DD205522A1 - ARRANGEMENT FOR MEASURING LUMINESCENCE ABCILLATION FUNCTIONS BY TIME CORRELIZED INDIVIDUAL PHOTO NUMBERING - Google Patents

ARRANGEMENT FOR MEASURING LUMINESCENCE ABCILLATION FUNCTIONS BY TIME CORRELIZED INDIVIDUAL PHOTO NUMBERING Download PDF

Info

Publication number
DD205522A1
DD205522A1 DD24020182A DD24020182A DD205522A1 DD 205522 A1 DD205522 A1 DD 205522A1 DD 24020182 A DD24020182 A DD 24020182A DD 24020182 A DD24020182 A DD 24020182A DD 205522 A1 DD205522 A1 DD 205522A1
Authority
DD
German Democratic Republic
Prior art keywords
measuring
time
memory
signal
arrangement
Prior art date
Application number
DD24020182A
Other languages
German (de)
Other versions
DD205522B5 (en
Inventor
Wolfgang Becker
Original Assignee
Adw Ddr
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Adw Ddr filed Critical Adw Ddr
Priority to DD24020182A priority Critical patent/DD205522B5/en
Publication of DD205522A1 publication Critical patent/DD205522A1/en
Publication of DD205522B5 publication Critical patent/DD205522B5/en

Links

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.The invention relates to the field of short-time luminescence spectroscopy. The object of the invention is to have an arrangement available for measuring Lumineszenzabklingfunktionen or characteristic parameters thereof according to the principle of time-correlated Einzelphotonenzaehlung with continuous mode-locked lasers as the excitation light source. In this case, sufficient sensitivity and time resolution should be achieved for extreme applications. This is achieved by improving the synchronization of the measuring process with the pulse sequence of the laser light, increasing the maximum possible counting rate of the luminescence photons, compensating for the dark current of the light receiver and the scattered light. A possibility for the registration of the luminescence decay function over several excitation periods as well as the direct digital data processing for the determination of extremely short luminescence decay times down to the range below 10 high minus 11 s is described. The arrangement is thus used for research in the fields of photochemistry and physics, condensed phase physics, molecular biology and the like. a. used.

Description

2AO20 12AO20 1

Dr. Wolfgang Becker Berlin, 17. 05. 1982Dr. Wolfgang Becker Berlin, 17. 05. 1982

ZuBtellungsbevollmächtigt:ZuBtellungsbevollmächtigt:

Akademie der Wissenschaften der DDR Zentralinstitut für Optik und Spektroskopie - PatentbüroAcademy of Sciences of the GDR Central Institute of Optics and Spectroscopy - Patent Office

1199 Berlin-Adlershof, Rudower Chaussee 61199 Berlin-Adlershof, Rudower Chaussee 6

Anordnung zur Messung von Lumineszenzabklingfunktionen durch zeitkorrelierte EinzelphotonenzählungArrangement for measuring luminescence decay functions by time-correlated single-photon counting

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

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.The invention relates to an arrangement for measuring luminescence decay functions or luminescence decay times. It ensures very high sensitivity with high time resolution and is therefore particularly suitable for measurements at extremely low concentrations of the substance under investigation and for the investigation of substances with low Lumineszenzquantenausbeute. This concerns in particular problems of photochemistry and physics and molecular biology.

28.MA! 1982*01244728.MA! 1982 * 012 447

U 2 OU 2 O

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

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 TAll known methods for measuring Lumineszensabklingfunktionen based on the irradiation of the Meßob.jek tes with a time-varying excitation light and the measurement of the then radiated from the Meßob, project luminescence light. The signal-to-noise ratio in the registration of the measuring light is limited even in an ideal, free from own noise sources by the quantum crystal receiver of the light and averaging the signal over several excitation periods in the measuring time 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.In this case, I is the time-averaged intensity of the measurement light in photons per second, At the time resolution, X is the luminescence decay time and K is a factor which indicates which portion of the photons falling on the receiver is actually processed by the measurement system. In order to achieve a high signal-to-noise ratio, even at high time resolution, ie, at low Δt, it is obviously necessary to provide large values of I and E. "I can, above all, increase the intensity of the excitation light be increased by an optimized measurement method. All known hosing methods can be considered from this common point of view.

