JP2694200B2 - Multi-channel fluorescence decay waveform measuring device - Google Patents

Multi-channel fluorescence decay waveform measuring device

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JP2694200B2
JP2694200B2 JP5427888A JP5427888A JP2694200B2 JP 2694200 B2 JP2694200 B2 JP 2694200B2 JP 5427888 A JP5427888 A JP 5427888A JP 5427888 A JP5427888 A JP 5427888A JP 2694200 B2 JP2694200 B2 JP 2694200B2
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photoelectron
shift register
fluorescence decay
decay waveform
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哲郎 岩田
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6408Fluorescence; Phosphorescence with measurement of decay time, time resolved fluorescence

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、試料へ照射した励起光パルスに応答して、
該試料から放出される蛍光のフォトンを光電子パルスに
変換し、クロックパルスによりシフトされるシフトレジ
スタに該変換された光電子パルスを供給して、該フォト
ンの発生時刻に対応した情報を有する光電子パルス列の
パターンを該シフトレジスタに作成し、該パターンを読
み出して統計的な積算処理を施すことにより蛍光減衰波
形を測定するマルチチャンネル蛍光減衰波形測定装置に
関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial field of application] The present invention relates to an excitation light pulse applied to a sample,
The photons of fluorescence emitted from the sample are converted into photoelectron pulses, the converted photoelectron pulses are supplied to a shift register that is shifted by a clock pulse, and a photoelectron pulse train having information corresponding to the time of occurrence of the photons is generated. The present invention relates to a multi-channel fluorescence decay waveform measuring device that measures a fluorescence decay waveform by creating a pattern in the shift register, reading the pattern, and performing statistical integration processing.

[従来の技術] 蛍光減衰波形測定手法として、蛍光強度が微弱な場合
には、感度、分解時間の観点から単一光子遅延一致法
(以下TAC法と略記)が広く用いられている。TAC法は数
ピコ秒という分解時間が達成できるものの、その測定原
理上、信号利用率が非常に低い。波形歪みなく信号を得
るためには、1回の試料励起に対して高々1個のフォト
ンの発生しか許されず、通常を数十回の励起に対して平
均1個のフォトンが発生するような光量にしなければな
らない。したがって、ある程度“明るい”試料に対して
は減光という好ましくない手段を使用しなければならな
い。
[Prior Art] As a fluorescence decay waveform measuring method, a single photon delay matching method (hereinafter abbreviated as TAC method) is widely used from the viewpoint of sensitivity and decomposition time when the fluorescence intensity is weak. Although the TAC method can achieve a decomposition time of a few picoseconds, the signal utilization rate is extremely low due to its measurement principle. In order to obtain a signal without waveform distortion, only one photon can be generated at most for one excitation of the sample, and normally, the amount of light is such that one photon is generated on average for several tens of excitations. I have to Therefore, the undesirable means of dimming must be used for some "bright" samples.

このTAC法に対して、分解時間をある程度犠牲にして
も、信号利用率を向上させようというのが光電子パルス
列同時検出法である。光電子パルス列同時検出法では、
1回の励起に対して複数個のフォトンが発生した場合、
それらをすべて計測する。その原理を第3図に示す。
(イ)は試料への励起光パルスであり、(ロ)は試料か
らの光量が非常に強い場合の蛍光減衰波形である。光量
が弱くなると、これを光電変換する光電子増倍管からの
出力は、フォトン1個1個に対応した光電子パルスにな
り、そのパルス発生時刻の確率密度関数は、(ロ)の強
度に比例したものになる。各励起後の光電子パルス発生
状況は毎回異なり、これを(ハ)(ニ)(ホ)(ヘ)に
示す。したがって、(ト)に示すように(時間区分され
た各領域がカウンタに対応し、○は1個のフォトンを示
す)、各フォトンの発生時刻に対応するカウンタを用意
しておき、光電子パルス1個の発生につき対応するカウ
ンタの内容を1だけ加算すれば、多数回励起による積算
を行うことにより、最終的に(ロ)の波形と相似な波形
が得られる。この場合の分解時間は、(ト)に示したΔ
tである。
In contrast to the TAC method, the photoelectron pulse train simultaneous detection method aims to improve the signal utilization rate even if the decomposition time is sacrificed to some extent. In the photoelectron pulse train simultaneous detection method,
When multiple photons are generated for one excitation,
Measure them all. The principle is shown in FIG.
(A) is the excitation light pulse to the sample, and (B) is the fluorescence decay waveform when the light intensity from the sample is very strong. When the amount of light becomes weak, the output from the photomultiplier that photoelectrically converts this becomes a photoelectron pulse corresponding to each photon, and the probability density function of the pulse generation time was proportional to the intensity of (b). It becomes a thing. The photoelectron pulse generation state after each excitation is different every time, and this is shown in (c), (d), (e), and (f). Therefore, as shown in (G) (each time-divided region corresponds to a counter, and ○ indicates one photon), a counter corresponding to the photon generation time is prepared, and the photoelectron pulse 1 If only 1 is added to the content of the corresponding counter for each generation, the waveforms similar to the waveform of (B) are finally obtained by performing integration by multiple excitations. The decomposition time in this case is Δ shown in (g).
t.

