WO2016207086A1 - Verfahren zur detektion von strahlungsemittierenden partikeln - Google Patents

Verfahren zur detektion von strahlungsemittierenden partikeln Download PDF

Info

Publication number
WO2016207086A1
WO2016207086A1 PCT/EP2016/064113 EP2016064113W WO2016207086A1 WO 2016207086 A1 WO2016207086 A1 WO 2016207086A1 EP 2016064113 W EP2016064113 W EP 2016064113W WO 2016207086 A1 WO2016207086 A1 WO 2016207086A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
signal
structuring device
detected
magnetic field
electromagnetic radiation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2016/064113
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Quint
Levanon NADAV
Michael Bassler
Christian Sommer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of WO2016207086A1 publication Critical patent/WO2016207086A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1456—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry without spatial resolution of the texture or inner structure of the particle, e.g. processing of pulse signals
    • G01N15/1459—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry without spatial resolution of the texture or inner structure of the particle, e.g. processing of pulse signals the analysis being performed on a sample stream
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1429—Signal processing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1434—Optical arrangements
    • G01N2015/1447—Spatial selection
    • G01N2015/145—Spatial selection by pattern of light, e.g. fringe pattern

Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting particles moving along a trajectory which generate or at least influence electromagnetic radiation, an electric field or a magnetic field.
  • the electromagnetic radiation or the electric or the magnetic field is detected.
  • a structuring device is used which either ensures that the particles along the trajectory generate or at least influence electromagnetic radiation, an electric field or a magnetic field essentially only at non-periodic spatial distances, or that the electromagnetic radiation is generated Radiation, the electrical or the magnetic field is detected substantially only at non-periodic spatial distances along the trajectory.
  • Such a method is used, for example, in flow cytometers.
  • flow cytometry a cell suspension is passed through a flow cell.
  • the cell suspension is irradiated with a light source, usually consisting of a plurality of lasers, whereby the cells to be detected or a dye bound to the cells are excited and emit fluorescence signals.
  • a light source usually consisting of a plurality of lasers
  • a structuring device a non-periodic, structured mask, also called a shadow mask, is frequently used, and the particles are guided past a side of the mask at a speed v, and on the other side, the electromagnetic radiation, electrical or magnetic, passing through the mask Field detected with a suitable detector.
  • the structuring device does not have to be a shadow mask. It would also be conceivable, for example, for the particles to be detected to be excited by means of structured excitation radiation in order to generate electromagnetic radiation. By way of example, this excitation radiation could be made available only at non-periodic spatial distances along the trajectory with the aid of diffractive optical elements, so that the electromagnetic radiation to be detected is emitted substantially only at these locations.
  • the structuring device then consists of the diffractive optical elements.
  • the present invention will be described below with reference to a method for the detection of radiation-emitting particles. Nevertheless, the method can also be used for the detection of, for example, a magnetic field or an electric field generating or influencing particles. It would also be conceivable to guide and detect electromagnetic radiation through the mask so that the particles passed by temporarily attenuate or at least influence the directed electromagnetic radiation when passing through the masks.
  • the temporal modulation of the fluorescence signal can be generated by a mask structured along the direction of movement of the particle.
  • Windows in this shadow mask allow the transmission of the fluorescent light and correspond to the transmission state "1.” Closed areas of the mask prevent the transmission and correspond to the state "0".
  • the spatial structuring of the mask is mathematically described by so-called binary sequences, i. H. through sequences of zeros and ones. Therefore, the structured mask is also called a binary mask. In principle, however, regions with reduced transmission, which could then be assigned an intermediate state of, for example, "1/2", would also be conceivable.
  • regions with reduced transmission which could then be assigned an intermediate state of, for example, "1/2" would also be conceivable.
  • the invention is explained below using the example of binary masks, structured masks with intermediate states would also be conceivable.
  • the measurement signal is encoded by the structuring device.
  • the code for example the binary sequence, is thereby provided by the structuring device.
  • the thus coded fluorescence signals are detected and evaluated in order to draw conclusions about the number, type, intensity and speed of the individual particles.
  • the measured signal is filtered by means of an optimum filter to achieve pulse compression and then differentiated by time to eliminate a possible signal offset.
  • the resulting signal uses a fixed threshold for event detection.
  • the detected signal is naturally unipolar since there can be no negative amplitudes in fluorescence emission.
  • non-periodic masks or signal curves serves to improve the signal-to-noise ratio as well as the temporal pulse compression. However, they do occur signal sidelobes in correlation signals, which makes the detection probability of weakly fluorescent objects in the presence of larger, more luminous objects significantly more difficult.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a measurement signal as a function of time without consideration of the noise and offset component.
  • FIG. 2 shows the amplitude-modulated rectangular signals for two particles. It can be seen that the measurement signals have different intensities of radiation. The first measurement signal has twice the amplitude of the second measurement signal. Overlaying results in a third level, which assumes 1.5 times the value of the first measurement signal.
  • the rectangular signals of the individual particles not only have different amplitudes, they are also temporally (in the x direction) shifted, that is, the case is considered in which two particles of different light intensity and different extent wander past the binary mask in quick succession, so that the total signal, which is detected by a detector, is a superposition of the individual particles originating from the individual signals.
  • An optimal filter is understood to mean a filter which delivers a filtered signal with the greatest signal-to-noise ratio. Such a filter always has exclusively unipolar filter coefficients in the case of a unipolar signal.
  • the signal of the first particle (P1) can be clearly seen, while the weaker signal of the second particle (P2) is weak.
  • a threshold is typically set and signals stronger than the specified threshold are interpreted as particle detection. However, this is not possible in particular in the detection of several particles with different signal strengths.
  • two threshold values have been drawn in dashed lines in FIG. If the larger value is used as the threshold value, only the first particle is detected, since the signal strength of the second particle is below the larger threshold value. If, instead, one chooses a threshold value that is so small that the second particle is correctly identified, the background signal associated with the first particle is also above the threshold value, so that the first particle is optionally incorrectly counted several times.
  • the filtered signal is usually derived in time, thereby obtaining the signal shown in FIG.
  • the signal no longer has an offset.
  • the signal of the first particle (P1) is clearly visible, while the signal of the second particle (P2) is only slightly larger than the signals in the side lobes. If the threshold is too high, that will be Signal of the second particle not detected. If, on the other hand, the threshold value is too low, not only the second particle is detected but, in addition, peaks of the side lobes, which are highlighted with a dotted line in the figure, are erroneously detected as an event.
  • the known method with the binary mask provides only a unipolar signal, so that from the radar technique known detection methods can not be applied.
  • the particle velocity is unknown.
  • a velocity distribution is observed in the measurement of several particles, so that their residence time in the detection area, that is, the temporal extent of the measured signal is not only unknown, but may also differ from particle to particle. Therefore, a wide range of velocities has to be interrogated, in which the measured signal is correlated with different filters of different lengths of time. This process is associated with considerable computational effort.
  • this object is achieved by a method according to claim 1, wherein a second signal is detected by means of a second structuring device, wherein the second structuring device either ensures that the particles along a Trajektori- enabiteses substantially only in the second non-periodic spatial Electromagnetic radiation, an electric field or a magnetic field, or at least at least affect or ensure that the electromagnetic radiation, the electric or magnetic field is detected substantially only at second, non-periodic spatial distances along the trajectory section, wherein the first and the second signal are correlated with each other and then conclusions from the correlated signal be drawn on the number and / or the speed of the particles.
  • a second signal is thus detected and the two detected signals are correlated with each other.
  • two structuring means are provided, each detecting a signal, and preferably the second non-periodic spacings are different from the first non-periodic distances.
  • a correlation is understood to be any mathematical combination of the first and the second signal.
  • the two signals can be multiplied together.
  • a cross-correlation function is calculated to correlate the two signals.
  • the first and the second structuring device can use a non-periodic, structured mask and the particles are guided past one side of the mask and on the other side the electromagnetic radiation, the electric field or the magnetic field passing through the mask can be detected.
  • a beam splitter could be used, which supplies a part of the fluorescent light to the first structuring device, while the other part is supplied to the second structuring device.
  • a spatially structured detector could consist of two interlinking surface sequences, which are each assigned to a detector output.
  • one detector output always supplies inverse signals to the other detector output, since those area sections which are not associated with one detector output and therefore represent a "0" for the latter are assigned to the other detector output and therefore represent a "1" for that detector output.
  • Such a structure generates an analog measurement signal.
  • the modulation sequence and therefore the coding is fixed by the spatial structuring of the detector for this detector.
  • a detector array is used as the first and / or second structuring device.
  • a detector array consists of a plurality of detectors (pixel detectors) that can be selectively read out.
  • pixel detectors By analog or digital aggregation of individual pixel detectors ("binning"), a spatially structured code can be implemented, whereby the structuring means can be easily modified and used in an application-specific manner Besides the advantage of simple software implementation, this detection scheme also has the advantage of causing the noise further reduced by the number of detectors.
  • the pooling of cells can be carried out software parallel in many different variations. In other words, the same signal in parallel with almost any number of codes, such. B. binary sequences are encoded, so that a plurality of coded signals for correlation and subsequent evaluation are available.
  • LABS low autocorrelation binary sequences
  • the first and the second structuring device are each configured such that, when the trajectory section is divided into segments of equal length, the functions of the first and second structuring devices are each represented by a binary code, ie a sequence of zeros and Can be written, each numeral designating a segment and segments in which the respective structuring device either ensures that the particles generate or at least influence an electric field or a magnetic field, or ensure that the electromagnetic radiation, the electrical energy or magnetic field is detected, denoted by the numeral "1" and all other segments are designated by the numeral "0".
  • the design of the structuring device is thus characterized by a sequence or a code consisting of zeros and ones.
  • either the sequence of the second structuring device is the same as the sequence of the first structuring device read from the back to the front, or the sequence of the second structuring device is the same as the sequence of the first structuring device, whereby both sequences are simultaneously fed to a respective FIFO buffer store, wherein the two FIFO buffer memory are arranged parallel to each other, the two sequences are fed in the opposite direction and correlated for the correlation respectively adjacent memory locations of the two FIFO buffer memory.
  • the first memory location of the first FIFO buffer memory is correlated with the last memory location of the second FIFO buffer memory, the second memory location being filled "from the back.”
  • the time signal is correlated with The signal itself improves the signal-to-noise ratio and thus the detection of particles.
  • the sequence of the second structuring device is the inverse sequence to the sequence of the first structuring device.
  • the signal detected by the first structuring device or the signal detected by the second structuring device is multiplied by a factor "-1" and then the two detected signals are combined by addition to form a bipolar signal.
  • This bipolar signal can then be evaluated by conventional methods known from radar technology in order to detect a particle and to determine its velocity. For example, then LABS can be used and evaluated for narrow velocity distributions according to known methods
  • the sequence of the second structuring device is designed to be complementary to the sequence of the first structuring device. That is, the structuring of the two structuring underlying the binary codes, are complementary to each other.
  • Mutually complementary binary codes have the essential property that the addition of their autocorrelation functions makes all signal sidelobes disappear. Only the main peak adds up constructively.
  • a further improvement can be achieved if the bipolar signal is converted to Manchester code prior to further processing.
  • Manchester codes are defined, for example, in Foster R, Manchester encoding - opposing definitions resolved, Engineering Science & Education Journal 9 (6), 278 (2000).
  • each "1" could be replaced by the sequence “1, -1” and each "-1” by the sequence "-1, 1".
  • Bipolar codes have the advantage that a constant offset voltage at the detector is largely eliminated, provided that the binary sequence used has as many ones as inverse ones.
  • the autocorrelation (on the resonant velocity channel) therefore adds a constant offset to zero, which is beneficial.
  • both codes usually have different signal energies, so that after autocorrelation and addition of the correlation signals, a DC offset does not disappear.
  • the Manchester coding ensures that both codes are always balanced, that is, that the sum of their coefficients always equals zero, thus canceling out a detector offset of constant duration.
  • FIG. 1 shows a simplified form of a measuring signal with the amplitude 1 without noise and offset
  • FIG. 2 shows a simplified representation of a superimposed measuring signal
  • FIG. 3 shows the measurement signal filtered with an optimum filter
  • FIG. 4 shows the differentiated signal from FIG. 3,
  • FIG. 5 shows a diagrammatic cross-sectional view of a dicing cycle
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a first embodiment
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a detector of a second embodiment
  • Figure 8 is a schematic representation of a third embodiment
  • FIG. 9 is a schematic representation of a fourth embodiment.
  • the inventive method is the example of a flow cytometer. as shown schematically in FIG. 5.
  • FIG. 5 shows a cross section.
  • the flow cytometer has a microchannel 2 applied to a substrate 1, through which fluorescent objects 3 are moved. They reach an excitation zone 4, which is illuminated by means of, for example, a laser beam, whereby the objects are excited and emit fluorescent radiation.
  • an optical amplitude grating 5, ie a non-periodic, binary filter 5 is provided, through which fluorescence radiation can emerge, which reaches the detector 7 via the optical filter 6.
  • the signal thus consists of various rectangular pulses whose width correspond to the width of the openings in the binary filter 5.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a first embodiment of the invention.
  • a fluorescent light beam 8 is split at a beam splitter 9.
  • a first portion of the fluorescent light beam is imaged by the mask 10 onto the detector 12.
  • the detector 12 thus receives a signal which can be represented by a sequence of "0" and "1".
  • the second part is detected by the second detector 13, which is associated with a second mask 1 1, which is formed inversely to the first mask 10.
  • the signal detected by the second detector 13 can also be represented by a sequence of "0" and "1".
  • the signal of the second detector 13 is multiplied by "-1" by means of a multiplier 14. Thereafter, the two signals, i.e. the signal of the first detector 12 and the signal of the second detector 13 multiplied by "-1", are correlated with each other, i. added in the present case using the adder 15.
  • a bipolar signal is generated, which is used in the further evaluation.
  • Bipolar signals are much easier to evaluate than the unipolar signals used so far.
  • the signal-to-sidelobe ratio can be significantly improved because the low-frequency components are suppressed by the bipolar nature of the signal.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a detector of a second embodiment.
  • a spatially structured detector 16 with two separate detector outputs 17, 18 is used. It can be seen that the non-hatched part of the detector surface 19 is assigned to the first detector output 17 and the hatched, other part to the second detector output 18. The interconnection of the area associated with the second detector output 18 thus provides the complementary signal related to the binary sequence.
  • the collected fluorescent light of the object is fully utilized because no shading is necessary.
  • the spatially structured detector separates from the shadow masks in that the shaded components are now also detected on the detector and fed to the inverse signal. Again, it is possible to multiply the inverse signal by "-1" and add it to the original signal so that a bipolar coded signal is generated.
  • the patterned detector 16 has a predetermined non-changeable structure.
  • a detector 20 consisting of a multiplicity of pixels 21 is therefore used, in which each pixel 21 can be selectively read out. It is therefore possible to implement a spatially structured code by combining individual pixel regions (also known as "binning") in an analog or digital manner Binning is sketched by means of the interconnected lines in Fig. 8. Thus, the individual pixels 21 of the Detector 20 in this figure is combined to form a first pixel region 22 and a second pixel region 23. In addition to the advantage of simple software implementation, this embodiment also has the advantage that the Noise due to the plurality of pixels of the detector 20 is further reduced.
  • the pooling of pixels can also be carried out in software in parallel in many different variations.
  • the same measurement signal could thus be assigned to different masks.
  • This is particularly advantageous for the class of so-called complementary binary codes, as described below, although any other type of code can also be implemented.
  • Due to the multiple parallel evaluation of the signal it is also possible to take the signal different information.
  • a particle detection by an autocorrelation of two spatially offset LABS is possible and in the second step, the particle velocity can then be determined with a periodic binning pattern.
  • the bipolar LABS is selected short accordingly, for example, the same LABS can be read out three times by means of the detector and the particle velocity can be determined from the time difference of the correlation peak.
  • the measurement signal is converted into complementary binary codes. These have the essential property that the addition of their autocorrelation Onsfunktionen all signal lobes disappear. Only the main peak adds up constructively. Examples and definitions of complementary binary codes are found, for example, in “Radar Signals,” Levanon, Nadav, and Eli Mozeson, John Wiley & Sons, 2004. and in MJI Golay, "Complementary series,” IRE Trans. Inform. Theory, IT-7 , Pages 82 to 87 (1961).
  • the bipolar codes described here have the advantage that a constant offset voltage is largely eliminated at the detector.
  • the autocorrelation (on the resonant velocity channel) adds a constant offset to zero, which is beneficial.
  • both codes usually have different signal energies, so that after autocorrelation and addition in the correlation signal, a DC offset does not disappear.
  • One way to get around this is to do a Manchester encode of the complementary sequences. This can be done, for example, by replacing each one "1" with the sequence "1, -1", while replacing an inverse one "-1" with the number sequence "-1, 1". Although this makes the sequences twice as long, it ensures that both codes are always balanced, i. E. the Manchester encoded binary sequence has as many ones "1” as inverse ones "-1” and therefore always gives the sum of its coefficients to zero, thus eliminating a temporally constant detector offset.
  • FIG. 9 schematically shows the structure of a corresponding detection device.
  • the objects 3 to be detected move through a microchannel 2.
  • an illumination optical system 24 consisting of a laser (not shown), from which a laser beam 25 is emitted, an optical excitation light filter 26, a Powell lens 27th and an aspherical lens 28, an excitation zone uniformly illuminated.
  • the objects 3 fluoresce.
  • the corresponding fluorescent light 29, after passing through an optical filter 30, strikes a gradient index lens (GRIN) array 31, which in turn irradiates the light to corresponding macropixels 32 for binning are responsible, maps.
  • GRIN gradient index lens

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth 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

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von sich entlang einer Trajektorie bewegenden Partikeln, welche elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen, wobei die elektromagnetische Strahlung, das elektrische Feld oder das magnetische Feld detektiert wird, wobei ein erstes Signal mit Hilfe einer ersten Strukturierungseinrichtung erfasst wird, wobei die erste Strukturierungseinrichtung entweder dafür Sorge trägt, dass die Partikel entlang eines Trajektorienabschnitts im Wesentlichen nur in ersten nicht-periodischen räumlichen Abständen elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen oder dafür Sorge trägt, das die elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder magnetische Feld im Wesentlichen nur in ersten nicht-periodischen räumlichen Abständen entlang des Trajektorienabschnitts detektiert wird. Um ein Verfahren zur Detektion von sich entlang einer Trajektorie bewegenden Partikeln, welche elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen zur Verfügung zu stellen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass ein zweites Signal mit Hilfe einer zweiten Strukturierungseinrichtung erfasst wird, wobei die zweite Strukturierungseinrichtung entweder dafür Sorge trägt, dass die Partikel entlang eines Trajektorienabschnitts im Wesentlichen nur in zweiten nichtperiodischen räumlichen Abständen elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen oder dafür Sorge trägt, das die elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder magnetische Feld im Wesentlichen nur in zweiten nicht-periodischen räumlichen Abständen entlang des Trajektorienabschnitts detektiert wird, dass das erste und das zweite Signal miteinander korreliert werden und aus dem korrelierten Signal Rückschlüsse auf die Anzahl und/oder die Geschwindigkeit der Partikel gezogen werden.

Description

Verfahren zur Detektion von Strahlungsemittierenden Partikeln
BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von sich entlang einer Trajektorie bewegenden Partikeln, welche elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen. Dabei wird die elektromagnetische Strahlung oder das elektrische oder das magnetische Feld detektiert. Des Weiteren wird eine Strukturierungseinrichtung verwendet, die entweder dafür Sorge trägt, dass die Partikel entlang der Trajektorie im Wesentlichen nur in nicht-periodischen räumlichen Abständen elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen oder dafür Sorge trägt, dass die elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder das magnetische Feld im Wesentlichen nur in nicht-periodischen räumlichen Abständen entlang der Trajektorie detektiert wird.
Ein solches Verfahren wird beispielsweise in Durchflusszytometern verwendet. Bei der Durch- flusszytometrie wird eine Zellsuspension durch eine Durchflussmesszelle geleitet. Die Zellsuspension wird mit einer Lichtquelle, bestehend meist aus mehreren Lasern, bestrahlt, wodurch die zu detektierenden Zellen oder ein an den Zellen gebundener Farbstoff angeregt werden und Fluoreszenzsignale emittieren. Als Strukturierungseinrichtung wird häufig eine nicht-periodische, strukturierte Maske, auch Schattenmaske genannt, verwendet und die Partikel werden an einer Seite der Maske mit einer Geschwindigkeit v vorbeigeführt und auf der anderen Seite wird die durch die Maske tretende elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder das magnetische Feld mit einem geeigneten Detektor detektiert.
Es versteht sich aber, dass die Strukturierungseinrichtung keine Schattenmaske sein muss. Es wäre beispielsweise auch denkbar, dass die zu detektierenden Partikel mit Hilfe einer strukturierten Anregungsstrahlung angeregt werden müssen, um elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Diese Anregungsstrahlung könnte beispielsweise mit Hilfe von diffraktiven optischen Elementen nur in nicht-periodischen räumlichen Abständen entlang der Trajektorie zur Verfügung gestellt werden, so dass im Wesentlichen auch nur an diesen Orten die zu detektierende elektromagnetische Strahlung emittiert wird. Die Strukturierungseinrichtung besteht dann aus den diffraktiv optischen Elementen. Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand eines Verfahrens zur Detektion von strah- lungsemittierenden Partikeln beschrieben. Dennoch kann das Verfahren auch zur Detektion von beispielsweise ein Magnetfeld oder ein elektrisches Feld erzeugende oder beeinflussende Teilchen verwendet werden. Auch wäre es denkbar, elektromagnetische Strahlung durch die Maske zu leiten und zu detektieren, so dass die vorbeigeführten Partikel die gerichtete elektromagnetische Strahlung beim Passieren der Masken kurzzeitig abschwächen oder zumindest beeinflussen.
Beispielsweise kann die zeitliche Modulation des Fluoreszenzsignals durch eine entlang der Bewegungsrichtung des Partikels strukturierte Schatten maske erzeugt werden. Fenster in dieser Schattenmaske erlauben die Transmission des Fluoreszenzlichtes und entsprechen dem Transmissionszustand „1 ". Geschlossene Bereiche der Maske verhindern die Transmission und entsprechen dem Zustand„0". Die räumliche Strukturierung der Maske wird mathematisch beschrieben durch sogenannte binäre Sequenzen, d. h. durch Folgen aus Nullen und Einsen. Daher wird die strukturierte Maske auch als binäre Maske bezeichnet. Grundsätzlich wären aber auch Bereiche mit verminderter Transmission, den dann ein Zwischenzustand von zum Beispiel„1 /2" zugewiesen werden könnte, denkbar. Auch wenn die Erfindung im Folgenden am Beispiel von binären Masken erläutert wird, wären auch strukturierte Masken mit Zwischenzuständen denkbar.
Im Grunde genommen wird das Messsignal durch die Strukturierungseinrichtung kodiert. Der Code, also zum Beispiel die binäre Sequenz, wird dabei von der Strukturierungseinrichtung zur Verfügung gestellt.
Die derart kodierten Fluoreszenzsignale werden detektiert und ausgewertet, um Rückschlüsse auf Anzahl, Art, Intensität und Geschwindigkeit der einzelnen Partikel zu ziehen.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise beschrieben in Kiesel et al., Appl. Phys. Lett. 94, 041 107-1 (2009). Hierbei wird das gemessene Signal mittels eines Optimalfilters gefiltert, um eine Pulskompression zu erreichen und dann nach der Zeit differenziert, um einen möglichen Signaloffset zu beseitigen. Bei dem sich dann ergebenden Signal wird ein fester Schwellwert zur Ereigniserfassung eingesetzt.
Das detektierte Signal ist naturgemäß unipolar, da es bei der Fluoreszenzemission keine negativen Amplituden geben kann.
Die Verwendung von nicht-periodischen Masken bzw. Signalverläufen dient der Verbesserung des Signal-Rausch- Verhältnisses sowie der zeitlichen Pulskompression. Allerdings treten bei diesem Verfahren Signal-Nebenkeulen bei Korrelationssignalen auf, was die Entdeckungswahrscheinlichkeit schwach fluoreszierender Objekte in Gegenwart von größeren, stärker leuchtenden Objekten deutlich erschwert.
Zur Verdeutlichung wird auf die Figuren 1 bis 4 verwiesen. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Messsignals in Abhängigkeit von der Zeit ohne Berücksichtigung des Rausch-und Offsetanteils. In Figur 2 sind die amplitudenmodulierten Rechtecksignale für zwei Teilchen dargestellt. Man erkennt, dass die Messsignale unterschiedlich große Strahlungsintensitäten besitzen. Das erste Messsignal besitzt die doppelte Amplitude des zweiten Messsignals. Durch Überlagerung ergibt sich ein drittes Niveau, welches 1 ,5 mal den Wert des ersten Messsignals annimmt. Die Rechtecksignale der einzelnen Partikel haben jedoch nicht nur unterschiedliche Amplituden, sie sind auch zeitlich (in x-Richtung) verschoben, das heißt es wird der Fall betrachtet, in dem zwei Partikel unterschiedlicher Lichtstärke und unterschiedlicher Ausdehnung kurz hintereinander an der binären Maske vorbei wandern, so dass das Gesamtsignal, welches mit einem Detektor erfasst wird, eine Überlagerung der von den einzelnen Partikeln herrührenden Einzelsignale ist.
Dieses Signal wird üblicherweise mit einem Optimalfilter bearbeitet, wodurch sich das in Figur 3 dargestellte gefilterte Signal ergibt. Unter einem Optimalfilter wird ein Filter verstanden, welcher ein gefiltertes Signal mit dem größten Signal-Rausch-Verhältnis liefert. Solch ein Filter hat für den Fall eines unipolaren Signals immer ausschließlich unipolare Filterkoeffizienten.
Das Signal des ersten Teilchens (P1 ) ist deutlich zu erkennen, während das schwächere Signal des zweiten Partikels (P2) nur schwach ausgeprägt ist. Für eine automatisierte Teilchendetektion wird in der Regel ein Grenzwert festgelegt und Signale, die stärker als der festgelegte Grenzwert sind, werden als Teilchendetektion interpretiert. Insbesondere bei der Detektion von mehreren Teilchen mit unterschiedlichen Signalstärken ist dies jedoch nicht möglich. Beispielhaft sind in Figur 3 zwei Schwellwerte als gestrichelte Linien eingezeichnet worden. Wird der größere Wert als Schwellwert verwendet, wird lediglich das erste Partikel detektiert, da die Signalstärke des zweiten Partikels unterhalb des größeren Schwellwertes liegt. Wählt man stattdessen einen Schwellwert, der so klein ist, dass das zweite Partikel korrekt identifiziert wird, liegt jedoch das mit dem ersten Partikel verknüpfte Untergrundsignal ebenfalls über dem Schwellwert, so dass das erste Partikel gegebenenfalls fälschlich mehrfach gezählt wird.
Daher wird üblicherweise das gefilterte Signal nach der Zeit abgeleitet, wodurch das in Figur 4 gezeigte Signal erhalten wird. Das Signal weist keinen Offset mehr auf. Wieder ist das Signal des ersten Partikels (P1 ) gut zu erkennen, während das Signal des zweiten Partikels (P2) nur geringfügig größer ist als die Signale in den Nebenkeulen („side-lobes"). In der Figur 4 ist beispielhaft ein Schwellwert (gestrichelte Linie) eingezeichnet worden. Ist der Schwellwert zu hoch, wird das Signal des zweiten Teilchens nicht detektiert. Ist hingegen der Schwellwert zu niedrig, wird nicht nur das zweite Partikel detektiert, sondern es werden zusätzlich Peaks der Nebenkeulen, die in der Figur mit einer punktierten Linie hervorgehoben sind, fälschlicherweise als Ereignis erfasst.
Das bekannte Verfahren hat jedoch eine Reihe von Nachteilen:
1. Aufgrund der Abschattungseigenschaft der binären Maske, wird nicht das vollständige, zur Verfügung stehende Fluoreszenzlicht genutzt. Wird beispielsweise eine„balancierte Maske", d.h. eine Maske mit der gleichen Anzahl von Nullen und Einsen, genutzt, so werden circa 50 % des zur Verfügung stehenden Fluoreszenzlichtes nicht genutzt. Könnte dieses Licht genutzt werden, würde sich das Signal-Rausch- Verhältnis um einen Faktor 2 verbessern.
2. Das bekannte Verfahren mit der binären Maske liefert lediglich ein unipolares Signal, so dass aus der Radartechnik bekannte Detektionsverfahren nicht angewendet werden können.
3. Durch die Verwendung eines einzelnen Detektors fließt dessen Rauschhintergrund immer direkt in das Signal mit ein und verfälscht somit das eigentliche Messsignal und erschwert die Detektion.
4. In der Praxis ist die Partikelgeschwindigkeit nicht bekannt. Zudem wird bei der Messung mehrerer Partikel eine Geschwindigkeitsverteilung beobachtet, so dass deren Verweildauer im Detektionsbereich, das heißt die zeitliche Ausdehnung des gemessenen Signals nicht nur unbekannt ist, sondern sich auch noch von Partikel zu Partikel unterscheiden kann. Daher muss ein breiter Geschwindigkeitsbereich abgefragt werden, in dem das gemessene Signal mit verschiedenen, zeitlich unterschiedlich ausgedehnten Filtern korreliert wird. Dieser Vorgang ist mit erheblichem Rechenaufwand verbunden.
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das zumindest einen Teil der beschriebenen Nachteile verringert.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst, bei dem ein zweites Signal mithilfe einer zweiten Strukturierungseinrichtung erfasst wird, wobei die zweite Strukturierungseinrichtung entweder dafür Sorge trägt, dass die Partikel entlang eines Trajektori- enabschnittes im Wesentlichen nur in zweiten nicht-periodischen räumlichen Abständen elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumin- dest beeinflussen oder dafür Sorge trägt, dass die elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder magnetische Feld im Wesentlichen nur in zweiten, nicht periodischen räumlichen Abständen entlang des Trajektorienabschnittes detektiert wird, wobei das erste und das zweite Signal miteinander korreliert werden und aus dem korrelierten Signal dann Rückschlüsse auf die Anzahl und/oder die Geschwindigkeit der Partikel gezogen werden.
Erfindungsgemäß wird somit ein zweites Signal erfasst und die beiden erfassten Signale miteinander korreliert.
Daher sind zwei Strukturierungseinrichtungen vorgesehen, die jeweils ein Signal erfassen, wobei vorzugsweise sich die zweiten nicht-periodischen räumlichen Abstände von den ersten nichtperiodischen Abständen unterscheiden. Unter einer Korrelation wird jede mathematische Verknüpfung des ersten und des zweiten Signals verstanden. Beispielsweise können die beiden Signale miteinander multipliziert werden. Vorzugsweise wird eine Kreuzkorrelationsfunktion zur Korrelierung der beiden Signale berechnet.
So können beispielsweise die erste und die zweite Strukturierungseinrichtung eine nichtperiodische, strukturierte Maske verwenden und die Partikel an einer Seite der Maske vorbeigeführt werden und auf der anderen Seite die durch die Maske tretende elektromagnetische Strahlung, das elektrische Feld oder das magnetische Feld detektiert werden. Hierzu könnte ein Strahlteiler verwendet werden, welcher einen Teil des Fluoreszenzlichtes der ersten Strukturierungseinrichtung zuführt, während der andere Teil der zweiten Strukturierungseinrichtung zugeführt wird. Im Ergebnis hat man dann zwei codierte Signale, die - gegebenenfalls nach vorheriger Filterung - miteinander korreliert werden.
Durch die Verwendung von zwei separaten Detektoren wird der Rauschhintergrund eines einzelnen Detektors reduziert, wodurch die Auflösung des Verfahrens verbessert wird.
Allerdings geht durch die Verwendung der Schattenmasken nach wie vor ein Teil des Signals verloren. Der Nachteil der ausgeblendeten Signalintensität kann beispielsweise durch Verwendung eines räumlich strukturierten Detektors überwunden werden. So könnte ein räumlich strukturierter Detektor aus zwei ineinandergreifenden Flächensequenzen bestehen, die jeweils einem Detektorausgang zugeordnet sind. Hierbei liefert der eine Detektorausgang stets inverse Signale zu dem anderen Detektorausgang, da diejenigen Flächenabschnitten, die nicht dem einen Detektorausgang zugeordnet sind und daher für diesen eine„0" darstellen, dem anderen Detektorausgang zugeordnet werden und daher für jenen eine„1 " darstellen. Ein solcher Aufbau erzeugt ein analoges Messsignal. Nachteil ist jedoch, dass durch die räumliche Strukturierung des Detektors für diesen Detektor die Modulationssequenz und daher die Codierung feststeht.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als erste und/oder zweite Strukturierungs- einrichtung ein Detektor-Array verwendet. Ein Detektor-Array besteht aus einer Mehrzahl von Detektoren (Pixeldetektoren), die selektiv ausgelesen werden können. Durch analoges oder digitales Zusammenfassen einzelner Pixeldetektoren („Binning"), kann ein räumlich strukturierter Code implementiert werden, wodurch die Strukturierungseinrichtung leicht modifiziert und anwendungsspezifisch verwendet werden kann. Neben dem Vorteil der einfachen Softwareimplementierung hat dieses Detektionsschema weiterhin den Vorteil, dass sich das Rauschen bedingt durch die Zahl der Detektoren weiter verringert.
