DE102008004549A1 - Simultaneous time resolved single photon registration device, has processing unit sorting and/or processing event data sets from data-buffer using excessive data sets, and output channel sending new data sets to arithmetic and logic unit - Google Patents
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- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/6408—Fluorescence; Phosphorescence with measurement of decay time, time resolved fluorescence
Abstract
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur kontinuierlichen zeitaufgelösten Einzelphotonenregistrierung aus einer Mehrzahl von Detektionskanälen, insbesondere für Anwendungen in der zeitaufgelösten Fluoreszenzspektroskopie.The The invention relates to an apparatus and method for continuous Time-resolved single-photon registration of a plurality of detection channels, in particular for applications in time-resolved fluorescence spectroscopy.
Stand der TechnikState of the art
Zeitkorreliertes
Einzelphotonenzählen (time correlated single photon counting,
TCSPC) ist eine leistungsfähige Methode für empfindliche
zeitaufgelöste Fluoreszenzmessungen bis hinab zur Einzelmolekülspektroskopie.
Die Methode beruht auf der exakten zeitlichen Erfassung einzelner
Photonen, z. B. eines Fluoreszenzsignals. Eine Beschreibung von
TCSPC findet sich in
Ursprünglich wurde die Methode hauptsächlich mit dem Ziel der Bestimmung von Fluoreszenz-Lebensdauern eingesetzt. Hierbei reduziert sich die Aufgabe der zeitlichen Erfassung einzelner Photonen auf eine wiederholte Differenzmessung zwischen dem Zeitpunkt der Fluoreszenzanregung (z. B. durch kurze Laserpulse) und dem Zeitpunkt der Detektion eines Fluoreszenzphotons. Während die einzelnen Differenzen zunächst zufällig sind, erhält man mit dem Histogramm vieler solcher Differenzen eine zeitaufgelöste Repräsentation des Fluoreszenzzerfalls. Die Zeitmessung erfolgt auf elektrischen Puls-Signalen, die im Falle der Photonen von geeigneten Einzelphotonendetektoren geliefert werden, und im Falle der Fluoreszenz-Anregungspulse oft direkt z. B. vom Anregungslasersystem bereitgestellt werden. Letztere Signale werden auch als Synchronisationssignale bezeichnet.Originally the method became mainly with the purpose of the determination used by fluorescence lifetimes. This is reduced the task of time recording of single photons on one repeated difference measurement between the time of fluorescence excitation (eg by short laser pulses) and the time of detection of a Fluorescence photon. While the individual differences initially are random, you get with the histogram of many such differences a time-resolved representation of fluorescence decay. Timing is electrical Pulse signals, in the case of photons from suitable single-photon detectors and in the case of fluorescence excitation pulses often directly for B. be provided by the excitation laser system. Latter Signals are also referred to as synchronization signals.
Die praktisch relevanten Fluoreszenzlebensdauern, z. B. in der Bioanalytik, liegen in der Größenordnung von 0,5 bis 100 Nanosekunden. In der Analyse ist allerdings nicht nur die mittlere Fluoreszenzlebensdauer, sondern auch die genaue Form des Fluoreszenzzerfalls von Bedeutung, z. B. bei der Unterscheidung gemischter Spezies oder bei der Untersuchung von Rotationsprozessen.The practically relevant fluorescence lifetimes, z. In bioanalytics, are on the order of 0.5 to 100 nanoseconds. However, in the analysis, not only is the mean fluorescence lifetime, but also the exact form of the fluorescence decay of importance, z. In the discrimination of mixed species or in the study of rotation processes.
Die
Zeitmessung für die einzelnen Photonen erfolgt üblicherweise
mit Hilfe schneller elektronischer Schaltungen, die eine Zeitauflösung
bis in den einstelligen Pikosekundenbereich erlauben. Die historisch
verbreitetste Lösung dafür ist die Kombination
so genannter Zeit-Amplituden-Konverter (time to amplitude converter,
TAC) mit einer nachfolgenden Analog-Digital-Wandlung. In der jüngeren
Zeit dominieren dagegen sogenannte Zeit-Digital-Wandler (time to
digital converter, TDC), die bei ähnlichen Auflösungen
erheblich längere Zeitspannen messen kön nen und
meist durch eine Quarzreferenz dauerhaft kalibriert sind (
Nachdem für ein Photon ein digitales Zeitdifferenzergebnis ermittelt wurde, muss im Folgenden nur noch die korrespondierende Zelle eines Histogrammspeichers inkrementiert werden. Dies wird üblicherweise ebenfalls durch schnelle Elektronik direkt in Hardware realisiert.After this determines a digital time difference result for a photon In the following, only the corresponding cell of a Histogram memory be incremented. This will usually also realized by fast electronics directly in hardware.
Da die Histogrammbildung über Zeitdifferenzen für die Aufzeichnung von Fluoreszenzzerfällen ausreichend ist, wird nur eine "lokale" Zeitinformation zwischen einem Anregungspuls und dem nächsten Photon ausgewertet, die im Bereich von Pikosekunden bis Nanosekunden liegt. Diese "lokale" Auswertung der Zeitinformation begrenzt dabei auch die Menge an Information, welche aus einem Experiment gewonnen werden kann.There the histogram formation over time differences for the recording of fluorescence decays is sufficient, only a "local" time information between an excitation pulse and the next photon evaluated in the range of Picoseconds to nanoseconds. This "local" evaluation of the Time information also limits the amount of information which can be obtained from an experiment.
