SE535980C2 - Förfarande och anordning för bestämning av avklingningstider för pulsstimulerande signaler. - Google Patents

Abstract

Ett tillvägagångssätt för att analysera och mäta avklingningstakter för avklingande signalerfrån en pulsad inputstimulering beskrivs. Åtminstone två signaler förstärks med olikafórstärkningskaraktäristik. Dessa signaler kan antingen vara ett resultat av en uppsplittring aven signal eller signaler från olika pulsstimuleringar. Genom att använda åtminstone en rampadforstärkningskurva kan avklingningstiden bestämmas. Dessutom presenteras en algoritm forutvärdering of avklingningstider under användandet av godtyckliga fórstärkningsfunktioner.En apparat presenteras som är till for mätning av avklingningstider hos luminiscenssignalergenom användandet av ovan presenterade steg.

Description

535 980 2 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 luminiscenssignaler: 1. Analys i frekvensdomänen (FD) 2. Analys i tidsdomänen (TD) 3. Tidskorrelerad singel-fotonräkning (TCSPC) Nedan återfinns korta beskrivningar av de tre koncepten.

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). Efier det att signalen har blivit konverterad från fotoner till elektroner jämförs den detekterade signalen med excitationsmodulationen. Denna järníörelse kan göras antingen genom att modulera detektoms förstärkning med samma frekvens som excitationskällan eller genom att använda en lock-in-törstärkare. 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.

TD Avklingningstidsbestärnning 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 avklingníng. De flesta kommersiella system innehåller en kamera.

Därmed måste minst två excitationer göras för att kunna extrahera avklingningstiden hos den optiska signalen. Det finns flera scheman för ta bilder och analysera signalema 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 = ftir/OJ d: där D är det totala antalet integrerade counts, tape, är tiden då karneragaten öppnas, ram är tidpunkten då kameragaten stängs, och integranden är exponentialfunktionen med avklíngningskonstant 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 signalfotonema bestäms och sparas i ett minne. Utvärderingen of 535 980 3 luminiscensens avklingningstid görs oftast genom en kurvanpassning med någon typ av felmått, vanligtvis minsta kvadratmening.

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 avklingningarna är linjära, multi-exponentiella, inversa, etc kan metoden som beskrivs i denna patentansökan användas för att skilja olika avklingningstider åt.

Sammanfattning av uppfinningen Idén bakom uppfinningen är att fórstärka/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 fimktion av avklingningstiden hos den avklingande signalen. Därmed är det för varje fórstärkningsprofil möjligt att integrera hela signalen. Eftersom att det är produkten mellan törstärkningsfuriktionema och signalfunktionen som integreras bestämmer förstärkningsfiinktionema om integranden går mot noll innan signalnivån är noll. De olika förstärkningarna ska vara kända eller mätas tillsammans med excitationspulsen. De förstärkta/modulerade signalerna kan därefter beräknas för olika signalavklingningstider.

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 signalerna är kända. Dessa skulle kunna bestämmas antingen genom beräkningar eller mätningar, såsom nämnt ovan. Hämäst multipliceras signalen med förstärkningsfunktionerna och samma förhållanden som för mätdatan formas. De beräknade förhållandena jämförs sedan med de uppmätta för att flnna avklingningstiden/avklingningstidema för mätdatan. Detta detektions/utvärderingsschema kan appliceras för punktmätningar, mätningar längs en linje samt för två-dimensionella mätningar.

Signalen kan utgöras av en godtycklig avklingande signal; elektrisk, optisk (infraröd, synlig, ultaviolett), radioaktiva partiklar, etc.

Korta figurbeskrivningar Ytterligare saker, särdrag och fördelar med uppfinningen kommer att bli synbara från följande detaljerade beskrivning av konkretiseringar av uppfinningen med avseende på ritningarna, i vilka: Figur l. Schematisk illustration av metoden då en optisk signal omvandlas till en elektrisk signal och därefter delas upp i minst två elektriska signaler. 535 980 4 Figur 2. Schematisk illustration av metoden då en elektrisk signal splittras upp i minst två elektriska signaler som sedan fórstärks/moduleras med förstärkningsfririktioner med olika temporal karaktäristik.