Bei den geforderten Zeitauflösungen im ns- und ps-Bereicn kommen zur Registrierung des Meßlichtes folgende elektronische Verfahren in BetrachtiIn the required Ze itauflösungen in ns- and ps-Bereicn come to register the measuring light following electronic methods into consideration

-J--J-

1. Sampling- bzw. Boxearmethoden1. Sampling or boxing methods

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.The sample is periodically excited with a short burst of light. The signal supplied by the light receiver is scanned exactly once with a gate in each period. The sampling duration is small compared to the characteristic times of the signal, so that the signal course can be reconstructed from the sampled values obtained when the sampling point is shifted in time (W, Becker et al., Sxp. Techn. Phys. 2 ^ O975) / 3, 297-306). , By the sampling method, the utilization factor K becomes very small, so that such measurement methods for luminance measurements are only suitable in conjunction with the high excitation intensity of pulse lasers.

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«The achievable time resolution is determined by the width of the impulse response of the light receiver and is at 10 "° s for photovoltaic photomultipliers (SET) and between 10 *" and 10 * "s for semiconductor podiododes.

2. Phasenfluorometer2nd phase fluorometer

Hie:? wird die Phasenverschiebung zwischen dem LuminesζenalicJit und einem periodischen Anregungslicht gemessen (S*.'?, Resewitz, E. Lippert, 3er. Bunsenges. phys· Chesi. J8 (1974) 1227)*Hie :? the phase shift between the luminescence and a periodic excitation light is measured (S * '', Resewitz, E. Lippert, 3rd, 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«A disadvantage of the method is that assumptions about the shape of these rna.'xtipn are needed to determine characteristic parameters of the desired decay function · from the phase shift. made - have to verden. Above all, several superimposed effects (for example, 3 * already by scattered excitation light) can therefore easily lead to malformations. enter "Phasenfluorometer are therefore usually only used for measurements in the field very kurser decay, which is not yet accessible by other methods d.en"

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).The photon utilization factor K in the phase fluorometer is close to 1. With excitation frequencies of the order of magnitude of sound 100 MHs, as can be easily achieved with mode-synchronized continuous lasers, time resolutions of up to 10 "° s can be achieved (K · Berndt, K. Junge, E, Klose - Proc « XH International Congr. High Speed Photogr. And Photonics - Moscow, USSR, Oct. 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.The limit is that the transfer function of all light receivers is slightly dependent on the wavelength of the light, so that systematic errors of the order of 10 ps occur.

3* Sinzelphotoneazählung3 * single photon enumeration

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)»These methods are based on the pulsed excitation of luminescence and the registration of single photons with a SBV * The photons are summed in a digital memory sorted according to their temporal position with respect to the excitation pulse sequence. Under the condition that the probability of the arrival of two photons per excitation pulse is sufficiently small, one obtains in the memory the temporal density function of the photons and thus the sought time function of the light (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 inTechnically, the method is solved in the following way. The timing of the registration of a photon in the SFV is first determined as accurately as possible from the single photon pulse delivered by the SIV. Pulses derived from the light pulses of the excitation light source serve as temporal reference points for the synchronization of the measuring process The time difference between the occurrence of the Photons and a synchronization pulse is converted into a proportional voltage by a time-amplitude converter. Out of this tension is in one. Analog-to-digital converter generates a number that is used to address a memory location 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.a digital memory is used. On the addressed memory space, a 1 is added, so that after the registration of enough photons in the memory, the temporal distribution of the photon density wins, liach finished measurement, this puncture can either read directly from digital or via a digital-to-analog converter as an analog signal from the memory become. The method allows a high photon utilization factor, which approaches asymptotically to the value 1 with weak light signals. The time resolution is determined by transit time scattering of the electrons in the SSV and by the electronically achievable trigger accuracy and is 100 to 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.The method is well-controlled in connection with ns flash lamps as excitation light source. However, the excitation intensity is so low that luminescence measurements with Boscarmethoden and Pulul3lasera.nregung provide better sensitivities. In addition, pulse durations below 1 .mu.s can hardly be achieved with flash lamps, so that the high time resolution of the measurement procedure is not utilized.

