DE102015110359B4 - Method for detecting radiation-emitting particles - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Detektion von sich entlang einer Trajektorie bewegenden Partikeln (3), welche elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen, wobei die elektromagnetische Strahlung, das elektrische Feld oder das magnetische Feld detektiert wird, wobei ein erstes Signal mit Hilfe einer ersten Strukturierungseinrichtung (5, 10) erfasst wird, wobei die erste Strukturierungseinrichtung (5, 10) entweder dafür Sorge trägt, dass die Partikel (3) entlang eines Trajektorienabschnitts im Wesentlichen nur in ersten nicht-periodischen räumlichen Abständen elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen oder dafür Sorge trägt, das die elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder magnetische Feld im Wesentlichen nur in ersten nicht-periodischen räumlichen Abständen entlang des Trajektorienabschnitts detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Signal mit Hilfe einer zweiten Strukturierungseinrichtung (11) erfasst wird, wobei die zweite Strukturierungseinrichtung (11) entweder dafür Sorge trägt, dass die Partikel (3) entlang eines Trajektorienabschnitts im Wesentlichen nur in zweiten nicht-periodischen räumlichen Abständen elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen oder dafür Sorge trägt, das die elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder magnetische Feld im Wesentlichen nur in zweiten nicht-periodischen räumlichen Abständen entlang des Trajektorienabschnitts detektiert wird, dass das erste und das zweite Signal miteinander korreliert werden und aus dem korrelierten Signal Rückschlüsse auf die Anzahl und/oder die Geschwindigkeit der Partikel (3) gezogen werden.Method for detecting particles (3) moving along a trajectory, which generate or at least influence electromagnetic radiation, an electric field or a magnetic field, wherein the electromagnetic radiation, the electric field or the magnetic field is detected, a first signal having Using a first structuring device (5, 10) is detected, the first structuring device (5, 10) either ensures that the particles (3) along a trajectory section essentially only in first non-periodic spatial intervals electromagnetic radiation, an electrical Generating a field or a magnetic field or at least influencing or ensuring that the electromagnetic radiation, the electric or magnetic field is essentially only detected in first non-periodic spatial distances along the trajectory section, characterized in that a second signal with the aid of a second structuring device (11), the second structuring device (11) either ensuring that the particles (3) along a trajectory section essentially only generate electromagnetic radiation, an electric field or a magnetic field at second non-periodic spatial intervals or at least influence or ensure that the electromagnetic radiation, the electric or magnetic field is essentially only detected in second non-periodic spatial intervals along the trajectory section, that the first and the second signal are correlated with one another and conclusions can be drawn from the correlated signal on the number and/or the speed of the particles (3) can be drawn.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von sich entlang einer Trajektorie bewegenden Partikeln, welche elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen. Dabei wird die elektromagnetische Strahlung oder das elektrische oder das magnetische Feld detektiert. Des Weiteren wird eine Strukturierungseinrichtung verwendet, die entweder dafür Sorge trägt, dass die Partikel entlang der Trajektorie im Wesentlichen nur in nicht-periodischen räumlichen Abständen elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen oder dafür Sorge trägt, dass die elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder das magnetische Feld im Wesentlichen nur in nicht-periodischen räumlichen Abständen entlang der Trajektorie detektiert wird.The present invention relates to a method for detecting particles moving along a trajectory which generate or at least influence electromagnetic radiation, an electric field or a magnetic field. In this case, the electromagnetic radiation or the electric or the magnetic field is detected. Furthermore, a structuring device is used, which either ensures that the particles along the trajectory essentially only at non-periodic spatial intervals generate or at least influence electromagnetic radiation, an electric field or a magnetic field, or ensures that the electromagnetic Radiation, the electric or the magnetic field is essentially only detected at non-periodic spatial intervals along the trajectory.

Ein solches Verfahren wird beispielsweise in Durchflusszytometern verwendet. Bei der Durchflusszytometrie wird eine Zellsuspension durch eine Durchflussmesszelle geleitet. Die Zellsuspension wird mit einer Lichtquelle, bestehend meist aus mehreren Lasern, bestrahlt, wodurch die zu detektierenden Zellen oder ein an den Zellen gebundener Farbstoff angeregt werden und Fluoreszenzsignale emittieren. Als Strukturierungseinrichtung wird häufig eine nicht-periodische, strukturierte Maske, auch Schattenmaske genannt, verwendet und die Partikel werden an einer Seite der Maske mit einer Geschwindigkeit v vorbeigeführt und auf der anderen Seite wird die durch die Maske tretende elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder das magnetische Feld mit einem geeigneten Detektor detektiert.Such a method is used, for example, in flow cytometers. In flow cytometry, a cell suspension is passed through a flow cell. The cell suspension is irradiated with a light source, usually consisting of several lasers, whereby the cells to be detected or a dye bound to the cells are excited and emit fluorescence signals. A non-periodic, structured mask, also known as a shadow mask, is often used as the structuring device, and the particles are guided past one side of the mask at a speed v and on the other side the electromagnetic radiation, the electrical or the magnetic radiation, passing through the mask Field detected with a suitable detector.

Es versteht sich aber, dass die Strukturierungseinrichtung keine Schattenmaske sein muss. Es wäre beispielsweise auch denkbar, dass die zu detektierenden Partikel mit Hilfe einer strukturierten Anregungsstrahlung angeregt werden müssen, um elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Diese Anregungsstrahlung könnte beispielsweise mit Hilfe von diffraktiven optischen Elementen nur in nicht-periodischen räumlichen Abständen entlang der Trajektorie zur Verfügung gestellt werden, so dass im Wesentlichen auch nur an diesen Orten die zu detektierende elektromagnetische Strahlung emittiert wird. Die Strukturierungseinrichtung besteht dann aus den diffraktiv optischen Elementen.However, it goes without saying that the structuring device does not have to be a shadow mask. It would also be conceivable, for example, for the particles to be detected to have to be excited using structured excitation radiation in order to generate electromagnetic radiation. This excitation radiation could be made available, for example with the aid of diffractive optical elements, only at non-periodic spatial distances along the trajectory, so that the electromagnetic radiation to be detected is essentially only emitted at these locations. The structuring device then consists of the diffractive optical elements.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand eines Verfahrens zur Detektion von strahlungsemittierenden Partikeln beschrieben. Dennoch kann das Verfahren auch zur Detektion von beispielsweise ein Magnetfeld oder ein elektrisches Feld erzeugende oder beeinflussende Teilchen verwendet werden. Auch wäre es denkbar, elektromagnetische Strahlung durch die Maske zu leiten und zu detektieren, so dass die vorbeigeführten Partikel die gerichtete elektromagnetische Strahlung beim Passieren der Masken kurzzeitig abschwächen oder zumindest beeinflussen.The present invention is described below using a method for detecting radiation-emitting particles. Nevertheless, the method can also be used to detect particles that generate or influence a magnetic field or an electric field, for example. It would also be conceivable to conduct electromagnetic radiation through the mask and to detect it, so that the particles guided past briefly weaken or at least influence the directed electromagnetic radiation when passing through the masks.

