SE1100371A1 - Method and apparatus for determining decay times for pulse-stimulating signals. - Google Patents
Method and apparatus for determining decay times for pulse-stimulating signals. Download PDFInfo
- Publication number
- SE1100371A1 SE1100371A1 SE1100371A SE1100371A SE1100371A1 SE 1100371 A1 SE1100371 A1 SE 1100371A1 SE 1100371 A SE1100371 A SE 1100371A SE 1100371 A SE1100371 A SE 1100371A SE 1100371 A1 SE1100371 A1 SE 1100371A1
- Authority
- SE
- Sweden
- Prior art keywords
- signals
- signal
- decay
- functions
- gain
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 25
- 230000006870 function Effects 0.000 claims abstract description 67
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims abstract description 22
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims abstract description 22
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 42
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 31
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 20
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 claims description 12
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 5
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 claims description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 5
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 claims description 5
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 4
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims 1
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 abstract description 6
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 abstract description 4
- 238000013459 approach Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 23
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 7
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 6
- 238000001161 time-correlated single photon counting Methods 0.000 description 6
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 5
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 238000000342 Monte Carlo simulation Methods 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 2
- 230000035508 accumulation Effects 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000005562 fading Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005316 response function Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000009131 signaling function Effects 0.000 description 1
- 238000002922 simulated annealing Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000004936 stimulating effect Effects 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/6408—Fluorescence; Phosphorescence with measurement of decay time, time resolved fluorescence
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Ett tillvägagångssätt fiSr att analysera och mäta avklingningstakter för avklingande signalerfrån en pulsad inputstimulering beskrivs. Åtminstone två signaler förstärks med olikatörstärkningskaraktäristik. Dessa signaler kan antingen vara ett resultat av en uppsplitüing aven signal eller signaler från olika pulsstimuleringar. Genom att använda åtminstone en rampadflirstärkningskurva kan avklingningstiden bestämmas. Dessutom presenteras en algoritm förutvärdering of avklingningstider under användandet av godtyckliga iörstärkningsfimnktioner.En apparat presenteras som är till för mätning av avklingningstider hos lumíniseenssignalergenom användandet av ovan presenterade steg. An approach fi Sr to analyze and measure decay rates for decay signals from a pulsed input stimulation is described. At least two signals are amplified with different gain amplification characteristics. These signals can either be the result of a splitting of the signal or signals from different pulse stimuli. By using at least one ramped gain curve, the decay time can be determined. In addition, an algorithm for evaluating decay times during the use of arbitrary ear amplification functions is presented. An apparatus is presented which is for measuring decay times of luminescence signal through the use of the steps presented above.
Description
Generellt sett kan avbildande metoder delas in i två grupper; den ena gruppen är de metoder som har en- eller tvådimensionell detektor (såsom vektor- eller kamerasensorer) samt de metoder som successivt bygger upp en bild genom att skanna excitationsljuset över provet och på så sätt separat samla in signal från varje enskild pixel i den slutgiltiga bilden. Oberoende av vilken av dessa två grupper som de etablerade mätmetodema bygger på kan tre olika koncept identifieras för att mäta avklingningstider hos lurniniscenssignaler: 1. Analys i frekvensdomänen (FD) 2. Analys i tidsdomänen (TD) 3. Tidskorrelerad singel-fotonräkning (TCSPC) Nedan återfinns korta beskrivningar av de tre koncepten. In general, imaging methods can be divided into two groups; one group is the methods that have one- or two-dimensional detectors (such as vector or camera sensors) as well as the methods that successively build up an image by scanning the excitation light over the sample and thus separately collecting signal from each individual pixel in the final the picture. Regardless of which of these two groups the established measurement methods are based on, three different concepts can be identified for measuring decay times of lurninence signal signals: 1. Analysis in the frequency domain (FD) 2. Analysis in the time domain (TD) 3. Time-correlated single-photon counting (TCSPC) Below are brief descriptions of the three concepts.
FD För bestämning av avklingningstiden hos optiska signaler används i frekvensdomänen en intensitetsmodulerad excitationskälla. Den består vanligtvis av en lysdiod, diodlaser eller laser och modulationsfrekvensen ligger vanligtvis i kHz-GHz-området beroende på avklingningstider för de signaler som ska mätas. Detektom kan bestå av en fotomultiplikator, en rad med intilliggande fotomultiplikatorer eller en förstärkt CCD-kamera (ICCD). Efter det att signalen har blivit konverterad från fotoner till elektroner jämförs den detekterade signalen med excitationsmodulationen. Denna jämförelse kan göras antingen genom att modulera detektorns förstärkning med samma frekvens som excitationskällan eller genom att använda en lock-in-förstärkare. Fas-skiftet och demoduleringen mellan excitationskällan och detektoms förstärkning kan mätas. Från dessa mätdata kan fas-skiftet och demoduleringen till följd av den optiska signalens livstid erhållas, och livstiden kan bestämmas.FD To determine the decay time of optical signals, an intensity-modulated excitation source is used in the frequency domain. It usually consists of an LED, diode laser or laser and the modulation frequency is usually in the kHz-GHz range depending on the decay times of the signals to be measured. The detector may consist of a photomultiplier, a row of adjacent photomultipliers or an amplified CCD camera (ICCD). After the signal has been converted from photons to electrons, the detected signal is compared with the excitation modulation. This comparison can be made either by modulating the gain of the detector at the same frequency as the excitation source or by using a lock-in amplifier. The phase shift and the demodulation between the excitation source and the gain of the detector can be measured. From these measurement data, the phase shift and demodulation due to the lifetime of the optical signal can be obtained, and the lifetime can be determined.
TD Avklingningstidsbestämning för optiska signaler i tidsdomänen utförs med hjälp av kameror (ICCD, CMOS, etc) med så kallad gate. Excitationskällan består av en kortpulsad lysdiod, diodlaser eller laser. Kamerans gate sätts till att vara öppen och stängd under olika tidsintervall av signalens avklingning. De flesta kommersiella system innehåller en kamera.TD Decay time determination for optical signals in the time domain is performed using cameras (ICCD, CMOS, etc) with so-called gate. The excitation source consists of a short-pulsed LED, diode laser or laser. The camera gate is set to be open and closed during different time intervals of the signal fading. Most commercial systems include a camera.
Därmed måste minst två excitationer göras för att kunna extrahera avklingningstiden hos den optiska signalen. Det finns flera scheman för ta bilder och analysera signalerna som lagrats i varje kamerapixel. Algoritmer som medger snabb utvärdering kallas Rapid Lifetime Determination (RLD), och livstider bestäms i varje pixel i en bild. Dessa algoritmer utnyttjar kamerans gate för att kontrollera integrationstiden under signalen enligt följ ande ekvation: D: Itï/Oe-z dt där D är det totala antalet integrerade counts, tom är tiden då kameragaten öppnas, tclm är tidpunkten då kameragaten stängs, och integranden är exponentialfimktionen med avklingningskonstant t.Thus, at least two excitations must be made in order to extract the decay time of the optical signal. There are schedules for taking pictures and analyzing the signals stored in each camera pixel. Algorithms that allow rapid evaluation are called Rapid Lifetime Determination (RLD), and lifetimes are determined in each pixel of an image. These algorithms use the camera gate to control the integration time during the signal according to the following equation: D: Itï / Oe-z dt where D is the total number of integrated counts, even the time when the camera gate is opened, tclm is the time when the camera gate is closed, and the integrand is exponential function with decay constant t.
TCSPC TCSPC är en akronym för time-correlated single photon counting (tidskorrelerad singelfotonräkning) och det kan användas för punktmätningar. En bild skapas genom att excitation och detektion skarmas över mätprovets yta. Tidsskillnaden mellan laserexcitationspulsen och signalfotonerna bestäms och sparas i ett minne. Utvärderingen of luminiscensens avklingningstid görs oftast genom en kurvanpassning med någon typ av felmått, vanligtvis minsta kvadratmening.TCSPC TCSPC is an acronym for time-correlated single photon counting and can be used for point measurements. An image is created by shielding excitation and detection over the surface of the measurement sample. The time difference between the laser excitation pulse and the signal photons is determined and stored in a memory. The evaluation of the luminescence's decay time is usually done by a curve fitting with some type of error measure, usually the smallest square meaning.
Metoden som beskrivs i denna patentansökan kan mycket väl implementeras i mätuppställningar/apparater som utnyttjar TD- eller TCSPC-tekniker eftersom pulsad excitation används. Dock bör det tydligt påtalas att metoden som beskrivs i förevarande patentansökan inte är begränsad till analys av optiska signaler. Metoden kan med fördel användas till alla typer av responsfunktioner som konverteras till elektriska signaler. Vidare behöver inte den avklingande signalen likna en exponentiellt avklingande signal. Även om avklingningama är linjära, multi-exponentiella, inversa, etc kan metoden som beskrivs i denna patentansökan användas för att skilja olika avklingningstider åt.The method described in this patent application may well be implemented in measurement arrays / apparatus utilizing TD or TCSPC techniques since pulsed excitation is used. However, it should be clearly stated that the method described in the present patent application is not limited to the analysis of optical signals. The method can be used to advantage for all types of response functions that are converted to electrical signals. Furthermore, the decay signal does not have to resemble an exponentially decay signal. Although the decay rates are linear, multi-exponential, inverse, etc., the method described in this patent application can be used to distinguish different decay times.
Sammanfattning av uppfinningen Idén bakom uppfinningen är att förstärka/modulera en avklingande signal med hjälp av olika förstärkningskarakteristik och därefter integrera den modulerade signalen. Ett eller flera signalförhållande/signalförhållanden formas ifrån de integrerade värdena som resulterat från de olika förstärkningarna/moduleringarna av signalen. Förstärkningen/modulationen gör signalförhållandet till en funktion av avklingningstiden hos den avklingande signalen. Därmed är det för varje förstärkningsprofil möjligt att integrera hela signalen. Eftersom att det är produkten mellan förstärkningsfiinktionerna och signalfunktionen som integreras bestämmer förstärkningsfunktionema om integranden går mot noll innan signalnivån är noll. De olika förstärkningama ska vara kända eller mätas tillsammans med excitationspulsen. De förstärkta/modulerade signalerna kan därefter beräknas för olika signalavklingningstider.Summary of the invention The idea behind the invention is to amplify / modulate a decaying signal by means of different amplification characteristics and then integrate the modulated signal. One or more signal ratios / signal ratios are formed from the integrated values that have resulted from the various amplifications / modulations of the signal. The gain / modulation makes the signal ratio a function of the decay time of the decay signal. This makes it possible to integrate the entire signal for each gain. Since it is the product between the gain functions and the signal function that is integrated, the gain functions determine whether the integrand goes towards zero before the signal level is zero. The various gains must be known or measured together with the excitation pulse. The amplified / modulated signals can then be calculated for different signal decay times.
Först faltas signalen med excitationspulsen. Sådana beräkningar skulle också kunna utföras genom användandet av mer sofistikerade metoder, t.ex. lösande av rate-ekvationer eller densitetsmatrisekvationer. Vidare, typiska signaler skulle kunna mätas och utgöra en databas/ett bibliotek av signaler med olika avklingningstakter som sedan skulle fungera som inputdata i beräkningarna. Om excitationspulsens tidsduration is mycket kortare än signalens avklingningstid är det inte alltid nödvändigt att utföra faltningen. Å andra sidan, om excitationspulsen är av samma storleksordning eller längre än avklingningstiden är det fortfarande möjligt att använda denna metod givet att den temporala formen hos de avklingande signalema är kända. Dessa skulle kunna bestämmas antingen genom beräkningar eller mätningar, såsom nämnt ovan. Hämäst multipliceras signalen med förstärkningsfunktionema och samma förhållanden som för mätdatan formas. De beräknade förhållandena jämförs sedan med de uppmätta för att finna avklingningstiden/avklingningstidema för mätdatan. Detta detektions/utvärderingsschema kan appliceras för punktmätningar, mätningar längs en linje samt för två-dimensionella mätningar.First, the signal is folded with the excitation pulse. Such calculations could also be performed using more sophisticated methods, e.g. solving rate equations or density matrix equations. Furthermore, typical signals could be measured and constitute a database / library of signals with different decay rates which would then function as input data in the calculations. If the duration of the excitation pulse is much shorter than the decay time of the signal, it is not always necessary to perform the convolution. On the other hand, if the excitation pulse is of the same order of magnitude or longer than the decay time, it is still possible to use this method given that the temporal shape of the decay signals is known. These could be determined either by calculations or measurements, as mentioned above. At most, the signal is multiplied by the amplification functions and the same conditions as for the measurement data are formed. The calculated conditions are then compared with those measured to find the decay time / decay times of the measurement data. This detection / evaluation scheme can be applied for point measurements, measurements along a line and for two-dimensional measurements.
Signalen kan utgöras av en godtycklig avklingande signal; elektrisk, optisk (infraröd, synlig, ultaviolett), radioaktiva partiklar, etc.The signal can be any arbitrary decay signal; electric, optical (infrared, visible, ultraviolet), radioactive particles, etc.
Korta figurbeskrivningar Ytterligare saker, särdrag och fördelar med uppfinningen kommer att bli synbara från följ ande detaljerade beskrivning av konkretiseringar av uppfinningen med avseende på ritningama, i vilka: Figur 1. Schematisk illustration av metoden då en optisk signal omvandlas till en elektrisk signal och därefter delas upp i minst två elektriska signaler.Brief Description of the Figures Additional things, features and advantages of the invention will become apparent from the following detailed description of embodiments of the invention taken in conjunction with the drawings, in which: Figure 1. Schematic illustration of the method of converting an optical signal into an electrical signal and then dividing it up to at least two electrical signals.
Figur 2. Schematisk illustration av metoden då en elektrisk signal splittras upp i minst två elektriska signaler som sedan förstärks/moduleras med förstärkningsfunktioner med olika temporal karaktäristik.Figure 2. Schematic illustration of the method when an electrical signal is split into at least two electrical signals which are then amplified / modulated with amplification functions with different temporal characteristics.
Figur 3. Schematisk illustration av metoden då åtminstone två stimulerande pulser används för att få mätprovet att sända ut åtminstone två signaler som konverteras till elektriska signaler.Figure 3. Schematic illustration of the method when at least two stimulating pulses are used to cause the measurement sample to emit at least two signals which are converted into electrical signals.
Figur 4. Schematisk illustration av metoden då minst två sensorer används för att detektera signalen från en enda pulsad stimulering av mätprovet.Figure 4. Schematic illustration of the method when at least two sensors are used to detect the signal from a single pulsed stimulation of the measurement sample.
Figur 5. Monte Carlo simuleringar av exponentiella avklingningar som uppmäts med två olika set av förstärkningsfunktioner. (a) Den exponentiella avklingningen och rektangelformade (övre) och rampade förstärkningama (nedre). (b) Meritfiguren för de två seten av förstärkningsfunktioner. Den solida kurvan korresponderar till de rampade förstärkningama och den är oberoende av avklingningstiden med ett meritvärde lägre än 2. (c) Medelvärdesfelet för bestämda avklingningstider. (d) Det relativa felet i uppmätt avklingningstid är näst intill konstant för den rampade förstärkningskonfigurationen i motsats till de rektangelformade förstärkningarna.Figure 5. Monte Carlo simulations of exponential decay measured with two different sets of gain functions. (a) The exponential decay and the rectangular (upper) and ramped reinforcements (lower). (b) The merit figure for the two sets of reinforcement functions. The solid curve corresponds to the ramped gains and it is independent of the decay time with a merit value lower than 2. (c) The mean value error for determined decay times. (d) The relative error in measured decay time is almost constant for the ramped gain configuration as opposed to the rectangular gains.
Figur 6. Schematisk illustration av den fulla analysproceduren beskriven i föreliggande patentansökan. Ett referensbibliotek av signalförhållanden för olika avklingningstider formas.Figure 6. Schematic illustration of the full analysis procedure described in the present patent application. A reference library of signal conditions for different decay times is formed.
Om till exempel funktionstypen för den avklingande mätprovsignalen är känd och excitationspulssignalens funktion samt förstärknings/modulationsfunktionema har mätts upp kan simulerade mätprovsignaler med olika avklingningstider faltas med excitationspulsfunktionen för att sedan multipliceras med förstärkningsfunktionema. Ett alternativt angreppssätt är att utnyttja ett set av uppmätta signaler med olika avklingningstider för att generera referensbiblioteket. Efter multiplikation med förstärkningsfunktionema integreras de simulerade signalema och signalförhållanden skapas på samma sätt som för mätdata. De ration som erhålles från mätningar jämförs sedan med beräknade ration för att extrahera avklingningstiden/avklingningstidema för mätprovssignalen.For example, if the function type of the decay measurement signal is known and the function of the excitation pulse signal and the gain / modulation functions have been measured, simulated sample signals with different decay times can be folded with the excitation pulse function and then multiplied by the gain functions. An alternative approach is to use a set of measured signals with different decay times to generate the reference library. After multiplication with the gain functions, the simulated signals are integrated and signal conditions are created in the same way as for measurement data. The ration obtained from measurements is then compared with calculated ration to extract the decay time / decay times of the measurement sample signal.
Figur 7. Schematisk illustration av en experimentell uppställning som använts för livstidsavbildning i två dimensioner av fluorescenssignaler från mätningar i gas. Laserstrålen expanderas med hjälp av ett sfäriskt teleskåp (TS) och fokuseras därefter till ett laserark i mätvolymen med hjälp av en cylinderlins (CL). En triggningspuls (TP) skickas till de två ICCD-kameroma samt till en triggningslåda (TB) som används för att skicka ut triggningspulser till en streakkamera och en MCP-PMT.Figure 7. Schematic illustration of an experimental setup used for lifetime imaging in two dimensions of ores uorescence signals from measurements in gas. The laser beam is expanded by means of a spherical telescope (TS) and then focused on a laser sheet in the measuring volume by means of a cylinder lens (CL). A trigger pulse (TP) is sent to the two ICCD cameras as well as to a trigger box (TB) used to send trigger pulses to a streak camera and an MCP-PMT.
Figur 8. Simultant tagna laserinducerade fluorescensbilder (LIF) från singel-pulsexcitation av en toluenseedad luftjet med ett omgivningsflöde bestående av kvävgas syns i (aexp) och (bexp), tagna med en kamera med 2 ns bred gate respektive en kamera med 400 ns bred gate.Figure 8. Simultaneously taken laser-induced ores uorescence images (LIF) from single-pulse excitation of a toluene-seeded aerial jet with an ambient fl fate consisting of nitrogen gas seen in (aexp) and (bexp), taken with a camera with 2 ns wide gate and a camera with 400 ns wide gate.
I (asim) och (bsim) återges grafiska beskrivningar av simuleringar av detekterad ICCD- kamerasignal. De tjocka solida gråa kurvoma visar simulerade LIF-signaler, den streckade ljusgrå kurvan i (asim) är den 2 ns långa gatefunktionen medan den stigande flanken för den 400 ns långa gaten syns i (bsim). Areoma are de simulerade signalema som detekteras av de två ICCD-kameroma enligt ekvationema (1) och (2).In (asim) and (bsim) graphical descriptions of simulations of detected ICCD camera signal are displayed. The thick solid gray curves show simulated LIF signals, the dashed light gray curve in (asim) is the 2 ns long gate function while the rising fl anch for the 400 ns long gate is visible in (bsim). The areas are the simulated signals detected by the two ICCD cameras according to equations (1) and (2).
Figur 9. F luorescensavklingningstider utvärderade från 900 streakkameraaccurnuleringar (streckad och heldragen linje) tillsammans med singel-puls fluorescenslivstidsbilder som uppmätts med hjälp av konceptet som beskrivs i föreliggande patentansökan (fyllda och öppna cirklar med felstaplar). Två blandningar av syrgas och kvävgas användes som omgivande quenching-molekyler; 10.5/89.5 (öppna cirklar och streckad linje) och 17/83 (fyllda cirklar och solid linje).Figure 9. Fluorescence decay times evaluated from 900 streak camera accumulations (dashed and solid line) together with single-pulse fluorescence lifetime images measured using the concept described in the present patent application (filled and open circles with error bars). Two mixtures of oxygen and nitrogen were used as surrounding quenching molecules; 10.5 / 89.5 (open circles and dashed line) and 17/83 (solid circles and solid line).
Figur 10. En apparat för mätning av avklingningstider hos avklingande optiska signaler.Figure 10. An apparatus for measuring decay times of decaying optical signals.