Obwohl diese Art der Anwendung heute noch wichtig ist, kann aus einem Experiment mit zeitlicher Erfassung von Photonenereignissen oft viel mehr Information gewonnen werden, wenn man die Zeitinformation nicht nur "lokal" gewinnt und auswertet, sondern jedes Ereignis auf einer ganzheitlichen Zeitspur über die Dauer des gesamten Experiments erfasst. Dadurch ist nach dem Experiment eine Auswertung unter unterschiedlichen Gesichtspunkten möglich. Z. B. können auf diese Weise die gewonnen Fluoreszenzdaten sowohl mittels TCSPC hinsichtlich der Fluoreszenz-Lebensdauer ausgewertet werden, als auch mittels Fluoreszenz-Korrelationsspektroskopie (FCS) hinsichtlich Diffusion und damit räumlichen Dimensionen.Even though This type of application is still important today, may be from an experiment with time recording of photon events often much more information be won, if the time information is not just "local" wins and evaluates, but each event on a holistic Time track recorded over the duration of the entire experiment. As a result, after the experiment, an evaluation under different Aspects possible. For example, on this Obtain the fluorescence data obtained both by TCSPC the fluorescence lifetime are evaluated, as well as by means of Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) for Diffusion and thus spatial dimensions.
Diese
Vorgehensweise hat sich erfolgreich als "zeitgestempelte" Aufzeichnung
von Einzelphotonen etabliert, d. h. jedes registrierte Ereignis
wird als Datensatz (Ereignisdatensatz) zusam men mit einem Zeitstempel
gespeichert, der den genauen Zeitpunkt der Erfassung enthält.
Durch die Aufzeichnung aller dieser Datensätze im Laufe
eines Experiments erhält man eine vollständige
Erfassung aller gemessenen Ereignisse. Damit sind fortgeschrittene
und neue Anwendungen wie Fluoreszenz-Lebensdauer-Bildaufzeichnung
mit großen Bildformaten (
Entsprechende Geräte, die den neuesten Stand der Technik repräsentieren, gestatten die Zeitstempelung mit Pikosekunden-Auflösung.Appropriate Devices that represent the state of the art, allow time stamping with picosecond resolution.
So
beschreiben
Dadurch sind alle zur Auswertung der Daten relevanten Daten zusammen verfügbar und werden direkt auf dem angeschlossenen Rechner gespeichert. Nach dem Experiment können sie unter verschiedenen Gesichtspunkten ausgewertet werden.Thereby All data relevant to the evaluation of the data are available together and are stored directly on the connected computer. To they can do the experiment from different points of view be evaluated.
Eine
Anordnung von zwei Kanälen, welche TTTR mit zwei unabhängigen
Kanälen realisiert, beschreiben Wahl et al. (
Existierende
Lösungen, die mehrere Detektionskanäle durch Multiplexing
mit einer einzigen Zeitmesseinheit verbinden, beschrieben in
Existierende
Lösungen, die mehrere unabhängige Kanäle
bereitstellen, werden bisher auf zwei Wegen realisiert: Im ersten
Falle betreibt man mehrere klassische TCSPC-Elektroniken parallel
(
Im zweiten Falle realisiert man mehrere Kanäle integriert als eine Einheit mit einer bestimmten Anzahl von Kanälen im einstelligen Bereich. Produkte auf dem Markt sind derzeit z. B. B&H DPC-230, Agilent TC890 oder SENSL HRMTime. Auch dieser Ansatz ist limitiert im Sinne der Skalierbarkeit. Versucht man, mehrere dieser Einheiten parallel zu betreiben, besteht erneut das Problem getrennter Datenströme, die nachträglich sortiert werden müssen.in the second case one realizes several channels integrated as a unit with a certain number of channels in the single-digit range. Products on the market are currently z. B. B & H DPC-230, Agilent TC890 or SENSL HRMTime. This approach is also limited in the sense of scalability. If you try, several of these units operate in parallel, there is again the problem of separate data streams, which must be sorted later.
Eine gemeinsame Limitierung bekannter Systeme besteht daher vor allem in der Anzahl möglicher unabhängiger Anregungs- und/oder Detektionskanäle. Um mit Signalen von mehreren Detektoren bis hin zu Matrixdetektoren arbeiten zu können, z. B. zur Realisierung mehrerer Farbkanäle oder für bildgebende Verfahren, sind Kanalzahlen von einigen wenigen bis zu hunderten von Interesse. Die bisher bekannten Lösungen erfordern immer eine Konstruktion einer speziellen Messanordnung für jedes einzelne Problem und sind dementsprechend nur schwierig erweiterbar.A Common limitation of known systems therefore exists above all in the number of possible independent stimuli and / or detection channels. To deal with signals from several Detectors to matrix detectors, z. B. for the realization of multiple color channels or for imaging techniques, channel numbers are from a few to to hundreds of interest. The previously known solutions always require a design of a special measuring arrangement for every single problem and are accordingly only difficult to expand.
Aufgabetask
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik für zeitaufgelöstes Einzelphotonenzählen zu überwinden. Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere ein Verfahren anzugeben, das bezüglich der Anzahl möglicher Kanäle und der Dauer des Experiments beliebig skalierbar ist und unabhängig von der Anzahl der Kanäle stets einen einheitlichen, sortierten Datenstrom hervorbringt.The present invention is based on the object, the disadvantages of the prior art for time resolved single photon counting. The object of the invention is, in particular, to specify a method which is arbitrarily scalable with regard to the number of possible channels and the duration of the experiment and, regardless of the number of channels, always produces a uniform, sorted data stream.