Beispielsweise kann die zeitliche Modulation des Fluoreszenzsignals durch eine entlang der Bewegungsrichtung des Partikels strukturierte Schattenmaske erzeugt werden. Fenster in dieser Schattenmaske erlauben die Transmission des Fluoreszenzlichtes und entsprechen dem Transmissionszustand „1“. Geschlossene Bereiche der Maske verhindern die Transmission und entsprechen dem Zustand „0“. Die räumliche Strukturierung der Maske wird mathematisch beschrieben durch sogenannte binäre Sequenzen, d. h. durch Folgen aus Nullen und Einsen. Daher wird die strukturierte Maske auch als binäre Maske bezeichnet. Grundsätzlich wären aber auch Bereiche mit verminderter Transmission, den dann ein Zwischenzustand von zum Beispiel „1/2“ zugewiesen werden könnte, denkbar. Auch wenn die Erfindung im Folgenden am Beispiel von binären Masken erläutert wird, wären auch strukturierte Masken mit Zwischenzuständen denkbar.For example, the temporal modulation of the fluorescence signal can be generated by a shadow mask structured along the direction of movement of the particle. Windows in this shadow mask allow the transmission of the fluorescent light and correspond to the transmission state "1". Closed areas of the mask prevent transmission and correspond to the "0" state. The spatial structuring of the mask is described mathematically by so-called binary sequences, i. H. by sequences of zeros and ones. The structured mask is therefore also referred to as a binary mask. In principle, however, areas with reduced transmission, which could then be assigned an intermediate state of, for example, “1/2”, would also be conceivable. Even though the invention is explained below using binary masks as an example, structured masks with intermediate states would also be conceivable.

Im Grunde genommen wird das Messsignal durch die Strukturierungseinrichtung kodiert. Der Code, also zum Beispiel die binäre Sequenz, wird dabei von der Strukturierungseinrichtung zur Verfügung gestellt.Basically, the measurement signal is encoded by the structuring device. The code, for example the binary sequence, is made available by the structuring device.

Die derart kodierten Fluoreszenzsignale werden detektiert und ausgewertet, um Rückschlüsse auf Anzahl, Art, Intensität und Geschwindigkeit der einzelnen Partikel zu ziehen.The fluorescence signals encoded in this way are detected and evaluated in order to draw conclusions about the number, type, intensity and speed of the individual particles.

Ein solches Verfahren ist beispielsweise beschrieben in Kiesel et al., Appl. Phys. Lett. 94, 041107-1 (2009), in der DE 10 2013 105 953 A1 und in Sommer, Christian et al: „The equilibrium velocity of spherical particles in rectangular microfluidic channels for size measurement.“ In Lab chip 2014, 14, S. 2319-2326. Hierbei wird das gemessene Signal mittels eines Optimalfilters gefiltert, um eine Pulskompression zu erreichen und dann nach der Zeit differenziert, um einen möglichen Signaloffset zu beseitigen. Bei dem sich dann ergebenden Signal wird ein fester Schwellwert zur Ereigniserfassung eingesetzt.Such a method is described, for example, in Kiesel et al., Appl. physics Latvia 94, 041107-1 (2009), at DE 10 2013 105 953 A1 and in Sommer, Christian et al: "The equilibrium velocity of spherical particles in rectangular microfluidic channels for size measurement." In Lab chip 2014, 14, pp. 2319-2326. Here, the measured signal is filtered using an optimal filter in order to achieve pulse compression and then differentiated according to time in order to eliminate a possible signal offset. The resulting signal uses a fixed event detection threshold.

Aus Kiesel et al., Cytometry Part A, Vol. 79A, 2011, S. 317-324 ist bekannt, mit dem beschriebenen Aufbau gleichzeitig zwei Messungen durchzuführen, wobei mit jeder Messung unterschiedliche Teilchen detektiert werden.It is known from Kiesel et al., Cytometry Part A, Vol. 79A, 2011, pp. 317-324, to carry out two measurements simultaneously with the structure described, with different particles being detected with each measurement.

Das detektierte Signal ist naturgemäß unipolar, da es bei der Fluoreszenzemission keine negativen Amplituden geben kann.The detected signal is naturally unipolar since there can be no negative amplitudes in the fluorescence emission.

Die Verwendung von nicht-periodischen Masken bzw. Signalverläufen dient der Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses sowie der zeitlichen Pulskompression. Allerdings treten bei diesem Verfahren Signal-Nebenkeulen bei Korrelationssignalen auf, was die Entdeckungswahrscheinlichkeit schwach fluoreszierender Objekte in Gegenwart von größeren, stärker leuchtenden Objekten deutlich erschwert.The use of non-periodic masks or signal curves serves to improve the signal-to-noise ratio and temporal pulse compression. However, with this method, signal sidelobes occur with correlation signals, which makes it much more difficult to detect weakly fluorescent objects in the presence of larger, more luminous objects.

Zur Verdeutlichung wird auf die 1 bis 4 verwiesen. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Messsignals in Abhängigkeit von der Zeit ohne Berücksichtigung des Rausch-und Offsetanteils. In 2 sind die amplitudenmodulierten Rechtecksignale für zwei Teilchen dargestellt. Man erkennt, dass die Messsignale unterschiedlich große Strahlungsintensitäten besitzen. Das erste Messsignal besitzt die doppelte Amplitude des zweiten Messsignals. Durch Überlagerung ergibt sich ein drittes Niveau, welches 1,5 mal den Wert des ersten Messsignals annimmt. Die Rechtecksignale der einzelnen Partikel haben jedoch nicht nur unterschiedliche Amplituden, sie sind auch zeitlich (in x-Richtung) verschoben, das heißt es wird der Fall betrachtet, in dem zwei Partikel unterschiedlicher Lichtstärke und unterschiedlicher Ausdehnung kurz hintereinander an der binären Maske vorbei wandern, so dass das Gesamtsignal, welches mit einem Detektor erfasst wird, eine Überlagerung der von den einzelnen Partikeln herrührenden Einzelsignale ist.For clarification, reference is made to the 1 until 4 referred. 1 shows a schematic representation of a measurement signal as a function of time without taking into account the noise and offset component. In 2 shows the amplitude-modulated square-wave signals for two particles. It can be seen that the measurement signals have different radiation intensities. The first measurement signal has twice the amplitude of the second measurement signal. Superimposition results in a third level which is 1.5 times the value of the first measurement signal. However, the square-wave signals of the individual particles not only have different amplitudes, they are also shifted in time (in the x-direction), i.e. the case is considered in which two particles of different light intensity and different dimensions move past the binary mask in quick succession, so that the overall signal, which is detected by a detector, is a superimposition of the individual signals originating from the individual particles.

Dieses Signal wird üblicherweise mit einem Optimalfilter bearbeitet, wodurch sich das in 3 dargestellte gefilterte Signal ergibt. Unter einem Optimalfilter wird ein Filter verstanden, welcher ein gefiltertes Signal mit dem größten Signal-Rausch-Verhältnis liefert. Solch ein Filter hat für den Fall eines unipolaren Signals immer ausschließlich unipolare Filterkoeffizienten.This signal is usually processed with an optimal filter, whereby the in 3 shown filtered signal results. An optimal filter is understood to mean a filter which supplies a filtered signal with the greatest signal-to-noise ratio. In the case of a unipolar signal, such a filter always has exclusively unipolar filter coefficients.

Das Signal des ersten Teilchens (P1) ist deutlich zu erkennen, während das schwächere Signal des zweiten Partikels (P2) nur schwach ausgeprägt ist. Für eine automatisierte Teilchendetektion wird in der Regel ein Grenzwert festgelegt und Signale, die stärker als der festgelegte Grenzwert sind, werden als Teilchendetektion interpretiert. Insbesondere bei der Detektion von mehreren Teilchen mit unterschiedlichen Signalstärken ist dies jedoch nicht möglich. Beispielhaft sind in 3 zwei Schwellwerte als gestrichelte Linien eingezeichnet worden. Wird der größere Wert als Schwellwert verwendet, wird lediglich das erste Partikel detektiert, da die Signalstärke des zweiten Partikels unterhalb des größeren Schwellwertes liegt. Wählt man stattdessen einen Schwellwert, der so klein ist, dass das zweite Partikel korrekt identifiziert wird, liegt jedoch das mit dem ersten Partikel verknüpfte Untergrundsignal ebenfalls über dem Schwellwert, so dass das erste Partikel gegebenenfalls fälschlich mehrfach gezählt wird.The signal from the first particle (P1) is clearly visible, while the weaker signal from the second particle (P2) is only weak. For automated particle detection, a limit is usually set and signals stronger than the set limit are interpreted as particle detection. However, this is not possible, particularly when detecting several particles with different signal strengths. Examples are in 3 two threshold values have been drawn as dashed lines. If the larger value is used as the threshold value, only the first particle is detected since the signal strength of the second particle is below the larger threshold value. If, instead, a threshold value is chosen that is so small that the second particle is correctly identified, the background signal associated with the first particle is also above the threshold value, so that the first particle may be incorrectly counted more than once.