この原理に基づく最も簡単なマルチチャンネル蛍光減
衰波形測定装置を第4図に示す。このマルチチャンネル
蛍光減衰波形測定装置では、1回の励起光パルスによる
試料励起後の光電子増倍管10からのパルス列をアンプ・
ディスクリミネータ12を通して高速動作可能なNビット
のシフトレジスタ14に供給し、クロックパルス発生器16
からのクロックパルスによりΔt毎に1ビットシフトさ
れるシフトレジスタ14上にビットパターンを作成し、N
Δt後にタイミングコントローラ18から制御パルスを受
けてシフトレジスタ14の内容をバッファレジスタ20に読
み出し、バッファレジスタ20の各ビットに対応して設け
られたカウンタ22によりこのビットデータを計数する。
試料励起毎に生じるビットパターンを逐時、カウンタ22
に加算していく。この場合の分解時間は、クロックパル
ス発生器16からのクロックパルスの周期Δtである。
The simplest multi-channel fluorescence decay waveform measuring device based on this principle is shown in FIG. In this multi-channel fluorescence decay waveform measuring device, the pulse train from the photomultiplier tube 10 after the sample excitation by one excitation light pulse is amplified and
It is supplied to the N-bit shift register 14 which can operate at high speed through the discriminator 12, and the clock pulse generator 16
Create a bit pattern on the shift register 14 that is shifted by 1 bit per Δt by the clock pulse from
After Δt, the control pulse is received from the timing controller 18, the contents of the shift register 14 are read into the buffer register 20, and the bit data is counted by the counter 22 provided corresponding to each bit of the buffer register 20.
The bit pattern that occurs each time the sample is excited
To be added. The decomposition time in this case is the period Δt of the clock pulse from the clock pulse generator 16.

この構成のマルチチャンネル蛍光減衰波形測定装置
は、ビットパターンの積算処理という観点からは理想的
であるが、多くのカウンタを要し、またデータ処理のた
めにカウンタの内容を読み出そうとすると、多くのマル
チプレクサや、繁雑な配線を必要とする。
The multi-channel fluorescence decay waveform measuring apparatus of this configuration is ideal from the viewpoint of integration processing of bit patterns, but requires many counters, and when trying to read the contents of the counters for data processing, It requires many multiplexers and complicated wiring.

本発明者は、分解時間を2倍にし、しかも構成を簡単
化した第5図に示すマルチチャンネル蛍光減衰波形測定
装置を案出し、製作した。2段のフトレジスタ14A、14B
を、クロックパルス発生器16′から出力される、位相が
180度異なったクロックパルスでそれぞれΔt毎に交互
にシフトし、光電子パルスのビットパターンをシフトレ
ジスタ14A、14B上に作成する。一方、タイミングコント
ローラ18′による制御の下で、このΔt毎に、各シフト
レジスタ14A、14Bの各ビットに対応するアドレスを有す
る、RAM24A、24Bの内容をバッファレジスタ26A、26Bを
介しカウンタ28A、28Bに逐時読み出しては、シフトレジ
スタ14A、14Bの最上位ビットから直列に取り出されるビ
ットデータを加算し、当該アドレスにストアする。この
ような一連の時系列的な処理で蛍光減衰波形のヒストグ
ラムの作成が行えるようにした。
The present inventor has devised and manufactured a multi-channel fluorescence decay waveform measuring apparatus shown in FIG. 5 in which the decomposition time is doubled and the configuration is simplified. Two-stage shift register 14A, 14B
Is output from the clock pulse generator 16 ', the phase is
The bit patterns of the photoelectron pulses are created alternately on the shift registers 14A and 14B by alternately shifting every Δt with clock pulses different by 180 degrees. On the other hand, under the control of the timing controller 18 ', the contents of the RAMs 24A, 24B having the addresses corresponding to the respective bits of the shift registers 14A, 14B for each .DELTA.t are countered by the counters 28A, 28B via the buffer registers 26A, 26B. The data is sequentially read out, and the bit data serially taken out from the most significant bits of the shift registers 14A and 14B are added and stored at the address. The histogram of the fluorescence decay waveform can be created by such a series of time-series processing.

この製作した装置の性能は、分解時間2.5n sec、測定
可能な時間スパン100n sec、繰り返し周波数25KHZであ
る。
The performance of the manufactured device is a decomposition time of 2.5 nsec, a measurable time span of 100 nsec, and a repetition frequency of 25 KHZ.

本発明者は、光電子パルス列同期検出法を実現する他
のマルチチャンネル蛍光減衰波形測定装置として、バー
ニアクロノトロンを利用したものを案出し、製作した。
The present inventor has devised and produced another multi-channel fluorescence decay waveform measuring device that realizes the photoelectron pulse train synchronous detection method, using a vernier chronotron.

