WO2006125428A1 - Verfahren zur detektion optischer signale - Google Patents

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WO2006125428A1
WO2006125428A1 PCT/DE2006/000902 DE2006000902W WO2006125428A1 WO 2006125428 A1 WO2006125428 A1 WO 2006125428A1 DE 2006000902 W DE2006000902 W DE 2006000902W WO 2006125428 A1 WO2006125428 A1 WO 2006125428A1
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electrons
electromagnetic field
time
emitted
optical signals
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Inventor
Lars Kaestner
Peter Lipp
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Universität des Saarlandes
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting optical signals according to the preamble of patent claim 1 or 2.
  • the luminescence intensity can be measured in time windows. This is possible with “Photomultiplyer-Tubes” as well as with “gated” cameras.
  • the present invention is based on the object to improve the detection of emitted photons.
  • the electrons are deflected by an electromagnetic field in a direction laterally to the emission direction.
  • the electrons experience a different deflection by the changing electromagnetic field intensity depending on when the electrons emerge from the material.
  • the repetition rate of the change of the electromagnetic field can be particularly increased when the field is generated by one-dimensional structures whose electric charge can be changed quickly.
  • the electrons can be detected on the detection unit by the line-shaped or flat detection unit, depending on their point of incidence. So far as the deflection in the lateral direction is caused by the time-varying electromagnetic field, depending on the lateral direction of the point of impact of the electrons can be deduced on the exit time of the respective electron from the material.
  • the electromagnetic field may consist of a magnetic field or an electric field or possibly also of the combination of both.
  • the electrons can advantageously be accelerated after their exit by another electromagnetic field in the direction of their movement. This can be compensated advantageous that the exiting electrons have different speeds depending on the wavelength of the radiation that has brought the electrons to exit. Due to these different velocities, it is possible that an electron which emerges later has a higher velocity than another electron has the same point of incidence on the detection unit. By accelerating the electrons in their direction of motion from the amount of the velocity, this acceleration and the end velocity that can be achieved thereby achieve a nearly uniform velocity, in the sense that differences in the velocity of the electrons as they emerge become negligible.
  • the emitted electrons undergo a constant electromagnetic field through which the electrons are deflected in a direction perpendicular to their emission direction, wherein after passing through the electromagnetic field in a linear or area detection unit for the electron whose Auftrefrtician digitally determined becomes. Due to this electromagnetic field, the electrons are deflected differently depending on differences in their speed.
  • the constant electromagnetic field and the time-varying electromagnetic field cause distractions of the electrons in different directions.
  • the electrons can thus be examined both in terms of the exit time as well as in terms of the spectral distribution of the excitation energy.
  • the exit time can be determined more accurately with the method according to claim 3, the exit time.
  • the deflection by the constant electromagnetic field can first be used to determine the speed with which the individual electrons have escaped. This speed is the speed with which the electrons have entered the time-varying electromagnetic field. With knowledge of the time course of this electromagnetic field can be under knowledge of Determine the speed of the corresponding electron, at which time these electrons leaked. By this type of evaluation, therefore, the acceleration in the longitudinal direction of the movement of the electrons can be omitted, which was addressed in connection with claim 1 to compensate for the speed differences.
  • the time-varying electromagnetic field increases at a predetermined frequency from an initial value steadily increasing to a maximum value.
  • the points of impact of the electrons can be assigned in a simple manner to the times at which the electrons have escaped from the material.
  • the frequency of the change of the electromagnetic field correlates with the pulse frequency of a light source with which luminescence processes are excited.
  • a measurement begins again with a new light pulse with which luminescence processes are excited.
  • a further optical signal having a wavelength in the region of the emission light is output in front of an optical signal to be detected, wherein measurement signals in connection with the further optical signal are suppressed.
  • the optical signal is an excitation laser pulse
  • a further laser pulse in the range of the wavelength of the emission light is emitted immediately before the emission of this excitation laser pulse.
  • this causes a stimulated emission.