Daher wird üblicherweise das gefilterte Signal nach der Zeit abgeleitet, wodurch das in 4 gezeigte Signal erhalten wird. Das Signal weist keinen Offset mehr auf. Wieder ist das Signal des ersten Partikels (P1) gut zu erkennen, während das Signal des zweiten Partikels (P2) nur geringfügig größer ist als die Signale in den Nebenkeulen („side-lobes“). In der 4 ist beispielhaft ein Schwellwert (gestrichelte Linie) eingezeichnet worden. Ist der Schwellwert zu hoch, wird das Signal des zweiten Teilchens nicht detektiert. Ist hingegen der Schwellwert zu niedrig, wird nicht nur das zweite Partikel detektiert, sondern es werden zusätzlich Peaks der Nebenkeulen, die in der Figur mit einer punktierten Linie hervorgehoben sind, fälschlicherweise als Ereignis erfasst.Therefore, usually the filtered signal is derived with respect to time, whereby the in 4 signal shown is obtained. The signal no longer has an offset. Again, the signal from the first particle (P1) is clearly visible, while the signal from the second particle (P2) is only slightly larger than the signals in the side lobes. In the 4 a threshold value (dashed line) has been drawn in as an example. If the threshold is too high, the signal from the second particle will not be detected. On the other hand, if the threshold value is too low, not only is the second particle detected, but additional peaks of the side lobes, which are highlighted in the figure with a dotted line, are incorrectly recorded as an event.

Das bekannte Verfahren hat jedoch eine Reihe von Nachteilen:

  1. 1. Aufgrund der Abschattungseigenschaft der binären Maske, wird nicht das vollständige, zur Verfügung stehende Fluoreszenzlicht genutzt. Wird beispielsweise eine „balancierte Maske“, d.h. eine Maske mit der gleichen Anzahl von Nullen und Einsen, genutzt, so werden circa 50 % des zur Verfügung stehenden Fluoreszenzlichtes nicht genutzt. Könnte dieses Licht genutzt werden, würde sich das Signal-Rausch-Verhältnis um einen Faktor √2 verbessern.
  2. 2. Das bekannte Verfahren mit der binären Maske liefert lediglich ein unipolares Signal, so dass aus der Radartechnik bekannte Detektionsverfahren nicht angewendet werden können.
  3. 3. Durch die Verwendung eines einzelnen Detektors fließt dessen Rauschhintergrund immer direkt in das Signal mit ein und verfälscht somit das eigentliche Messsignal und erschwert die Detektion.
  4. 4. In der Praxis ist die Partikelgeschwindigkeit nicht bekannt. Zudem wird bei der Messung mehrerer Partikel eine Geschwindigkeitsverteilung beobachtet, so dass deren Verweildauer im Detektionsbereich, das heißt die zeitliche Ausdehnung des gemessenen Signals nicht nur unbekannt ist, sondern sich auch noch von Partikel zu Partikel unterscheiden kann. Daher muss ein breiter Geschwindigkeitsbereich abgefragt werden, in dem das gemessene Signal mit verschiedenen, zeitlich unterschiedlich ausgedehnten Filtern korreliert wird. Dieser Vorgang ist mit erheblichem Rechenaufwand verbunden.
However, the known method has a number of disadvantages:
  1. 1. Due to the shading properties of the binary mask, not all of the available fluorescent light is used. If, for example, a "balanced mask", ie a mask with the same number of zeros and ones, is used, around 50% of the available fluorescent light is not used. If this light could be used, the signal-to-noise ratio would improve by a factor of √2.
  2. 2. The known method with the binary mask only supplies a unipolar signal, so that detection methods known from radar technology cannot be used.
  3. 3. By using a single detector, its noise background always flows directly into the signal and thus falsifies the actual measurement signal and makes detection more difficult.
  4. 4. In practice, the particle velocity is not known. In addition, when measuring several particles, a velocity distribution is observed, so that their dwell time in the detection area, i.e. the temporal extension of the measured signal, is not only unknown, but can also differ from particle to particle. Therefore, a wide speed range must be queried, in which the measured signal is correlated with various filters with different temporal extensions. This process is associated with considerable computational effort.

Die DE 10 2013 015 016 A1 beschreibt ein Verfahren zur Partikeldetektion in einem partikelhaltigen Fluid. Dabei wird ein erstes zeitabhängiges Messsignal und ein zweites zeitabhängiges Messsignal bereitgestellt und diese miteinander korreliert.The DE 10 2013 015 016 A1 describes a method for particle detection in a particle-containing fluid. A first time-dependent measurement signal and a second time-dependent measurement signal are provided and these are correlated with one another.

Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, dass zumindest einen Teil der beschriebenen Nachteile verringert.Proceeding from the prior art described, it is therefore the object of the present invention to provide a method that reduces at least some of the disadvantages described.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst, bei dem ein zweites Signal mithilfe einer zweiten Strukturierungseinrichtung erfasst wird, wobei die zweite Strukturierungseinrichtung entweder dafür Sorge trägt, dass die Partikel entlang eines Trajektorienabschnittes im Wesentlichen nur in zweiten nicht-periodischen räumlichen Abständen elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen oder dafür Sorge trägt, dass die elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder magnetische Feld im Wesentlichen nur in zweiten, nicht periodischen räumlichen Abständen entlang des Trajektorienabschnittes detektiert wird, wobei das erste und das zweite Signal miteinander korreliert werden und aus dem korrelierten Signal dann Rückschlüsse auf die Anzahl und/oder die Geschwindigkeit der Partikel gezogen werden.According to the invention, this object is achieved by a method according to claim 1, in which a second signal is detected using a second structuring device, the second structuring device either ensuring that the particles along a trajectory section essentially only in second non-periodic spatial distances electromagnetic Radiation, an electric field or a magnetic field generate or at least influence or ensures that the electromagnetic radiation, the electric or magnetic field is detected essentially only in second, non-periodic spatial distances along the trajectory section, the first and the second Signal are correlated with each other and then conclusions about the number and / or the speed of the particles are drawn from the correlated signal.

Erfindungsgemäß wird somit ein zweites Signal erfasst und die beiden erfassten Signale miteinander korreliert.According to the invention, a second signal is thus detected and the two detected signals are correlated with one another.

So können beispielsweise die erste und die zweite Strukturierungseinrichtung eine nicht-periodische, strukturierte Maske verwenden und die Partikel an einer Seite der Maske vorbeigeführt werden und auf der anderen Seite die durch die Maske tretende elektromagnetische Strahlung, das elektrische Feld oder das magnetische Feld detektiert werden. Hierzu könnte ein Strahlteiler verwendet werden, welcher einen Teil des Fluoreszenzlichtes der ersten Strukturierungseinrichtung zuführt, während der andere Teil der zweiten Strukturierungseinrichtung zugeführt wird. Im Ergebnis hat man dann zwei codierte Signale, die - gegebenenfalls nach vorheriger Filterung - miteinander korreliert werden.For example, the first and the second structuring device can use a non-periodic, structured mask and the particles can be guided past one side of the mask and the electromagnetic radiation passing through the mask, the electric field or the magnetic field can be detected on the other side. A beam splitter could be used for this purpose, which feeds part of the fluorescent light to the first structuring device, while the other part is fed to the second structuring device. The result is then two coded signals, which - if necessary after prior filtering - are correlated with one another.