Lösungsolution
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Die Erfindung umfasst auch alle sinnvollen und insbesondere alle erwähnten Kombinationen von unabhängigen und/oder abhängigen Ansprüchen.These The object is achieved by the invention with the features of the independent Claims solved. Advantageous developments The inventions are characterized in the subclaims. The wording of all claims hereby by reference to the content of this description. The invention also includes all meaningful and especially all mentioned Combinations of independent and / or dependent Claims.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur simultanen zeitaufgelösten Einzelphotonenregistrierung aus einer Mehrzahl von Detektionskanälen mit einer Mehrzahl von Zeitmesseinheiten, einer gemeinsamen Zeitbasis für alle Zeitmesseinheiten und einer zentralen Verarbeitungseinheit. Typischerweise enthält ein Detektionskanal sowohl optische Komponenten zum Sammeln der Photonen als auch einen Einzelphotonendetektor, wie eine single-photon avalanche Diode (SPAD) oder einen Photomultiplier (PMT).The Task is solved by a device for simultaneous Time-resolved single-photon registration of a plurality of detection channels with a plurality of time measuring units, a common time base for all time measurement units and a central processing unit. Typically, one contains Detection channel both optical components for collecting the photons as well as a single-photon detector, such as a single-photon avalanche Diode (SPAD) or a photomultiplier (PMT).
Die Zeitmesseinheiten enthalten dazu mindestens einen Eingangskanal um Signale aus einem der Detektionskanäle einspeisen zu können. Allerdings können auch andere Signale, wie beispielsweise Signale synchron zu den Pulsen eines Anregungslasers zugeführt werden.The Timing units contain at least one input channel to feed in signals from one of the detection channels can. However, other signals, such as signals synchronous to the pulses of an excitation laser be supplied.
Zusätzlich
enthalten die Zeitmesseinheiten einen Zeit-Digital-Wandler (time-to-digital
converter, TDC) zur Zeitmessung. Ein TDC erfasst den Zeitpunkt eines
Signals und gibt ihn in digitaler Form aus. Die für TDCs üblichen
Realisierungen bzw. elektrischen Schaltungen sind in
Typischerweise enthält ein TDC einen Zähler, der durch den Takt einer Zeitbasis getriggert wird. Auf diese Weise wird eine erste grobe Zeitskala geschaffen. Für höhere Zeitauflösungen wird zwischen den Takten der Zeitbasis interpoliert.typically, a TDC contains a counter, which by the clock a time base is triggered. This will be a first rough time scale created. For higher time resolutions is interpolated between the bars of the time base.
Der Zähler zählt üblicherweise von Null bis zu der größten durch seine Bitbreite vorgegebenen Zahl. Während einer solchen Zählung kann er eine Mehrzahl von Ereignissen erfassen und deren Zeitpunkt digital ausgeben.Of the Counter usually counts from zero to to the largest given by its bit width Number. During such a count he can do one Capture a plurality of events and digitally output their time.
Die Zeit-Digital-Wandler aller Zeitmesseinheiten arbeiten mit der gemeinsamen Zeitbasis.The Time-to-digital converters of all time measurement units work with the common Time basis.
Des Weiteren enthalten die Zeitmesseinheiten Mittel, die für jedes Signal des Einzelphotonendetektors mit Hilfe des Zeit-Digital-Wandlers einen Ereignisdatensatz erzeugen, der die Ankunftszeit des Signals angibt. Dadurch wird jedes Signal mit seiner Ankunftszeit gespeichert. Die Auflösung der Zeit-Digital-Wandler kann entsprechend den Anforderungen des Experiments angepasst werden. So sind Auflösungen von unter einer Pikosekunde ebenso möglich, wie mehrere Pikosekunden oder gar Nanosekunden.Of Furthermore, the timekeeping units include funds earmarked for each signal of the single-photon detector using the time-to-digital converter generate an event record that estimates the arrival time of the signal indicates. This will save each signal with its arrival time. The resolution of the time-to-digital converter can be adjusted accordingly adapted to the requirements of the experiment. Such are resolutions from under a picosecond possible as well as several Picoseconds or even nanoseconds.
Die maximale Dauer der Zeit, die erfasst werden kann und damit auch die späteste Ankunftszeit des Signals, ist durch die zur Zeiterfassung verwendete Menge an Bits im Zeit-Digital-Wandler, beispielsweise zwischen 10 und 32 Bit, begrenzt. Diese Beschränkung wird dadurch überwunden, dass die Zeitmesseinheiten Mittel enthalten, die bei Überlauf des Zeit-Digital-Wandlers einen Überlaufdatensatz erzeugen. Dadurch kann beliebig lange mit voller Auflösung kontinuierlich gemessen werden. Dies ermöglicht Messungen auf längeren Zeitskalen, z. B. über Millise kunden oder Sekunden, im Prinzip unbegrenzt, also auch über Minuten und Stunden.The maximum duration of time that can be captured and therefore the latest arrival time of the signal is through the to Time detection used amount of bits in the time-to-digital converter, for example, between 10 and 32 bits, limited. This restriction is overcome by the fact that the time measuring units means contain an overflow record when the time-to-digital converter overflows produce. This allows any length of full resolution be measured continuously. This allows measurements on longer time scales, z. B. over milliseconds or seconds, in principle unlimited, so also over minutes and hours.
Um nun bei einer Mehrzahl an Eingangskanälen und mehreren Zeitmesseinheiten die erzeugten Ereignisdatensätze oder Überlaufdatensätze identifizieren zu können, enthalten die Zeitmesseinheiten Mittel, die jeden Ereignisdatensatz und jeden Überlaufdatensatz um eine Identifikation der Zeitmesseinheit ergänzen, in dem diese erzeugt wurden, und/oder des Eingangskanals des Signals. Dadurch können später alle Datensätze eindeutig zugeordnet werden.Around now with a plurality of input channels and several Timing units generate the generated event records or overflow records to be able to identify the time measurement units Means containing each event record and each overflow record to complete an identification of the time measurement unit in which these were generated, and / or the input channel of the signal. Thereby Later, all records can be unique be assigned.