Figur 3. Schematisk illustration av metoden då åtminstone tvâ stimulerande pulser används för att få mätprovet att sända ut åtminstone två signaler som konverteras till elektriska signaler.

Figur 4. Schematisk illustration av metoden då minst två sensorer används för att detektera signalen från en enda pulsad stimulering av mätprovet.

Figur 5. Monte Carlo simuleringar av exponentiella avklingningar som uppmäts med två olika set av törstärkningsfunktioner. (a) Den exponentiella avklingningen och rektangelforrnade (övre) och rarnpade förstärkningarna (nedre). (b) Meritñguren för de två seten av törstärkningsfunktioner. Den solida kurvan korresponderar till de rampade förstärkningarna 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 rektangelfonnade förstärkningarna.

Figur 6. Schematisk illustration av den fulla analysproceduren beskriven i föreliggande patentansökan. Ett referensbibliotek av signalförhållanden för olika avklingningstider fonnas.

Om till exempel funktionstypen för den avklingande mätprovsignalen är känd och excitationspulssignalens funktion samt förstärknings/modulationsfunktionerna har mätts upp kan simulerade mätprovsignaler med olika avklingningstider faltas med excitationspulsfunktionen för att sedan multipliceras med fórstärkningsfunlctionema. Ett alternativt angreppssätt är att utnyttja ett set av uppmätta signaler med olika avklingningstider för att generera referensbiblioteket. Efier multiplikation med törstärkningsfurilctionema integreras de simulerade signalerna och si gnalförhållanden 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.

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-kamerorna samt till en triggningslåda (TB) som används för att skicka ut triggningspulser till en streakkarnera och en MCP-PMT.

Figur 8. Sirnultant 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.

I (asim) och (bsim) återges grafiska beskrivningar av simuleringar av detekterad ICCD- kamerasignal. De tjocka solida gråa kurvorna 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 lCCD-kameroma enligt ekvationerna (1) och (2).

Figur 9. F luorescensavklingningstider utvärderade från 900 streakkameraaccurnuleringar (streckad och heldragen linje) tillsammans med singel-puls fluorescenslivstidsbilder som 535 980 5 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-rnolekyler; 10.5/ 89.5 (öppna cirklar och streckad linje) och 17/83 (fyllda cirklar och solid linje).

Figur 10. En apparat för mätning av avklingningstider hos avklingande optiska signaler.

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 detektíonsoptiken skulle kunna bestå av ett mikroskåp eller fiberkopplad optik altemativt en kombination av lärnpliga linser. Lämpliga filterkombinationer används. De optiska signalerna konverteras till elektriska signaler av liknande temporal karakteristik som de från mätprovet utsända optiska, avklingande signalema. De elektriska signalema förstärks/moduleras genom användandet av antingen en eller flera detektorintegrerade förstärkare eller en eller flera externa förstärkare. De fórstärkta/modulerade signalema integreras därefter och ett eller flera signalförhållanden bildas. Detta/dessa signalförhållande/signalförhållanden används för extraktion av avklingningstiden/avklingningstiderna hos signalen från mätprovet. Det kan antingen ñnnas ett analytiskt samband mellan signalförhållande och avklingningstid eller så kan signalförhållandet/signalförhållandena simuleras för olika avklingningstider för den optiska signalen innanjärnförelse med den/de experimentellt erhållna förhållandet/förhållandena.

Detaljerad beskrivning av detaljuttöranden Nedan beskrivs ett flertal konkretiseringar av uppfinningen. Dessa konkretiseringar beskrivs i ett illustrerande syfte för att möjligöra för en person kunnig i ämnet 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.