第6図はバーニアクロノトロンを示しており、伝播遅
延時間τ、τ+Δτの2本の同軸ケーブル30A、30Bと、
波形整形のための2つのリフレッシュアンプ32A、32B
と、2つのパルスの合致を検出するコインシデンス回路
34と、パルスの周回数を数えるスケーラ36で構成されて
いる。その原理は以下のようである。今、時間差tを有
する2つのパルスA,Bをそれぞれ図のように入力する
と、各々のパルスは、それぞれ周期τ+Δτとτでそれ
ぞれの径路を循環する。ここで、パルスBはパルスAよ
りもΔτだけ短い周期となるので、パルスBは循環1回
につきΔτだけパルスAに相対的に接近することにな
る。したがって、パルスBはt/Δτ回目にパルスAに追
いつき、合致が検出される。一方、パルスBの周回数は
スケーラ36で計数されており、合致が検出されたときに
この計数を停止する。Δτは既知であるので、周回数n
を計数することにより、最初のパルス間隔tは、t=n
Δτで求められる。このバーニアクロノトロンは、微分
直線性が極めて安定で、分解時間はケーブルの長さの差
に比例したΔτで決定される。
FIG. 6 shows a vernier chronotron, and two coaxial cables 30A and 30B having propagation delay times τ and τ + Δτ,
Two refresh amplifiers 32A and 32B for waveform shaping
And a coincidence circuit that detects the coincidence of two pulses
It consists of 34 and a scaler 36 that counts the number of pulse turns. The principle is as follows. When two pulses A and B having a time difference t are input as shown in the figure, each pulse circulates in each path with a period of τ + Δτ and τ. Here, since the pulse B has a cycle shorter than the pulse A by Δτ, the pulse B relatively approaches the pulse A by Δτ for each circulation. Therefore, the pulse B catches up with the pulse A at the t / Δτth time, and a match is detected. On the other hand, the number of rounds of the pulse B is counted by the scaler 36, and this counting is stopped when a match is detected. Since Δτ is known, the number of turns n
, The first pulse interval t is t = n
Calculated by Δτ. This vernier chronotron has extremely stable differential linearity, and the decomposition time is determined by Δτ which is proportional to the difference in cable length.

バーニアクロノトロンは2つのパルスの時間差しか測
定できない。これはマルチチャンネル化するためには、
本発明者により案出された第7図に示す構成にすればよ
い。パルスAとパルス列Bを図のように入力すれば、A
が試料への励起光パルスに同期したパルス、Bが光電子
増倍管からの光電子パルス列に対応する。第6図のスケ
ーラ36の代わりに、シフトレジスタ14を用意し、スケー
ラ36で計数していた周回パルスでシフトレジスタ14のシ
フト動作をさせ、コインシデンス回路34からの合致検出
パルスをシフトレジスタ14への直列データ入力パルスと
する。このようにすれば、パルス列Bが同軸ケーブル30
Bを循環している間に、このパルス列Bがシフトレジス
タ14上のビットパターンに変換される。
Vernier chronotron can only measure the time difference between two pulses. In order to make it multi-channel,
The configuration shown in FIG. 7 devised by the inventor may be used. If pulse A and pulse train B are input as shown in the figure, A
Indicates a pulse synchronized with the excitation light pulse to the sample, and B corresponds to the photoelectron pulse train from the photomultiplier tube. A shift register 14 is prepared in place of the scaler 36 in FIG. 6, and the shift operation of the shift register 14 is performed by the round pulse counted by the scaler 36, and the coincidence detection pulse from the coincidence circuit 34 is sent to the shift register 14. Assume serial data input pulse. In this way, the pulse train B is the coaxial cable 30
While circulating B, this pulse train B is converted into a bit pattern on the shift register 14.

試料励起毎に生じるシフトレジスタ14上のビットパタ
ーンの処理は、第4図または第5図に示す回路を用いて
行うことができ、本発明者は第5図に示す回路を用いた
ものを製作した。
The processing of the bit pattern on the shift register 14 that occurs each time the sample is excited can be performed by using the circuit shown in FIG. 4 or FIG. 5, and the present inventor manufactured the one using the circuit shown in FIG. did.

以上説明したマルチチャンネル蛍光減衰波形測定装置
のダイナミックレンジは、アンプ・ディスクリミネータ
12のパルス対分解能で制限される。一方、分解時間は、
シフトレジスタ方式の場合はシフトレジスタへのクロッ
ク周波数、バーニアクロノトロンの場合はケーブル長差
で決定される。
The dynamic range of the multi-channel fluorescence decay waveform measuring device described above depends on the amplifier / discriminator.
Limited to 12 pulse-pair resolutions. On the other hand, the decomposition time is
In the case of the shift register system, it is determined by the clock frequency to the shift register, and in the case of Vernier Chronotron, it is determined by the cable length difference.