  • This means an emptying of excited states and thus functionally switching off the luminescence of the preceding excitation pulse. It is important to ensure that measurement signals based on this preceding laser pulse are not evaluated. This concerns both the laser pulse as such as well as the emissions that are based on this laser pulse. This can be realized by a short-time shutdown of the detector, a spectral exclusion or by a spatial exclusion. So far These measurement signals have been recorded, the measurement results can also be filtered during the evaluation.
  • the evaluation times or the maximum evaluation time duration of individual points of the luminescence lifetime image are determined as a function of the measurement events detectable in this area.
  • a point can be a single image pixel or else a pixel region in which a plurality of image pixels, which are predominantly adjacent to one another, are viewed together in a pixel region.
  • the detection speed per luminescence lifetime image can be optimized by the measure according to claim 7. If only a few photons are registered in the image pixel or pixel region, it can be decided with the aid of a predetermined or generated threshold value whether the luminescence signal lies in its intensity (A) below the signal strength of interest or (B) in the region of the signal strength of interest. In case A, the detection of the pixel can be skipped. In case B, the dwell time per pixel or range can be adjusted to the signal strength. In case A it is sufficient to evaluate this pixel or this area with a lower sampling frequency.
  • the other Measurement of the pixel to be skipped is useful if no measurement event or only very few measurement events have taken place. The time until the next check becomes dependent on the first measurement result for the individual Areas extended. Likewise, depending on the initial event, the entire measurement duration of the range can also be limited, as already explained.
  • the image refresh rate can advantageously be increased because the detection process is optimized. Depending on the preparation, the refresh rate can be increased by 50% to 200%.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the conditions in the stimulated emission.
  • FIG. 1 shows a representation of a detector.
  • the reference numeral 1 designates a semiconductor material by which photons are converted into electrons by the electrons emerge from the semiconductor material. The escaping electrons are symbolized by the lines 2 and 3.
  • This electromagnetic field is in the illustrated embodiment, an electric field, which is generated by the two capacitor structures 4 and 5.
  • Reference numeral 6 denotes a line of electron detectors, by which the leaked electrons are detected in consideration of their deflection by the electric field. These detectors can be integrating or counting.
  • the electrons exiting at different times experience different deflections, such that these electrons encounter different electron detectors depending on their exit time.
  • the frequency of the excitation pulses can be significantly increased by the different deflection of the electrons depending on their exit time.
  • the deflection of the electrons depends on their speed and thus their residence time in the electric field.
  • a - not shown here - development results when two electric fields are present, which are oriented perpendicular to each other.
  • One of these electric fields is then advantageously variable with time, while the other electric field is constant.
  • There is then a deflection of the electrons in different directions which can be evaluated differently according to the representation in the introduction.
  • Particularly advantageous is the direct measurement of the electrons at the end of the streak tube.
  • the application of the method in confocal laser scanning microscopy is particularly advantageous.
  • FIG. 2 shows a representation of the signal curves.
  • the upper diagram 201 shows a representation of femtosecond pulses of a laser with a frequency of 80 MHz.
  • the diagram 202 shows the alternating electric field strength that is generated via the capacitor plates 4, 5. It can be seen that the frequency of the change in the electric field strength correlates with the pulse frequency of the laser.
  • the diagram 203 below shows the luminescence decay curves.
  • the individual detectors of the line 6 are read out with a sampling rate of 8 MHz. This frequency corresponds to the time over which the individual detectors are integrated.
  • FIG. 3 shows a representation of the conditions in the stimulated emission.
  • the so-called pile-up effect can occur. This means that photon carriers occur due to excitations from the previous pulse. It is therefore recommended to limit the pulse repetition rate to five times the luminescence decay time.
  • FIG. 3 shows in the upper diagram the conditions for excitation pulses which have a sufficiently large time interval at the times 301 and 302. In particular, no excited states are present at the time 302.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion optischer Signale, wobei durch die optischen Signale Elektronen emittiert und anschließend digital detektiert werden, wobei die emittierten Elektronen ein sich zeitlich änderndes elektromagnetisches Feld durchlaufen, durch das die Elektronen in einer Richtung senkrecht zu deren Emissionsrichtung abgelenkt werden, wobei am Ende des sich zeitlich ändernden elektromagnetischen Feldes in einer linienförmigen oder flächigen Detektionseinheit für die Elektronen deren Auftreffpunkt digital ermittelt wird.

