DD217024A1 - Picosekunden-phasenfluorometer - Google Patents

Abstract

Ziel der Erfindung ist, phasenfluorometrische Messungen unter Verwendung von Avalanche-Photodioden mit hoher Zeitaufloesung und hoher Nachweisempfindlichkeit durchfuehren zu koennen. Die Aufgabe besteht darin, eine Phasenfluorometer-Anordnung anzugeben, in der die Avalanche-Photodiode mit grossem Arbeitswiderstand bei geringer Nachweisbandbreite arbeitet. Die Betriebsspannung der Avalanche-Photodiode wird mit der Modulationsfrequenz des Anregungslasers variiert, wodurch eine Gleichspannungskomponente im Photostrom entsteht. Stoerende andere Gleichspannungskomponenten werden durch eine mit Schwing-Prisma erzeugte Phasenmodulation des Vergleichslichtes und Verwendung eines Lockin-Voltmeters diskriminiert. Erfolgt die Variation der Betriebsspannung mit einer anderen Frequenz, so ist keine Schwingung des Prismas erforderlich. Figur

Description

Picosekunden-Phasenfluorometer Anwendungsgebiet der Erfindung

Öie Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der zeitaufgelösten Spektroskopie im Picosekunden- und Nanosekunden-Bereich mit Hilfe von Phasenfluorometern.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Untersuchung von Fluoreszenz-Abklingzeiten im Nanosekunden- und Picosekunden-Bereich werden häufig Phasenfluorometer verwendet. In der Phasenfluorometrie wird die fluoreszierende Probe mit sinusförmig moduliertem^Licht angeregt, und aus der Phasenverschiebung zwischen dem ebenfalls sinusförmig modulierten Fluoreszenzlicht und dem Anregungslicht kann die Fluoreszenz-Abklingzeit ermittelt werden. Ein Phasenfluorometer besteht im wesentlichen aus einer sinusförmig modulierten Lichtquelle, der bestrahlten fluoreszierenden Probe sowie einem optischen System zur Bestrahlung eines Photodetektors mit dem Fluoreszenzlicht der Probe. Die Phasenverschiebung wird häufig mittels eines Referenzstrahles der Lichtquelle, der ebenfalls auf den Photodetektor gelenkt wird, gemessen.

Sehr genaue Messungen von Depolarisationserscheinungen infolge Diffusions-Rotations-Prozessen an Molekülen sind mit Phasenfluorometern möglich, wenn die Bedingung 2ττί r > 1 erfüllt ist/Spencer, R.D. u.a., J.Chem.Phys.52,1645,(4-970)/. Die Größe f bedeutet hierbei die Modulationsfrequenz der Strahlung und 7 die Fluoreszenz-Abklingzeit der untersuchten Probe. Diese Bedingung zeigt, daß für Untersuchungen im Picosekunden-Bereich Modulationsfrequenzen größer 100 MHz zweckmäßig sind. Die höchste bisher in Phasenfluorometern verwendete Modulationsfrequenz betrug ca. 300MHz/Haar, H.-P. u.a., Chem.Phys. Lett, 49, (1977)/. Zur Modulation der Anregungsstrahlung diente eine Pockels-Zelle, und der Nachweis erfolgte über einen Photomultiplier. :

Auf sehr einfache Weise kann ohne Verwendung eines Modulators nach einem bekannten Vefahren /WP 147982, HO1S, 003/100/ an Argonlasern eine sinusförmige Modulation der Laserstrahlung erzielt werden, indem man den Magnetstrom soweit erniedrigt, daß nur noch zwei longitudinal Eigenschwingungen („Moden") angeregt sind. Man erhält in diesem Fälle eine sehr stabile Schwebung bei der Differenzfrequenz der beiden Moden, die zwischen ca. 400MHz und ca. 900MHz einstellbar ist.'·' . ' . ' '.''' '. ' ' ·'.'