したがって、前者の場合にはクロック周波数を上げれ
ば、また後者の場合にはケーブル長差を短くすれば、電
気系のジッタの程度まで分解時間を向上させることがで
きる筈である。
Therefore, if the clock frequency is raised in the former case and the cable length difference is shortened in the latter case, the disassembly time should be improved to the extent of the electrical system jitter.

しかしながら、実際には、光電子増倍管10からの光電
子パルスが1.5〜3.0n sec程度の幅を有し、一個のパル
スが複数個のチャンネルにわたって計数されるために、
分解時間は光電子増倍管10の出力パルス幅程度が下限で
あると一般に考えられていた。
However, in reality, since the photoelectron pulse from the photomultiplier tube 10 has a width of about 1.5 to 3.0 nsec and one pulse is counted over a plurality of channels,
It was generally considered that the lower limit of the decomposition time was about the output pulse width of the photomultiplier tube 10.

そこで、本発明者は、この問題点を解決すたマルチチ
ャンネル蛍光減衰波形測定装置を案出した(昭和63年2
月29日付の特許出願)。
Therefore, the present inventor has devised a multi-channel fluorescence decay waveform measuring device that solves this problem (2, 1988).
Patent application dated March 29).

これを第8図について説明する。なお、第5図と同一
構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
This will be described with reference to FIG. The same components as those in FIG. 5 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

コントローラ18は、スイッチ38をクロックパルス発生
器16側にした後、励起パルスを励起光源(不図示)に供
給して試料に励起光パルスを照射する。この励起光パル
スは光センサ(不図示)で検出され、この検出信号に同
期してクロックパルス発生器16からクロックパルスが発
生開始される。コントローラ18はこのクロックパルスを
計数する。クロックパルスは、シフトパルスとしてシフ
トレジスタ14へも供給され、クロックパルスの周期Δt1
毎にシフトレジスタ14を1ビット第8図右方向にシフト
する。試料から放出された蛍光のフォトンは、光電子増
倍管10により光電子パルスに変換され、アンプ・ディス
クリミネータ12を通ってシフトレジスタ14へ供給され
る。したがって、試料励起後、時間NΔt1経過すると、
蛍光寿命を示す光電子パルス列のパターンがシフトレジ
スタ14に作成される。
After setting the switch 38 to the clock pulse generator 16 side, the controller 18 supplies the excitation pulse to the excitation light source (not shown) and irradiates the sample with the excitation light pulse. This excitation light pulse is detected by an optical sensor (not shown), and the clock pulse generator 16 starts generating a clock pulse in synchronization with this detection signal. The controller 18 counts this clock pulse. The clock pulse is also supplied to the shift register 14 as a shift pulse, and the clock pulse period Δt 1
Each time, the shift register 14 is shifted by 1 bit to the right in FIG. Fluorescent photons emitted from the sample are converted into photoelectron pulses by the photomultiplier tube 10 and supplied to the shift register 14 through the amplifier / discriminator 12. Therefore, when the time NΔt 1 elapses after the sample is excited,
A pattern of a photoelectron pulse train indicating the fluorescence lifetime is created in the shift register 14.

第9図(A)はアンプ・ディスクリミネータ12から出
力される光電子パルス列であり、(B)はこのパルス列
によりシフトレジスタ14に作成されたビットパターンで
ある。図中、斜線部は光電子パルスに対応した部分のビ
ットであって、“1"が格納され、他は“0"が格納されて
いる。
9A shows a photoelectron pulse train output from the amplifier / discriminator 12, and FIG. 9B shows a bit pattern created in the shift register 14 by this pulse train. In the figure, the shaded area is a bit corresponding to the photoelectron pulse, "1" is stored, and "0" is stored in the other areas.

コントローラ18は試料励起パルス出力後、N個のクロ
ックパルスを計数すると、スイッチ38を分周器40側に切
り換え、クロックパルス発生器16からのクロックパルス
を分周器40で分周したものをシフトパルスとしてシフト
レジスタ14へ供給する。すなわち、その後のデータ処理
速度との関係から、シフトレジスタ14からの直列データ
の読み出しを比較的遅く行う。
When the controller 18 counts N clock pulses after outputting the sample excitation pulse, the switch 38 switches the switch 38 to the frequency divider 40 side, and shifts the clock pulse from the clock pulse generator 16 divided by the frequency divider 40. The pulse is supplied to the shift register 14. That is, the serial data is read relatively slowly from the shift register 14 in relation to the subsequent data processing speed.

この直列データは第9図(B)に示す如くなっいる
が、有効データ抽出回路42を通ると、(E)に示す如
く、光電子パルスに対応した連続する複数ビットのう
ち、最初の1ビットのデータが有効データとして抽出さ
れる。
This serial data is as shown in FIG. 9 (B), but when it passes through the effective data extraction circuit 42, as shown in (E), the first 1 bit of the continuous plural bits corresponding to the photoelectron pulse is shown. The data is extracted as valid data.

すなわち、(C)に示すパルスがオンディレイ回路46
を通ると、(D)に示す如く、分周器40の出力パルスの
1周期Δt2に等しい時間だけ立ち上がりが遅れた波形に
され、次いでインバータ48で反転され、アンドゲート44
に供給されて、シフトレジスタ14からのパルスとの論理
積がアンドゲート44から出力され、(E)に示す如くな
る。オンディレイ回路46は図示の如く抵抗器Rおよびコ
ンデンサCからなる積分回路を使用できる。
That is, the pulse shown in (C) is the on-delay circuit 46.
After passing through, as shown in (D), a waveform whose rising edge is delayed by a time equal to one cycle Δt 2 of the output pulse of the frequency divider 40 is formed, which is then inverted by the inverter 48, and the AND gate 44
Is supplied to the AND gate 44 and the logical product of the pulse from the shift register 14 is output from the AND gate 44, as shown in (E). The on-delay circuit 46 can use an integrating circuit including a resistor R and a capacitor C as shown in the figure.

一方、分周器40からパルスが1個出力される毎に、次
のような一連の処理が行なわれる。
On the other hand, every time one pulse is output from the frequency divider 40, the following series of processing is performed.

すなわち、RAM24のアドレスAのデータDAが、バッフ
ァレジスタ26を介してカウンタ28へ供給され、アンドゲ
ート44から出力されるビットデータがカウンタ28により
計数(ビットデータが“1"のときのみ1を加算)され、
次いでバッファレジスタ26を介してRAM24の元のアドレ
スAに格納される。次いでRAM24のアドレスがインクリ
メントされる。
That is, the data D A of the address A of the RAM 24 is supplied to the counter 28 via the buffer register 26, and the bit data output from the AND gate 44 is counted by the counter 28 (1 is set only when the bit data is “1”). Added)
Then, it is stored in the original address A of the RAM 24 via the buffer register 26. Then, the address of the RAM 24 is incremented.

このような一連の処理がN回繰り返して行われると、
RAM24へのデータ書き込み処理が一旦停止され、スイッ
チ38がクロックパルス発生器16側へ切り換えられ、上述
のシフトレジスタ14への光電子パルス列パターンの作成
が行われる。
When such a series of processing is repeated N times,
The process of writing data to the RAM 24 is temporarily stopped, the switch 38 is switched to the clock pulse generator 16 side, and the photoelectron pulse train pattern for the shift register 14 is created.

[発明が解決しようとする課題] しかしながら、測定時間を短縮するために励起光パル
スを強くすると、第10図(A)に示す如く、アンプディ
スクリミネータ12から出力される複数の光電子パルスが
オーバーラップした状態で現れる頻度が多くなり、シフ
トレジスタ14には(B)に示す如く多数のビットが連続
したパターンが形成される。
[Problems to be Solved by the Invention] However, if the excitation light pulse is increased in order to shorten the measurement time, as shown in FIG. 10 (A), a plurality of photoelectron pulses output from the amplifier discriminator 12 are overloaded. The frequency of appearance in the wrapped state increases, and a pattern in which a large number of bits are continuous is formed in the shift register 14 as shown in FIG.

この場合、第8図に示す装置では、第10図(C)に示
す如く最初のビットのみが有効ビットとして42から抽出
されるので、時間的に最初の光電子パルスP1についての
み、カウントされ、後の光電子パルスP2についてはカウ
ントされない。したがって、入射蛍光の光量に対しフォ
トンの平均計数が比例する該入射光量の範囲、すなわち
ダイナミックレンジは、アンプ・ディスクリミネータ12
のパルス対分解能により制限され、これをさらに拡大す
ることができなかった。
In this case, in the device shown in FIG. 8, since only the first bit is extracted from 42 as the effective bit as shown in FIG. 10 (C), only the first photoelectron pulse P 1 in time is counted, The subsequent photoelectron pulse P 2 is not counted. Therefore, the range of the incident light quantity in which the average count of photons is proportional to the light quantity of the incident fluorescence, that is, the dynamic range is determined by the amplifier / discriminator 12
It was limited by the pulse-pair resolution of and could not be expanded further.

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、分解時間を光電
子パルス幅以下に向上させることができるとともに、入
射光量に対するダイナミックレンジを拡大できるマルチ
チャンネル蛍光減衰波形測定装置を提供することにあ
る。
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a multi-channel fluorescence decay waveform measuring device capable of improving the decomposition time to be equal to or shorter than the photoelectron pulse width and expanding the dynamic range with respect to the amount of incident light.