Des Weiteren enthalten die Zeitmesseinheiten Mittel zum Senden der Ereignisdatensätze und Überlaufdatensätze zu der zentralen Verarbeitungseinheit. Vorzugsweise handelt es sich bei diesen Mitteln um eine serielle Verbindung, beispielsweise über die Backplane eines Frames, wenn die einzelnen modularen Zeitmesseinheiten als Einschübe für den Frame ausgeführt sind. Es können auch optische Datenverbindungen verwendet werden.Furthermore, the timekeeping units include means for sending the event records and overflow records to the central processing unit. Preferably, these means are a serial connection, for example via the backplane of a frame, when the individual modular time measuring units are designed as bays for the frame. It can also be optical data connections be used.
Die angegebenen Mittel der Zeitmesseinheiten können beispielsweise durch einen oder mehrere FPGAs ausgeführt werden. Dadurch ist auch gleichzeitig eine flexible Anpassung der Verarbeitung der Signale möglich.The indicated means of the time measuring units, for example by one or more FPGAs. Thereby is at the same time a flexible adaptation of the processing of Signals possible.
Zusätzlich können die Zeitmesseinheiten Eingangskanäle enthalten, in die Signale eingespeist werden können, für welche die zeitliche Auflösung der gemeinsamen Zeitbasis der Zeitmesseinheiten ausreichend ist, wie beispielsweise der Zeilenumbruch bei bildgebenden Verfahren oder Positionsdaten einer Scaneinrichtung. Für diese ist eine sehr genaue Zeitmessung, wie sie im Zeit-Digital-Wandler durch Interpolation erzielt wird, nicht zwingend nötig. Daher werden für diese Signale Ereignisdaten sätze erzeugt, welche nur die Zeitangabe bzw. den Zählerstand des Zählers des TDC enthalten, der durch die gemeinsame Zeitbasis getriggert wird. Dadurch können beliebige Informationen eines Experiments direkt und zeitsynchron in die Messdaten eingebettet werden. Dies erleichtert die Auswertung und erhöht die Datensicherheit, da alle Daten gemeinsam erfasst und/oder verarbeitet werden können.additionally the time measuring units may contain input channels, into which signals can be fed for which the temporal resolution of the common time base the time measuring units is sufficient, such as the line break in imaging methods or position data of a scanning device. For This is a very accurate timekeeping, as in the time-to-digital converter achieved by interpolation, not absolutely necessary. Therefore, event data sets are used for these signals generated, which only the time or the count of the counter of the TDC included by the common Timebase is triggered. This allows any information an experiment directly and time-synchronously embedded in the measurement data. This facilitates the evaluation and increases the data security, because all data can be collected and / or processed together.
Alle Zeitmesseinheiten werden – wie oben bereits angegeben – mit einer gemeinsamen Zeitbasis betrieben. Deren Frequenz kann z. B. durch Phase locked loops in einzelnen Zeitmesseinheiten in unterschiedliche Frequenzen umgewandelt werden. Die Laufzeiten der Zeitbasis-Signale durch die unterschiedlichen Verbindungen zwischen den Zeitmesseinheiten können durch eine Kalibrierung der Zeit-Digital-Wandler berücksichtigt werden.All Time measurement units are - as stated above - with operated on a common time base. Their frequency can z. B. through phase locked loops in individual time measurement units in different Frequencies are converted. The transit times of the time base signals through the different connections between the time-measuring units can be done by calibrating the time-to-digital converter be taken into account.
Durch die gemeinsame Zeitbasis sind die von den Zeitmesseinheiten erzeugten Überlaufdatensätze miteinander synchronisiert.By the common time base are the overflow records generated by the timekeeping units synchronized.
Die zentrale Verarbeitungseinheit hat die Aufgabe alle erhaltenen Ereignisdatensätze chronologisch zu ordnen und/oder zu verarbeiten.The Central processing unit has the task all received event records to arrange chronologically and / or to process.
Um die Daten aller Zeitmesseinheiten chronologisch ordnen und/oder verarbeiten zu können, enthält die zentrale Verarbeitungseinheit eine Mehrzahl von Daten-Puffern, wobei jeder Daten-Puffer jeweils die von einer Zeitmesseinheit gesendeten Datensätze empfängt und speichert. Bevorzugt sind diese Puffer FiFo-Puffer (first-in-first-out-Puffer). Ihre Größe wird so gewählt, dass mindestens die im Experiment anfallende Datenmenge zwischen zwei Überlaufdatensätzen gespeichert werden kann.Around arrange the dates of all time measurement units chronologically and / or to process, contains the central processing unit a plurality of data buffers, each data buffer respectively receives the records sent by a timing unit and saves. Preferably, these buffers are FIFO buffers (first-in-first-out buffers). Their size is chosen so that at least the amount of data in the experiment between two overflow records can be stored.
Diese Puffer sind notwendig, da u. U. durch Verzögerungen bei der Übertragung oder der Verarbeitung in den Zeitmesseinheiten, beispielsweise bei hohen Ereignisraten, die Ereignisdatensätze eines bestimmten Zeitpunkts nicht gleichzeitig mit den Ereignisdatensätzen des gleichen Zeitpunkts einer anderen Zeitmesseinheit bei der zentralen Verarbeitungseinheit eintreffen. Die Datensätze jeder Zeitmesseinheiten werden zwar in der Reihenfolge ihrer Erzeugung übertragen, die Datensätze verschiedener Zeitmesseinheiten kommen aber u. U. nicht gleichzeitig an der zentralen Verarbeitungseinheit an.These Buffers are necessary because u. U. by delays in transmission or processing in the timekeeping units, for example, at high event rates, the event records at some point in time, not simultaneously with the event records the same time of another time measuring unit at the central Processing unit arrive. The records of each time measurement unit are transmitted in the order of their generation, but the data sets of different time measuring units come u. U. not at the same time at the central processing unit.
Um die Daten in den Puffern verarbeiten zu können, enthält die zentrale Verarbeitungseinheit Mittel, die alle Ereignisdatensätze aus allen Daten-Puffern mit Hilfe der Überlaufdatensätze chronologisch sortieren und/oder verarbeiten. Dazu werden alle Ereignisdatensätze sortiert und/oder verarbeitet, welche zwischen Paaren zeitgleicher Überlaufdatensätze der Zeitmesseinheiten erfasst wurden. Dabei werden die Ereignisdatensätze in neue Datensätze umgewandelt, welche beispielsweise eine gemeinsame Zeitzählung aufweisen, welche nicht mit der vorherigen übereinstimmen muss. Dabei können beispielsweise redundante Überlaufdatensätze entfernt und auf einen einzigen reduziert werden. Bevorzugt sind diese Mittel derart ausgeführt, dass der Algorithmus zur Sortierung oder Verarbeitung der Datensätze frei wählbar ist, also z. B. als FPGA oder DSP.Around contains the data in the buffers the central processing unit means all the event records from all data buffers using the overflow records sort and / or process chronologically. This will be all event records sorted and / or processed, which is between pairs of contemporaneous overflow records the time measurement units were recorded. This will be the event records converted into new records, which for example a have common time counting, which does not coincide with the previous match. It can, for example redundant overflow records removed and on a single reduced. Preferably, these agents are such executed that algorithm for sorting or processing the data sets is freely selectable, ie z. B. as FPGA or DSP.
Des Weiteren enthält die zentrale Verarbeitungseinheit einen Ausgangskanal, der die neuen Datensätze an mindestens eine weiterverarbeitende Recheneinheit sendet. Der Ausgangskanal ist bevorzugt eine serielle Datenverbindung, besonders bevorzugt eine Standardschnittstelle, wie USB, FireWire oder PCI-express. Bei der Übermittlung der neuen Datensätze kann das gleiche Prinzip der Zeitcodierung mit Überlaufdatensätzen verwendet werden wie bei der Übermittlung zwischen Zeitmesseinheiten und zentraler Verarbeitungseinheit.Of Furthermore, the central processing unit includes a Output channel that connects the new records to at least one further processing processing unit sends. The output channel is preferably a serial data connection, particularly preferably one Standard interface, such as USB, FireWire or PCI-express. In the transmission The new records may have the same principle of time coding be used with overflow records as in the transmission between time measurement units and central Processing unit.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt die zeitaufgelöste Registrierung von Photonenereignissen aus einer Mehrzahl von Detektionskanälen ohne die Nachteile des Stands der Technik. Sie ist durch ihren modularen Aufbau beliebig skalierbar. Die Ereignisse auf den einzelnen Kanälen werden über die gesamte Dauer des Experiments in voller Auflösung vermessen. Durch die Synchronisation aller Kanäle auf eine gemeinsame Zeitbasis können die Ereignisse aller Kanäle in ihrer genauen zeitlichen Lage zueinander erfasst werden, und können so chronologisch sortiert und/oder verarbeitet werden. Die Erfindung beseitigt die Einschränkungen bestehender Lösungen dahingehend, dass eine modulare Skalierbarkeit möglich wird, ohne dazu mehrere Einheiten einzeln an den Rechner zu koppeln, die prinzipbedingt getrennte Datenströme liefern, welche nachträglich durch Software geordnet werden müssen und damit Einschränkungen in der Echtzeitanalyse der Daten bewirken.The device according to the invention allows the time-resolved registration of photon events from a plurality of detection channels without the disadvantages of the prior art. She is through her mo modular structure scalable. The events on each channel are measured in full resolution throughout the duration of the experiment. By synchronizing all channels on a common time basis, the events of all channels can be recorded in their exact temporal position to each other, and can be sorted and / or processed chronologically. The invention eliminates the limitations of existing solutions in that modular scalability becomes possible without individually coupling several units to the computer, which in principle provide separate data streams which have to be subsequently sorted by software and thus impose restrictions on the real-time analysis of the data.
Die auf oben angegebene Weise sortierten und/oder verarbeiteten Daten können in Echtzeit ausgewertet werden, da sichergestellt ist, dass für ein bestimmtes Zeitfenster alle Daten geordnet bzw. sortiert vorliegen. Erst durch diese Sortierung ist es für manche Anwendungen möglich, die Daten in Echtzeit zu analysieren.The sorted and / or processed data as indicated above can be evaluated in real time, since ensured is that for a given time frame all data is ordered or sorted. Only through this sorting is it for Some applications make it possible to analyze the data in real time.
In eine der Zeitmesseinheiten kann ein Signal einer Anregungslichtquelle, z. B. eines Ultrakurzpulslasers, eingespeist werden, evtl. nachdem es durch einen Teiler in seiner Frequenz reduziert wurde. Für jedes Signal bzw. für jeden Puls wird ein Ereignisdatensatz erzeugt. Mit Hilfe dieser Ereignisdatensätze können durch spätere Auswertung z. B. TCSPC-Analysen durchge führt werden. Ein Vorteil der Vorrichtung besteht darin, dass für beliebig viele Detektionskanäle lediglich ein einziger Kanal für die Aufnahme von Signalen der Anregungsquelle (Synchronisationskanal) benötigt wird.In one of the time measuring units may be a signal of an excitation light source, z. As an ultrashort pulse laser, can be fed, possibly after it was reduced in frequency by a divider. For each signal or pulse becomes an event record generated. With the help of these event records can by later evaluation z. B. TCSPC analyzes Runaway leads become. An advantage of the device is that for any number of detection channels only one Channel for recording signals of the excitation source (Synchronization channel) is needed.