Mätprovet exciteras med hjälp av en pulsad laser, lysdiod eller diodlaser. Strålning som sänds ut från mätprovet detekteras med hjälp av en eller flera sensorer. Fokuseringsoptiken och detektionsoptiken skulle kunna bestå av ett mikroskåp eller fiberkopplad optik altemativt en kombination av lämpliga linser. Lämpliga filterkombinationer används. De optiska signalerna konverteras till elektriska signaler av liknande temporal karakteristik som de från mätprovet utsända optiska, avklingande signalerna. De elektriska signalema förstärks/moduleras genom användandet av antingen en eller flera detektorintegrerade förstärkare eller en eller flera extema förstärkare. De förstärkta/modulerade signalema integreras därefter och ett eller flera signalförhållanden bildas. Detta/dessa signalförhållande/signalförhållanden används för extraktion av avklingningstiden/avklingningstidema hos signalen från mätprovet. Det kan antingen finnas ett analytiskt samband mellan signalförhållande och avklingningstid eller så kan signalförhållandet/signalförhållandena simuleras för olika avklingningstider för den optiska signalen innan jämförelse med den/de experimentellt erhållna förhållandet/förhållandena.The measurement sample is excited by means of a pulsed laser, LED or diode laser. Radiation emitted from the measurement sample is detected by means of one or fl your sensors. Focusing optics and detection optics could consist of a microscope or fi connected optics or alternatively a combination of suitable lenses. Appropriate filter combinations are used. The optical signals are converted into electrical signals of similar temporal characteristics as the optical, decaying signals emitted from the measurement sample. The electrical signals are amplified / modulated by the use of either one or det your detector integrated amplifiers or one or ext your external amplifiers. The amplified / modulated signals are then integrated and one or more signal conditions are formed. This signal ratio (s) is used to extract the decay time (s) of the signal from the measurement sample. There can either be an analytical relationship between signal ratio and decay time or the signal ratio (s) can be simulated for different decay times of the optical signal before comparison with the experiment (s) obtained.
Detaljerad beskrivning av detaljutföranden Nedan beskrivs ett flertal konkretíseringar av uppfinningen. Dessa konkretiseringar beskrivs i ett illustrerande syfte för att möjligöra för en person kunnig i ärrmet att använda uppfinningen och att röja det mest lämpliga användningssättet. Uppfinningen är emellertid inte begränsad till nedan angivna konkretiseringar. Vidare visas och diskuteras vissa kombinationer och egenskaper. Andra kombinationer med andra egenskaper är emellertid fullt möjliga inom ramen för uppfinningen.Detailed description of detailed embodiments A number of embodiments of the invention are described below. These concretizations are described for an illustrative purpose in order to enable a person skilled in the art to use the invention and to reveal the most suitable manner of use. However, the invention is not limited to the concretisations given below. Furthermore, certain combinations and properties are shown and discussed. However, other combinations with other properties are entirely possible within the scope of the invention.
Det finns ett flertal detektions- och signalprocesscheman som skulle kurma användas inom ramen för föreliggande koncept. Dessa sammanfattas i figurerna 1-4. Figur 1 exemplifierar hur en singelpulsstimulering leder till en signal som antingen är av eller konverteras till en signal av elektrisk natur. Den elektriska signalen delas därefter upp i minst två signaler, vilka förstärks/moduleras med hjälp av funktioner som har olika temporal karaktäristik. Sedan integreras de förstärkta/modulerade signalema. Utifrån de integrerade signalema bildas ett eller flera förhållande som sedan används för att extrahera avklingningen för signalen från mätprovet. Figur 2 visar hur signalen från en enda pulsstimulering av mätprovet delas upp i minst två signaler innan detektion med minst två sensorer. Signalema förstärks/moduleras med hjälp av åtminstone två förstärkningsfunktioner med olika temporal karaktäristik. De förstärkta/modulerade signalema integreras därefter. Ett eller flera förhållanden formas och detta/dessa används för att extrahera avklingningen för signalen från mätprovet. Figur 3 visar hur åtminstone två stimuleringspulser används för att få mätprovet att sända ut åtminstone två signaler. Dessa signaler detekteras med hjälp av en eller flera sensorer med olika förstärknings/modulationsfunktioner för de olika signalema från mätprovet. Signalema integreras och de integrerade signalema används för att forrna ett eller flera förhållande som används för att extrahera avklingningen för signalema från mätprovet. Figur 4 visar hur åtminstone två sensorer används för att detektera signalen från en singelpulsstimulering av ett mätprov. De olika sensorema kan till exempel beskåda mätprovet från olika vinklar. De olika sensorema använder sig av olika förstärknings/modulationsfunktioner och de förstärkta/modulerade signalerna integreras därefter. De integrerade signalema används för att forma ett eller flera förhållande som används för att extrahera avklingningen för signalen från mätprovet.There are a number of detection and signal processing schemes that would be used within the scope of the present concept. These are summarized in Figures 1-4. Figure 1 exemplifies how a single pulse stimulation leads to a signal that is either off or converted to a signal of an electrical nature. The electrical signal is then divided into at least two signals, which are amplified / modulated by means of functions that have different temporal characteristics. Then the amplified / modulated signals are integrated. Based on the integrated signals, one or more conditions are formed which are then used to extract the decay of the signal from the measurement sample. Figure 2 shows how the signal from a single pulse stimulation of the measurement sample is divided into at least two signals before detection with at least two sensors. The signals are amplified / modulated by means of at least two amplification functions with different temporal characteristics. The amplified / modulated signals are then integrated. One or more conditions are formed and this / these are used to extract the decay of the signal from the measurement sample. Figure 3 shows how at least two stimulation pulses are used to make the measurement sample emit at least two signals. These signals are detected by means of one or more sensors with different amplification / modulation functions for the different signals from the measurement sample. The signals are integrated and the integrated signals are used to form one or more conditions used to extract the decay of the signals from the measurement sample. Figure 4 shows how at least two sensors are used to detect the signal from a single pulse stimulation of a measurement sample. The different sensors can, for example, view the measurement sample from different angles. The different sensors use different amplification / modulation functions and the amplified / modulated signals are then integrated. The integrated signals are used to form one or more ratios used to extract the decay of the signal from the measurement sample.
I nedanstående konkretiseringar observeras avklingande fluorescenssignaler efter exeitation med laserpulser som har pulslängder på pikosekundsskala. Detektions- och analysschemat som beskrivs är dock inte begränsat till fluorescensavklingningar. Signalen skulle kunna utgöras av vilken avklingande signal som helst.In the concretizations below, decaying ores uorescence signals are observed after excitation with laser pulses that have pulse lengths on a picosecond scale. However, the detection and analysis scheme described is not limited to ores uorescence decay. The signal could be any decaying signal.
För enkelhets skull kommer endast två törstärkningsfunktioner att användas i nedanstående konkretiseringar. I realiteten bestäms det övre antalet förstärkningsfunktioner som kan appliceras av hårdvaru- och mjukvarubegränsningar. Om rampade funktioner används kan analytiska uttryck härledas. Det kommer dock att framgå att uppfinningen inte är begränsad till användandet av rampliknande funktioner.For simplicity, only two dry strengthening functions will be used in the concretizations below. In reality, the upper number of amplification functions that can be applied by hardware and software limitations is determined. If ramped functions are used, analytical expressions can be derived. It will be apparent, however, that the invention is not limited to the use of ramp-like functions.
Antag en situation där den effektiva avklingningen för en avklingande signal beskrivs av en enkel exponentialfunktion och beteckna de två förstärkningsfiinktionema G1 respektive G2.Assume a situation where the effective decay of a decay signal is described by a simple exponential function and denote the two amplification fi functions G1 and G2, respectively.
Den exponentiella avklingningen utgör emellertid enbart ett exempel. Det skulle kunna vara en godtycklig avklingande signal, men det är dock inte säkert att en godtycklig signal möjliggör analytiska lösningar och är därmed inte lämpligt i illustrationssyfte.However, the exponential decay is only an example. It could be an arbitrary decay signal, but it is not certain that an arbitrary signal enables analytical solutions and is thus not suitable for illustrative purposes.