Diese außerordentlich hohen Modulationsfrequenzen sind für die Untersuchung von Abkling- und Diffusionsprozessen von einigen Nanosekunden bis zu einigen Picosekunden sehr geeignet. Problematisch ist jedoch der Nachweis so hochfrequent modulierter schwacher Fluoreszenzstrahlung. Photomultiplier kommen nicht mehr in Betracht, da bei diesen die Laufzeitstreuungen der Photoelektronen und der Sekundärelektronen zu groß sind. Die einzige Alternative stellen gegenwärtig Avalanche-Photodioden dar, die bei Bandbreiten von etwa 1 GHz innere Verstärkungen bis zu 200 ermöglichen/Bezüglich ihrer inneren Verstärkung liegen Avalanche-Photodioden somit um vier bis sechs Größenordnungen schlechter als Photomultiplier. Die Nachweisgrenze in einem Phasenfluorometer mit Avalanche-Photodioden wird daher durch das nachgeschaltete frequenzselektive Voltmeter bestimmt, da dessen Eigenrauschen gegenüber dem Rauschen des Photostromes dominiert. Dies soll an einem Beispiel näher erläutert werden.

Angenommen sei ein typisches selektives Mikrovoltmeter mit einem Eingangswiderstand von 50 Ohm sowie einem Eigenrauschen von 1 /*V. Soll die Avalanche-Photodiode ein Signal erzeugen, das mindestens gleich dem Eigenrauschen des ' Voltmeters ist, so muß bei einer inneren Verstärkung von 200 der primäre Photostrom mindestens 10"¹⁰A betragen. Bei einer typischen Bandbreite des selektiven Mikrovoltmeters von 3OkHz beträgt das Signal-Rausch-Verhältnis dieses primären Photostromes 100:1. Im Zuge des Avalanche-Prozesses wird dieser Wert zwar etwas verringert, doch wird die obige Aussage davon nicht berührt.

Das Eigenrauschen eines selektiven Mikrovoltmeters entspricht näherungsweise dem Nyquist-Rauschen des Eingangswiderstandes U_R = (4kt_oRB)^1/2, wobei R den Eingangswiderstand und B die Bandbreite darstellen sowie der Ausdruck VT₀ den bekannten Wert 4 · 10 ²¹Ws hat. Ein vorgegebener Photodiodenstrom !führt am Eingangswiderstand R zu einer Signalspannung U = IR. Für das Signal-Rausch-Verhältnis bei rauschfreien Photostrom ergibt sich damit SNR = I (R/4kT_oB)^1/2. Dieser Ausdruck zeigt, daß zur Verbesserung der unteren Nachweisgrenze in einem Phasenfluorometer mit Avalanche-Photodioden der Eingangswiderstand des selektiven Mikrovoltmeters wesentlich erhöht werden müßte und bzw. oder die Nachweisbandbreite erheblich verringert werden müßte. Beide Maßnahmen führen jedoch in der Praxis auf andere gerätetechnische Schwierigkeiten und sind daher nicht praktikabel.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist, phasenfluorometrische Messungen unter Verwendung von Avalanche-Photodioden mit hoher . Zeitauflösung und hoher Nachweisempfindlichkeit durchführen zu können. - .

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Phasenfluorometer-Anordnung anzugeben, in der die zum Nachweis der Fluoreszenzstrahlung dienende Avalanche-Photodiode mit einem großen Arbeitswiderstand bei geringer Nachweisbandbreite arbeitet. . ,

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als Anregungslichtquelle ein sinusförmig modulierter Laser vorhanden ist. Im Strahlengang des Lasers ist die fluoreszierende Probe angeordnet deren Fluoreszenzlicht über ein optisches System, einen drehbaren Polarisator sowie ein Wellenlängen-Filter auf eine Avalanche-Photodiode gelangt. Erfindüngsgemäß befindet sich \m Strahlengang des Lasers vor der fluoreszierenden Probe ein Strahlteiler zur Ablenkung eines Anteils der Strahlung auf eine zweite Photodiode, deren Ausgang über einen Verstärker direkt an die Avalanche-Photodiode geführt ist. Im Strahlengang des Lasers ist ein zweiter Strahlteiler angeordnet zur Ablenkung eines weiteren Anteils der Strahlung über einen Umlenkspiegel, ein bewegliches Reflexions-Prisma, ein variables Graufilter und einen kleinen Umlenkspiegel auf die Avalanche-Photodiode. Am Reflexions-Prisma befindet sich ein Sensor, dessen Signalausgang mit dem Referenzeingang eines Niederfrequenz-Lock-in-Voltmeters verbunden ist. Der Meßeingang des Voltmeters ist mit dem Ausgang der Avalanche-Photodiode verbunden.

