das Hauptelement der optischen Anordnung zur abwechselnden Aufnahme eines Meß- und eines Vergleichssignals eine rotierende Blende im Anregungsstrahl ist.

5. Anordnung nach 1., gekennzeichnet dadurch, daß das steuerbar bewegliche optische System zur Aufnahme des Meß- und Vergleichssignals Elemente zur abwechselnden Führung des Anregungsstrahls auf die Meß- oder eine Vergleichsprobe und zur damit synchronen Zuführung entweder der Meß- oder des Vergleichssignals zum SEV-etwa ein durch einen Schrittmotor umgeschaltetes Spiegelpaar beinhaltet.

24020

Anordnung nach 1., gekennzeichnet dadurch, daß den getrennten Meß- bzw.

Vergleichssignal-Bereichen des Meßwertspeichers eine Subtraktionsschaltung nachgeordnet ist«

7« Anordnung nach 1., gekennzeichnet dadurch, daß der wahlweise angeschlossene Mikrorechner die Subtraktion der Speicherbereichsinhalte übernimmt.

8. Anordnung nach 1. und 2., gekennzeichnet dadurch, daß der Mikrorechner über einen Decoder bekannter Ausführung mit der Steuerschaltung des Meßsystems und diese mit dafür vorzusehenden Tri-State-Ausgängen von Adressenregister und Additions-Subtraktions-Schaltung verbunden ist.

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen