DE3590026T - Vorrichtung zur Messung von Fluoreszenzabkling-Charakteristiken von Materialien - Google Patents

Description

Vorrichtung zur Messung von Fluoreszenzabkling-Charakteristiken von Materialien

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung von Fluoreszenzabkling-Charakteristiken (im folgenden vereinfacht als "Fluoreszenzcharakteristiken" bezeichnet) von

IQ Materialien.

\/J Ein Gerät zur Messung von Fluoreszenzcharakteristiken von Materialien ist bereits bekannt,und es enthält eine Lichtquelle (entweder eine schmalbandige oder monochromatische), die im folgenden als Erregerlichtquelle bezeichnet wird, welche in der Lage ist, einen Zug bzw. eine Folge von Lichtimpulsen auszusenden, die auf das zu testende Material (oder die Probe) gerichtet sind, um die Probe in einen Fluoreszenzzustand zu erregen. Wenn die Probe

2Q fluoresziert, entsendet sie Energie in Form von einzelnen Photonen. Das bekannte Gerät enthält desweiteren Photonenermittlungs und -meßsysteme, wobei die letzteren gemäß der allgemein bekannten Photonen-Korrelationstechnik arbeiten unter Verwendung von Synchronisationsimpulsen, die von der Erregerlichtquelle geliefert werden, wobei Fluoreszenzabklingvorgänge und -abklingzeiten für die Probe (und damit verwandte Eigenschaften, wie ein Anisotropieabklingvorgang) bestimmt werden.

OQ In der Praxis sind typische Erregerlichtquellen Blitzlichtlampen (mit zugehörigen Wellenbandfiltern) und Laser, wobei beide Arten mit langfristigen, zeitabhängigen Änderungen bezüglich ihres optischen Impulsprofils behaftet sind und es daher notwendig ist, das auf jede Probe aufgebrachte Erregerimpulsprofil zu messen. Bei

dem bekannten Gerät wird dies entweder unmittelbar vor oder unmittelbar nach der Beleuchtung der Probe durchgeführt, indem man in der Probenstation eine Reflektorvorrichtung oder eine Streuvorrichtung anbringt, so daß die reflektierte Erregung auf die Detektor- und Meßsysteme gerichtet wird. Auf dieses Weise werden bestimmte langfristige, zeitabhängige Änderungen in den Charakteristiken der Detektor- und Meßsysteme berücksichtigt, zusätzlich zu Langzeitänderungen im Profil der Erregerimpulse.

Α- Das bekannte Gerät krankt an einer Anzahl von Nachteilen, und es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und abzuschwächen. So mißt beispielsweise das bekannte Gerät das Erregerimpulsprofil vor oder nach der Beleuchtung der Probe im Vertrauen auf die Konstanz des Erregerimpulsprofils sowohl während der Probenbeleuchtung als während der kontinuierlich fortlaufenden Messung des Erregerimpulsprofils. Tatsächlich haben jedoch bekannte Erregerlichtquellen Impulsprofile, welche das Bestreben zeigen, von Impuls zu Impuls zusätzlich zu Langzeitimpulsprofiländerungen zu variieren. Darüber hinaus ist für den Austausch der Probe und der Reflektoreinrichtung an der Probenstation eine Austauschbarkeit dieser Bauelemente erforderlich, was nicht in allen Fällen praktisch ist, da bestimmte Proben unter Umweltbedingungen fluoreszieren, welche einen Austausch der reflektierenden Vorrichtungen schwierig gestalten. Darüber hinaus tritt die Fluoreszenz üblicherweise bei einer spektralen Wellenlänge auf, die unterschiedlich (größer) als die Erregerwellenlänge ist, und die Detektor- und Meßsysteme haben üblicherweise unterschiedliche Charakteristiken bei diesen beiden Wellenlängen, so daß die Feststellung von Änderungen in den Detektor- und Meßsystemen mittels Hindurchleiten des Erregerlichts durch diese Systeme von Haus aus ungenau ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Gerät zur Messung der Fluoreszenzcharakteristiken einer Materialprobe geschaffen, wobei dieses Gerät enthält

- eine Probenstation zur Aufnahme einer Materialprobe, deren Fluoreszenzcharakteristiken gemessen werden sollen,

- eine Fluoreszenzphotonenvorgang -Aufnahmeeinrichtung, die mit der Probenstation gekoppelt ist, um einzelne Photonenvorgänge, die von dieser ausgehen, aufzunehmen,