Durch die Verwendung von zwei separaten Detektoren wird der Rauschhintergrund eines einzelnen Detektors reduziert, wodurch die Auflösung des Verfahrens verbessert wird.By using two separate detectors, the noise floor of a single detector is reduced, improving the resolution of the method.

Allerdings geht durch die Verwendung der Schattenmasken nach wie vor ein Teil des Signals verloren. Der Nachteil der ausgeblendeten Signalintensität kann beispielsweise durch Verwendung eines räumlich strukturierten Detektors überwunden werden. So könnte ein räumlich strukturierter Detektor aus zwei ineinandergreifenden Flächensequenzen bestehen, die jeweils einem Detektorausgang zugeordnet sind. Hierbei liefert der eine Detektorausgang stets inverse Signale zu dem anderen Detektorausgang, da diejenigen Flächenabschnitten, die nicht dem einen Detektorausgang zugeordnet sind und daher für diesen eine „0“ darstellen, dem anderen Detektorausgang zugeordnet werden und daher für jenen eine „1“ darstellen.However, some of the signal is still lost when shadow masks are used. The disadvantage of the masked signal intensity can be overcome, for example, by using a spatially structured detector. A spatially structured detector could consist of two intermeshing surface sequences, each of which is assigned to a detector output. In this case, one detector output always supplies inverse signals to the other detector output, since those surface sections that are not assigned to one detector output and therefore represent a "0" for this are assigned to the other detector output and therefore represent a "1" for that one.

Ein solcher Aufbau erzeugt ein analoges Messsignal. Nachteil ist jedoch, dass durch die räumliche Strukturierung des Detektors für diesen Detektor die Modulationssequenz und daher die Codierung feststeht.Such a structure generates an analog measurement signal. The disadvantage, however, is that the modulation sequence and therefore the coding are fixed for this detector due to the spatial structuring of the detector.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als erste und/oder zweite Strukturierungseinrichtung ein Detektor-Array verwendet. Ein Detektor-Array besteht aus einer Mehrzahl von Detektoren (Pixeldetektoren), die selektiv ausgelesen werden können. Durch analoges oder digitales Zusammenfassen einzelner Pixeldetektoren („Binning“), kann ein räumlich strukturierter Code implementiert werden, wodurch die Strukturierungseinrichtung leicht modifiziert und anwendungsspezifisch verwendet werden kann. Neben dem Vorteil der einfachen Softwareimplementierung hat dieses Detektionsschema weiterhin den Vorteil, dass sich das Rauschen bedingt durch die Zahl der Detektoren weiter verringert.In a particularly preferred embodiment, a detector array is used as the first and/or second structuring device. A detector array consists of a number of detectors (pixel detectors) that can be read out selectively. A spatially structured code can be implemented by analogously or digitally combining individual pixel detectors (“binning”), as a result of which the structuring device can be easily modified and used in an application-specific manner. In addition to the advantage of simple software implementation, this detection scheme also has the advantage that the noise caused by the number of detectors is further reduced.

Da zudem das Fluoreszenzsignal nicht lokal ausgeblendet wird, sondern die gesamte Information erhalten bleibt, kann das Zusammenfassen von Zellen softwaretechnisch parallel in vielen verschiedenen Variationen durchgeführt werden. Mit anderen Worten kann dasselbe Signal parallel nahezu mit beliebig vielen Codes, wie z.b. binären Sequenzen codiert werden, so dass eine Mehrzahl von codierten Signalen für eine Korrelation und anschließende Auswertung zur Verfügung stehen.In addition, since the fluorescence signal is not masked out locally, but the entire information is retained, the combining of cells can be carried out in parallel in many different variations using software. In other words, the same signal can be processed in parallel with almost any number of codes, e.g. binary sequences are encoded, so that a plurality of encoded signals are available for correlation and subsequent evaluation.

Das gleiche Messsignal könnte somit unterschiedlichen Masken zugeordnet werden. Die mehrfache Auswertung des Signales erlaubt es auch verschiedene Informationen aus dem Signal zu entnehmen. Zum Beispiel könnte zunächst eine Partikeldetektion mit einer Autokorrelation von zwei räumlich versetzten LABS und anschließend eine Ermittlung der Partikelgeschwindigkeit mit einem periodischen Binningmuster erfolgen. Dabei versteht man unter LABS sogenannte „low autocorrelation binary sequences“, wie sie beispielsweise in Mertens S, Exhaustive search for low-autocorrelation binary sequences, J.Phys. A - Math. Gen. 29, L473 (1996) definiert werden.The same measurement signal could thus be assigned to different masks. The multiple evaluation of the signal also allows various information to be extracted from the signal. For example, a particle detection with an autocorrelation of two spatially offset LABS could be carried out first and then the particle speed could be determined with a periodic binning pattern. LABS is understood to mean so-called “low autocorrelation binary sequences”, as described, for example, in Mertens S, Exhaustive search for low-autocorrelation binary sequences, J.Phys. A - Math. Gen. 29, L473 (1996).

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Strukturierungseinrichtung jeweils derart ausgestaltet sind, dass bei einer Aufteilung des Trajektorienabschnittes in gleichlange Segmente, die Funktion der ersten und zweiten Strukturierungseinrichtung jeweils durch einen Binärcode, d.h. eine Abfolge von Nullen und Einsen geschrieben werden kann, wobei jede Ziffer ein Segment kennzeichnet und Segmente, in denen die jeweilige Strukturierungseinrichtung entweder dafür Sorge trägt, dass die Partikel ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen oder dafür Sorge trägt, dass die elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder magnetische Feld detektiert wird, mit der Ziffer „1“ bezeichnet werde und alle anderen Segmente mit der Ziffer „0“ bezeichnet werden.Another preferred embodiment provides that the first and second structuring device are each designed such that when the trajectory section is divided into segments of equal length, the function of the first and second structuring device is written by a binary code, ie a sequence of zeros and ones can be, with each digit designating a segment and segments in which the respective structuring device either ensures that the particles generate an electric field or a magnetic field or at least influence or ensures that the electromagnetic radiation, the electric or magnetic field is detected will be denoted by the number "1" and all other segments will be denoted by the number "0".

Die Ausgestaltung der Strukturierungseinrichtung wird somit durch eine Abfolge bzw. einen Code bestehend aus Nullen und Einsen gekennzeichnet.The configuration of the structuring device is thus characterized by a sequence or a code consisting of zeros and ones.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist entweder die Abfolge der zweiten Strukturierungseinrichtung gleich der von hinten nach vorne gelesenen Abfolge der ersten Strukturierungseinrichtung oder die Abfolge der zweiten Strukturierungseinrichtung ist gleich der Abfolge der ersten Strukturierungseinrichtung, wobei dann beide Abfolgen gleichzeitig einem jeweiligen FIFO-Pufferspeicher zugeführt werden, wobei die beiden FIFO-Pufferspeicher parallel zueinander angeordnet sind, die beiden Abfolgen in entgegengesetzter Richtung zugeführt werden und für die Korrelation jeweils benachbarte Speicherplätze der beiden FIFO-Pufferspeicher korreliert werden.In a further preferred embodiment, either the sequence of the second structuring device is the same as the sequence of the first structuring device read from back to front, or the sequence of the second structuring device is the same as the sequence of the first structuring device, in which case both sequences are then fed simultaneously to a respective FIFO buffer memory, the two FIFO buffer memories being arranged parallel to one another, the two sequences being supplied in opposite directions and respectively adjacent memory locations of the two FIFO buffer memories being correlated for the correlation.