Außerordentlich attraktiv ist dagegen die Kombination der Sinzelphotonenzäh.iung mit modensynchronisierten kontinuierlichen LasernIn contrast, the combination of single-photon counting with mode-locked continuous lasers is extremely attractive

(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.(A. Muenter, J. Phys, Chem. 80 (1976), 2178). Depending on the type, these lasers allow pulse widths of 10 "". 10 "° s and achieve on the equilateral of all usable excitation light sources, the highest average power, the product of excitation intensity.I and photon utilization factor K is extremely large. It is therefore an extremely high sensitivity with high time resolution to expect.

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«The pulse sequence sequence of the mode-locked continuous laser leads to difficulties on the detection side, which have hitherto prevented the widespread use of photon counting in connection with these lasers. "

Bekannte Realisierungen des Meßverfahrens haben folgende !lacht eile:Known realizations of the measuring method have the following!

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 .1. Due to the limited count rate of the detection electronics (typical values are 10 ^ s "), the registered luminescence photons can be completely detected only in extremely weakly luminescent samples · At higher light intensities, the photon utilization factor K decreases and the measurement time is unnecessarily prolonged.

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.2 · At low light intensities, which still allow a factor Ϊ? Ώ1, where the sensitivity of the method is fully effective, the unavoidable darkness of the SEV already disturbs. These lead to a shift of the baseline of the measurement result and thus to evaluation problems. The achievable sensitivities are further limited by scattered excitation light.

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.3 · Ss only the representation of less than one excitation period is possible. Luminescences with a longer cooldown can thus be poorly examined, as well as those with extremely short cooldowns.

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.4 · The page resolution is affected by inaccurate synchronization of the measurement with the laser pulse train. Due to the high repetition rate of the Laserispuise the energy of a pulse is relatively low, despite the high average light output, and a z. B. obtained with a photodiode synchronization signal has a certain noise component, which leads to a temporal jitter of the synchronization »D & au error come from unavoidable Amplitudanschwankungen the Laaerimpülse.

-τ- ZAUZU 1 U-Z- 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.5. For some lasers, stable mode-locking is difficult to achieve. PaIIs the mode synchronization fails briefly, ac that no clean pulse train more, it comes to significant measurement errors. For the measurement of extremely short luminescence decay times, the principle of photon counting must be abandoned and the phase fluoro ethers used. "However, the phase inversion using ice phase fluorescence to determine cooldowns in the ps range is also included in the single photon counting result without limitation (assuming equal excitation conditions). , e3 must be able to obtain all measurement results accessible via phase fluorometry, also by single-photon counting za. Such an extension of the field of application of single photon counting would have the advantage of standardizing the measuring methods and thus devices of short-range spectroscopy.

Ziel der ErfindungObject of the invention

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. The object of the invention is to have an arrangement available for measuring luminescence decay functions or characteristic parameters thereof according to the principle of "side-corrected single photon counting with continuous field-synchronized lasers as excitation light source." For extreme applications, sufficient sensitivity and time resolution should be achieved.

24020 1 024020 1 0

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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.The invention has for its object to provide at Zeitaüflösten luminescence measurements on the principle of time-correlated single photon counting using mode-locked continuous lasers an arrangement with much greater accuracy, increased signal-to-noise ratio and increased Zeitauflöeung.

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.For this purpose, an exact synchronization of the measuring process with the Laaerimpulsfolge be guaranteed even with noisy synchronization signal and short-term Amplitudenachwanlcungen the laser pulses to represent more ale an excitation period to increase the maximum count rate of the detection electronics, the influence of the dark pulses of the SEV and the scattered Anreßßlichtes To compensate and provide opportunities for direct signal processing in the measuring system and thus allow the determination of parameters of the decay function with the same time resolution and accuracy as phase fluorometers.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Maßnahmen gelöst:This object is achieved according to the invention by the following measures:

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 vomAn exact synchronization of the measuring process even with disturbed synchronization signal is achieved by noise immunity by means of a phase locked loop (PLL). The phase locked loop consists of a voltage controlled oscillator, a phase detector and a low pass filter. The phase of the oscillation generated by the oscillator is compared in the iPhasendetektor with the phase of the input signal. The phase detector supplies a control voltage, which re-adjusts the oscillator via the low-pass filter until the phase difference between the input and oscillator signal becomes constant or zero for an integrating component of the low-pass function. As short-term disturbances of

240 20240 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.Low pass be suppressed, the phase jitter of the oscillator oscillation is much smaller than that of the input signal. For a good synchronization of the measuring process is guaranteed even with disturbed EingangB synchronization signal.