Det finns ett flertal detektions- och signalprocesscheman som skulle kunna användas inom ramen för föreliggande koncept. Dessa sammanfattas i figurema 1-4. Figur l 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. Sígnalema förstärks/moduleras med hjälp av åtminstone två förstärkningsfirnktioner 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 stimuleríngspulser 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. Sígnalema integreras och de integrerade signalema används för att forma 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 535 980 b fórstärkta/modulerade signalema integreras därefter. De integrerade signalema används för att forma ett eller flera förhållande som används för att extrahera avklingningen för signalen från mätprovet.

I nedanstående konkretiseringar observeras avklingande fluorescenssignaler efter excitation med laserpulser som har pulslängder på pikosekundsskala. Detektions- och analysschemat som beskrivs är dock inte begränsat till fluorescensavklingningar. Signalen skulle kurma utgöras av vilken avklingande signal som helst.

För enkelhets skull kommer endast två förstärkningsfitnktioner 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 rainpliknande funktioner.

Antag en situation där den effektiva avklingningen för en avklingande signal beskrivs av en enkel exponentialfunktion och beteckna de två förstärkningsfunktionema G; respektive G2.

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.

Två signaler, 1| 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. Signaler-na kan beskrivas av följande ekvationer: 1,(f,f,,a)= iqtnqp-f, -aga (i) l2(r,r,,6)= cífs(r,r)Gz(r -12 -ö,)dr (2) där r är signalens avklingningstid, t; och t; är fórstärkningsftinktionemas tidsfördröjningar relativt excitationen och å; respektive å; är tidsjittren för fórstärkningsfiinktionerna relativt excitationen. lntegrationsintervallet är satt från -oo till +00 för enkelhets skull med tanke på att integranderna är skilda ifrån noll endast i begränsade intervall. Naturligtvis används kortare intervall i realiteten.

Ett signalförhållande, R, kan formas på olika sätt. Tre exempel ges av ekvation (3), ekvation (4) och ínversen av ekvation (4), vilken återges i ekvation (5): 1 R --1': (3) 1.

I, +12 R = (4) 535 980 (5) Om integrandema, S(t,z')G, (t -t,. - å), i ekvationerna (1) och (2) betecknas F, (m) respektive F, (1,1) kan R skrivas på följande sätt: 315] (t,r)dt R - Ti:- IF, (t,r)dt milf, (r,r)dr R = m _., -fllfi (t,r)+ F,(t,f)]dt ÜHF", (t,r)+ F2(t,r)}It R = _., lagen, (6) (7) (3) for ekvationema (3), (4) och (S). I dessa ekvationer kan F',.(t,r) tolkas som den icke- normaliserade sannolikhetsfunktionen för tiden vid vilken till exempel en elektron kommer fram från fórstärkningselektroniken. Genom att derivera R med avseende på 1 sanitidigt som det antas att signalen beskrivs av en faltning mellan en Gaussisk funktion (excitationspulsen) och en enkel avklingande exponentialfilnktion härleds följande uttryck för ekvationema (6), (7) och (8): dR 1 TW, (r,r)d1- qøjFz(z,r)dz - uilfl(r,r)dr- írf',(z,r)dz { ïFz (t, f)dr} dr rz :[1-",(r,r)d:-jf1«"2(r,r)dr íflf,(r,r)dr :[rF2(r,r)dr 'frlš 1 :T T {ï[l-](r,r)+Fz(r,r)]dz}z :Jçfififlldf- :IOFÄYJVY -m \-:-v_--“ i Btw 152m (9) (10) 535 980 dR _ 1 :lurF,(r,z-)dr-Elflrfldr-:ozlflzflyr-:EF,(z,r-)dr ---,- (11) af 1 ümhàdty I ekvation (10) är E¿(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 F2(t,r) sarnrnanfalla. Det framgår även att liknande villkor gäller för ekvationema (9) och (ll) även om distributionsfunktíonerna, F',-(t,r), i dessa fall inte är ordentligt norrnaliserade. Till synes kan vilken kombination av två olika förstärkningsfunktioner användas. Det inkluderar även två likadana funktioner med olika t,r.