Description

Beschreibung Verfahren zur Detektion optischer Signale
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion optischer Signale nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder 2.
Im Zusammenhang mit der Detektion von Lumineszenzvorgängen ist den Erfindern bekannt, dass es nach Anregung von lumineszierenden Stoffen durch einen Lichtimpuls - insbesondere durch einen Laser - zu einer zeitlich exponentiell verlaufenden Entleerung der angeregten Energieniveaus kommt. Diese Entleerung spiegelt sich in der Lumineszenzabklingzeit wieder und kann bisher auf vier prinzipiell verschiedene Arten gemessen werden:
(i) Nach dem Lichtimpuls kann die Lumineszenzintensität in Zeitfenstern gemessen werden. Das ist sowohl mit „Photomultiplyer-Tubes" als auch mit „gegateten" Kameras möglich.
(ii) Die Laserintensität wird soweit reduziert, dass pro Puls maximal ein Photon detektiert wird. Dabei wird die Zeit zwischen Puls und Photon gemessen und entsprechend viele Ereignisse gesammelt, so dass aus der Anzahl Photonen pro Zeitfenster die Lumineszenzlebensdauer berechnet werden kann. Diese Methode wird zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung genannt.
(iii) Mit Hilfe einer Streak-Kamera wird die Zeitinformation in eine Ortsinformation übersetzt. Dabei wird pro Streak-Kamerabild eine komplette Zeile des Bildes gescannt. Mit der Streak-Kamera werden die ursprünglich erzeugten Elektronen durch einen Phosphorschirm in ein analoges Photonensignal umgewandelt. Diese können dann mit Hilfe einer CCD-Kamera aufgenommen werden. Nachteile entstehen vor allem durch eine System-induzierte reduzierte Pulsfrequenz von 500 kHz im Vergleich zu 80 MHz bei den Methoden (i) und (ii), Totzeiten durch das „Nachleuchten" des Phosphorschirmes und Beschränkung der Bildwiederholrate durch die Auslesegeschwindigkeit der CCD-Kamera (ein Bild der CCD-Kamera entspricht einer Zeile des Lumineszenz-Lifetime Bildes), (iv) Die Lumineszenzabklingzeit kann auch ohne Verwendung eines gepulsten Lasers gemessen werden, nämlich durch Frequenzmodulation des Anregungslichtes und konsekutiver Frequenzanalyse des Emissionslichtes. Alle genannten Methoden besitzen eine maximale Aufnahmegeschwindigkeit von etwa 3 Sekunden pro Bild. Dabei sind Methoden (i) bis (iii) scanning Methoden, bei denen die beschriebene Funktionsweise in jedem Pixel des Bildes zu tragen kommt. Die Bilder werden aus den einzelnen Pixeln zusammengesetzt und den gesamten Vorgang bezeichnet man als Fluoreszenz Lifetime Imaging (FLIM).
Weiterhin ist die Anzahl der auswertbaren Photonen begrenzt.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, die Detektion emittierter Photonen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung nach Anspruch 1 gelöst, indem die emittierten Elektronen ein sich zeitlich änderndes elektromagnetisches Feld durchlaufen, durch das die Elektronen in einer Richtung senkrecht zu deren Emissionsrichtung abgelenkt werden, wobei nach Durchlaufen des sich zeitlich ändernden elektromagnetischen Feldes in einer linienförmigen oder flächigen Detektionsemheit für die Elektronen deren Auftreffpunkt digital ermittelt wird.
Vorteilhaft wird dadurch erreicht, dass die Elektronen durch ein elektromagnetisches Feld in einer Richtung seitlich zur Emissionsrichtung abgelenkt werden. Indem dieses elektromagnetische Feld mit der Zeit geändert wird, erfahren die Elektronen eine unterschiedliche Ablenkung durch die sich ändernde elektromagnetische Feldstärke abhängig von dem Zeitpunkt, zu dem die Elektronen aus dem Material austreten. Dabei kann die Wiederholungsrate der Änderung des elektromagnetischen Feldes besonders gesteigert werden, wenn das Feld durch eindimensionale Strukturen erzeugt wird, deren elektrische Ladung schnell geändert werden kann.
Durch die digitale Auswertung lassen sich auch kleine Unterschiede im Auftreffpunkt verlässlich auswerten. Vorteilhaft wird also eine gute Auflösung erreicht. Es lassen sich Auftrefφunkte unterscheiden, die in einem Abstand voneinander entfernt sind, der der Pixelgröße entspricht. Gegebenenfalls kann es für die Genauigkeit der Auswertung - auch im Zusammenhang mit den Verfahren nach dem anderen unabhängigen Anspruch - sinnvoll sein, für einen Verstärkungseffekt die Elektronen zu vervielfachen.
Durch die linienförmige oder flächige Detektionseinheit können die Elektronen abhängig von deren Auftreflpunkt auf der Detektionseinheit detektiert werden. Soweit also die Ablenkung in seitlicher Richtung durch das sich zeitlich ändernde elektromagnetische Feld bedingt wird, kann abhängig von der seitlichen Richtung des Auftreffpunktes der Elektronen auf den Austrittszeitpunkt des jeweiligen Elektrons aus dem Material rückgeschlossen werden.
Das elektromagnetische Feld kann aus einem Magnetfeld oder einem elektrischen Feld oder ggf. auch aus der Kombination aus beidem bestehen.
Soweit es dabei bei der Auswertung nur darum geht, den Zeitpunkt zu ermitteln, zu dem die Elektronen ausgetreten sind, können die Elektronen vorteilhaft nach deren Austreten noch durch ein weiteres elektromagnetisches Feld in deren Bewegungsrichtung beschleunigt werden. Dadurch kann vorteilhaft ausgeglichen werden, dass die austretenden Elektronen abhängig von der Wellenlänge der Strahlung, die die Elektronen zum Austritt gebracht hat, unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisen. Auf Grund dieser unterschiedlichen Geschwindigkeiten kann es vorkommen, dass ein Elektron, das später austritt, aber eine höhere Geschwindigkeit hat als ein anderes Elektron denselben Auftrefrpunkt auf der Detektionseinheit aufweist. Indem die Elektronen vom Betrag der Geschwindigkeit her in deren Bewegungsrichtung beschleunigt werden, kann durch diese Beschleunigung und die damit erreichbare Endgeschwindigkeit eine nahezu einheitliche Geschwindigkeit erreicht werden in dem Sinne, dass Geschwindigkeitsunterschiede der Elektronen bei deren Austritt vernachlässigbar werden.
Bei der Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 2 durchlaufen die emittierten Elektronen ein konstantes elektromagnetisches Feld, durch das die Elektronen in einer Richtung senkrecht zu deren Emissionsrichtung abgelenkt werden, wobei nach Durchlaufen des elektromagnetischen Feldes in einer linienförmigen oder flächigen Detektionseinheit für die Elektronen deren Auftrefrpunkt digital ermittelt wird. Durch dieses elektromagnetische Feld werden die Elektronen abhängig von Unterschieden in ihrer Geschwindigkeit unterschiedlich stark abgelenkt. Bei dem Verfahren nach Anspruch 2 wird es also möglich, durch Auswertung der Auftrefrpunkte der Elektronen die spektrale Verteilung der Strahlung zu ermitteln, die die Elektronen zum Austritt gebracht hat.
Durch die digitale Auswertung ist auch hier wieder eine Auswertung mit einer sehr guten örtlichen Auflösung möglich.
Dabei ist ersichtlich, dass die Elektronen bei dieser Art der Auswertung nach ihrem Austritt nicht in ihrer Bewegungsrichtung dem Betrage der Geschwindigkeit nach beschleunigt werden, weil durch eine solche Beschleunigung der zu messende Effekt gerade beseitigt würde.
Die Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 3 entspricht inhaltlich den Merkmalen des Anspruchs 2, allerdings in Rückbeziehung auf Anspruch 1.