Två signaler, I1 och 12, erhålles. Antingen kan en signal detekteras och sedan delas upp i två delar eller kan två sensorer användas för att erhålla två signaler eller kan två signaler erhållas genom användandet av en enda detektor i kombination med två excitationer. Signalema kan beskrivas av följande ekvationer: matta» ïsoflnoa. -ßadf <1> 1.= ísßacrf-f. -ßadf <2> där r är signalens avklingningstid, t1 och t; är fórstärkningsfunktionemas tidsfördröjningar relativt excitationen och å1 respektive 62 är tidsjittren för forstärkningsfunktionema relativt excitationen. Integrationsintervallet är satt från -oo till +00 för enkelhets skull med tanke på att integrandema är skilda ifrån noll endast i begränsade intervall. Naturligtvis används kortare intervall i realiteten.Two signals, I1 and 12, are obtained. Either a signal can be detected and then divided into two parts or two sensors can be used to obtain two signals or two signals can be obtained by using a single detector in combination with two excitations. The signals can be described by the following equations: mat »ïso fl noa. -ßadf <1> 1. = ísßacrf-f. -ßadf <2> where r is the signal decay time, t1 and t; are the time delays of the gain functions relative to the excitation and å1 and 62, respectively, are the time jits of the gain functions relative to the excitation. The integration interval is set from -oo to +00 for simplicity, given that the integrands are non-zero only in limited intervals. Of course, shorter intervals are used in reality.
Ett signalförhållande, R, kan formas på olika sätt. Tre exempel ges av ekvation (3), ekvation (4) och inversen av ekvation (4), vilken återges i ekvation (5): 1e=- (s) (4) (5) Om integrandema, S (t, r)G,. (t -ti -å), i ekvationema (1) och (2) betecknas F, (t, r) respektive F, (t,r) kan R skrivas på följande sätt: _0311 (r, r)dr jfFz (r, r)dr R (6) GFF", (r, r)dr _]mro+a@»w R (7) ¶n@a+@rww rurí-í (s) ílfi (r, r)dr för ekvationema (3), (4) och (5). I dessa ekvationer kan F, (t,r) tolkas som den icke- normaliserade sannolikhetsfunktionen förtiden vid vilken till exempel en elektron kommer fram från fórstärkningselektroniken. Genom att derivera R med avseende på r samtidigt som det antas att signalen beskrivs av en faltning mellan en Gaussisk funktion (excitationspulsen) och en enkel avklingande exponentialfunktion härleds följ ande uttryck för ekvationema (6), (7) och (8): 1 jílrF, (r, r)dr FF, (r, r)dr - (r, r)dr - ÉlrF, (r, r)dr dR z = ï w 2 <9) { IFZ (t,r)dt} di _ i (f,f)dr.pïør,(r,f)dr ñ (myr I Ermrfp, (m) dr “{¶@rfl+@r4pF íflrar letar m; miví/ Et (f) E20) 1 jírFz (z, r)dr - -OIFI (t, r)dz - _1111 (t, r)dr - -ÉFZ (r, r)dr d1a__ (n) tr I ekvation (10) är Ei(t) förväntningsvärdet i tiden för F ,-(t,r). Därmed, för att ekvation (10) ska ha en entydig lösning får inte förväntningsvärdena för F1(t,r) och F 2(t,r) sammanfalla. Det framgår även att liknande villkor gäller för ekvationema (9) och (1 1) även om distributionsfunktionema, F ,-(t,r), i dessa fall inte är ordentligt normaliserade. Till synes kan vilken kombination av två olika förstärkningsfunktioner användas. Det inkluderar även två likadana funktioner med olika t,«.A signal ratio, R, can be formed in different ways. Three examples are given by equation (3), equation (4) and the inverse of equation (4), which is represented in equation (5): 1e = - (s) (4) (5) If the integrands, S (t, r) G ,. (t -ti -å), in equations (1) and (2) are denoted F, (t, r) and F, (t, r) respectively, R can be written as follows: _0311 (r, r) dr jfFz (r , r) dr R (6) GFF ", (r, r) dr _] mro + a @» w R (7) ¶n @ a + @ rww rurí-í (s) íl fi (r, r) dr för ekvationema (3), (4) and (5) In these equations, F, (t, r) can be interpreted as the non-normalized probability function of the past in which, for example, an electron emerges from the amplification electronics. while assuming that the signal is described by a convolution between a Gaussian function (excitation pulse) and a simple decaying exponential function, the following expression is derived for equations (6), (7) and (8): 1 jílrF, (r, r) dr FF , (r, r) dr - (r, r) dr - ÉlrF, (r, r) dr dR z = ï w 2 <9) {IFZ (t, r) dt} di _ i (f, f) dr .pïør, (r, f) dr ñ (myr I Ermrfp, (m) dr “{¶ @ r fl + @ r4pF í fl rar letar m; miví / Et (f) E20) 1 jírFz (z, r) dr - -OIFI (t, r) dz - _1111 (t, r) dr - -ÉFZ (r, r) dr d1a__ (n) tr In equation (10), Ei (t) is the expected value in the time of r F, - (t, r). Thus, for equation (10) to have an unambiguous solution, the expectation values for F1 (t, r) and F 2 (t, r) must not coincide. It also appears that similar conditions apply to equations (9) and (1 1) even if the distribution functions, F, - (t, r), in these cases are not properly normalized. Apparently, any combination of two different gain functions can be used. It also includes two similar functions with different t, «.
Utifrån ett teoretiskt perspektiv är emellertid G1=At och G2=A den bästa kombinationen för förhållandet som formades i ekvation (3). För ekvation (4) är det optimala valet av förstärkningsfunktioner G1=Bt och G2=-Bt+B. Med dessa val av förstärkningsfunktioner gäller likhet mellan avklingningstiden r och förhållandena som fonnats i ekvationema (3) och (4), det vill säga fullständigt linjära samband utan någon offset. För förhållandet i ekvation (5) leder rarnpade förstärkningsfunktioner till ett inversförhållande mellan signalavklingningstid och format förhållande. Ett sådant val av förhållande skulle kunna vara fördelaktigt under vissa omständigheter om signalens avklingningstid ska användas för mätningar av ämneskoncentrationer.From a theoretical perspective, however, G1 = At and G2 = A are the best combination for the ratio formed in equation (3). For equation (4), the optimal choice of gain functions is G1 = Bt and G2 = -Bt + B. With these choices of gain functions, the similarity between the decay time r and the conditions found in equations (3) and (4), i.e. completely linear relationships without any offset, applies. For the ratio in equation (5), paired gain functions lead to an inverse relationship between signal decay time and formed ratio. Such a choice of ratio could be advantageous in certain circumstances if the decay time of the signal is to be used for measurements of substance concentrations.
Teoretiskt ger rampade förstärkningsfunktioner lika hög känslighet för alla avklingningstider.Theoretically, ramped amplification functions provide equally high sensitivity for all decay times.