Mit anderen Worten wird der erste Speicherplatz des ersten FIFO-Pufferspeichers mit dem letzten Speicherplatz des zweiten FIFO-Pufferspeichers korreliert, wobei der zweite Speicherplatz „von hinten“ befüllt wird. Durch diese Maßnahme erfolgt im Ergebnis eine Korrelation des zeitinversen Signals mit dem eigentlichen Signal. Dadurch wird das Signal-Rausch-Verhältnis und somit die Detektion von Teilchen verbessert.In other words, the first memory location of the first FIFO buffer memory is correlated with the last memory location of the second FIFO buffer memory, with the second memory location being filled “from behind”. As a result of this measure, the time-inverse signal is correlated with the actual signal. This improves the signal-to-noise ratio and thus the detection of particles.

Dabei ist es im Ergebnis unerheblich, ob das zeitlich inverse Signal mit Hilfe der zweiten Strukturierungseinrichtung erzeugt wird, oder ob die zweite Strukturierungseinrichtung das identische Signal wie die erste Strukturierungseinrichtung erzeugt, das von der zweiten Strukturierungseinrichtung ermittelte Signal jedoch in entgegengesetzter Richtung in einen parallelen FIFO-Pufferspeicher eingegeben wird.The result is irrelevant whether the time-inverse signal is generated using the second structuring device, or whether the second structuring device generates the identical signal as the first structuring device, but the signal determined by the second structuring device is sent in the opposite direction to a parallel FIFO buffer memory is entered.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Abfolge der zweiten Strukturierungseinrichtung die inverse Abfolge zu der Abfolge der ersten Strukturierungseinrichtung. Dabei wird vorzugsweise entweder das mit der ersten Strukturierungseinrichtung erfasste Signal oder das mit der zweiten Strukturierungseinrichtung erfasste Signal mit einem Faktor „-1“ multipliziert und danach die beiden erfassten Signale durch Addition miteinander kombiniert, um ein bipolares Signal zu bilden.In a further preferred embodiment, the sequence of the second structuring device is the inverse sequence of the sequence of the first structuring device. In this case, preferably either the signal detected with the first structuring device or the signal detected with the second structuring device is multiplied by a factor “−1” and then the two detected signals are combined with one another by addition to form a bipolar signal.

Dieses bipolare Signal kann dann mit üblichen, aus der Radartechnik bekannten Verfahren, ausgewertet werden, um ein Teilchen zu detektieren und dessen Geschwindigkeit zu bestimmen. Zum Beispiel können dann LABS verwendet und für enge Geschwindigkeitsverteilungen nach bekannten Verfahren ausgewertet werdenThis bipolar signal can then be evaluated using conventional methods known from radar technology in order to detect a particle and determine its speed. For example, LABS can then be used and evaluated using known methods for narrow velocity distributions

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Abfolge der zweiten Strukturierungseinrichtung komplementär zur Abfolge der ersten Strukturierungseinrichtung ausgebildet. D.h. die, der Strukturierung der beiden Strukturierungseinrichtungen zu Grunde liegenden Binärcodes, sind komplementär zueinander. Zueinander komplementäre Binärcodes besitzen die wesentliche Eigenschaft, dass die Addition ihrer Autokorrelationsfunktionen alle Signalnebenkeulen verschwinden lässt. Lediglich der Hauptpeak addiert sich konstruktiv.In a further preferred embodiment, the sequence of the second structuring device is designed to be complementary to the sequence of the first structuring device. This means that the binary codes on which the structuring of the two structuring devices is based are complementary to one another. Binary codes that are complementary to one another have the essential property that the addition of their autocorrelation functions causes all signal sidelobes to disappear. Only the main peak adds up constructively.

Eine weitere Verbesserung kann erzielt werden, wenn das bipolare Signal vor der weiteren Verarbeitung in einen Manchestercode umgewandelt wird. Manchestercodes sind beispielsweiese definiert in Foster R, Manchester encoding - opposing definitions resolved, Engineering Science & Education Journal 9 (6), 278 (2000).A further improvement can be achieved if the bipolar signal is converted to a Manchester code before further processing. Manchester codes are defined, for example, in Foster R, Manchester encoding - opposing definitions resolved, Engineering Science & Education Journal 9 (6), 278 (2000).

Beispielsweise könnte jede „1“ durch die Abfolge „1,-1“ und jede „-1“ durch die Abfolge „-1,1“ ersetzt werden.For example, every "1" could be replaced with the sequence "1,-1" and every "-1" with the sequence "-1,1".

Ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Messung von Intensitäten ist nämlich der Offset, der sich durch das Detektorrauschen, das elektronische Rauschen und die Verstärkung ergibt und in jedem Signal enthalten ist. Bipolare Codes bieten den Vorteil, dass eine konstante Offsetspannung am Detektor weitgehend eliminiert wird, sofern die verwendete binäre Sequenz genauso viele Einsen wie inverse Einsen besitzt. Durch die Autokorrelation (auf dem resonanten Geschwindigkeitskanal) addiert sich ein konstanter Offset daher zu Null, was von Vorteil ist. Bei komplementären Sequenzen weisen beide Codes meist unterschiedliche Signalenergien auf, so dass nach Autokorrelation und Addition der Korrelationssignale ein DC-Offset nicht verschwindet. Durch die Manchestercodierung werden die Sequenzen zwar doppelt so lang, jedoch wird auf diese Weise sichergestellt, dass beide Codes immer balanciert sind, das heißt die Summe ihrer Koeffizienten immer Null ergibt und sich somit ein zeitlich konstanter Detektoroffset aufhebt.An important aspect when measuring intensities is the offset that results from detector noise, electronic noise and amplification and is contained in every signal. Bipolar codes offer the advantage that a constant offset voltage at the detector is largely eliminated if the binary sequence used has as many ones as inverse ones. Due to the autocorrelation (on the resonant velocity channel), a constant offset therefore adds up to zero, which is an advantage. In the case of complementary sequences, both codes usually have different signal energies, so that a DC offset does not disappear after autocorrelation and addition of the correlation signals. The Manchester coding makes the sequences twice as long, but this way it is secured ensures that both codes are always balanced, i.e. the sum of their coefficients is always zero and thus a time-constant detector offset is cancelled.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren. Es zeigen:

  • 1 eine vereinfachte Form eines Messsignals mit der Amplitude 1 ohne Rauschen und Offset,
  • 2 eine vereinfachte Darstellung eines überlagerten Messsignals,
  • 3 das mit einem Optimalfilter gefilterte Messsignal,
  • 4 das differenzierte Signal von 3,
  • 5 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Durchflusszytometeraufbaus,
  • 6 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform,
  • 7 eine schematische Darstellung eines Detektors einer zweiten Ausführungsform,
  • 8 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform und
  • 9 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform.
Further advantages, features and application possibilities become clear based on the following description of preferred embodiments and the associated figures. Show it:
  • 1 a simplified form of a measurement signal with amplitude 1 without noise and offset,
  • 2 a simplified representation of a superimposed measurement signal,
  • 3 the measurement signal filtered with an optimal filter,
  • 4 the differentiated signal from 3 ,
  • 5 a schematic cross-sectional representation of a flow cytometer assembly,
  • 6 a schematic representation of a first embodiment,
  • 7 a schematic representation of a detector of a second embodiment,
  • 8th a schematic representation of a third embodiment and
  • 9 a schematic representation of a fourth embodiment.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird am Beispiel eines Durchflusszytometers, wie es schematisch in 5 gezeigt ist, erläutert. Die 5 zeigt einen Querschnitt. Das Durchflusszytometer weist einen auf einem Substrat 1 aufgebrachten Mikrokanal 2 auf, durch den fluoreszierende Objekte 3 bewegt werden. Dabei erreichen sie eine Anregungszone 4, welche mittels beispielsweise eines Laserstrahls beleuchtet wird, wodurch die Objekte angeregt werden und fluoreszierende Strahlung emittieren. In diesem Bereich ist ein optisches Amplitudengitter 5, d.h. ein nichtperiodisches, binäres Filter 5 vorgesehen, durch welches Fluoreszenzstrahlung austreten kann, welche über den optischen Filter 6 auf den Detektor 7 gelangt. Dort wird im Wesentlichen das in 2 oben gezeigte Signal empfangen. Das Signal besteht somit aus verschiedenen Rechteckpulsen, deren Breite der Breite der Öffnungen im binären Filter 5 entsprechen.The method according to the invention is illustrated using the example of a flow cytometer, as is shown schematically in 5 is shown, explained. The 5 shows a cross section. The flow cytometer has a microchannel 2 applied to a substrate 1, through which fluorescent objects 3 are moved. In doing so, they reach an excitation zone 4, which is illuminated by means of a laser beam, for example, whereby the objects are excited and emit fluorescent radiation. An optical amplitude grating 5, ie a non-periodic, binary filter 5, is provided in this area, through which fluorescence radiation can exit, which reaches the detector 7 via the optical filter 6. FIG. There essentially the in 2 receive the signal shown above. The signal thus consists of different square-wave pulses, the width of which corresponds to the width of the openings in the binary filter 5 .