Das konstante elektromagnetische Feld und das sich zeitlich ändernde elektromagnetische Feld bewirken dabei Ablenkungen der Elektronen in unterschiedliche Richtungen.
Am einfachsten ist die Auswertung, wenn diese Richtungen senkrecht zueinander orientiert sind.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 3 lassen sich die Elektronen also sowohl hinsichtlich des Austrittszeitpunktes wie auch hinsichtlich der spektralen Verteilung der Anregungsenergie untersuchen.
Sowohl ohne also auch mit einer Auswertung der spektralen Verteilung der Anregungsenergie kann mit dem Verfahren nach Anspruch 3 der Austrittszeitpunkt genauer ermittelt werden. Es lässt sich zunächst in einem ersten Schritt mittels der Ablenkung durch das konstante elektromagnetische Feld die Geschwindigkeit ermitteln, mit der die einzelnen Elektronen ausgetreten sind. Diese Geschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der die Elektronen auch in das sich zeitlich ändernde elektromagnetische Feld eingetreten sind. Mit Kenntnis des zeitlichen Verlaufes dieses elektromagnetischen Feldes lässt sich unter Kenntnis der Geschwindigkeit der entsprechenden Elektronen ermitteln, zu welchem Zeitpunkt diese Elektronen ausgetreten sind. Durch diese Art der Auswertung kann also die Beschleunigung in Längsrichtung der Bewegung der Elektronen unterbleiben, die im Zusammenhang mit Anspruch 1 zur Kompensation der Geschwindigkeitsunterschiede angesprochen wurde.
Bei der Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 4 steigt das sich zeitlich ändernde elektromagnetische Feld mit einer vorgegebenen Frequenz von einem Anfangswert stetig steigend zu einem Maximalwert an.
Dadurch können die Auftreffpunkte der Elektronen in einfacher Weise den Zeitpunkten zugeordnet werden, zu denen die Elektronen aus dem Material ausgetreten sind.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 5 korreliert die Frequenz der Änderung des elektromagnetischen Feldes mit der Pulsfrequenz einer Lichtquelle, mit der Lumineszenzvorgänge angeregt werden.
Vorteilhaft beginnt damit eine Messung erneut mit einem neuen Lichtpuls, mit dem Lumineszenzvorgänge angeregt werden.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 6 wird vor einem zu detektierenden optischen Signal ein weiteres optisches Signal mit einer Wellenlänge im Bereich des Emissionslichtes ausgegeben, wobei Messsignale im Zusammenhang mit dem weiteren optischen Signal unterdrückt werden.
Sofern das optische Signal ein Anregungslaserpuls ist, wird unmittelbar vor dem Aussenden dieses Anregungslaserpulses ein weiterer Laserpuls im Bereich der Wellenlänge des Emissionslichtes ausgegeben. Vorteilhaft wird dadurch eine stimulierte Emission bewirkt. Dies bedeutet eine Entleerung angeregter Zustände und somit funktionell das Abschalten der Lumineszenz des voran gegangenen Anregungspulses. Dabei ist darauf zu achten, dass Messsignale, die auf diesem voraus gehenden Laserpuls beruhen, nicht mit ausgewertet werden. Dies betrifft sowohl den Laserpuls als solchen als auch die Emissionen, die auf diesem Laserpuls beruhen. Dies kann realisiert werden durch ein kurzzeitiges Abschalten des Detektors, eine spektrale Ausgrenzung oder auch durch eine räumliche Ausgrenzung. Soweit diese Messsignale mit erfasst worden sind, können die Messergebnisse auch bei der Auswertung gefiltert werden.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 7 werden die Auswertezeitpunkte bzw. die maximale Auswertezeitdauer einzelner Punkte des Lumineszenz-Lifetime-Bildes abhängig von den in diesem Bereich feststellbaren Messereignissen festgelegt.
Ein Punkt kann dabei ein einzelnes Bildpixel sein oder auch ein Pixelbereich, bei dem mehrere - vorwiegend nebeneinander liegende - Bildpixel in einem Pixelbereich gemeinsam betrachtet werden.