Det kan jämföras med standard-RLD-metoder, vilka i princip enbart fungerar bra inom begränsade intervall av avklingningstider. Detta faktum illustreras i figur 5 där valet att använda två rampade och två rektangulära förstärkningsprofiler jämförs. Resultaten som presenteras är framtagna med hjälp av Monte Carlo-simuleringar av 500 emitterade, Poissonfördelade partiklar med en exponentiellt avtagande partikelström. Simuleringarna upprepades 1000 gånger för att generera statistik.It can be compared with standard RLD methods, which in principle only work well within limited intervals of decay times. This fact is illustrated in Figure 5 where the choice to use two ramped and two rectangular reinforcement profiles is compared. The results presented are generated using Monte Carlo simulations of 500 emitted, Poisson-distributed particles with an exponentially decreasing particle current. The simulations were repeated 1000 times to generate statistics.
De rektangulära förstärkningsfunktionerna i figur Sa består av två på varandra följ ande tidsfönster med 3 ns längd. AB är signalens amplitud och LIF återges av de tjocka, solida, avklingande kurvoma. De rarnpade förstärkningsfunktionema är definierade inom ett tidsfönster som är 40 ns brett. De två rarnpemas lutningar har samma absolutbelopp, men olika tecken. Figur 5b visar meritfigurema för de två valen av förstärkningsfunktioner.The rectangular reinforcement functions in Sa gur Sa consist of two consecutive time windows with a length of 3 ns. AB is the amplitude of the signal and LIF is represented by the thick, solid, decaying curves. The reduced gain functions are initiated within a time window that is 40 ns wide. The slopes of the two rarnpemas have the same absolute amount, but different signs. Figure 5b shows the merits of the two choices of gain functions.
Meritfiguren är definierad som (aJr)-(aN/1V), där a, är standardavvikelsen i r och aN är signalens standardavvikelse. För Poissonstatistik gäller att o' N = V N . Meritvärdet är ett mått på hur brus förstärks av systemet och ska därmed vara så lågt som möjligt. Figur 5c illustrerar felet i I och figure Sd visar r/o, som funktion av 1.The merit clock is defined as (aJr) - (aN / 1V), where a, is the standard deviation in r and aN is the standard deviation of the signal. For Poisson statistics, o 'N = V N. The merit value is a measure of how noise is amplified by the system and should therefore be as low as possible. Figure 5c illustrates the error in I and figure Sd shows r / o, as a function of 1.
Förutom att ge lika god sensitivitet för alla avklingningstider är ramp-liknande förstärkningsprofiler enklare att realisera än vad rektangulära förstärkningsfunktioner är på grund av de höga frekvenskomponenter som är nödvändiga för att skapa den stigande och den fallande flanken hos rektangulära förstärkningsprofiler. Dessutom är det fördelaktigt att kunna integrera hela signalen eftersom att det ger maximalt signal-till-brusförhållande. Det bör dock ännu en gång betonas att rampade förstärkningskurvor enbart är det optimala valet för vissa signalkurvor. Vidare bör det påtalas att de tre förhållandena i ekvationema (3), (4) och (5) enbart är exempel. Det finns fler sätt på vilka förhållande kan bildas med hjälp av två signaler.In addition to providing equally good sensitivity for all decay times, ramp-like gain probes are easier to realize than rectangular gain functions due to the high frequency components necessary to create the rising and falling ken anchor of rectangular gain waves. In addition, it is advantageous to be able to integrate the entire signal because it provides maximum signal-to-noise ratio. However, it should be emphasized once again that ramped gain curves are only the optimal choice for certain signal curves. Furthermore, it should be pointed out that the three conditions in equations (3), (4) and (5) are only examples. There are ways in which relationships can be formed using two signals.
Oberoende av vilka förstärkningsfunktioner som används är det fördelaktigt att på ett detalj erat sätt karaktärisera excitations- och detektionssystemen. Om förstärkningsprofilerna och excitationsfunktionen är kända eller kan mätas är det möjligt att bestämma avklingningstiden i princip utan några approximationer i analysen. Ett bibliotek av signalförhållanden kan beräknas för olika avklingningstider genom att räkna fram signalen som skulle erhållas för olika signalavklingningstider genom att utnyttja de applicerade förstärkningsfunktionema och excitationsfunktionen. Genom att jämföra uppmätta signalförhållanden med de beräknade värdena i biblioteket kan avklingningen för signalen från mätprovet erhållas. Det är av största vikt att signalförhållanden bildas eftersom att det innbär att den initiala signalamplituden förkortas bort, vilket är nödvändigt för att beräknade värden på ett enkelt sätt ska kunna jämföras med uppmätta värden. Referensbiblioteket skulle altemativt kunna tas fram genom att förhållanden beräknas utifrån uppmätta avklingningsfunktioner. Figur 6 åskådliggör den generella proceduren.Regardless of which amplification functions are used, it is advantageous to characterize the excitation and detection systems in a detailed manner. If the gain profiles and the excitation function are known or can be measured, it is possible to determine the decay time in principle without any approximations in the analysis. A library of signal ratios can be calculated for different decay times by calculating the signal that would be obtained for different signal decay times by using the applied amplification functions and the excitation function. By comparing measured signal conditions with the calculated values in the library, the decay of the signal from the measurement sample can be obtained. It is of the utmost importance that signal conditions are formed because it means that the initial signal amplitude is shortened away, which is necessary for calculated values to be easily compared with measured values. The reference library could alternatively be produced by calculating conditions based on measured decay functions. Figure 6 illustrates the general procedure.
Figur 7 visar den experimentella uppställning som använts för två-dimensionell avbilning av fluorescensavklingningstider genom användandet av två förstärkta CCD (ICCD) kameror då den optiska signalen delas och en pikosekundslaser används för excitation. Den tredje övertonen (266 nm) från en pulsad (10 Hz) Nd:YAG-laser med 30 ps pulsduration fokuserades till ett laserark som linjerades in i mätvolymen. Toluenseedad gas strömmade ut från ett rör med 2.2 mm diameter. Röret var instucket i centrum av en porös plugg som möjliggjorde ett kontrollerbart omgivningsflöde som skyddade den centrala gasströmmen.Figure 7 shows the experimental setup used for two-dimensional imaging of orescence decay times using two amplified CCD (ICCD) cameras when the optical signal is split and a picosecond laser is used for excitation. The third harmonic (266 nm) from a pulsed (10 Hz) Nd: YAG laser with 30 ps pulse duration was focused to a laser sheet that was lined into the measurement volume. Toluene seed gas flowed out of a 2.2 mm diameter pipe. The pipe was inserted in the center of a porous plug that enabled a controllable fate of the environment that protected the central gas flow.