|m Betrieb entsteht am Ausgang des zweiten Photodetektors ein sinusförmiges Signal bei der Modulationsfrequenz des Lasers, • jdas nach Passieren des Verstärkers zu einer sinusförmigen Änderung der an der Avalanche-Photodiode anliegenden Betriebsspannung führt. Arbeitet man in der Nähe der Durchbruchsspannung, so genügen schon einige Volt zur Erzielung

oinnr merHirhnn Änrieriinn rler innoron Varetärlriinn

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Trifft nun Fluoreszenzlicht auf die Avalariche-Photodiode, das ebenalls mit der Modulationsfrequenz des Lasers moduliert ist, so entsteht im Ausgangssignal der Avalanche-Photodiode eine Spektralkomponente der Frequenz OHz. Durch entsprechende Justierung des beweglichen Reflexiqns-Prismäs sowie des variablen Graufilters kann in der Avalanche-Photodiode ein zweites Signal erzeugt werden, das die gleiche Amplitude wie das Fluoreszenzsignal besitzt, gegenüber diesem aber eine Phasenverschiebung von 180° aufweist. In diesem Falle bilden das Fluoreszenzlicht und das phasen- und amplitudenjustierte Vergleichslicht zusammen eine unmodulierte Strahlung. Folglich entsteht auch am Ausgang der Avalanche-Photodiode keine Spektralkomponente der Frequenz OHz infolge der Verstärkungsmodulation.

Ein Signal mit der Frequenz OHz entsteht in diesem Fall, weil der Modulationsgrad der inneren Verstärkung relativ klein ist und infolge des Dunkelstromes; Um den Einfluß dieser beiden Komponenten auszuschließen, ist das Reflexions-Prisma nicht nur verschiebbar angeordnet, sondern befindet sich auf einem Schwingtisch, auf dem es mit niedriger Frequenz eine periodische Bewegung um einige Millimeter ausführt. Über den am Prisma angebrachten Sensor erreicht man, daß vom Lock-in-Voltmeter nur der Phasen- und Amplitudenabgleich zwischen Fluoreszenzlicht und Vergleichslicht bewertet wird. Die infolge der Prisma-Schwingung entstehende niederfrequenze Signalspannung kann mit Hilfe des Lock-in-Voltmeters sehr hochohmig und mit sehr geringer Bandbreite registriert werden.

Eine Variante der Erfindung besteht darin, daß im Falle der Verwendung eines Lasers mit externem Modulator ein Anteil der Modulatorspannung der Avalanche-Photodiode direkt zugeführt wird. ·;.·'

Darüber hinaus ist die Ansteuerung der Avalanche-Photodiode durch eine Spannung mit von der Modulationsfrequenz des Lasers abweichender Frequenz möglich. Auf diese Weise kann die Auswertefrequenz, die gleich der Differenz der beiden Frequenzen ist, frei gewählt werden, und es ist keine Schwingung des Reflexions-Prismas erforderlich. In diesem Fall gestaltet man den zur Ansteuerung der Avalanche-Photodiode vorgesehenen Verstärker zweckmäßigerweise als Misch-Verstärker, in dem beispielsweise die Signale der Photodiode oder vom externen Modulator mit einer Niederfrequenzspannung gemischt werden. In allen angegebenen Varianten kann anstelle des Lock-in-Voltmeters auch ein selektives Niederfrequenz-Voltmeter benutzt werden. . '

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung ist das Schema des Picosekunden-Phasenfluörometers dargestellt.