Vorteilhaft kann durch die Maßnahme nach Anspruch 7 die Detektionsgeschwindigkeit pro Lumineszenz-Lifetime-Bild optimiert werden. Werden nur wenige Photonen im Bildpixel oder Pixelbereich registriert, kann mit Hülfe eines vorher festgelegten oder eines generierten Schwellwertes entschieden werden, ob das Lumineszenzsignal in seiner Intensität (A) unterhalb der interessierenden Signalstärke oder (B) im Bereich der interessierenden Signalstärke liegt. Im Fall A kann die Detektion des Pixels übersprungen werden im Fall B kann die Verweildauer pro Pixel oder Bereich an die Signalstärke angepasst werden. Im Fall A genügt es, dieses Pixel bzw. diesen Bereich mit einer geringeren Abtastfrequenz auszuwerten. Werden in einem Bereich vergleichsweise viele Photonen gezählt, kann die weitere Auswertung dieses Bereichs ab dem Erreichen einer bestimmten Photonenzahl abgebrochen werden, weil dann genug detektierte Photonen vorliegen. Für weitere Zeitabschnitte kann auf Grund der vorliegenden Messungen mit guter Genauigkeit ein Erwartungswert der Messergebnisse hochgerechnet werden, ohne dass unmittelbar eine Auswertung erfolgen müsste.
Beispielsweise kann bei der Lösung nach Anspruch 7 über ein direktes Auslesen initialer Ereignisse auf einem Pixel (beispielsweise der Photonencounts des ersten Pulses des Pixels oder des ersten Zeitfensters oder der Zeit bis zu den ersten Photonen bei der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung) über die Definition einer Detektionsschwelle die weitere Messung des Pixels übersprungen werden. Diese Maßnahme erweist sich als sinnvoll, wenn kein Messereignis oder nur sehr wenige Messereignisse statt gefunden haben. Die Zeitdauer bis zur nächsten Überprüfung wird dann abhängig von dem ersten Messergebnis für die einzelnen Bereiche verlängert. Ebenso kann abhängig von dem initialen Ereignis auch die gesamte Messdauer des Bereichs begrenzt werden, wie dies bereits erläutert wurde.
Mit der Maßnahme nach Anspruch 7 kann vorteilhaft die Bildwiederholrate vergrößert werden, weil der Detektionsprozess optimiert wird. Abhängig vom Präparat kann die Bildwiederholrate um 50% bis 200% vergrößert werden.
Es ist dabei ersichtlich, dass die Maßnahmen nach Anspruch 6 sowie auch nach Anspruch 7 ebenfalls unabhängig von der vorliegenden Messanordnung nach Anspruch 1 realisiert werden können. Es wird daher ausdrücklich vorbehalten, in einer oder mehreren Teilanmeldungen zu einem späteren Zeitpunkt ein Schutzbegehren weiter zu verfolgen
• für die Maßnahme des kennzeichnenden Teils nach Anspruch 6 für sich allein und/oder
• für die Maßnahme des kennzeichnenden Teil nach Anspruch 7 für sich allein und/oder
• für die Kombination der Maßnahmen der kennzeichnenden Teile der Ansprüche 6 und 7.
Die beschriebenen Maßnahmen eignen sich insbesondere zur Verwendung bei den nachfolgend aufgezählten Messverfahren:
• punktuelle Detektionsmethode,
• Weitfelddetektionsmethode,
• Scanningmethode, insbesondere konfokales Laserscanning, und/oder
• Detektionsmethode, die der Zwei- oder Mehrphotonenanregung folgt.
Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt dabei im einzelnen:
Fig. 1 : das Prinzip der Detektoranordnung,
Fig. 2: eine zusammenfassende Darstellung des Zeitverlaufs der Signale,
Fig. 3 : eine Prinzipdarstellung der Verhältnisse bei der stimulierten Emission. Figur 1 zeigt eine Darstellung eines Detektors. Mit der Bezugsziffer 1 ist ein Halbleitermaterial bezeichnet, durch das Photonen in Elektronen konvertiert werden, indem die Elektronen aus dem Halbleitermaterial austreten. Die austretenden Elektronen sind durch die Linien 2 sowie 3 symbolisiert.