[課題を解決するための手段] この目的を達成するために、本発明に係るマルチチャ
ンネル蛍光減衰波形測定装置では、試料へ照射した励起
光パルスに応答して、該試料から放出される蛍光のフォ
トンを光電子パルスに変換し、クロックパルスによりシ
フトされるシフトレジスタに該変換された光電子パルス
を供給して、該フォトンの発生時刻に対応した情報を有
する光電子パルス列のパターンを該シフトレジスタに作
成し、該パターンを読み出して統計的な積算処理を施す
ことにより蛍光減衰波形を測定するマルチチャンネル蛍
光減衰波形測定装置において、該シフトレジスタに格納
されている、光電子パルスに対応した連続する複数ビッ
トデータのうち、一定間隔毎のビットデータを有効なビ
ットデータとして抽出する有効データ抽出手段を設けた
ことを特徴としている。
[Means for Solving the Problem] In order to achieve this object, in the multi-channel fluorescence decay waveform measuring apparatus according to the present invention, the fluorescence emitted from the sample in response to the excitation light pulse applied to the sample The photon is converted into a photoelectron pulse, and the converted photoelectron pulse is supplied to a shift register which is shifted by a clock pulse to create a pattern of a photoelectron pulse train having information corresponding to the time of occurrence of the photon in the shift register. In a multi-channel fluorescence decay waveform measuring device for measuring a fluorescence decay waveform by reading out the pattern and performing a statistical integration process, a continuous multi-bit data corresponding to a photoelectron pulse stored in the shift register Of these, a valid data extraction method that extracts bit data at regular intervals as valid bit data It is characterized by the provision of steps.

[実施例] 以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図にはマルチチャンネル蛍光減衰波形測定装置の
ブロック回路が示されており、第8図と同一構成要素に
は同一符号を付して説明を省略する。
FIG. 1 shows a block circuit of the multi-channel fluorescence decay waveform measuring apparatus. The same components as those in FIG. 8 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

スイッチ38の実線図示状態で試料励起後、時間NΔt1
経過すると、蛍光寿命を示す光電子パルス列のパターン
がシフトレジスタ14に形成されることは上記と同様であ
る。第2図(A)に示す如き光電子パルスP1およびP2
アンプ・ディスクリミネータ12から得られたとき、シフ
トレジスタ14には(B)に示すパルス列が形成される。
After the sample is excited in the state shown by the solid line of the switch 38, the time NΔt 1
After the lapse of time, the pattern of the photoelectron pulse train showing the fluorescence lifetime is formed in the shift register 14 as in the above. When the photoelectron pulses P 1 and P 2 as shown in FIG. 2A are obtained from the amplifier discriminator 12, the pulse train shown in FIG. 2B is formed in the shift register 14.

この時間NΔt1経過後、コントローラ18からの指令に
よりスイッチ38は点線図示状態に切り換えられ、シフト
レジスタ14から比較的遅い速度で直列データが読み出さ
れる。
After the elapse of this time NΔt 1 , the switch 38 is switched to the state shown by the dotted line by the command from the controller 18, and the serial data is read from the shift register 14 at a relatively slow speed.

この直列データはアンドゲート50の一方の入力端子に
供給される。アンドゲート50の他方の入力端子は後述す
る如く、常時ハイレベルになっており、該直列データは
アンドゲート50を通ってモノステーブルマルチバイブレ
ータ(以下モノマルチという)52に入力され、これがト
リガされる。このモノマルチ52の非安定(オン)時間
は、分周器40の出力パルスの1周期Δt2に等しく選ばれ
ている。したがって、モノマルチ52のQ出力は、第2図
(C)に示す如く、光電子パルスP1に関する最初のビッ
トデータと対応する時間だけオンし、その出力がカウン
タ28に供給される。
This serial data is supplied to one input terminal of the AND gate 50. The other input terminal of the AND gate 50 is always at a high level, as described later, and the serial data is input to the monostable multivibrator (hereinafter referred to as monomulti) 52 through the AND gate 50 and is triggered. . The non-stable (ON) time of the monomulti 52 is selected to be equal to one cycle Δt 2 of the output pulse of the frequency divider 40. Therefore, the Q output of the monomulti 52 is turned on for a time corresponding to the first bit data regarding the photoelectron pulse P 1 , as shown in FIG. 2 (C), and its output is supplied to the counter 28.

一方、この出力は、インバータ54を通じてモノマルチ
56に供給される。モノマルチ56は、モノマルチ52の出力
パルスの立ち下がり(後縁)によってトリガされる。モ
ノマルチ56の出力は、(D)に示す如く、常時“1"を
出力しており、上記トリガにより出力が“0"になる。こ
の非安定(オフ)時間Δt3は、一個の光電子パルスに対
応した連続するビット数をnとするとき、Δt3=nΔt2
−Δt2に選ばれている。モノマルチ56のこのオフ時間Δ
t3では、アンドゲート50が閉じているので、シフトレジ
スタ14からのデータはモノマルチ52に供給されない。
On the other hand, this output is output to the
Supplied to 56. Monomulti 56 is triggered by the falling edge (trailing edge) of the output pulse of monomulti 52. The output of the mono-multi 56 constantly outputs "1" as shown in (D), and the output becomes "0" by the trigger. This non-stable (off) time Δt 3 is Δt 3 = nΔt 2 where n is the number of consecutive bits corresponding to one photoelectron pulse.
Selected for −Δt 2 . This off time Δ of Mono Multi 56
At t 3 , since the AND gate 50 is closed, the data from the shift register 14 is not supplied to the monomulti 52.