Als Anregungslichtquelle dient ein Argonlaser L mit einer Resonatorlänge von 120cm. Ein solcher Laser hat einen Frequenzabstand benachbarter longitudinaler Moden von'125MHz. Stabile 2-Moden-Oszillation ist in diesem Falle beim vierbis siebenfachen Modenabstand erreichbar, d.h. es sind die Modulationsfrequenzen 500,625,750 und 875MHz, einstellbar. Im Strahlengang des modulierten Lasers ist die fluoreszierende Probe F angeordnet, deren Fluoreszenzlicht über die Linse Lt, den drehbaren Polarisator P, das Wellenlängen-Filter M sowie die Linse L2 auf die Avalanche-Photodiode PD1 gelangt. Im Strahlengang des Lasers ist vor der fluoreszierenden Probe F der Strahlteiler T2 angeordnet, über den ein Teil des Laserlichts auf die Photodiode PD2 gelangt. Es ist zweckmäßig, auch hier eine Avalanche-Photodiode zu verwenden. Der Ausgang der Photodiode PD2 ist mit dem Eingang des selektiven Verstärkers A verbunden, der auf die Modulationsfrequenzen des Lasers abgestimmt werden kann. Der Ausgang des Verstärkers A ist so mit der Avalanche-Photodiode PD1 verbunden, daß sein sinusförmiges Signal der an der Diode anliegenden Betriebsspannung überlagert wird. Wird die Diode nahe der Durchbruchsspannung betrieben, so führt bereits eine effektive Sinusspannung von wenigen Volt zu einer merklichen Modulation der inneren Verstärkung der Diode.

Infolge der Verstärkungsmodulation erzeugt das auf die Diode auftreffende, mit der gleichen Frequenz modulierte Fluoreszenzlicht einen Photostrom, der eine Spektralkomponente der Frequenz OHz besitzt. Zur Bestimmung der Phasenlage des Fluoreszenzlichtes befindet sich im Strahlengang des Lasers ein weiterer Strahlteiler T1, der einen Teil der modulierten Strahlung über den Umlenkspiegel S1, das verschiebbar und schwingfähig angeordnete Reflexions-Prisma V, das variable Graufilter G und den kleinen Umlenkspiegel S2 auf die Avalanche-Photodiode PD1 lenkt. Durch entsprechende Verschiebung des Reflexions-Prismas V sowie Einstellung des variablen Graufilters G kann in der Avalanche-Photodiode ein zweites Signal Verzeugt werden, das die gleiche Amplitude wie das Fluoreszenzsignal besitzt, gegenüber diesem aber eine Phasenverschiebung von 180° aufweist. In diesem Falle bilden das Fluoreszenzlicht und das Vergleichslicht zusammen eine unmodulierte Strahlung. Folglich entsteht auch am Ausgang der Avalanche-Photodiode PD1 keine Spektralkomponente der Frequenz OHz. Um zu vermeiden, daß andere Gleichstromkomponenten des Photostromes die Messung stören, wird das Reflexions-Prisma in niederfrequente Schwingungen versetzt. Bei einer Modulationsfrequenz des Laserlichtes von 500 MHz führt eine Schwingungsamplitude des Prismas von 7,5mrn zu einer Phasenmodulation des Vergleichslichtes von 10°. Die interessierende Spektralkomponente von OHz wird dadurch transformiert auf die Frequenz der Prismen-Schwingung. Zur Registrierung dient ein Lock-irvVoltmeter D, das an den Ausgang der Avalanche-Photodiode PD1 angeschlossen ist. Die Schwingung des Prismas V wird über einen an diesem angebrachten Sensor S in ein Steuersignal umgewandelt, das dem Referenz-Eingang des Lock-in-Voltmeters zugeführt wird. .