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.A representation of several signal periods is achieved by a frequency division of the synchronization signal. This frequency division can take place either by the PLL itself or by a downstream frequency divider. Between the analog-to-digital converter and memory, an address register is inserted for buffering the address. This ensures that during processing of a registered photon in memory, i. during the reading of the memory location, the + 1 addition and during the subsequent writing already for the next registered photon the A-D conversion can proceed. Since the analog-to-digital conversion and the memory access are the most time-consuming steps of the signal processing, results from this temporally interleaved operation, an increase in the maximum registration rate.

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*The registration rate is further increased by monitoring the output signal of the time-amplitude converter by a window discriminator with adjustable thresholds. The further processing of a photon is only carried out when the output voltage of the time-amplitude converter is in the desired range between the two thresholds of the discriminator. As a result, only those photons are processed, which are within a certain, predetermined for the measurement tent interval. All other photons do not trigger A-D conversion and memory access, thus saving these time-consuming steps for "uninteresting" photons *

Zur Eliminierung der Dunkelimpulse des SEV und aes gestreuten Anregungslichtes wird abwechselnd die zu messende Probe und eine Vergleichssubstanz (z. B. eine Küvette, die nurIn order to eliminate the dark pulses of the SEV and of the scattered excitation light, the sample to be measured and a reference substance (eg a cuvette which is only

-10- 24 0 20 1 C- 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.contains the solvent) irradiated by the excitation light. The luminescent light + scattered light of the sample and the scattered light of the comparison substance are alternately applied to the receiver. The SEV then alternately supplies pulses which are generated by the measuring light + scattered light or by the scattered light. In addition there are dark pulses whose frequency is the same in both cases. An elimination of the interference signal is possible in that the address range of the memory is switched synchronously with the light switching. Measuring and interfering signal thus reach different memory areas and can then be subtracted. Another possibility of the compensation is to switch during memory access between an addition and a subtraction, so that the registrations generated by the interference signal are subtracted directly. If only the dark pulses of the SEV are to be eliminated, the excitation light is interrupted only periodically. The registrations received during the interruption - i. the dark impulses - become after one of the o.g. Subtracting methods, so that subtract the dark pulses on average for the same period of irradiation and interruption of light.

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.To determine the parameters of extremely fast decay processes, the luminescence signal and the excitation light itself are recorded one after the other and stored in different memory areas. To determine the desired puncture parameters, a microcomputer system included in the measuring system is used. The microprocessor can access directly to the memory of the measuring system via a predetermined address range. This makes it possible to process the measured values according to the programs stored in the ROM.

24020 124020 1

AuafUhrungsbeispielAuafUhrungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Aueführungsbeispiel erläutert werden. Das elektronische Prinzip des Meßsystems ist in Fig. 1 dargestellt.The invention will be explained below in an Aueführungsbeispiel. The electronic principle of the measuring system is shown in FIG.

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.The exciting laser beam L is split into two parts. A part stimulates the luminescence in the measurement object M, with the other part a synchronization signal is generated in the photodiode FD, which is used for the synchronization of the phase locked loop (PLL). The oscillator signal of the phase-locked loop controls a frequency divider, at whose output either the pulse repetition frequency of the laser itself or an integral fraction thereof is available. The selected divider ratio determines the number of detected signal periods. Although a PLL with a separate frequency divider is more complicated than a direct frequency division in the PLL which is possible via the phase comparison of harmonics; But ** has the advantage that the loop filter of the PLL can be dimensioned for optimal JitterunterdrUckung.

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.The luminescence photons generated in the test object normally arrive with the interposition of an optical system OS - the photomultiplier (SEV), which supplies a usable pulse at the registration of each photon. Since this pulse varies greatly in amplitude, a so-called constant-fraction trigger follows, which provides a defined pulse at the output, which correlates exactly with the time of the photon registration independently of the amplitude of the SEV pulse.