上記オン時間Δt3後、モノマルチ56の出力はオン
し、アンドゲート50が開かれるので、シフトレジスタ14
からのビットデータがモノマルチ52に供給される。この
ビットデータは、(A)に示す光電子パルスP2に関する
ものである。これにより、モノマルチ52は再びトリガさ
れ、上記の如く時間Δt2だけオンし、この出力がカウン
タ28に供給される。モノマルチ52の出力パルスの立ち下
がりにより、モノマルチ56が再びトリガされ、アンドゲ
ート50はこれより時間Δt3閉じられた後、再び開かれ
る。
After the on time Δt 3 described above, the output of the monomulti 56 turns on and the AND gate 50 is opened.
The bit data from is supplied to the monomulti 52. This bit data relates to the photoelectron pulse P 2 shown in (A). This causes the monomulti 52 to be re-triggered, turned on for the time Δt 2 as described above, and its output supplied to the counter 28. The falling edge of the output pulse of mono-multi 52 causes mono-multi 56 to be re-triggered, and AND gate 50 is now closed for a time Δt 3 and then re-opened.

これらアンドゲート50、モノマルチ52、インバータ5
4、モノマルチ56をもって、データ抽出回路58が構成さ
れている。
These AND gate 50, Mono-multi 52, Inverter 5
4. The data extraction circuit 58 is composed of the mono-multi 56.

なお、モノマルチ52からカウンタ28への2値データ入
力後は、第8図の説明と同様に動作するので省説する。
It should be noted that after the binary data is input from the monomulti 52 to the counter 28, the operation is similar to that described with reference to FIG.

上記動作により、比較的強い励起光パルスを試料に照
射することにより、オーバラップした2つの光電子パル
スP1及びP2がシフトレジスタ14に入力され、シフトレジ
スタ14に連続した“1"のパターンが形成された場合であ
っても、各光電子パルスP1及びP2を正確に計数すること
ができる。
By the above operation, by irradiating the sample with a relatively strong excitation light pulse, two overlapping photoelectron pulses P 1 and P 2 are input to the shift register 14, and a continuous “1” pattern is generated in the shift register 14. Even if formed, each photoelectron pulse P 1 and P 2 can be accurately counted.

パルスP1、P2を識別可能なオーバラップの程度は、両
パルスのピーク間距離が略Δt2以上である。したがっ
て、n=3であっても殆どのオーバラップを分離識別可
能であり、ダイナミックレンジを大幅に広げることがで
きる。
The degree of overlap in which the pulses P 1 and P 2 can be distinguished is such that the peak-to-peak distance between both pulses is approximately Δt 2 or more. Therefore, even if n = 3, most of the overlaps can be separated and identified, and the dynamic range can be greatly expanded.

また、本実施例装置は第8図に示す装置の機能をも併
せて有しており、分解時間が1個の光電子パルスの幅以
下に向上する。
Further, the device of this embodiment also has the function of the device shown in FIG. 8, and the decomposition time is improved to the width of one photoelectron pulse or less.

さらに、本実施例装置は3個以上の光電子パルスがオ
ーバラップしても入力された場合にも各パルスを計数す
ることができる。しかし、正確な計数値を得るようにす
るためには、最大3個程度になるよう励起光の強さを調
整した方が好ましい。
Furthermore, the apparatus of this embodiment can count each pulse even when three or more photoelectron pulses are overlapped and input. However, in order to obtain an accurate count value, it is preferable to adjust the intensity of the excitation light so that the maximum number is three.

(2)拡張 なお、本発明は、第4図、第5図および第7図で説明
した各種マルチチャンネル蛍光減衰波形測定装置に適用
することができることは勿論である。
(2) Expansion Note that the present invention can of course be applied to the various multi-channel fluorescence decay waveform measuring devices described in FIGS. 4, 5, and 7.

また、マイクロコンピュータのソフトウエア構成によ
り、シフトレジスタ14に格納されている、光電子パルス
に対応した連続する複数ビットデータのうち、一定間隔
毎のビットデータを有効なビットデータとして抽出して
もよい。
Further, depending on the software configuration of the microcomputer, it is possible to extract, as valid bit data, the bit data at constant intervals from the continuous multiple bit data stored in the shift register 14 and corresponding to the photoelectron pulse.