Diese Elektronen durchlaufen nach deren Austreten aus dem Halbleitermaterial 1 ein elektromagnetisches Feld. Dieses elektromagnetische Feld ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein elektrisches Feld, das durch die beiden Kondensatorstrukturen 4 und 5 erzeugt wird.
Mit der Bezugsziffer 6 ist eine Linie von Elektronendetektoren bzw. Elektronenmultiplyern bezeichnet, durch die die ausgetretenen Elektronen detektiert werden unter Beachtung von deren Ablenkung durch das elektrische Feld. Diese Detektoren können integrierend oder zählend sein.
Wenn sich das elektrische Feld mit der Zeit ändert, erfahren die zu unterschiedlichen Zeiten austretenden Elektronen unterschiedliche Ablenkungen, so dass diese Elektronen abhängig von deren Austrittzeitpunkt auf unterschiedliche Elektronendetektoren treffen. Bei Verwendung von Elektronendetektoren mit herkömmlicher zeitlicher Auflösung kann durch die unterschiedliche Ablenkung der Elektronen abhängig von deren Austrittszeitpunkt die Frequenz der Anregungsimpulse deutlich erhöht werden.
Wenn es sich um ein konstantes elektrisches Feld handelt, hängt die Ablenkung der Elektronen von deren Geschwindigkeit und damit deren Verweildauer in dem elektrischen Feld ab.
Eine - hier nicht dargestellte - Weiterentwicklung ergibt sich, wenn zwei elektrische Felder vorhanden sind, die senkrecht zueinander orientiert sind. Das eine dieser elektrischen Felder ist dann vorteilhaft mit der Zeit veränderlich, während das andere elektrische Feld konstant ist. Es erfolgt dann eine Ablenkung der Elektronen in unterschiedliche Richtungen, die sich entsprechend der Darstellung in der Beschreibungseinleitung unterschiedlich auswerten lassen. Besonders vorteilhaft ist dabei die direkte Messung der Elektronen am Ende der Streak-Tube. Besonders vorteilhaft ist gerade im Hinblick auf die Umsetzung der zeitlichen Auflösung in eine Detektion abhängig von der Ablenkung die Anwendung des Verfahrens in der konfokalen Laser Scanning Mikroskopie.
Figur 2 zeigt eine Darstellung der Signalverläufe. Das obere Diagramm 201 zeigt eine Darstellung von Femtosekundenpulsen eines Lasers mit einer Frequenz von 80 MHz. Das Diagramm 202 zeigt die wechselnde elektrische Feldstärke, die über die Kondensatorplatten 4, 5 erzeugt wird. Es ist zu sehen, dass die Frequenz der Änderung der elektrischen Feldstärke mit der Pulsfrequenz des Lasers korreliert.
In dem darunter dargestellten Diagramm 203 sind die Lumineszenz-Abklingkurven dargestellt.
In dem darunter befindlichen Diagramm 204 ist dargestellt, dass die einzelnen Detektoren der Linie 6 mit einer Abtastrate von 8 MHz ausgelesen werden. Diese Frequenz entspricht also der Zeit, über die die einzelnen Detektoren integriert werden.
In dem darunter befindlichen Diagramm 205 ist das aufintegrierte Signal der Lumineszenzabklingzeit zu sehen.
Bei der Abtastrate der einzelnen Pixel von 8 MHz ergibt sich bei einer Bildauflösung von 512X512 Pixeln eine Wiederholfrequenz des Gesamtbildes von 30 Hz.
Figur 3 zeigt eine Darstellung der Verhältnisse bei der stimulierten Emission. Bei einer Pulsfolge mit zu geringen Zeitabständen zeigt sich, dass der sogenannte pile-up Effekt auftreten kann. Das bedeutet, dass Photonenüberträger auftreten auf Grund von Anregungsvorgängen vom vorher gehenden Puls. Es wird daher empfolgen, die Pulswiederholrate auf das fünffache der Lumineszenzabklingzeit zu beschränken. Figur 3 zeigt in dem oberen Diagramm die Verhältnisse bei Anregungspulsen, die zu den Zeitpunkten 301 und 302 einen ausreichen großen zeitlichen Abstand haben. Insbesondere liegen zum Zeitpunkt 302 keine angeregten Zustände mehr vor.