Massflödeskontrollers användes för att generera syrgas/kvävgasblandningar till det centrala gasflödet och till omgivningsflödet via separata gasmatningssystem. Två ICCD kameror positionerades i rät vinkel i förhållande till varandra med en 70/30 stråldelare som för att leda signal till de båda kameroma. Valet av stråldelare kan göras så att ett maximalt signal-till- brusförhållande erhålles för de två detektorema, det vill säga för att kompensera för skillnader i till exempel sensitivitet, detektorbrus och signalsamlingseffektivitet. En gatebar MCP-PMT detekterade laserpulsema innan de nådde mätvolymen. Tidsseparationen mellan MCP-PMT- signalen och kameromas förstärkningsmonitorpulser loggades med hjälp av ett 3 GHz digitalt oscilloskop. Därmed möjliggjordes jitterkorrektion för varje enskild excitationspuls vid dataanalysen. Bilder över avklingningstider verifierades längs en horisontell pixelrad genom gasströmmen genom jämförelse med streakkameramätningar. En streakkamera är en kommersiellt tillgänglig detektor som i en dimension kan upplösa förlopp som sker på pikosekundsskala. Bilder av ett rutsystem togs innan varje mätning för att överlappa bilderna tagna med de två kameroma. Ett egenhändigt skrivet matlabprograrn baserat på simulated annealing användes för att hitta en bildtransforrnation som pixel-till-pixelöverlappade bilderna tagna med de två kameroma.Mass fate controllers were used to generate oxygen / nitrogen mixtures for the central gas fate and for the ambient fate via separate gas supply systems. Two ICCD cameras were positioned at right angles to each other with a 70/30 beam splitter as if to conduct a signal to the two cameras. The selection of beam splitters can be made so that a maximum signal-to-noise ratio is obtained for the two detectors, ie to compensate for differences in, for example, sensitivity, detector noise and signal collection efficiency. A gatebar MCP-PMT detected the laser pulses before they reached the measurement volume. The time separation between the MCP-PMT signal and the cameras' amplification monitor pulses was logged using a 3 GHz digital oscilloscope. This enabled jitter correction for each individual excitation pulse in the data analysis. Images of decay times were verified along a horizontal pixel row by the gas stream by comparison with streak camera measurements. A streak camera is a commercially available detector that in one dimension can resolve processes that occur on a picosecond scale. Pictures of a grid were taken before each measurement to overlap the pictures taken with the two cameras. A handwritten matlab program based on simulated annealing was used to find an image transformation such as pixel-to-pixel overlapped images taken with the two cameras.
Från en enda excitation togs två LIF-bilder med olika kameraförstärkningskarakteristik.From a single excitation, two LIF images were taken with different camera gain characteristics.
Typiska experimentella resultat vid användandet av en 2 ns gate och en 400 ns gate återges i figurema 8aexp respektive 8bexp. Laserpulsen mättes med hjälp av streakkameran och den temporala profilen visade sig beskrivas väl av en klockformad kurva med 30 ps full bredd vid halva maxvärdet (FWHM). Förstärkningsfunktionema mättes genom att sekventiellt stega förstärkningsfördröjningen mellan kameragate och laserpuls samtidigt som Rayleighspridning från ett flöde av dammfri luft mättes. De uppmätta förstärkningsfunktionerna korrigerades för skillnader i våglängdskänslighet mellan Rayleigh- och LIF-våglängderna. För att göra denna korrektion utfördes Sekventiell stegning av förstärkningsfördröjningstiden samtidigt som Rayleigh och LIF signaler mättes. Förhållanden mellan dessa båda signaler formades för båda kamerorna och multiplicerades med förstärkningsfunktionerna.Typical experimental results using a 2 ns gate and a 400 ns gate are given in fi gures 8aexp and 8bexp, respectively. The laser pulse was measured using the streak camera and the temporal beam was found to be well described by a bell-shaped curve with 30 ps full width at half the maximum value (FWHM). The gain functions were measured by sequentially increasing the gain delay between camera gate and laser pulse while measuring Rayleigh scattering from a fl desert of dust-free air. The measured gain functions were corrected for differences in wavelength sensitivity between the Rayleigh and LIF wavelengths. To make this correction, Sequential increment of the gain delay time was performed while Rayleigh and LIF signals were measured. Relationships between these two signals were formed for both cameras and multiplied by the amplification functions.
Grafiska beskrivningar av signalsimuleringarna visas i figur Sam och figur ßbsim. De tjocka, solida kurvorna visar LIF-signalen, vilken modelleras som en enkel avklingande exponentialfunktion faltad med laserpulsen. Kameromas törstärkningsfunktioner, G1 och G2, återges i form av de streckade kurvorna. Exponentialfunktionen multiplicerad med förstärkningsfuriktionema visas som de tunna svarta linjema längs ytterkantema på de solida gråa ytorna och de solida gråa ytoma illustrerar de integrerade signalerna, det vill säga värdena som erhålles i ett pixelpar för de två kamerorna.Graphic descriptions of the signal simulations are shown in fi gur Sam and figure ßbsim. The thick, solid curves show the LIF signal, which is modeled as a simple decaying exponential function folded by the laser pulse. The camera's dry boost functions, G1 and G2, are shown in the form of the dashed curves. The exponential function multiplied by the gain frictions is shown as the thin black lines along the outer edges of the solid gray surfaces and the solid gray surfaces illustrate the integrated signals, i.e. the values obtained in a pixel pair for the two cameras.
Testsimuleringar av LIF-signalen gjordes för måttliga excitationsintensiteter med hjälp av densitetsmatrisekvationer (density matrix equations; DME) och rate ekvationer (RE).Test simulations of the LIF signal were performed for moderate excitation intensities using density matrix equations (DME) and rate equations (RE).
Spektralt överlapp och detuning försummades. Skillnaden som uppstod vid utvärderingen av fluorescensavklingningstider vid användande av faltning, rate ekvationer och densitetsmatrisekvationer var mindre än 0.1%. Därmed har användandet av faltning som är den enklaste av de tre motiverats. Det enklaste altemativet hade varit att helt enkelt använda exponentialfunktionen utan faltning med laserpulsen.Spectral overlap and detuning were neglected. The difference that occurred in the evaluation of orescence decay times using convolution, rate equations and density matrix equations was less than 0.1%. Thus, the use of folding, which is the simplest of the three, has been justified. The simplest alternative would have been to simply use the exponential function without folding with the laser pulse.
Figur 9 visar fluorescensavklingningstider uppmätta från en enda excitation i enskilda kamerapixlar längs en linje i dessa två-dimensionella gasfasmätningar. Detektions- och evalueringsalgoritmen som beskrivits ovan (förhållande enligt ekvation (4)) användes med förstärkningsfunktionerna som visas i figur 9. I figuren återges även resultatet från 900 medelvärdesbildade signaler uppmätta med streakkameran. Dessa streakkameramätningar gjordes för att Validera metoden som beskrivs i föreliggande patentansökan. Det faktum att denna metod tillhandahöll tvådimensionella singel-excitationsmätningar av avklingningstider kortare än 1 ns med 120 ps standardavvikelse utan att optimala förstärkningsfunktioner användes illustrerar den signifikant högre känsligheten jämfört med ett jämförbart, tillgängligt instrument såsom en streakkamera. Det ska påpekas att streakkameran enbart tillhandahöll avklingningstider längs en linje medan metoden som beskrivs i föreliggande patentansökan gav data i två dimensioner.Figure 9 shows orescence decay times measured from a single excitation in individual camera pixels along a line in these two-dimensional gas phase measurements. The detection and evaluation algorithm described above (ratio according to equation (4)) was used with the amplification functions shown in fi gur 9. The fi gur also reproduces the result from 900 averaged signals measured with the streak camera. These streak camera measurements were made to validate the method described in the present patent application. The fact that this method provided two-dimensional single-excitation measurements of decay times shorter than 1 ns with 120 ps standard deviation without using optimal amplification functions illustrates the significantly higher sensitivity compared to a comparable, accessible instrument such as a streak camera. It should be noted that the streak camera only provided decay times along a line while the method described in the present patent application provided data in two dimensions.