[発明の効果] 本発明に係るマルチチャンネル蛍光減衰波形測定装置
では、シフトレジスタに格納されている、光電子パルス
に対応した連続する複数ビットデータのうち、一定間隔
毎のビットデータを有効なビットデータとして抽出する
ので、分解時間を光電子パルス幅以下に向上させること
ができるとともに、入射蛍光の光量に対しフォトンの平
均計数が比例する該入射光量の範囲、すなわちダイナミ
ックレンジを大幅に広げることができるという優れた効
果がある。
[Effect of the Invention] In the multi-channel fluorescence decay waveform measuring apparatus according to the present invention, among the continuous multiple bit data stored in the shift register and corresponding to the photoelectron pulse, the bit data at regular intervals is converted into valid bit data. Since it is possible to improve the decomposition time to the photoelectron pulse width or less, it is possible to significantly widen the range of the incident light amount in which the average count of photons is proportional to the amount of incident fluorescence light, that is, the dynamic range. It has an excellent effect.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の実施例に係り、マルチチャンネル蛍光
減衰波形測定装置の構成を示すブロック回路図、第2図
は第1図に示すデータ抽出回路58の動作説明図である。 第3図乃至第7図は従来例に係り、第3図は光電子パル
ス列同時検出法の原理説明図、第4図はこの原理を実現
する第1のマルチチャンネル蛍光減衰波形測定装置のブ
ロック回路図、第5図は同じく第2のマルチチャンネル
蛍光減衰波形測定装置のブロック回路図、第6図はバー
ニアンクロノトロンの原理構成図、第7図は第6図の回
路を用いた第3のマルチチャンネル蛍光減衰波形測定装
置の回路図である。 第8図は先に提案した蛍光減衰波形測定装置の構成を示
すブロック回路図、第9図は第8図に示す有効データ抽
出回路42の動作説明図、第10図は第9図において、
(A)に示す光電子パルスが重畳して得られる場合の説
明図である。 10:光電子増倍管 12:アンプ・ディスクリミネータ 14:シフトレジスタ 16:クロックパルス発生器 18:コントローラ 22:カウンタ 24:RAM 30:同軸ケーブル 32:リフレッシュアンプ 34:コインシデンス回路 36:スケーラ 42、42A、58:有効データ抽出回路 46:オンディレイ回路 50:アンドゲート 52、56:モノステーブルマルチバイブレータ
1 is a block circuit diagram showing the configuration of a multi-channel fluorescence decay waveform measuring apparatus according to the embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an operation explanatory diagram of the data extraction circuit 58 shown in FIG. 3 to 7 relate to a conventional example, FIG. 3 is an explanatory view of the principle of the photoelectron pulse train simultaneous detection method, and FIG. 4 is a block circuit diagram of a first multi-channel fluorescence decay waveform measuring apparatus which realizes this principle. FIG. 5 is a block circuit diagram of the second multi-channel fluorescence decay waveform measuring device, FIG. 6 is a principle configuration diagram of the Bernian chronotron, and FIG. 7 is a third multi-channel using the circuit of FIG. It is a circuit diagram of a channel fluorescence decay waveform measuring device. FIG. 8 is a block circuit diagram showing the configuration of the previously proposed fluorescence decay waveform measuring apparatus, FIG. 9 is an operation explanatory diagram of the effective data extraction circuit 42 shown in FIG. 8, and FIG.
It is explanatory drawing in the case where the photoelectron pulse shown to (A) is superposed and obtained. 10: Photomultiplier tube 12: Amplifier / Discriminator 14: Shift register 16: Clock pulse generator 18: Controller 22: Counter 24: RAM 30: Coaxial cable 32: Refresh amplifier 34: Coincidence circuit 36: Scaler 42, 42A , 58: Effective data extraction circuit 46: On-delay circuit 50: AND gate 52, 56: Monostable multivibrator

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】試料へ照射した励起光パルスに応答して、
該試料から放出される蛍光のフォトンを光電子パルスに
変換し、クロックパルスによりシフトされるシフトレジ
スタ(14)に該変換された光電子パルスを供給して、該
フォトンの発生時刻に対応した情報を有する光電子パル
ス列のパターンを該シフトレジスタ(14)に作成し、該
パターンを読み出して統計的な積算処理を施すことによ
り蛍光減衰波形を測定するマルチチャンネル蛍光減衰波
形測定装置において、 該シフトレジスタ(14)に格納されている、光電子パル
スに対応した連続する複数ビットデータのうち、一定間
隔毎のビットデータを有効なビットデータとして抽出す
る有効データ抽出手段(58) を設けたことを特徴とするマルチチャンネル蛍光減衰波
形測定装置。
1. In response to an excitation light pulse applied to a sample,
The fluorescence photons emitted from the sample are converted into photoelectron pulses, and the converted photoelectron pulses are supplied to a shift register (14) that is shifted by a clock pulse, and the information has the information corresponding to the photon generation time. A multi-channel fluorescence decay waveform measuring apparatus for measuring a fluorescence decay waveform by creating a pattern of a photoelectron pulse train in the shift register (14) and reading the pattern to perform statistical integration processing, the shift register (14) A multi-channel characterized by being provided with an effective data extracting means (58) for extracting bit data at constant intervals among the continuous plural bit data corresponding to photoelectron pulses stored in Fluorescence decay waveform measuring device.
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