Vorteilhafterweise enthalten die Mittel der Zeitmesseinheiten zum Senden der Ereignisdatensätze und Überlaufdatensätze zu der zentralen Verarbeitungseinheit mindestens einen FIFO-Puffer (first-in-first-out-Puffer), zum Abpuffern von Verzögerungen beim Senden, beispielsweise bei hohen Ereignisraten.advantageously, contain the means of the timekeeping units to send the event records and overflow records to the central processing unit at least one FIFO buffer (first-in-first-out buffer) for buffering delays in sending, for example at high Event rates.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die gemeinsame Zeitbasis extern eingespeist, beispielsweise durch eine Atomuhr.In a further advantageous embodiment of the invention is the common time base externally fed, for example by a Atomic clock.
Es ist auch möglich, dass die zentrale Verarbeitungseinheit Mittel zum Erstellen von Histogrammen oder Korrelationsfunktionen enthält. Dadurch kann für bestimmte Anwendungen die Auswertung auf der angeschlossenen Recheneinheit weiter vereinfacht werden, da nur die wirklich benötigten Daten übertragen werden. z. B. können Photonenereignisse mit den Pulsen eines Anregungslasers korreliert werden, um so TCSPC-Auswertungen durchführen zu können.It is also possible that the central processing unit Means for creating histograms or correlation functions contains. This allows for certain applications the evaluation on the connected processing unit further simplified because only the really needed data is transferred become. z. For example, photon events can occur with the pulses of an excitation laser, so TCSPC evaluations to carry out.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere zentrale Verarbeitungseinheiten als Kaskade geschaltet. Dadurch können die Datensätze sehr vieler Zeitmesseinheiten verarbeitet werden. Alternativ könnte der Ausgangskanal einer zentralen Verarbeitungseinheit wieder an einen Eingangskanal einer anderen zentralen Verarbeitungseinheit angeschlossen werden. Dadurch ist das System im Prinzip beliebig erweiterbar, solange eine gemeinsame Zeitbasis für alle Zeitmesseinheiten gewährleistet ist.In A further advantageous embodiment of the invention are several central processing units switched as a cascade. Thereby can the datasets of very many time measurement units are processed. Alternatively, the output channel could a central processing unit back to an input channel of a be connected to other central processing unit. Thereby is the system basically expandable as long as a common Time base guaranteed for all time measuring units is.
Die Konstruktion der einzelnen Komponenten der Vorrichtung kann ebenfalls frei gewählt werden. Vorteilhafterweise sind die einzelnen Komponenten als Einschübe für einen Frame konstruiert, um eine einfache Erweiterung sicherzustellen.The Construction of the individual components of the device can also be chosen freely. Advantageously, the individual Components constructed as bays for a frame, to ensure a simple extension.
Die vollständige Erfassung aller gemessenen Signale ermöglicht eine vielfältige Analyse der Daten für viele verschiedene Anwendungen, beispielsweise Fluoreszenzlebensdauer-Bilder (fluorescence lifetime imaging, FLIM), Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (fluorescence correlation spectroscopy, FCS) neben allen bekannten Standardanwendungen von TCSPC.The complete capture of all measured signals a diverse analysis of the data for many different Applications such as fluorescence lifetime images (fluorescence lifetime imaging, FLIM), fluorescence correlation spectroscopy (fluorescence correlation spectroscopy, FCS) in addition to all known Standard applications of TCSPC.
Außerdem wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur simultanen zeitaufgelösten Einzelphotonenregistrierung aus einer Mehrzahl von Detektionskanälen.Furthermore the task is solved by a simultaneous method Time-resolved single-photon registration of a plurality of detection channels.
Im Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte näher beschrieben. Die Schritte müssen nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schildernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen.in the Below individual process steps are described in more detail. The steps do not necessarily have to be in the specified Order to be performed, and that to be described Method may also include other, not mentioned steps.
Wenn ein Einzelphotonendetektor aus einem der Detektionskanäle ein Photon detektiert hat, so wird das dabei entstandene Signal über einen Eingangskanal einer Zeitmesseinheit erfasst. Es gibt eine Mehrzahl von Zeitmesseinheiten. Jede enthält einen Zeit-Digital-Wandler.If a single-photon detector from one of the detection channels has detected a photon, then the resulting signal over detects an input channel of a time measuring unit. There is a Plurality of time measuring units. Each contains a time-to-digital converter.
Für jedes eingehende Signal wird mit Hilfe des Zeit-Digital-Wandlers ein Ereignisdatensatz erzeugt, welcher die genaue An kunftszeit des Signals enthält. Die Zeit-Digital-Wandler aller Zeitmesseinheiten arbeiten mit einer gemeinsamen Zeitbasis. Dadurch sind die Zeiten der Ereignisdatensätze miteinander vergleichbar.For every incoming signal is transmitted by the time-to-digital converter generates an event record, which determines the exact arrival time of the Contains signals. The time-to-digital converters of all time measurement units work with a common time base. These are the times the event records are comparable.
Da der Zeit-Digital-Wandler in seinem Zählumfang begrenzt ist, beispielsweise 10 bis 32 Bit, wird bei jedem Überlauf eines Zeit-Digital-Wandlers ein Überlaufdatensatz erzeugt und der Zeit-Digital-Wandler neu gestartet.There the time-to-digital converter is limited in its count is, for example 10 to 32 bits, will be at every overflow a time-to-digital converter generates an overflow data record and restarted the time-to-digital converter.
