JPH01227948A - マルチチャンネル蛍光減衰波形測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ５産業上の利用分野コ 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。

［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１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。波形歪みなり（コ号
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、通常は数千回の励起に対し
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。

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変関数は、（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
況は毎回界なり、これを（ハ）（ニ）（ホ）（へ）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Δｔ
である。

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
トのシフトレノスタ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Δを毎にｌビットシ
フトされるシフトレノスタ１４」−にビットノくターン
を作成し、ＳΔを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ノフトレノスタ１４の内容をパブフ
ァレノスタ２０に読み出し、ノ＜フファレノスタ２０の
各ビットにり１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。

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。

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段のフトレンスタ１４ＡＳ　
１４Ｂを、クロックパルス発生器１６゛から出力される
、位相か１８０度異なったクロックパルスでそれぞれΔ
を毎に交互にンフトシ、光電子パルスのビットパターン
をノフトレノスタ１．４Ａ、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Δを毎に、各シフトレノスタ＋４ＡＳ　１４Ｂの各ビ
ットに対応するアドレスを有する、Ｒ１八へ２４Ａ、２
４Ｂの内容をパブファレノスタ２６Ａ１２６Ｂを介しカ
ウンタ２８Ａ、２８Ｂに逐時読み出しては、ンフトレノ
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。

この製作した装置の性能は、分解時間２．５ｎｓｅｃ、
測定可能な時開スパン！００ｎｓｅｃ、繰り返゛し周波
数２５ＸＨ２である。

本発明者は、光電子パルス列同時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。

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十Δτの２本の同軸ケーブル３０Ａ、３０Ｂ
と、波形整形のための２つのりフレッノユアンプ３２Ａ
、３２Ｂと、２つのパルスの合致を検出するコインンデ
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［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、それぞれ周期でぶΔ
でと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＝ｎΔτで求められる。このバーニアクロノ
トロンは、微分直線性が株めて安定で、分解時間はケー
ブルの長さの差に比例したΔでで決定される。

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。これをマルチチャンネル化するだめには、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を図のように人力すれば、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１゛４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、コインノデンス回路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３０Ｂ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
。

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。

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１
２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。

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。

しかしながら、実際には、光電子増倍管１ｏからの光電
子パルスが１．５〜３．０ｎｓｅｃ程度の幅を有し、−
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。

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）。

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。

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３１６からクロックパル
スが発生開始される。コントローラ１８（凡のクロック
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ビツト第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。

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、°ｌ°が格納され、他は°０°が格納
されている。

コントローラ！８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。

この直列データは第９図（Ｂ）に示す如くなりいるが、
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ビツトのデータが有効データとして抽出される。

すなわち、（Ｃ）に示すパルスがオンデイレイ回路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Δｔ、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。オンデイレイ回路４６は図示の如（
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。

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。

すなわち、ＲＡＭ２４のアドレスＡのデータＤＡカ、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ｒ＆（ビットデータが°ｌ”のときのみ
ｌ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ＲＡ
Ｍ２４のアドレスがインクリメントされる。

このような一連の処理が８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。

［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
がオーバーラツ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。

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Ｐ、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。

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擾供することにある。

［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げたこ
とを特徴としている。

［実施例コ 以下、図面に基づいて本発明の詳細な説明する。

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。

スイッチ３８の実線図示状態で試料励起後、時間ＮΔｔ
１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Ｐ、がアンプ・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。

この時間ＮΔｔ、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。

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Δｔ、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２くルスＰ、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。

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Ｑ出力は、（Ｄ）に示す如く、常
時“ｌ”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Δｔ、は、−個の光
電子パルスに対応した連続するビット敢をｎとするとき
、Δｊ３＝　ｎΔｔ、−Δｔ、に選ばれている。モノマ
ルチ５６のこのオフ時間ΔＦ、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。

上記オン時間Δｔ、後、モノマルチ５６のＱ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Ｐ１
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Δｔ、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。

これらアンドゲート５０、モノマルチ５２、インバータ
５４、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。

なお、モノマルチ５２からカウンタ２８への２値データ
人力後は、第８図の説明と同様に動作するので省脱する
。

上記動作により、比較的強い励起光パルスを試料にゝ照
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Ｐ、がシフトレジスタ１４に人力され、シフ
トレジスタ１４に連続した“ｌ”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Ｐ、及びＰ、を正確
に計数することができる。

パルスＰいＰ、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、グイナミックレンノを大幅に広げることがで
きる。

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。

さらに、本実施例装置は３個以上の光電子パルスがオー
バラップしても人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。

（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。

また、マイクロコンピュータのシフトウェア構成により
、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。

Ｃ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、すなわちグイナミッ
クレンノを大幅に広げることができるという優れた効果
がある。

【図面の簡単な説明】

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
ニアング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１Ｏ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 目、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ニオンデ
イレイ回路 ５０：アンドゲート

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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。