- eine Erregerlichtquelle, die in der Lage ist, einen Zug von Erregerlichtimpulsen in Richtung auf die Probenstation auszusenden, so daß die darin befindliche Probe beleuchtet wird,

- eine Erregerimpulsprofilbestimmungseinrichtung, welche auf den genannten Zug von Erregerimpulsen anspricht und eine ausreichende Abschwächung aufweist, um eine Ausgangsvorgang -Zählrate zu liefern, die kompa-' tibel mit der FluoreszenzphotonenVorgang -Zählrate,

- eine Detektoreinrichtung, welche so angekoppelt ist, daß sie das Ausgangssignal der Empfängereinrichtung und das Ausgangssignal der Bestimmungseinrichtung aufnimmt,

- eine Synchronisationseinrichtung, die von der Erregerlichtquelle betreibbar ist, um einen Zug von Synchronisationsimpulsen zu erzeugen,

- eine Meßeinrichtung, die an den Ausgang der Detektoreinrichtung und an den Ausgang der Synchronisationseinrichtung gekoppelt ist und gemäß der Photonen-Korrela-

tionstechnik betreibbar ist, um auf einer "time sharing" Basis ein Maß der Fluoreszenzcharakteristiken zu liefern sowie ein Maß für das Erregerimpulsprofil, wobei die Meßeinrichtung eine Diskriminatoreinrichtung enthält, welche eine Unterscheidung der Erregerimpulsmessung von der Fluoreszenzcharakteristikmessung ermöglicht.

Aufgrund der vorliegenden Erfindung erfolgt die Messung des Erregerimpulsprofils auf einer "time sharing" Basis während der Dauer der Beleuchtung der Probe, wodurch die Messung genauer als bisher gerät und ohne Unterbrechung und Änderung der Probenstation und des zugehörigen Detektors durchgeführt werden kann, so daß zwingende Umfeldbedingungen für die Probe ohne Störung beibehalten werden können.

Die Detektoreinrichtung kann einen einzelnen Detektor enthalten, der beide Sätze von Eingangsvorgängen aufnimmt, oder sie kann ein Paar von Detektoren enthalten, ^von denen jeder nur jeweils einen Satz der Eingangsvorgänge aufnimmt. Die zuletzt genannte Anordnung wird bevorzugt, da sie es ermöglicht, die Detektorübertragungsfunktionen aneinander anzupasen trotz der unterschiedlichen spektralen Wellenlängen der der beiden Sätzen von Eingangsvorgängen. Demgemäß erfolgt eine Korrektur der "timing" Unterschiede automatisch.

Eine Zeitverzögerunseinrichtung ist vorzugsweise in einer der Empfängereinrichtungen und der Bestimmungseinrichtung vorgesehen, die optisch oder elektronisch verwirklicht sein kann, wobei diese vorzugsweise derart angeordnet ist, daß sie eine Zeitverzögerung bewirkt, die kürzer ist als eine halbe Impulswiederholungsperiode der Erreger lichtquelle, jedoch wesentlich größer als die Fluoreszenzabklingzeit der Probe.

Die Meßeinrichtung ist so angeordnet, daß sie das Zeitintevall mißt, bei dem ein Vorgang auftritt, in Relation zu einem Synchronisationsimpuls, wobei sie diese Meßwerte" in proportionale Amplitudenmeßwerte umwandeln kann. Darüber hinaus mißt die Meßeinrichtung die aufaddierte Zahl der in jedem Zeitintervall über die Dauer des Meßvorgangs Stattfindenten Vorgänge.

Die Diskriminatoreinrichtung kann von einer elektronischen Lenkungsschaltung (routing circuitry) beliefert sein, so daß Fluoreszenzvorgänge gegenüber Erregerimpulsprofilvorgängen in unterschiedliche Speicherkanäle geleitet werden, oder daß alle Vorgänge in einem einzigen Speicherkanal gespeichert und aufgrund der Erregerimpulsprofilvorgänge unterschieden werden, die bei längeren Zeitintervallkennungen auftreten und gespeichert werden als Fluoreszenzvorgänge.

£ Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden beispielshalber unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen beschrieben, in denen

Fig. 1 das bekannte Gerät zur Messung der Fluoreszenzcharakteristiken darstellt;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Geräts darstellt;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Geräts darstellt;

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Geräts darstellt;

Fig. 5 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Geräts darstellt.