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 desBy this impulse the tent amplitude converter (TAC) is started at the registration of a Photoi, which generates a zej proportional increasing voltage until the frequency plate FT arrives at a stop pulse. From this moment on, the output voltage of the time-amplitude converter remains constant. It is thus linear with the temporal position of the

240201 Q240201 Q.

registrierten Photons in bezug auf die Laserimpulsfolge verknüpft.registered photons linked to the laser pulse train.

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.The generated voltage is monitored by a window discriminator DIS. This module consists of two comparators with a subsequent logic link and outputs a signal whenever the applied voltage is not between the adjustable switching thresholds of the two comparators. This means that the registered photon is not in the time interval of interest. Therefore, such a photon is not further processed by the ADC disabled and the TAG immediately reset. The measuring system is thus ready to process the next photon.

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 kannFor photons which are in the required time interval, the analog-to-digital converter (ADC) is started after the stop of the time-amplitude converter. After the AD conversion has ended, the generated binary number is transferred to the address register AR whose output signal in the memory MEM selects a memory location which corresponds to the time of the photon registration. The address is formed from the binary number generated by the AD converter and one or more additional bits, via these bits a changeover of the address range is possible, in which the measurement curve is stored. Thus, the signals from the actual measurement and from the comparison registration and, if necessary, the recording of the excitation light can be stored in parallel. The content of the addressed memory location is read via the memory output O and supplied to an addition / subtraction circuit AS, which simultaneously has memory properties. The memory contents are stored here first, then either a 1 is added or a 1 subtracted in response to an applied control signal S2. The result is fed to the input I of the memory and re-stored. The circuit A / S can

24 0 20 1 024 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.be very favorably formed by a forward / reverse counter. The counter is first loaded with the memory contents, then counted forward or backward once and thus the addition or subtraction is achieved. If the circuit A / S is switched to addition by S2, then the temporal distribution of the luminescence photons is obtained in the memory, still "contaminated" by stray light components and dark pulses of the 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.A suppression of the scattered light and the dark pulses is possible via one of the two control signals S1 or S2 in cooperation with an optiochen system according to Pig «2, the two mirrors Sp3 and Sp4 are mounted on a common shaft and are rotated stepwise by 180 °. This can z. B. happen via a suitably controlled stepper motor SM. The laser beam L thereby alternately hits the cuvette K1, which contains the substance to be measured, and the comparison cuvette K2. The light emanating from the respectively irradiated cuvette passes through the lenses L1 or L2 and the mirrors Sp1 and Sp2 onto the mirror Sp3, which directs the light onto the entrance slit of the monochromator MC, at whose exit the SEV is arranged. (For pur measurements with reduced spectral resolution, the monochromator can also be omitted or replaced by filters.) In this arrangement, if one of the two signals S1 or S2 is switched in synchronism with the rotation of the mirrors Sp3 and Sp4, one obtains measuring and interfering signal either ( by S1) stored in different memory areas or (by S2) directly the difference between the two signals in the same memory area. This contains after completion of the measurement then the interference-free Luraineszenzsignal. The speed of the mirror rotation can be relatively low, since the alternating measurement of useful and interference signal is necessary only at low intensity, ie at a long measuring time. In the case of sufficient light intensity, the mirrors remain firmly aligned with the measuring cuvette.

24 0 2024 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.The optical system can be simplified if the compensation of the scattered light is dispensed with and only the dark pulses of the SBV are to be suppressed. In this case, a rotating aperture in the excitation beam and e.in synchronous switching of the A / S circuit via S2 is sufficient. In order to determine the parameters of extremely fast decay processes, the excitation signal is also stored after the measurement signal in a special memory area. For this purpose, a special cuvette is used in the measuring system, the storage area switched and otherwise proceed as in the usual measurements.

Dem Meßwertspeicher ist ein Mikrorechner mit direkter Zugriffsmöglichkeit zugeordnet.The measured value memory is assigned a microcomputer with direct accessibility.

Zur Ermittlung extrem kurzer Abklingzeiten kommen vor allem zwei Verfahren in Betracht:To determine extremely short cooldowns, two methods come into consideration:

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.1. Laser and luminescence light pulse train are each decomposed into a Pourierreihe. In the case of the individual harmonics (in the case of exponential decay, the fundamental wave is sufficient), the phase shifts between the luminescence light and the excitation light are determined. From this the desired parameters of the decay function can be determined. The operations performed by the microcomputer are related to the electronic processes occurring in the phase fluorometer. Consequently, the same accuracies are achieved.