Utifrån ett teoretiskt perspektiv är emellertid G|=At och G2=A den bästa kombinationen för förhållandet som forrnades i ekvation (3). För ekvation (4) är det optimala valet av förstärkningsfunktioner G 1=Bt och G2=-BI+B. Med dessa val av förstärkningsfunktioner gäller likhet mellan avklingningstiden r och förhållandena som formats i ekvationema (3) och (4), det vill säga fullständigt linjära samband utan någon offset. För förhållandet i ekvation (5) leder rampade 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.

Teoretiskt ger rarnpade törstärkningsfrinktioner lika hög känslighet för alla avklingningstider.

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 ßr att generera statistik.

De rektangulära förstärkningsfunktionerna i figur 5a 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 rampade förstärkningsfunktionema är definierade inom ett tidsfönster som är 40 ns brett. De två rarnpemas lutningar har samma absolutbelopp, men olika tecken. Figur 5b visar merittigurerna för de två valen av förstärkningsfunktioner.

Meritfiguren är definierad som (a/Û-(aN/N), där a, är standardavvikelsen i r och a” är signalens standardavvikelse. För Poissonstatistik gäller att a” = fl? . Meritvärdet är ett mått på hur brus förstärks av systemet och ska därmed vara så lågt som möjligt. Figur 5c illustrerar felet i r och figure Sd visar r/a, som funktion av r.

Förutom att ge lika god sensitivitet för alla avklingningstider är ramp-liknande förstärkningsprofiler enklare att realisera än vad rektangulära förstärkningsftlnktioner 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. 535 980 Oberoende av vilka förstärkningsfunktioner som används är det fördelaktigt att på ett detalj erat sätt karaktärísera 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 förstärkningsfirnktionema och excitationsfimktionen. 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 signalainplituden 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 utifrân uppmätta avklingningsfunktioner. Figur 6 åskådliggör den generella proceduren.

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 (l0 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.

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 kamerorna. Valet av stråldelare kan göras så att ett maximalt signal-till- brusfórhållande erhålles för de två detektorema, det vill säga för att kompensera för skillnader i till exempel sensitivitet, detektorbrus och signalsarnlingseffektivitet. En gatebar MCP-PMT detekterade laserpulsema innan de nådde mätvolymen. Tidsseparationen mellan MCP-PMT- signalen och karneromas förstärkningsmonitorpulser loggades med hjälp av ett 3 GHz digitalt oscilloskop. Därmed möjliggiordes jitterkorrektion för varje enskild excitationspuls vid dataanalysen. Bilder över avklingningstider verifierades längs en horisontell pixelrad genom gasströmmen genom jämförelse med streakkamerarnätningar. En streakkarnera 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 bildema tagna med de två kamerorna. Ett egenhändigt skrivet matlabprogram baserat på simulated annealing användes för att hitta en bildtransforrnation som pixel-till-pixelöverlappade bildema tagna med de två kamerorna.

Från en enda excitation togs två LIF-bilder med olika kameraförstärkningskarakteristik.

Typiska experimentella resultat vid användandet av en 2 ns gate och en 400 ns gate återges i figurema 821m, respektive 8b.xp. Laserpulsen mättes med hjälp av streakkarneran och den temporala profilen visade sig beskrivas väl av en klockforrnad kurva med 30 ps full bredd vid halva maxvärdet (FWHM). Förstärkningsfunktionerna mättes genom att sekventiellt stega förstärkningsfördröjningen mellan karneragate och laserpuls samtidigt som Rayleighspridning från ett flöde av dammfri luft mättes. De uppmätta fórstärkningsfiinktionema korrigerades för skillnader i våglängdskänslighet mellan Rayleigh- och LlF-våglängdema. 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 förstärkningsftrnktionema. 535 980 [O Grafiska beskrivningar av signalsimuleringama visas i figur Sam och figur 8bsim. De tjocka, solida kurvorna visar LIF-signalen, vilken modelleras som en enkel avklingande exponentialfunktion faltad med laserpulsen. Kameromas iörstärkningsfunktioner, G1 och G2, återges i form av de streckade kurvoma. Exponentialfunktionen multiplicerad med fórstärkningsfiinktionema visas som de tunna svarta linjema längs ytterkantema på de solida gråa ytoma och de solida gråa ytorna illustrerar de integrerade signalerna, det vill säga värdena som erhålles i ett pixelpar för de två kameroma.