En apparat för bestänming av luminiscensavklingningstider visas schematiskt i figur 10. Ett mätprov exciteras med hjälp av en pulsad strålningskälla, med en laser, diodlaser eller lysdiod. Fokuserings/insamlingsoptiken skulle kunna vara ett mikroskop, fiberkopplad optik, linser, etc. Emitterad luminiscens detekteras i två insamlingar av en enda sensor eller i en enda insamling av två eller fler sensorer. Förstärkningsfunktionema som multipliceras med signalerna har olika temporal karaktäristik, men åtminstone en beskrivs av en rampliknande funktion. De förstärkta/modulerade signalema integreras och ett förhållande bildas. Det formade förhållandet jämförs med beräknade förhållanden. Dessa har beräknats antingen genom analytiska uttryck eller genom simuleringar (figur 5). De simulerade signalförhållanden har beräknats genom användandet av samma förstärkningsfilnktioner som används för att fórstärka/modulera signalema. Signalavklingningen från mätprovet modelleras som en enkel exponentialfunktion, det vill säga den kan åtminstone approximativt beskrivas av en enkel exponentiell avklingning.An apparatus for determining luminescence decay times is shown schematically in Figure 10. A measurement sample is excited by means of a pulsed radiation source, with a laser, diode laser or LED. Focusing / collection optics could be a microscope, opp connected optics, lenses, etc. Emitted luminescence is detected in two collections of a single sensor or in a single collection of two or more sensors. The gain functions multiplied by the signals have different temporal characteristics, but at least one is described by a ramp-like function. The amplified / modulated signals are integrated and a relationship is formed. The formed ratio is compared with calculated conditions. These have been calculated either by analytical expressions or by simulations (fi gur 5). The simulated signal conditions have been calculated by using the same amplification functions used to amplify / modulate the signals. The signal decay from the measurement sample is modeled as a simple exponential function, i.e. it can at least approximately be described by a simple exponential decay.
Claims (9)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SE1100371A SE535980C2 (en) | 2011-05-16 | 2011-05-16 | Method and apparatus for determining decay times for pulse-stimulating signals. |
| PCT/SE2012/050541 WO2012158121A1 (en) | 2011-05-16 | 2012-05-16 | Method and arrangement for determining decay rates of pulse-stimulated signals |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SE1100371A SE535980C2 (en) | 2011-05-16 | 2011-05-16 | Method and apparatus for determining decay times for pulse-stimulating signals. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| SE1100371A1 true SE1100371A1 (en) | 2012-11-17 |
| SE535980C2 SE535980C2 (en) | 2013-03-12 |
Family
ID=47178416
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SE1100371A SE535980C2 (en) | 2011-05-16 | 2011-05-16 | Method and apparatus for determining decay times for pulse-stimulating signals. |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| SE (1) | SE535980C2 (en) |
| WO (1) | WO2012158121A1 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101886764B1 (en) | 2017-03-31 | 2018-08-08 | 연세대학교 산학협력단 | Measuring apparatus to obtain high-speed data analysis method for multiple exponential decaying functions and measuring method thereof |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3448090B2 (en) * | 1994-02-16 | 2003-09-16 | 浜松ホトニクス株式会社 | Energy transfer detection method and apparatus |
| US5686300A (en) * | 1995-09-11 | 1997-11-11 | Becton Dickinson And Company | Fluorescence detector |
| GB2404013B (en) * | 2003-07-17 | 2006-05-31 | Isis Innovation | Apparatus for and method of measuring fluorescence lifetime |
| WO2005040771A1 (en) * | 2003-10-23 | 2005-05-06 | National University Of Singapore | Fluorescence correlation spectroscopy with single excitation wavelength |
-
2011
- 2011-05-16 SE SE1100371A patent/SE535980C2/en not_active IP Right Cessation
-
2012
- 2012-05-16 WO PCT/SE2012/050541 patent/WO2012158121A1/en active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| SE535980C2 (en) | 2013-03-12 |
| WO2012158121A1 (en) | 2012-11-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Corsi et al. | Three-dimensional analysis of laser induced plasmas in single and double pulse configuration | |
| KR100885927B1 (en) | Apparatus and method for measuring fluorescence lifetime | |
| Kristensson et al. | Advancements in Rayleigh scattering thermometry by means of structured illumination | |
| JP5391429B2 (en) | Analytical method and apparatus for analyzing chemical substances, biological substances and explosive substances floating in the air in real time | |
| Cristoforetti et al. | Characterization of a collinear double pulse laser-induced plasma at several ambient gas pressures by spectrally-and time-resolved imaging | |
| Hoder et al. | Sub-nanosecond delays of light emitted by streamer in atmospheric pressure air: analysis of N2 (C3Πu) and N2+ (B2Σu+) emissions and fundamental streamer structure | |
| Hernandez et al. | A computational model of a single-photon avalanche diode sensor for transient imaging | |
| JP2011513740A (en) | Time-resolved spectroscopic analysis method and system using photon mixing detector | |
| FI3811052T3 (en) | Single particle automated raman trapping analysis | |
| Farsund et al. | Required spectral resolution for bioaerosol detection algorithms using standoff laser-induced fluorescence measurements | |
| Zentgraf et al. | Application of structured illumination to gas phase thermometry using thermographic phosphor particles: a study for averaged imaging | |
| Kekkonen et al. | On the spectral quality of time-resolved CMOS SPAD-based Raman spectroscopy with high fluorescence backgrounds | |
| Ye et al. | Range accuracy analysis of streak tube imaging lidar systems | |
| Bachiller-Perea et al. | First pump–probe–probe hard X-ray diffraction experiments with a 2D hybrid pixel detector developed at the SOLEIL synchrotron | |
| US11313720B2 (en) | System and method to minimize nonrandom fixed pattern noise in spectrometers | |
| Payne et al. | Wide-field imaging of single-nanoparticle extinction with sub-nm 2 sensitivity | |
| Talbot et al. | Correction approach for delta function convolution model fitting of fluorescence decay data in the case of a monoexponential reference fluorophore | |
| SE1100371A1 (en) | Method and apparatus for determining decay times for pulse-stimulating signals. | |
| Brahim et al. | Thermal diffusivity measurement by photothermal radiometry under random excitation and parametric analysis | |
| Wemhoner et al. | Lightning radiometry in visible and infrared bands | |
| KR101758114B1 (en) | Method for measuring fluorescence lifetime according to energy transfer | |
| Hampf et al. | Evaluation of CCD cameras for beam profile monitoring with high intensity particle beams traversing gases | |
| SE535980C8 (en) | ||
| Kang et al. | An improved particle counting method for particle volume concentration in aeolian sand transport | |
| Impiombato et al. | Evaluation of the optical cross talk level in the SiPMs adopted in ASTRI SST-2M Cherenkov Camera using EASIROC front-end electronics |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| NUG | Patent has lapsed |