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Im folgenden wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Eine Erregerlichtquelle 1 ist so angeordnet , daß sie einen Zug von Erregerlichtimpulsen längs eines Strahlenganges 2 aussendet, um eine Probe in einer Probenstation 3 zu beleuchten. Fluoreszenzphotonenvorgänge werden mittels einer Vorrichtung 9 empfangen, die üblicherweise in Form eines Wellenlängenselektors, wie beispielsweise eines Gittermonochromators, vorliegt, dessen Ausgangssignal einen Einzelphotonendetektor 10 (wie beispielsweise einen Photomultiplier) zugeführt wird. Der Detektor 10 liefert entsprechende Ausgangssignale an einem Eingang einer Meßeinrichtung 8,12 über einen Schwellwertdiskriminator 11, um Rauschsignale auszuschalten. Die Meßeinrichtung 8,12 enthält einen zweiten Eingang, der so angeschlossen ist, daß er einen Zug von Synchronisationsimpulsen aufnimmt, die von der Quelle 1 erhalten werden, und sie enthält eine Vorrichtung 8, die als Start/Stop-Zähler und Zeitintervall/Amplitudenwandler entsprechend der Photonen-Korrelationstechnik wirkt, sowie einen Mehrkanalanalysator 12, in dem das Ausgangssignal von der Vorrichtung 8 als Histogramm gespeichert wird, welches die relativen Wahrscheinlichkeiten des Auftretens der verschiedenen Start/Stop-Verzögerungszeiten wiedergibt, welches ein Maß für die Fluoreszenzcharakteristiken der Probe ist. Die Synchronisationsimpulse werden in Fig. 1 von dem optischen Ausgangssignal der Quelle 1 über einen Photomulitplier 4 einen Diskriminator 6 und eine Verzögerungsleitung 7 erhalten, wobei erreicht wird, daß die Synchronisationsimpulse nach entsprechend ermittelten Photonenvorgängen auftreten und dementsprechend Photonenvorgänge an den ¹ Start'-Eingang der Vorrichtung 8 angelegt werden, während Synchronisationsimpulse an den 'Stop'-Eingang der Vorrichtung 8 angelegt werden.

Bekannterweise können die Synchronisationsimpulse elektrisch von dem Impulsbildungssteuersystem der Quelle 1 erhalten und auf den 'Start'-Eingang der Vorrichtung 8 betrieben werden. Daneben liefert selbstverständlich die Photonen-Korrelationstechnik gültige Ergebnisse nur dann, wenn eine niedrige Ermittlungswahrscheinlichkeit beibehalten wird, typischerweise ein Photonenvorgang auf jeweils 100 Erregerimpulse.

Im folgenden wird auf die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die in den Figuren 2 bis 5 dargestellt sind, eingegangen. Zunächst ist festzustellen, daß die Bauelemente der Fig. 1 hierin enthalten sind und daß diese auch mit den gleichen Bezugszeichen belegt sind. Auf diese Weise ist in Fig. 2 die Erregerimpulsprofilbestimmungseinrichtung zusätzlich zu den Bauelementen von Fig. vorgesehen, und diese enthält einen Strahlenteiler 13, der in dem Strahlengang 2 angebracht ist, wodurch ein kleiner Bruchteil des Erregerlichts einer optischen Zeitverzögerungseinrichtung 14 zugeführt wird (beispielsweise einem Strahlengang in Luft (der zwischen Spiegeln abgelenkt ist) oder möglicherweise einem Lichtleiter, wie beispielsweise eine Einzelmoden-Glasfaser), wobei das Ausgangssignal der Verzögerungseinrichtung 14 durch passende Optiken 16 an den Eingang des Detektors 10 geliefert wird. Auf diese Weise empfängt bei dieser Ausführungsform ein einzelner Detektor 10 Vorgänge auf der Basis von "time sharing" von dem Element 16 und von dem Element 9. Eine Unterscheidung zwischen den beiden Messungen geliefert durch die Vorrichtungen 8 und 12 wird bei dieser Ausführungsform durch die Lage innerhalb des Speichers des Analysators 12 erzielt, wobei Erregungsvorgänge gegenüber Fluoreszenzvorgängen verzögert sind.