Testsimuleringar av LIF-signalen gjordes för måttliga excitationsintensiteter med hjälp av densitetsmatrisekvationer (density matrix equations; DME) och rate ekvationer (RE).

Spektralt överlapp och detuning törsummades. 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 alternativet hade varit att helt enkelt använda exponentialfunktionen utan faltning med laserpulsen.

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 törstärkningsfunktionema 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.

En apparat lör bestämning 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 míkroskop, fiberkopplad optik, linser, etc. Emitterad luminiscens detekteras i två insamlingar av en enda sensor eller i en enda insamling av två eller fler sensorer. Förstärkningsfiinktionema som multipliceras med signalema har olika temporal karaktäristik, men åtminstone en beskrivs av en rampiiknande funktion. De förstärkta/modulerade signalema integreras och ett förhållande bildas. Det formade lörhållandet 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 förstärkningsfunktioner som används för att törstärka/modulera signalema. Signalavklingningen från mätprovet modelleras som en enkel exponentialfunktion, det vill säga den kan åtminstone approximativt beskrivas av en enkel exponentiell avklingning.

Claims (15)

10 15 20 25 30 535 980 PATENTKRAV

1. Förfarande för bestämning av avklingningshastigheter hos en första signal härstammande från ett pulsstimulerat prov innefattande stegen att: a) förstärka åtminstone två avklingande elektriska signaler härstammande från nämnda första signal med funktioner som har olika temporal karaktäristik, varvid åtminstone en av dessa förstärkningsfunktioner har en ökande eller avtagande rampliknande temporal form, för att bilda åtminstone två behandlade elektriska signaler, b) integrera nämnda behandlade elektriska signaler, c) bilda åtminstone en kvot med hjälp av nämnda integrerade behandlade elektriska signaler, d) beräkna nämnda åtminstone en avklingningshastighet utifrån nämnda åtminstone en kvot.

2. Förfarande enligt krav 1, varvid nämnd första signal är en optisk signal vidare innefattande att dela upp den optiska signalen i åtminstone två optiska signaler, konvertera nämnda åtminstone två optiska signaler för att bild nämnda åtminstone två avklingande elektriska signaler.

3. Förfarande enligt krav 1, vidare innefattande att detektera rumsliga delar av nämnda första signal genom åtminstone två optiska strålvägar för att bilda nämnda åtminstone två avklingande elektriska signaler.

4. Förfarande enligt krav 1, varvid nämnd första signal är en optisk signal, vidare innefattande att konvertera nämnda första signal till en elektrisk signal, och dela den elektriska signalen i åtminstone två signaler för att bilda nämnda åtminstone två avklingande elektriska signaler.

5. Förfarande enligt krav 1, varvid nämnda första signal innefattar optiska signaler härstammande från åtminstone två pulsstimuleringar av ett prov, och förfarandet vidare innefattar att konvertera nämnda optiska signaler 535 980 12 härstammande från åtminstone två pulsstimuleringar av ett prov till elektriska signaler för att bilda nämnda åtminstone två avklingande elektriska signaler.