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.2. A second possibility is to simulate a specific decay function. This function is folded in the computer with the measured laser pulse sequence. The resulting function is compared with the luminescence pulse sequence obtained, the parameters of the simulated function being changed until the deviations are minimal.

24 0 20 1024 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).One possibility for integrating a microcomputer in the measuring system is shown in FIG. The computer itself consists of the central processing unit (CPU), a read-write memory (RAM), the read-only memory (ROM) and an input / output unit (I / O) and the associated bus system (control bus SB, address bus AB , Data bus 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.For coupling to the computer, the address register AR and the addition / subtraction circuit A / S are provided with tri-state outputs, via the inputs DS, the outputs of these circuits can be switched by an applied Η signal in the inactive (tri-state ) State, when an access of the microcomputer system to the measuring memory is desired. The access of the microcomputer to the measuring memory takes place after the memory request signal MREQ has assumed the value L on the microcomputer control bus SB and at the same time the decoder DEC 1 detects that the address lying on the microcomputer address bus AB is allocated to a memory location in the memory MEM belongs to the measuring system. If the memory MEM is currently required by the measuring system at this time, then the computer is put into the WAIT state by the control circuit of the measuring system via the signal WAIT until the current operation is completed.

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.Subsequently, the control circuit switches the signal MS / MP to H and outputs the read-write signal RD from the microcomputer control bus to the measurement memory. The outputs of the address register AR and the addition-subtraction circuit are thereby disabled and the address lying on the microcomputer address bus is given to the measurement memory MEM by the address buffer TP-A.

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 einSince most microprocessors work with data word widths of 8 bits, but a larger word width (16 or 24 bits) is more favorable in the measuring system, the transmission of the data between the measuring memory and the microcomputer system takes place

24020 1. 024020 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.Multiplexer M and a data selector S with tri-state outputs necessary. These circuits are also activated via the signal MS / MP, the signal RD present on the control bus SB ensuring that the data selector S is only switched on during a memory read command. The decoder DEC2 ensures that the 16 or 24-bit word of the measuring memory is divided into 2 or 3 8-bit words, which are accessible from the microcomputer via different addresses.

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.The microcomputer can thus work with the measurement memory in the manner of the other, the central unit (CPU) permanently assigned read-write memories (RAM) or read-write (ROM). In general, however, you will make the program of the computer so that accesses to the measuring memory are not necessary during the current measurement program, because this would reduce the registration rate of the measuring system.

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.It should be noted that the address registers AR and in the addition-subtraction circuit expiring functions could in principle be taken over by the microcomputer. With such a measuring arrangement, however, a high registration rate would only be achievable if a very fast microcomputer were used. Such a computer, which would have to contain not only an extremely fast central processing unit (CPU), but also very fast memory, but is not necessary for the actual processing of the measured values. Of course, in order to avoid overlapping of individual puncture sequences at higher registration rates, the operation must of course be monitored by a control circuit ST. The controller ensures that the time-amplitude converter remains locked after registration of a photon until the A / D converter (ADC) has given its result to the address register AR and is ready for the next conversion.

24 0 20 124 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.On the other hand, the transfer of the address to the register AR must be delayed if the memory is still busy processing the last photon. Such a control of the workflow ensures that during a memory access already the A / D conversion for the next photon can be performed.

Claims (8)