Bei der Ausführungsform von Fig. 3 enthält die Erregerimpulsprofilbestimmungseinrichtung in sich ihren eigenen Detektor 23, dem Eingangsoptiken 22 zugeordnet sind, so daß die Geometrie der Photokathodenbeleuchtung mit der des Detektors 10 in Übereinstimmung gebracht werden kann. Das Ausgangssignal des Detektors 23 wird einer Zeitverzögerungseinrichtung 25 (die in diesem Falle elektronisch arbeitet) über einen Schwellenwertdisksriminator 24 zugeführt, der entsprechend wie der Diskriminator 11 arbeitet,und das Ausgangssignal der Zeitverzögerungsvorrichtung 25 wird an den Eingang der Vorrichtung 8,12 in einer ODER Konfiguration angelegt. Die Ausführungsform der Fig. 3 hat gegenüber der von Fig. 2 den Vorteil, daß die Trennung der Detektorfunktion der beiden getrennten Detektoren 10, 23 es ermöglicht, das Impulsansprechen dieser Detektoren gut aneinander anzupassen, obwohl die Detektoren Vorgängen in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen ausgesetzt sind.

Die Ausführungsform in Fig. 4 ist ähnlich zu derjenigen von Fig. 3, mit der Ausnahme, daß hier die Zeitverzögerungseinrichtung 25 fehlt,und daß eine Signalführungsschaltung 18 eingeführt ist, welche die Eingangssignale von Diskriminatoren 11, 24 empfängt und in Folge den Analysator 12 über Leitung 19 steuert, um Erregerimpulsprofilvorgänge separat von Fluoreszenzphotonenvorgängen aufzunehmen und zu speichern und dadurch eine Unterscheidung zwischen diesen beiden Messungen vorzunehmen .

Leitung 21 liefert ein Rückseztsignal zur Schaltung 18 im Anschluß an die Speicherung von jedem Vorgang. Leitung 20 liefert ein Bestätigungsstartsignal.

Die Ausführungsform der Fig. 5 ist insofern ähnlich zu der Ausführungsform von Fig. 2, daß lediglich ein einzel-

-ιοί ner Detektor 10 verwendet wird. Bezüglich der Signalweiterleitungsschaltung 18 ist sie ähnlich zu der Ausführungsform von Fig. 4 , wobei jedoch in diesem Falle die Eingangssignale, die zu der Schaltung 18 gelangen, einerseits von der Vorrichtung 18 herkommen und andererseits von dem Diskriminator 17 an dem Ausgang des Detektors 15, der an den Ausgang der Verzögerungseinrichtung gekoppelt ist, erhalten werden.

Es versteht sich, daß die Schaltung 18 beispielsweise ein Latch enthält, was auf die Logik 1 oder die Logik gesetzt ist in Abhängigkeit davon, ob ein Fluoreszenzvorgang oder ein Erregervorgang signalisiert wird. Die Bedingungen der Latch bestimmt die Natur des Signals in der Leitung 19. Die Latch wird durch das Signal auf der Leitung 21 rückgesetzt.

Bei der Ausführungsform von Fig. 4, welche nicht die Zeitverzögerungseinrichtung 25 enthält, erfolgt eine Trennung der beiden Arten von Vorgängen auf statistischer Basis, da aufgrund des relativ seltenen Auftretens von Vorgängen ein gleichzeitiges Vorhandensein von sowohl Fluoreszenz als auch Erregervorgängen die Ausnahme ist. Auf dieser Basis kann entweder lediglich ein Vorgang als ein Fluoreszenzvorgang aufgezeichnet werden oder beide Vorgänge werden zurückgewiesen (und keine von beiden aufgezeichnet).

Es versteht sich nun, daß die vorliegende Erfindung in ihrer einfachsten Form eine quasi gleichzeitige Messung (d.h. auf einer "time sharing" Basis) von sowohl den Fluoreszenzcharakteristiken als auch den Erregerimpulsprofil liefert, wodurch eine automatische Korrektur der von den Fluoreszenzcharakteristiken gesammelten Daten aufgrund von Änderungen in der Erregerquelle vorgenommen

werden kann; dies betrifft sowohl Kurzzeit- als auch Langzeitänderungen. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, daß eine dearartige Messung des Erregerimpulsprofils unabhängig von der Probenstation vorgenommen werden kann, so daß spezielle Umweltbedingungen an dieser in der erwünschten Weise beibehalten werden können. Bei einer komplizierteren Ausführungsform ermöglicht es die Erfindung, die Photodetektoren aneinander anzupassen, um ähnliche Impulsübertragungsfunktionen für die empfangenen Vorgänge zu schaffe, so daß die Detektorausgangssignale unabhängig von den spektralen Wellenlängendifferenzen zwischen den Fluoreszenzvorgängen und den Erregerimpulsprofilvorgängen werden.