Alle Ereignisdatensätze und alle Überlaufdatensätze werden mit einer Identifikation der Zeitmesseinheit, in dem diese erzeugt wurden, und/oder um eine Identifikation des Eingangskanals des Signals ergänzt. Dadurch ist jeder erzeugte Datensatz einem bestimmten Eingangskanal zuzuordnen.All Event records and all overflow records be with an identification of the time measurement unit in which this were generated, and / or to an identification of the input channel the signal added. This is every record created to assign to a specific input channel.
Alle Datensätze werden danach zur zentralen Verarbeitungseinheit gesendet. Der Datenstrom zwischen einer Zeitmesseinheit und der zentralen Verarbeitungseinheit enthält daher, wenn Ereignisse gemessen wurden, einen oder mehrere Ereignisdatensätze und in regelmäßigen Abständen einen Überlaufdatensatz, wenn der zugehörige Zeit-Digital-Wandler übergelaufen ist.All Records then become the central processing unit Posted. The data stream between a time measuring unit and the central processing unit therefore contains when events measured one or more event records and periodically an overflow record, though the associated time-to-digital converter overflowed is.
Die Kodierung der unterschiedlichen Datensätze ist dabei frei wählbar. So kann beispielsweise die Anzahl an Bits für die Zeitinformation, bzw. die Identifikation den Erfordernissen des Experiments angepasst werden.The Coding of the different data sets is free selectable. For example, the number of bits for the time information, or the identification of the requirements adapted to the experiment.
Die zentrale Verarbeitungseinheit hat die Aufgabe die erhaltenen Ereignisdatensätze der Zeitmesseinheiten chronologisch zu sortieren und/oder zu verarbeiten. Dazu ist es notwendig, dass für ein bestimmtes Zeitfenster alle zugehörigen Ereignisdatensätze aller Zeitmesseinheiten vorliegen.The Central processing unit has the task the received event records sorting and / or processing the time measurement units chronologically. For this it is necessary that for a certain time window all associated event data sets of all time measurement units available.
Daher werden die Ereignisdatensätze und Überlaufdatensätze der Zeitmesseinheiten von der zentralen Verarbeitungseinheit in je einem Daten-Puffer zwischengespeichert. Jeder Daten-Puffer empfängt und speichert jeweils die von einer Zeitmesseinheit gesendeten Datensätze.Therefore become the event records and overflow records of the time measuring units of the central processing unit in each cached a data buffer. Each data buffer receives and each stores the records sent by a time measuring unit.
Anschließend werden alle Ereignisdatensätze aller Daten-Puffer mit Hilfe der Überlaufdatensätze chronologisch sortiert und/oder auf andere Weise verarbeitet, wodurch neue Datensätze entstehen. Dazu werden vorzugsweise alle Datensätze zwischen zwei zeitgleichen Überlaufdatensätzen aus den Puffern ausgelesen und verarbeitet bzw. sortiert.Subsequently all event records of all data buffers will be using the overflow records sorted chronologically and / or otherwise processed, creating new records arise. For this purpose, preferably all data records are between two simultaneous overflow records from the Buffers are read out and processed or sorted.
Dadurch ist sichergestellt, dass alle Ereignisdatensätze aller Zeitmesseinheiten zur Sortierung und/oder Verarbeitung vorliegen. Bei der Sortierung und/oder Verarbeitung werden redundante Überlaufdatensätze der verschiedenen Zeitmesseinheiten entfernt. Außerdem kann auch das Format der Ereignisdatensätze verändert und den Erfordernissen des Experiments angepasst werden. So kann beispielsweise unter Verwendung des gleichen Formats zur Zeitkodierung die Überlaufperiode verändert werden. Außerdem können die Ereignisdatensätze direkt vorverarbeitet werden, beispielsweise zur Berechnung von Histogrammen oder Korrelationen zwischen verschiedenen Kanälen.Thereby is ensured that all event records of all Time measuring units for sorting and / or processing are available. Sorting and / or processing becomes redundant overflow records removed from the various time measurement units. Furthermore can also change the format of event records and adapted to the requirements of the experiment. So can for example, using the same format for time encoding the overflow period will be changed. Furthermore The event records can be preprocessed directly For example, to calculate histograms or correlations between different channels.
Die sortierten und/oder verarbeiteten neuen Datensätze werden danach über einen Ausgangskanal an eine weiterverarbeitende Recheneinheit gesendet. Dadurch ist es bei Änderung der Messanordnung, beispielsweise bei Anschluss neuer Zeitmesseinheiten, möglich, keine Änderung an der Recheneinheit vorzunehmen.The sorted and / or processed new records then via an output channel to a further processing Arithmetic unit sent. Thus it is with change of the Measuring arrangement, for example when connecting new time measuring units, possible to make no change to the arithmetic unit.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Erfassung von Ereignissen aus einer Mehrzahl von Detektionskanälen und ist beliebig skalierbar.The inventive method allows the detection of events from a plurality of detection channels and is scalable.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird in den Eingangskanal einer Zeitmesseinheit bei einem Anregungspuls durch eine Lichtquelle ein Signal eingespeist, wodurch zu diesem Signal ein Ereignisdatensatz erzeugt wird. Dieser kann in der zentralen Verarbeitungseinheit z. B. für die Berechnung des zeitlichen Abstands zwischen dem Anregungspuls und einem detektierten Photon und damit für TCSPC-Auswertungen verwendet werden.In An advantageous development of the invention is in the input channel a time measuring unit at an excitation pulse by a light source fed a signal, which an event data record to this signal is produced. This can be in the central processing unit z. B. for the calculation of the time interval between the excitation pulse and a detected photon and thus for TCSPC evaluations are used.