24 0 20 1 Erfindungsanspruch24 0 20 1 Invention claim 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.1. Arrangement for measuring Lumineszenzabklingfunktionen by time-correlated single photon counting with a mode-locked continuous laser as an excitation light source,; comprising an optical system for detecting the luminescent light, a photo secondary electron multiplier, a trigger circuit, a time-amplitude converter, a fast analog-to-digital converter, a measured value memory, a module for synchronizing the measurement process with the laser pulse train and a circuit for controlling the sequence of operations, characterized in that the receiver of the synchronization signal, a phase locked loop for interference suppression of this signal and optionally for frequency division or a phase locked loop and a special frequency divider are arranged downstream and that at the output of the time-amplitude converter, a window discriminator with adjustable thresholds is arranged with the Help a time interval for the photon registration can be specified and that an address register is connected between the analog-to-digital converter and measured value memory and that in the areas for separate storage of measurement, comparison and excitation subdivided measured value memory a circuit for on-line correction of the measured values and optionally a microcomputer for their on-line processing are permanently assigned and contains the optical system between laser and SEV elements for signal type switching and for deriving control signals. 2402024020 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. 2. Arrangement according to 1, characterized in that the measured value memory is geachaltet in a loop with an addition / subtraction circuit with memory properties, in accordance with a aua the trained for alternately receiving a measuring and a comparison signal optical system, derived control signal at registration a photon performs an increment or decrement of the content of the addressed memory location. 3. Anordnung nach 1. und 2., gekennzeichnet dadurch, daß die Additions-Subtraktionsschaltung ein Vorwärts-/Rückwärts-Zähler ist.3. arrangement according to 1 and 2, characterized in that the addition-subtraction circuit is a forward / backward counter. 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.4. Arrangement according to 1, characterized in that the main element of the optical arrangement for alternately receiving a measuring and a comparison signal is a rotating aperture in the excitation beam. 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.5. Arrangement according to 1, characterized in that the controllably movable optical system for receiving the measuring and comparison signal elements for alternately guiding the excitation beam to the measuring or a comparison sample and for synchronous feeding either the measuring or the comparison signal to the SEV about a mirror pair switched by a stepper motor. 2402024020 Anordnung nach 1., gekennzeichnet dadurch, daß den getrennten Meß- bzw.Arrangement according to 1, characterized in that the separate measuring or Vergleichssignal-Bereichen des Meßwertspeichers eine Subtraktionsschaltung nachgeordnet ist«Comparison signal ranges of the measured value memory is followed by a subtraction circuit « 7« Anordnung nach 1., gekennzeichnet dadurch, daß der wahlweise angeschlossene Mikrorechner die Subtraktion der Speicherbereichsinhalte übernimmt.7 «arrangement according to 1, characterized in that the optionally connected microcomputer takes over the subtraction of the memory area contents. 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.8. Arrangement according to the first and second, characterized in that the microcomputer is connected via a decoder of known design with the control circuit of the measuring system and this with to be provided for tri-state outputs of address register and addition-subtraction circuit. Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings
DD24020182A 1982-05-26 1982-05-26 Arrangement for measuring luminescence decay functions by time-correlated single-photon counting DD205522B5 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DD24020182A DD205522B5 (en) 1982-05-26 1982-05-26 Arrangement for measuring luminescence decay functions by time-correlated single-photon counting

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DD24020182A DD205522B5 (en) 1982-05-26 1982-05-26 Arrangement for measuring luminescence decay functions by time-correlated single-photon counting

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DD205522A1 true DD205522A1 (en) 1983-12-28
DD205522B5 DD205522B5 (en) 1994-06-23

Family

ID=5538834

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DD24020182A DD205522B5 (en) 1982-05-26 1982-05-26 Arrangement for measuring luminescence decay functions by time-correlated single-photon counting

Country Status (1)

Country Link
DD (1) DD205522B5 (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3614359A1 (en) * 1985-07-26 1987-02-05 Jenoptik Jena Gmbh ARRANGEMENT FOR IMAGING AND ANALYZING FLUORESCENCE SIGNALS
US5715049A (en) * 1995-11-15 1998-02-03 Laboratory Of Molecular Biophotonics Light measuring apparatus for quantifying photons
DE19951154A1 (en) * 1999-10-23 2001-05-17 Garwe Frank Finely time resolved sample luminescence measurement apparatus modulates both excitation wave and photonic mixing device used as detector
DE4339787C2 (en) * 1993-11-18 2002-08-01 Wolfgang Becker Method and device for measuring light signals by single photon counting with temporal and spatial resolution
DE4339784C2 (en) * 1993-11-18 2002-09-05 Wolfgang Becker Method and device for time-correlated single photon counting with a high registration rate
DE102010019095A1 (en) * 2010-04-30 2011-11-03 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Method and apparatus for fluorescence lifetime measurement
DE102012100098A1 (en) * 2012-01-06 2013-07-11 Becker & Hickl Gmbh Method for recording temporal changes in fluorescence decay function along line in spatial sample, involves determining distance along line for photons, and times within laser-pulse period and of any event within/outside sample