Claims (9)

Vorrichtung zur Messung der Fluoreszenz-Charakteristiken von Materialien Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Messung der Fluoreszenzcharakteristiken einer Materialprobe, bei der die Vorrichtung charakterisiert ist durch die Kombination aus

- einer Probenstation (3) zur Aufnhame einer Materialprobe, deren Fluoreszenzcharakteristik gemessen werden soll,

- einer Fluoreszenzphotonenvorgang-Empfängereinrichtung (9), die an die Probenstation (3) angekoppelt ist,

um einzelne Photonenvorgänge, welche von dieser ausgehen, aufzunehmen, 30

- einer Erregerlichtquelle (1), die in der Lage ist, einen Zug von Erregerlichtimpulsen in Richtung auf die Probenstation (3) auszusenden, so daß die darin befindliche Probe beleuchtet wird,

- einer Erregerimpulsprofilbestimmungseinrichtung (13, 14, 16), die auf den Zug von Erregerlichtimpulsen anspricht und eine ausreichende Abschwächung aufweist, um eine Ausgangsvorgang-Zählrate zu schaffen, die kompatibel mit der Zählrate des Fluoreszenzphotonenvorgangs ist,

- einer Detektoreinrichtung (10), die so gekoppelt ist, daß sie das Ausgangssignal der Aufnahmeeinrichtung

(9) und das Ausgangssignal der Bestimmungseinrichtung (13, 14, 16) empfängt,

- einer Synchronisationseinrichtung (4,6,7), welche von der Erregerlichtquelle (1) betreibbar ist, um einen Zug von Synchronisationsimpulsen zu erzeugen, und

- einer Meßeinrichtung (8,12), die an den Ausgang der Detektoreinrichtung (10) angekoppelt ist und an den Ausgang der Synchronisationseinrichtung (4,6,7) und die entsprechend der Photonen-Korrelationstechnik betreibbar ist, um auf der Basis eines "time Sharings" eine Messung der Fluoreszenzcharakteristik und eine Messung des Erregerimpulsprofils zu liefern, wobei die Meßeinrichtung (8,12) eine Diskriminatoreinrichtung (12) enthält, welche es ermöglicht, die Erregerimpulsprofilmessung von der Fluoreszenzcharakteristikmessung zu unterscheiden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorvorrichtung (10) einen einzelnen Detektor enthält, der beide Sätze von Eingangsvorgängen aufnimmt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (10) ein Paar von Detektoren (10, 23) enthält, von denen jeder lediglich einen Satz der Eingangsvorgänge aufnimmt.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zeitverzögerungseinrichtung (14) in der Empfängereinrichtung (9) oder der Bestimmungseinrichtung (13, 14, 16) vorgesehen ist, welche derart angeordnet ist, daß sie eine Zeitverzögerung von weniger als einer halben Impulswiederholungsperiode der Erregerlichtquelle (1) bewirkt, die jedoch wesentlich größer ist, als die Fluoreszenzabklingzeit der Probe.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (8,12) so angeordnet ist, daß sie das Zeitintervall, bei dem ein Vorgang stattfindet, in Relation zu einem Synchronisationsimpuls mißt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (8,12) den Meßwert des Zeitintervalls proportional in einen Amplitudenmeßwert umwandelt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (8, 12) die aufaddierte Anzahl der Vorgänge mißt, welche zu jedem Zeitintervall über die Dauer des Meßprozesses stattfinden.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskriminatoreinrichtung (12) durch eine elektrische Weiterleitungs-

schaltung geschaffen ist, so daß Fluoreszenzvorgänge in unterschiedliche Speicherkanäle geleitet werden als Erregungsimpulsprofilvorgänge.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskriminatoreinrichtung (12) von einem einzelnen Speicherkanal gebildet ist, in den Erregerimpulsprofilvorgänge bei längeren Zeitintervallkennungen gespeichert werden als Fluoreszenzvorgänge.