Arbeitet man mit einem Eingangswiderstand des Lock-in-Voltmeters von 1 MOhm und mit einer Zeitkonstanten von 1 s, so ergibt sich theoretisch eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses um den Faktor 2,5 · 10⁴ gegenüber dem Fall 50 Ohm/ 3OkHz. Hierbei wurde einerseits ein rauschfreier Photostrom angenommen. Andererseits wurde vorausgesetzt, daß bei der Verstärkungsmodulation in der Avalanche-Photodiode eine 0 Hz-Komponente entsteht, die von gleicher Größe ist wie eine 500 MHz-Komponente im Falle fehlender Verstärkungsmodulation. Die erste Annahme kann man als erfüllt ansehen, da an der Rauschgrenze eines typischen Mikrovoltmeters von ca. 1 /iV der Photostrom einer Avalanche-Photodiode bei 3OkHz Bandbreite noch ein Signal-Rausch-Verhältnis von ca. 100:1 besitzt. Die zweite Annahme ist um so besser erfüllt, je größer der Modulationsgrad der inneren Verstärkung ist. Zusammenfassend kann aber gesagt werden, daß selbst bei einem Modulationsgrad von 10% gegenüber dem Fall des Mikrovoltmeters eine erhebliche Verbesserung bezüglich der unteren Nachweisgrenze des Phasenfluormeters erzielt wird. Ein weiterer Vorteil der Anordnung besteht darin, daß eine Drift der Moduiationsfrequenz des Lasers infolge thermischer Einflüsse sich nicht auswirkt. Wjrd dagegen wie üblich ein selektives SVtikrovoltmeter verwendet, so muß dieses erfahrungsgemäß häufig nachgestellt werden. Der an die Photodiode PD2 angeschlossene Verstärker A kann relativ einfach aufgebaut werden, da er einerseits mit einem großen Eingangssignal von einigen hundert mV arbeitet und andererseits nicht extrem schmalbandig gestaltet sein muß. Eine gewisse Breitbandigkeit ist stattdessen sehr vorteilhaft zur Kompensation eventueller schneller Fluktuationen der Laser-Modulationsfrequenz.

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Phasenfluorometrische Messungen erfolgen mit dieser Anordnung wie üblich in der Weise, daß zunächst die fluoreszierende Probe F durch ein Streumedium ersetzt wird. Durch entsprechende Justierung des schwingenden Relfexions-Prismas V sowie des variablen Graufilters G bestimmt man die Nullstellung des Reflexions-Prismas. Anschließend erfolgt der gleiche Vorgang mit der fluoreszierenden Probe. Aus dererfolgreichen Verschiebung des Prismas bis zum Erreichen des jeweiligen Signalminimums am Lock-in-Voltmeter ergibt sich die gesuchte Phasenverschiebung infolge des Fluoreszenz-Prozesses.

Claims (4)

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   Erfindungsansprüche:

   1. Picosekunden-Phasenfluorometer mit einem sinusförmig modulierten Laser als Anregungslichtquelle, mit einer im Strahlengang des Lasers befindlichen Probe und mit einem im Strahlengang des Fluoreszenzlichtes der Probe angeoi dneton

   • optischen System aus zwei Linsen mit dazwischen befindlichem Polarisator und Wellenlängen-Filter zur Bestrahlung einer Avalanche-Photodiode mit Fluoreszenzlicht, mit einem im Strahlengang des Lasers angeordneten Strahlteiler zur Ablenkung eines Anteils der Laserstrahlung auf die Avalanche-Photodiode über einen Umlenkspiegel, ein verschiebbar angeo'rdnntes Refiexions-Prisma, ein variables Graufilter sowie einen weiteren Umlenkspiegel, gekennzeichnet dadurch, daß im Strahlengang des Läsers ein weiterer Strahlteiler angeordnet ist zur Ablenkung eines Teils der Laserstrahlung auf einen Photodetektor, dessen Ausgang über einen Verstärker so an die Avalanche-Photodiode geführt ist, daß sich das

   . Ausgangssigiial des Verstärkers der Photodioden-Betriebsspannung überlagert, daß der Ausgang der Avalanche-Photodiode mit einem Lock-in-Voltmeter verbunden ist/dessen Referenz-Eingang mit einem am schwingfähigen Reflexions-Prisma befindlichen Sensor verbunden ist. ·, ^% .
2. 2. Phasenfluorometer nach Punkt t, gekennzeichnet dadurch, daß im Falle der Verwendung eines Lasers mit externem Modulator der Verstärker dieses Modulators über einen separaten Ausgang verfügt, der an die Avalanche-Photodiode geführt ist. >
3. 3. Phasenfluorometer nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der dem Photodetektor nachgeschaltete Verstärker eine Misch-Stufe enthält, der eine Niederfrequenz-Spannung zugeführt wird.
4. 4. Phasenfluorometer nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß anstölle des Lock-in-Voltmeters ein selektives Niederfrequenz-Voltmeter vorhanden ist.

   Hierzu 1 Seite Zeichnungen '