Zusätzlich kann für bestimmte Signale das Erzeugen eines Ereignisdatensatzes derart durchgeführt werden, dass ein Ereignisdatensatz erzeugt wird, der die Ankunftszeit auf der gemeinsamen Zeitbasis der Zeitmesseinheiten angibt, also lediglich den Zählerstand des Zählers des TDCs, der durch die gemeinsame Zeitbasis getriggert wird. Dies kann für Signale verwendet werden, für die diese Zeitauflösung ausreichend ist, wie beispielsweise für den Zeilenumbruch bei bildgebenden Verfahren oder für Positionsdaten einer Scaneinrichtung. Mit Hilfe dieses Mechanismus können die Ereignisdatensätze des Experiments mit beliebigen physikalischen Größen (z. B. Felder, Pufferkonzentrationen oder Temperaturen) synchronisiert werden. Dadurch können beliebige Informationen eines Experiments direkt und zeitsynchron in die Messdaten eingebettet werden. Dies erleichtert auch die Auswertung und erhöht die Datensicherheit, da alle Daten gemeinsam erfasst und/oder verarbeitet werden können.In addition, for certain signals, the generation of an event record may be performed such that an event record is generated that indicates the time of arrival on the common time base of the time measuring units, that is, only the count of the counter of the TDC triggered by the common time base. This can be used for signals for which this time resolution is sufficient, such as for example, for the line break in imaging or for position data of a scanning device. Using this mechanism, the event records of the experiment can be synchronized with arbitrary physical quantities (eg, fields, buffer concentrations, or temperatures). As a result, any information of an experiment can be embedded directly and time-synchronously in the measurement data. This also facilitates evaluation and increases data security since all data can be collected and / or processed together.
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.Further Details and features will become apparent from the following description of the preferred embodiment in conjunction with the dependent claims. Here, the respective Features alone or in combination be realized with each other. The possibilities, the task to solve are not on the embodiments limited.
Das Ausführungsbeispiel ist in der anliegenden Figur schematisch dargestellt.The Embodiment is schematic in the accompanying figure shown.
In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind mehrere Zeitmesseinheiten
Die Zeitmesseinheiten enthalten einen TDC zur Zeitmessung, der mit einer Auflösung zwischen 0.1 ps und 5 μs, bevorzugt zwischen 0.5 ps und 50 ps arbeitet.The Timing units include a time-of-day TDC, which is provided with a Resolution between 0.1 ps and 5 μs, preferred between 0.5 ps and 50 ps.
Die
Erzeugung der Ereignisdatensätze und Überlaufdatensätze
wird in einem FPGA ausgeführt. Die Zeitmesseinheiten
Für
die Ereignisdatensätze werden vorzugsweise 32 Bit verwendet.
Die Bedeutung der einzelnen Bits ist beispielhaft in Tabelle 1 gezeigt.
Bei einer Auflösung des TDC von z. B. 1 ps wird in diesem Beispiel alle 2^25·1 ps = 33 μs ein Überlaufdatensatz erzeugt.at a resolution of the TDC of z. For example, 1 ps is used in this example every 2 ^ 25 · 1 ps = 33 μs an overflow record generated.
In der beispielhaften Darstellung in Tabelle 1 sind 6 Bit für die Kanalcodierung vorgesehen. Wenn das System für sehr große Kanalzahlen, z. B. für Anwendungen mit Array-Detektoren genutzt wird, würde man die Anzahl der Bits für die Kanalcodierung geeignet größer wählen.In of the example representation in Table 1 are 6 bits for the channel coding provided. If the system for very large channel numbers, z. For applications with array detectors used, one would set the number of bits for Select the channel coding appropriately larger.
Alle
Zeitmesseinheiten
Die
Zeitmesseinheit
In
die Zeitmesseinheit
Die
erzeugten Ereignisdatensätze und Überlaufdatensätze
werden von jeder Zeitmesseinheit
Die
zentrale Verarbeitungseinheit
Der Ausgangskanal der zentralen Verarbeitungseinheit ist bevorzugt eine serielle Datenverbindung, besonders bevorzugt eine Standardschnittstelle, wie USB, FireWire oder PCI-express.Of the Output channel of the central processing unit is preferably one serial data connection, more preferably a standard interface, like USB, FireWire or PCI-express.
Die
Vorrichtung ist vorzugsweise als Frame mit Einschüben für
die Zeitmesseinheiten
- 11
- Eingangskanäle der Zeitmesseinheiteninput channels the time measurement units
- 22
- Eingangskanäle für zusätzliche Signaleinput channels for additional signals
- 33
- ZeitmesseinheitTime measuring unit
- 44
- ZeitmesseinheitenTime measurement units
- 55
- Verteilung des Zeitsignals an alle Zeitmesseinheitendistribution the time signal to all time measuring units
- 66
- Anschluss für externes Zeitsignalconnection for external time signal
- 77
- Internes Zeitsignalinternal time signal
- 88th
- Datenverbindungen zwischen Zeitmesseinheiten und zentraler Verarbeitungseinheitdata connections between time measuring units and central processing unit
- 99
- zentrale Verarbeitungseinheitcentral processing unit
- 9a9a
- Puffer der zentralen Verarbeitungseinheitbuffer the central processing unit
- 9b9b
- Prozessiereinheit der zentralen Verarbeitungseinheitprocessing unit the central processing unit
- 1010
- Ausgangskanaloutput channel
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20130719 |
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Representative=s name: DENNEMEYER & ASSOCIATES S.A., DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: KOELLNER & PARTNER, DE |
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R084 | Declaration of willingness to licence |