In 6 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Ein Fluoreszenzlichtstrahl 8 wird an einem Strahlteiler 9 aufgeteilt. Ein erster Teil des Fluoreszenzlichtstrahls wird durch die Maske 10 auf den Detektor 12 abgebildet. Am Detektor 12 wird somit ein Signal empfangen, das sich durch eine Abfolge von „0“ und „1“ repräsentieren lässt. Der zweite Teil wird von dem zweiten Detektor 13 erfasst, der einer zweiten Maske 11, welche invers zur ersten Maske 10 ausgebildet ist, zugeordnet ist. Auch das vom zweiten Detektor 13 erfasste Signal lässt sich durch eine Abfolge von „0“ und „1“ repräsentieren. Das Signal des zweiten Detektors 13 wird mit Hilfe eines Multiplikators 14 mit „-1“ multipliziert. Danach werden die beiden Signale, d.h. das Signal des ersten Detektors 12 und das mit „-1" multiplizierte Signal des zweiten Detektors 13 miteinander korreliert, d.h. im vorliegenden Fall mit Hilfe des Addierers 15 addiert.In 6 a schematic representation of a first embodiment of the invention is shown. A fluorescent light beam 8 is split at a beam splitter 9 . A first portion of the fluorescent light beam is imaged through the mask 10 onto the detector 12 . A signal which can be represented by a sequence of “0” and “1” is thus received at the detector 12 . The second part is detected by the second detector 13, which is associated with a second mask 11, which is inversely configured to the first mask 10. FIG. The signal detected by the second detector 13 can also be represented by a sequence of “0” and “1”. The signal from the second detector 13 is multiplied by "-1" using a multiplier 14 . The two signals, ie the signal from the first detector 12 and the signal from the second detector 13 multiplied by "-1", are then correlated with one another, ie added in the present case using the adder 15 .

Durch die in 6 gezeigte Ausführungsform wird ein bipolares Signal erzeugt, welches bei der weiteren Auswertung verwendet wird. Bipolare Signale lassen sich deutlich leichter auswerten als die bislang verwendeten unipolaren Signale. Insbesondere kann das Signal-zu-Nebenkeulen-Verhältnis deutlich verbessert werden, da durch den bipolaren Charakter des Signals die niederfrequenten Anteile unterdrückt sind.through the in 6 shown embodiment, a bipolar signal is generated, which is used in the further evaluation. Bipolar signals are much easier to evaluate than the previously used unipolar signals. In particular, the signal-to-sidelobe ratio can be significantly improved since the low-frequency components are suppressed by the bipolar character of the signal.

In 7 ist eine schematische Darstellung eines Detektors einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Bei dieser Ausführungsform wird ein räumlich strukturierter Detektor 16 mit zwei getrennten Detektorausgängen 17,18 verwendet. Man erkennt, dass der nicht schraffierte Teil der Detektorfläche 19 dem ersten Detektorausgang 17 und der schraffierte, andere Teil dem zweiten Detektorausgang 18 zugeordnet ist. Die Zusammenschaltung der dem zweiten Detektorausgang 18 zugeordneten Fläche liefert somit das auf die binäre Sequenz bezogene komplementäre Signal.In 7 a schematic representation of a detector of a second embodiment is shown. In this embodiment, a spatially structured detector 16 with two separate detector outputs 17, 18 is used. It can be seen that the part of the detector surface 19 that is not hatched is assigned to the first detector output 17 and the other part that is hatched is assigned to the second detector output 18 . The interconnection of the area associated with the second detector output 18 thus provides the complementary signal related to the binary sequence.

Durch die Verwendung eines strukturierten Detektors wird das gesammelte Fluoreszenzlicht des Objektes vollständig genutzt, da keine Abschattung notwendig ist. Im Grunde genommen unterscheidet sich der räumlich strukturierte Detektor von den Schattenmasken dadurch, dass die abgeschatteten Bestandteile nun ebenfalls auf dem Detektor erfasst und dem inversen Signal zugeführt werden. Auch hier ist es möglich, das inverse Signal mit „-1“ zu multiplizieren und zu dem Ursprungssignal zu addieren, sodass ein bipolar codiertes Signal erzeugt wird.By using a structured detector, the fluorescence light collected from the object is fully utilized, since no shading is necessary. Basically, the spatially structured detector differs from the shadow masks in that the shadowed components are now also detected on the detector and fed to the inverse signal. Here, too, it is possible to multiply the inverse signal by "-1" and add it to the original signal, so that a bipolar coded signal is generated.

Bei dieser Ausführungsform wird zwar das Fluoreszenzlicht vollständig genutzt, der strukturierte Detektor 16 hat jedoch eine vorgegebene, nicht änderbare Struktur.Although the fluorescent light is fully utilized in this embodiment, the structured detector 16 has a predetermined, unchangeable structure.

In einer dritten Ausführungsform, die schematisch in 8 dargestellt ist, wird daher ein aus einer Vielzahl von Pixeln 21 bestehender Detektor 20 verwendet, bei dem jedes Pixel 21 selektiv ausgelesen werden kann. Durch analoges oder digitales Zusammenfassen einzelner Pixelbereiche (das auch „Binning“ genannt wird) ist es daher möglich, einen räumlich strukturierten Code zu implementieren. Das Binning ist mit Hilfe der miteinander verbundenen Linien in 8 skizziert. So werden die einzelnen Pixel 21 des Detektors 20 in dieser Figur zu einem ersten Pixelbereich 22 und einem zweiten Pixelbereich 23 zusammengefasst Mit Hilfe der entsprechenden Ansteuersoftware kann somit nahezu jeder beliebige Code durch entsprechendes Zusammenfassen von Pixelbereichen abgebildet werden. Neben dem Vorteil der einfachen Softwareimplementierung hat diese Ausführungsform weiterhin den Vorteil, dass das Rauschen bedingt durch die Vielzahl der Pixel des Detektors 20 weiter verringert wird.In a third embodiment, which is shown schematically in 8th is shown, a detector 20 consisting of a large number of pixels 21 is therefore used, in which each pixel 21 can be read out selectively. By analogously or digitally combining individual pixel areas (also called "binning") it is therefore possible to implement a spatially structured code. The binning is done using the connected lines in 8th sketched. Thus, the individual pixels 21 of the detector 20 in this figure are combined into a first pixel area 22 and a second pixel area 23. With the help of the appropriate control software, almost any code can be displayed by appropriately combining pixel areas. In addition to the advantage of the simple software implementation, this embodiment also has the advantage that the noise caused by the large number of pixels of the detector 20 is further reduced.