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3614359A1 (en) * 1985-07-26 1987-02-05 Jenoptik Jena Gmbh ARRANGEMENT FOR IMAGING AND ANALYZING FLUORESCENCE SIGNALS
DE4339787C2 (en) * 1993-11-18 2002-08-01 Wolfgang Becker Method and device for measuring light signals by single photon counting with temporal and spatial resolution
DE4339784C2 (en) * 1993-11-18 2002-09-05 Wolfgang Becker Method and device for time-correlated single photon counting with a high registration rate
US5715049A (en) * 1995-11-15 1998-02-03 Laboratory Of Molecular Biophotonics Light measuring apparatus for quantifying photons
DE19951154A1 (en) * 1999-10-23 2001-05-17 Garwe Frank Finely time resolved sample luminescence measurement apparatus modulates both excitation wave and photonic mixing device used as detector
DE102010019095A1 (en) * 2010-04-30 2011-11-03 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Method and apparatus for fluorescence lifetime measurement
DE102010019095B4 (en) * 2010-04-30 2016-12-08 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Method and apparatus for fluorescence lifetime measurement
DE102012100098A1 (en) * 2012-01-06 2013-07-11 Becker & Hickl Gmbh Method for recording temporal changes in fluorescence decay function along line in spatial sample, involves determining distance along line for photons, and times within laser-pulse period and of any event within/outside sample
DE102012100098B4 (en) 2012-01-06 2021-09-16 Becker & Hickl Gmbh Method for recording temporal changes in the time function of an optical signal with spatial resolution along a line in space

Also Published As

Publication number Publication date
DD205522B5 (en) 1994-06-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0941466B1 (en) Method and device for determining predetermined properties of target particles of a sample medium
EP0075767B1 (en) Method for the determination and evaluation of photometric signals and device for carrying out the method
EP1882959A1 (en) Optical distance measuring method and corresponding optical range finder
DE102010003843A1 (en) Distance measuring device with homogenizing measurement evaluation
DE10144435A1 (en) Method and arrangement for generating time and location-resolved as well as time and wavelength-resolved fluorescence images
DE3615260C2 (en) Method and system for the detection of optically absorbing compounds in a medium by optical transmission measurement
DD205522A1 (en) ARRANGEMENT FOR MEASURING LUMINESCENCE ABCILLATION FUNCTIONS BY TIME CORRELIZED INDIVIDUAL PHOTO NUMBERING
DE2601190C2 (en) Fluorescence spectrometer
DE2705831A1 (en) OPTICAL LOCATION DEVICE
DE2814358C3 (en) Photoelectric converter arrangement
DE3590026T (en) Apparatus for measuring fluorescence decay characteristics of materials
EP3752818A1 (en) Fluorescence-lifetime imaging microscopy method having time-correlated single-photon counting
DE19702914A1 (en) Method of determining predetermined properties of target particles in sample medium
EP0519092A1 (en) Apparatus for determining space and time characteristics of the low optical emission of an object
EP1875293A1 (en) High-resolution optical microscopy featuring fluorescence transient measurement
DE3106441C2 (en) Method for the quantitative determination of elements by Zeeman atomic absorption spectrometry and Zeeman atomic absorption spectrometer
DE2656131C2 (en) Polarimeter
DE3133894C2 (en) Zeeman atomic absorption spectrometer
Becker et al. Flexible instrument for time‐correlated single‐photon counting
EP2909669A1 (en) Microscope and a method for examining a sample using a microscope
DD245491A1 (en) PHASE-SENSITIVE FLUORESCENT DETECTOR FOR SHORT-TERM SPECTROSCOPY
DE3629708A1 (en) METHOD FOR OPTICAL MODULATION WITH SWITCHING OF THE BEAMS
DE10262204B4 (en) Device for non-contact distance measurement
DE102019210421B4 (en) Method and device for measuring a light signal parameter and non-volatile storage medium
EP2982966B1 (en) Measuring device and method for determining a measurement value

Legal Events

Date Code Title Description
RPI Change in the person, name or address of the patentee (searches according to art. 11 and 12 extension act)
B5 Patent specification, 2nd publ. accord. to extension act
ENJ Ceased due to non-payment of renewal fee