In dem mittlere Diagramm der Figur 3 folgen die Pulse so dicht aufeinander, dass zu den Zeitpunkten 304 und 305 noch Anregungszustände des vorher gehenden Pulses vorhanden sind. Dadurch werden höher energetische Zustände erreicht, die das Messergebnis verfälschen.
In dem unteren Diagramm ist zu sehen, dass unmittelbar vor den Pulsen 308 und 310 jeweils ein weiterer Puls zu den Zeitpunkten 307 und 309 ausgegeben wird. Als Folge dieser Pulse ist in dem unteren Diagramm zu sehen, dass die energetischen angeregten Zustände abgebaut werden. Dadurch werden mit den nachfolgenden Pulsen realistische Messergebnisse aufgenommen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Detektion optischer Signale, wobei durch die optischen Signale Elektronen emittiert (2, 3) und anschließend detektiert werden (6), dadurch gekennzeichnet, dass die emittierten Elektronen (2, 3) ein sich zeitlich änderndes elektromagnetisches Feld (4, 5) durchlaufen, durch das die Elektronen (2, 3) in einer Richtung senkrecht zu deren Emissionsrichtung abgelenkt werden, wobei nach Durchlaufen des sich zeitlich ändernden elektromagnetischen Feldes (4, 5) in einer linienförmigen oder flächigen Detektionseinheit (6) für die Elektronen deren Auftreffpunkt digital ermittelt wird.
2. Verfahren zur Detektion optischer Signale, wobei durch die optischen Signale Elektronen emittiert (2, 3) und anschließend detektiert werden (6), dadurch gekennzeichnet, dass die emittierten Elektronen (2, 3) ein konstantes elektromagnetisches Feld (4, 5) durchlaufen, durch das die Elektronen (2, 3) in einer Richtung senkrecht zu deren Emissionsrichtung abgelenkt werden, wobei nach Durchlaufen des elektromagnetischen Feldes (4, 5) in einer linienförmigen oder flächigen Detektionseinheit (6) für die Elektronen deren Auftreffpunkt digital ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die emittierten Elektronen (2, 3) ein konstantes elektromagnetisches Feld durchlaufen, durch das die Elektronen (2, 3) in einer Richtung senkrecht zu deren Emissionsrichtung abgelenkt werden, wobei nach Durchlaufen des sich zeitlich ändernden elektromagnetischen Feldes (4, 5) wie auch des konstanten elektromagnetischen Feldes in einer linienförmigen oder flächigen Detektionseinheit (6) für die Elektronen deren Auftrefφunkt digital ermittelt wird, wobei das konstante elektromagnetische Feld sowie das sich zeitlich ändernde elektromagnetische Feld jeweils eine Ablenkung der Elektronen in unterschiedliche Richtungen bewirken.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das sich zeitlich ändernde elektromagnetische Feld (4, 5) mit einer vorgegebenen Frequenz von einem Anfangswert stetig steigend zu einem Maximalwert ansteigt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Änderung des elektromagnetischen Feldes korreliert mit der Pulsfrequenz einer Lichtquelle, mit der Lumineszenzvorgänge angeregt werden.
6. Verfahren nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor einem zu detektierenden optischen Signal ein weiteres optisches Signal mit einer Wellenlänge im Bereich des Emissionslichtes ausgegeben wird, wobei das Messsignal im Zusammenhang mit dem weiteren optischen Signal unterdrückt werden.
7. Verfahren nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertezeitpunkte bzw. die maximale Auswertezeitdauer einzelner Punkte des Lumineszenz-Lifetime-Bildes abhängig von den in diesem Bereich feststellbaren Messereignissen festgelegt wird.
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DE200510024602 DE102005024602A1 (de) 2005-05-25 2005-05-25 Verfahren zur Detektion optischer Signale
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