Da zudem das Signal nicht lokal ausgeblendet wird, sondern die gesamte Information erhalten bleibt, kann das Zusammenfassen von Pixeln softwaretechnisch auch parallel in vielen verschiedenen Variationen durchgeführt werden. Das gleiche Messsignal könnte somit unterschiedlichen Masken zugeordnet werden. Dies ist insbesondere von Vorteil für die Klasse von sogenannten komplementären Binärcodes, wie im Folgenden beschrieben wird, obgleich jede andere Art von Code ebenso implementiert werden kann. Durch die mehrfache parallele Auswertung des Signales ist es zudem möglich, dem Signal unterschiedliche Informationen zu entnehmen. So ist beispielsweise im ersten Schritt eine Partikeldetektion durch eine Autokorrelation von zwei räumlich versetzten LABS möglich und im zweiten Schritte kann dann die Partikelgeschwindigkeit mit einem periodischen Binningmuster ermittelt werden. Insbesondere dann, wenn das bipolare LABS entsprechend kurz ausgewählt wird, kann beispielsweise dreimal das gleiche LABS mittels des Detektors ausgelesen werden und aus der zeitlichen Differenz des Korrelationspeaks die Partikelgeschwindigkeit bestimmt werden.In addition, since the signal is not masked out locally, but the entire information is retained, the combining of pixels can also be carried out in parallel in many different variations using software technology. The same measurement signal could thus be assigned to different masks. This is particularly advantageous for the class of so-called complementary binary codes, as described below, although any other type of code can be implemented as well. Due to the multiple parallel evaluation of the signal, it is also possible to extract different information from the signal. For example, in the first step, particle detection is possible by autocorrelation of two spatially offset LABS, and in the second step, the particle speed can then be determined using a periodic binning pattern. In particular, if the bipolar LABS is selected to be correspondingly short, the same LABS can be read out three times by means of the detector, for example, and the particle velocity can be determined from the difference in time between the correlation peaks.

Durch die Umwandlung des zunächst unipolaren Signals in ein bipolares Signal können aus der Radartechnik bekannte Verfahren zur Teilchendetektion und zur Geschwindigkeitsbestimmung der Teilchen verwendet werden. Mit Vorteil wird das Messsignal in komplementäre Binärcodes umgewandelt. Diese besitzen die wesentliche Eigenschaft, dass die Addition ihrer Autokorrelationsfunktionen alle Signalnebenkeulen verschwinden lässt. Lediglich der Hauptpeak addiert sich konstruktiv. Beispiele und Definitionen von komplementären Binärcodes finden sich beispielsweise in „Radar signals“, Levanon, Nadav, and Eli Mozeson, John Wiley & Sons, 2004.und in M. J. I. Golay, „Complementary series“, IRE Trans. Inform. Theory, IT-7, Seiten 82 bis 87 (1961).By converting the initially unipolar signal into a bipolar signal, methods known from radar technology for particle detection and for determining the speed of the particles can be used. The measurement signal is advantageously converted into complementary binary codes. These have the essential property that the addition of their autocorrelation functions makes all signal sidelobes disappear. Only the main peak adds up constructively. Examples and definitions of complementary binary codes can be found, for example, in "Radar signals", Levanon, Nadav, and Eli Mozeson, John Wiley & Sons, 2004. and in M.J.I. Golay, "Complementary series", IRE Trans. Inform. Theory, IT-7 , pp. 82-87 (1961).

Ein weiterer nicht zu vernachlässigender Gesichtspunkt bei der Messung von Intensitäten ist der Offset, der sich durch das Detektorrauschen, durch elektronisches Rauschen und die Verstärkung ergibt und somit in jedem Signal enthalten ist.Another aspect that should not be neglected when measuring intensities is the offset that results from detector noise, electronic noise and amplification and is therefore contained in every signal.

Die hier beschriebenen bipolaren Codes bieten den Vorteil, dass eine konstante Offsetspannung am Detektor weitgehend eliminiert wird. Durch die Autokorrelation (auf dem resonanten Geschwindigkeitskanal) addiert sich ein konstanter Offset zu Null, was von Vorteil ist. Bei komplementären Sequenzen weisen jedoch beide Codes meistens unterschiedliche Signalenergien auf, sodass nach Autokorrelation und Addition im Korrelationssignal ein DC-Offset nicht verschwindet. Eine Möglichkeit, dies zu umgehen, ist eine Manchester-Encodierung der komplementären Sequenzen vorzunehmen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass jede Eins „1“ ersetzt wird durch die Abfolge „1, -1“, während eine inverse Eins „-1“ ersetzt wird durch die Ziffernfolge „-1, 1“. Dadurch werden die Sequenzen zwar doppelt so lang, jedoch wird auf diese Weise sichergestellt, dass beide Codes immer balanciert sind, d.h. die Manchester-Encodierte binäre Sequenz genauso viele Einsen „1“ wie inverse Einsen „-1“ aufweist und die Summe ihrer Koeffizienten daher immer Null ergibt und somit ein zeitlicher konstanter Detektoroffset eliminiert wird.The bipolar codes described here offer the advantage that a constant offset voltage at the detector is largely eliminated. Due to autocorrelation (on the resonant velocity channel), a constant offset adds to zero, which is beneficial. In the case of complementary sequences, however, both codes usually have different signal energies, so that a DC offset does not disappear in the correlation signal after autocorrelation and addition. One way to get around this is to Manchester encode the complementary sequences. This can be done, for example, by replacing each one "1" with the sequence "1, -1", while an inverse one "-1" is replaced with the digit sequence "-1, 1". Although this makes the sequences twice as long, it ensures that both codes are always balanced, i.e. the Manchester-encoded binary sequence has as many ones "1" as inverse ones "-1" and the sum of its coefficients therefore always results in zero and thus a time-constant detector offset is eliminated.

In 9 ist schematisch der Aufbau einer entsprechenden Detektionsvorrichtung gezeigt. Die zu detektierenden Objekte 3 bewegen sich durch einen Mikrokanal 2. In diesem Mikrokanal 2 wird mit Hilfe einer Beleuchtungsoptik 24, bestehend aus einem Laser (nicht gezeigt), von dem ein Laserstrahl 25 ausgesendet wird, einem optischen Anregungslichtfilter 26, einer Powell-Linse 27 und einer asphärischen Linse 28, eine Anregungszone gleichmäßig ausgeleuchtet. Beim Durchlaufen der Anregungszone fluoreszieren die Objekte 3. Das entsprechende Fluoreszenzlicht 29 trifft, nachdem es einen optischen Filter 30 passiert hat, auf ein Gradienten-Index-Linsen (GRIN) Array 31, was wiederum das Licht auf entsprechende Makropixel 32, die für das Binning zuständig sind, abbildet.In 9 the structure of a corresponding detection device is shown schematically. The objects 3 to be detected move through a microchannel 2. In this microchannel 2, illumination optics 24, consisting of a laser (not shown), from which a laser beam 25 is emitted, an optical excitation light filter 26, a Powell lens 27 and an aspherical lens 28, an excitation zone uniformly illuminated. The objects 3 fluoresce as they pass through the excitation zone. The corresponding fluorescent light 29, after passing through an optical filter 30, strikes a gradient index lens (GRIN) array 31, which in turn directs the light onto corresponding macropixels 32 used for binning are responsible.