6. Förfarande enligt något av ovanstående krav, varvid beräkningssteget är 5 utbytt mot: a) anrättning av ett bibliotek av signaler med olika biblioteksavklingningshastigheter b) multiplicering av nämnda uppsättning av bibliotekssignaler med nämnda funktioner med olika temporal karakteristik och bilda en 10 uppsättning av behandlade bibliotekssignaler, c) integrera nämnda uppsättning av behandlade bibliotekssignaler och bilda en uppsättning integrerade behandlade bibliotekssignaler Irüi) I2(Tr) Ilvcrr) Ink-z) I2(72) Iii/(Tz) 15 tm 126» från) (s w _I1-“,(r,f,)dz __|'1l“2(r,rl)d: IFN(:,1-,)dz ímfgdf jiigqflgdf ffNqflzpf Cjiquflgdi Émtfiid, ”JFNQJJm d) infoga nämnda uppsättning med integrerade behandlade bibliotekssignaler i nämnda åtminstone en kvot, varvid åtminstone en uppsättning med bibliotekskvoter bildas, 10 15 20 25 30 535 980 13 e) bilda en avklingningshastighetsfunktion genom att finna ett entydigt förhållande mellan nämnda åtminstone en uppsättning kvoter och nämnda olika biblioteksavklingningshastigheter, f) avgöra nämnda åtminstone en avklingningshastighet genom att införa nämnda åtminstone en kvot från nämnda första signal i nämnda avklingningshastighetsfunktion.

7. Anordning för bestämning av åtminstone en avklingningshastighet hårstammande från ett pulsstimulerat prov. innefattande: åtminstone en förstärkare för att förstärka åtminstone två avklingande elektriska signaler härledda från nämnda första signal med funktioner med olika temporal karakteristik, varvid åtminstone en av nämnda funktioner har en ökande eller minskande temporal form, för att bilda åtminstone två behandlade elektriska signaler, åtminstone en integrerare för att integrera nämnda behandlade elektriska signaler och för att beräkna nämnda åtminstone en avklingningshastighet från nämnda åtminstone en kvot.

8. Anordning enligt krav 7, varvid nämnda första signal är en optisk signal, varvid anordningen vidare innefattar en optisk enhet anordnad att dela den optiska signalen i åtminstone två optiska signaler. och varvid nämnda anordning vidare innefattar åtminstone en fotokänslig sensor för att bilda nämnda åtminstone två avklingande elektriska signaler genom att konvertera nämnda åtminstone två optiska signaler.

9. Anordning enligt krav 7, varvid nämnda första signal är en optisk signal, varvid nämnda anordning vidare innefattar en fotokänslig sensor för att konvertera nämnda första signal till en elektrisk signal, och en andra enhet anordnad att dela den elektriska signalen i åtminstone två signaler för att bilda nämnda åtminstone två avklingande elektriska signaler. 10 15 20 25 30 535 980 14

10. Anordning enligt krav 7, varvid nämnda anordning vidare innefattar åtminstone en fotokänslig sensor för att bilda nämnda åtminstone två avklingande elektriska signaler genom att detektera olika rumsliga delar hos nämnda först signal genom åtminstone två optiska vägar.

11. Anordning enligt krav 7, varvid nämnda första signal innefattar optiska signaler härstammande från åtminstone två pulsstimuleringar av ett prov, varvid nämnda anordning vidare innefattar åtminstone en fotokänslig sensor för att bilda nämnd åtminstone två avklingande elektriska signaler genom att konvertera nämnda optiska signaler härstammande från åtminstone två pulsstimuleringar av ett prov till elektriska signaler med temporal karakteristik.

12. Anordning enligt något av krav 8-11, varvid nämnda åtminstone en fotokänsliga sensor innefattar åtminstone en i gruppen av: fotodioder, fotomultiplikatortuber, raddetektorer av fotodioder, eller raddetektorer av fotomultiplikatortuber.

13. Anordning enligt något av krav 8-11, varvid nämnda åtminstone en fotokänsliga sensor är anordnad att ersätta nämnda integrerare och är anordnad att integrera nämnda behandlade elektriska signaler.

14. Anordning enligt något av krav 8-11, varvid nämnda åtminstone en förstärkare, nämnda åtminstone en integrerare och nämnda åtminstone en fotkänsliga sensor är ersatt av åtminstone en i gruppen av: en förstärkt CCD- kamera, eletronmultiplikator-CCD-kameror, eller elektronmultiplikator-CMOS- kameror.

15. Datorläsbart lagringsmedium med därpå lagrat program för att implementera förfarandet enligt något av kraven 1-6 när det exekveras på en anordning med datorbehandlingsförmåga.