BezugszeichenlisteReference List

11
Substratsubstrate
22
Mikrokanalmicrochannel
33
Objekteobjects
44
Anregungszoneexcitation zone
55
optisches Amplitudengitter (binärer Filter)optical amplitude grating (binary filter)
66
optischer Filteroptical filter
77
Detektordetector
88th
Fluoreszenzlichtstrahlfluorescent light beam
99
Strahlteilerbeam splitter
1010
Maskemask
1111
Maskemask
1212
Detektordetector
1313
Detektordetector
1414
Multiplikatormultiplier
1515
Addiereradder
1616
Detektordetector
1717
erster Detektorausgangfirst detector output
1818
zweiter Detektorausgangsecond detector output
1919
Detektorflächedetector surface
2020
Detektordetector
2121
Pixelpixel
2222
erster Pixelbereichfirst pixel area
2323
zweiter Pixelbereichsecond pixel area
2424
Beleuchtungsoptiklighting optics
2525
Laserstrahllaser beam
2626
Anregungslichtfilterexcitation light filter
2727
Powell-LinsePowell lens
2828
asphärische Linseaspheric lens
2929
Fluoreszenzlichtfluorescent light
3030
optischer Filteroptical filter
3131
GRIN-ArrayGRIN array
3232
Makropixelmacro pixels

Claims (8)

Verfahren zur Detektion von sich entlang einer Trajektorie bewegenden Partikeln (3), welche elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen, wobei die elektromagnetische Strahlung, das elektrische Feld oder das magnetische Feld detektiert wird, wobei ein erstes Signal mit Hilfe einer ersten Strukturierungseinrichtung (5, 10) erfasst wird, wobei die erste Strukturierungseinrichtung (5, 10) entweder dafür Sorge trägt, dass die Partikel (3) entlang eines Trajektorienabschnitts im Wesentlichen nur in ersten nicht-periodischen räumlichen Abständen elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen oder dafür Sorge trägt, das die elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder magnetische Feld im Wesentlichen nur in ersten nicht-periodischen räumlichen Abständen entlang des Trajektorienabschnitts detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Signal mit Hilfe einer zweiten Strukturierungseinrichtung (11) erfasst wird, wobei die zweite Strukturierungseinrichtung (11) entweder dafür Sorge trägt, dass die Partikel (3) entlang eines Trajektorienabschnitts im Wesentlichen nur in zweiten nicht-periodischen räumlichen Abständen elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen oder dafür Sorge trägt, das die elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder magnetische Feld im Wesentlichen nur in zweiten nicht-periodischen räumlichen Abständen entlang des Trajektorienabschnitts detektiert wird, dass das erste und das zweite Signal miteinander korreliert werden und aus dem korrelierten Signal Rückschlüsse auf die Anzahl und/oder die Geschwindigkeit der Partikel (3) gezogen werden.Method for detecting particles (3) moving along a trajectory, which generate or at least influence electromagnetic radiation, an electric field or a magnetic field, wherein the electromagnetic radiation, the electric field or the magnetic field is detected, a first signal having Using a first structuring device (5, 10) is detected, the first structuring device (5, 10) either ensures that the particles (3) along a trajectory section essentially only in first non-periodic spatial intervals electromagnetic radiation, an electrical Generate a field or a magnetic field or at least influence or ensure that the electromagnetic radiation, the electric or magnetic field is essentially only detected in first non-periodic spatial distances along the trajectory section, characterized in that a second signal with the aid of a second structuring device (11), the second structuring device (11) either ensuring that the particles (3) along a trajectory section essentially only generate electromagnetic radiation, an electric field or a magnetic field at second non-periodic spatial intervals or at least influence or ensure that the electromagnetic radiation, the electric or magnetic field is essentially only detected in second non-periodic spatial intervals along the trajectory section, that the first and the second signal are correlated with one another and conclusions can be drawn from the correlated signal on the number and/or the speed of the particles (3) can be drawn. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als erste und/oder zweite Strukturierungseinrichtung (10, 11) eine nicht-periodische, strukturierte Maske (10, 11) verwendet wird und die Partikel (3) an einer Seite der Maske (10, 11) mit einer Geschwindigkeit v vorbeigeführt werden und auf der anderen Seite die durch die Maske (10, 11) tretende elektromagnetische Strahlung, das elektrische Feld oder das magnetische Feld detektiert wird.procedure after claim 1 , characterized in that a non-periodic, structured mask (10, 11) is used as the first and/or second structuring device (10, 11) and the particles (3) on one side of the mask (10, 11) at a speed v are passed and on the other side through the mask (10, 11) passing electromagnetic radiation, the electric field or the magnetic field is detected. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als erste und/oder zweite Strukturierungseinrichtung ein Detektorarray (31) verwendet wird.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that a detector array (31) is used as the first and/or second structuring device. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Strukturierungseinrichtung (10, 11) jeweils derart ausgestaltet sind, dass bei einer Aufteilung des Trajektorienabschnittes in gleichlange Segmente, die Funktion der ersten und zweiten Strukturierungseinrichtung (10, 11) jeweils durch eine Abfolge von Nullen („0“) und Einsen („1“) beschrieben werden kann, wobei jede Ziffer ein Segment kennzeichnet und Segmente, in denen die jeweilige Strukturierungseinrichtung (10, 11) entweder dafür Sorge trägt, dass die Partikel (3) ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen oder dafür Sorge trägt, das die elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder magnetische Feld detektiert wird, mit der Ziffer „1“ bezeichnet werden und alle anderen Segmente mit der Ziffer „0“ bezeichnet werden.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the first and the second structuring device (10, 11) are each designed in such a way that when the trajectory section is divided into segments of equal length, the function of the first and second structuring device (10, 11) is in each case defined by a sequence of zeros ( "0") and ones ("1") can be described, with each digit identifying a segment and segments in which the respective structuring device (10, 11) either ensures that the particles (3) have an electric field or a generate or at least influence a magnetic field or ensure that the electromagnetic radiation, the electric or magnetic field is detected are identified by the number "1" and all other segments are identified by the number "0". Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass entweder die Abfolge der zweiten Strukturierungseinrichtung (11) gleich der von hinten nach vorne gelesenen Abfolge der ersten Strukturierungseinrichtung (10) ist oder die Abfolge der zweiten Strukturierungseinrichtung (11) gleich der Abfolge der ersten Strukturierungseinrichtung (10) ist, und beide Abfolgen gleichzeitig jeweils einem FIFO-Pufferspeicher zugeführt werden, wobei die beiden FIFO-Pufferspeicher parallel zueinander angeordnet sind, die beiden Abfolgen in entgegengesetzter Richtung zugeführt werden und für die Korrelation jeweils benachbarte Speicherplätze der beiden FIFO-Pufferspeicher korreliert werden.procedure after claim 4 , characterized in that either the sequence of the second structuring device (11) is the same as the sequence of the first structuring device (10), read from back to front, or the sequence of the second structuring device (11) is the same as the sequence of the first structuring device (10), and both sequences are simultaneously fed to a respective FIFO buffer, the two FIFO buffers being arranged parallel to one another, the two sequences being fed in opposite directions and for the correlation in each case adjacent memory locations of the two FIFO buffer memories are correlated. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfolge der zweiten Strukturierungseinrichtung (11) die inverse Abfolge zu der Abfolge der ersten Strukturierungseinrichtung (10) ist, wobei vorzugsweise entweder das mit der ersten Strukturierungseinrichtung (10) erfasste Signal oder das mit der zweiten Strukturierungseinrichtung (11) erfasste Signal mit einem Faktor „-1“ multipliziert wird und danach die beiden erfassten Signale durch Addition miteinander korreliert werden, um ein bipolares Signal zu bilden.procedure after claim 4 , characterized in that the sequence of the second structuring device (11) is the inverse sequence of the sequence of the first structuring device (10), with preferably either the signal detected with the first structuring device (10) or the signal detected with the second structuring device (11). signal is multiplied by a factor of "-1" and then the two acquired signals are correlated by addition to form a bipolar signal. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfolge der zweiten Strukturierungseinrichtung (11) komplementär zur Abfolge der ersten Strukturierungseinrichtung (10) ausgebildet sind.procedure after claim 4 , characterized in that the sequence of the second structuring device (11) is designed to be complementary to the sequence of the first structuring device (10). Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das bipolare Signal vor der weiteren Verarbeitung in einen Manchester Code umgewandelt wird.procedure after claim 6 , characterized in that the bipolar signal is converted into a Manchester code before further processing.
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