Da zudem das Fluoreszenzsignal nicht lokal ausgeblendet wird, sondern die gesamte Information erhalten bleibt, kann das Zusammenfassen von Zellen softwaretechnisch parallel in vielen verschiedenen Variationen durchgeführt werden. Mit anderen Worten kann dasselbe Signal parallel nahezu mit beliebig vielen Codes, wie z. B. binären Sequenzen codiert werden, so dass eine Mehrzahl von codierten Signalen für eine Korrelation und anschließende Auswertung zur Verfügung stehen.
Das gleiche Messsignal könnte somit unterschiedlichen Masken zugeordnet werden. Die mehrfache Auswertung des Signales erlaubt es auch verschiedene Informationen aus dem Signal zu entnehmen. Zum Beispiel könnte zunächst eine Partikeldetektion mit einer Autokorrelation von zwei räumlich versetzten LABS und anschließend eine Ermittlung der Partikelgeschwindigkeit mit einem periodischen Binningmuster erfolgen. Dabei versteht man unter LABS sogenannte„low autocorrelation binary sequences", wie sie beispielsweise in Mertens S, Exhaustive search for low-autocorrelation binary sequences, J.Phys. A - Math. Gen. 29, L473 (1996) definiert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Strukturierungseinrichtung jeweils derart ausgestaltet sind, dass bei einer Aufteilung des Trajek- torienabschnittes in gleichlange Segmente, die Funktion der ersten und zweiten Strukturierungseinrichtung jeweils durch einen Binärcode, d.h. eine Abfolge von Nullen und Einsen geschrieben werden kann, wobei jede Ziffer ein Segment kennzeichnet und Segmente, in denen die jeweilige Strukturierungseinrichtung entweder dafür Sorge trägt, dass die Partikel ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen oder dafür Sorge trägt, dass die elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder magnetische Feld detektiert wird, mit der Ziffer„1 " bezeichnet werde und alle anderen Segmente mit der Ziffer„0" bezeichnet werden. Die Ausgestaltung der Strukturierungseinrichtung wird somit durch eine Abfolge bzw. einen Code bestehend aus Nullen und Einsen gekennzeichnet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist entweder die Abfolge der zweiten Strukturierungseinrichtung gleich der von hinten nach vorne gelesenen Abfolge der ersten Strukturierungseinrichtung oder die Abfolge der zweiten Strukturierungseinrichtung ist gleich der Abfolge der ersten Strukturierungseinrichtung, wobei dann beide Abfolgen gleichzeitig einem jeweiligen FIFO- Pufferspeicher zugeführt werden, wobei die beiden FIFO-Pufferspeicher parallel zueinander angeordnet sind, die beiden Abfolgen in entgegengesetzter Richtung zugeführt werden und für die Korrelation jeweils benachbarte Speicherplätze der beiden FIFO-Pufferspeicher korreliert werden.
Mit anderen Worten wird der erste Speicherplatz des ersten Fl FO-Pufferspeichers mit dem letzten Speicherplatz des zweiten Fl FO-Pufferspeichers korreliert, wobei der zweite Speicherplatz „von hinten" befüllt wird. Durch diese Maßnahme erfolgt im Ergebnis eine Korrelation des zeitin- versen Signals mit dem eigentlichen Signal. Dadurch wird das Signal-Rausch- Verhältnis und somit die Detektion von Teilchen verbessert.
Dabei ist es im Ergebnis unerheblich, ob das zeitlich inverse Signal mit Hilfe der zweiten Strukturierungseinrichtung erzeugt wird, oder ob die zweite Strukturierungseinrichtung das identische Signal wie die erste Strukturierungseinrichtung erzeugt, das von der zweiten Strukturierungseinrichtung ermittelte Signal jedoch in entgegengesetzter Richtung in einen parallelen FIFO- Pufferspeicher eingegeben wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Abfolge der zweiten Strukturierungseinrichtung die inverse Abfolge zu der Abfolge der ersten Strukturierungseinrichtung. Dabei wird vorzugsweise entweder das mit der ersten Strukturierungseinrichtung erfasste Signal oder das mit der zweiten Strukturierungseinrichtung erfasste Signal mit einem Faktor„-1 " multipliziert und danach die beiden erfassten Signale durch Addition miteinander kombiniert, um ein bipolares Signal zu bilden.
Dieses bipolare Signal kann dann mit üblichen, aus der Radartechnik bekannten Verfahren, ausgewertet werden, um ein Teilchen zu detektieren und dessen Geschwindigkeit zu bestimmen. Zum Beispiel können dann LABS verwendet und für enge Geschwindigkeitsverteilungen nach bekannten Verfahren ausgewertet werden
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Abfolge der zweiten Strukturierungseinrichtung komplementär zur Abfolge der ersten Strukturierungseinrichtung ausgebildet. D.h. die, der Strukturierung der beiden Strukturierungseinrichtungen zu Grunde liegenden Binärcodes, sind komplementär zueinander. Zueinander komplementäre Binärcodes besitzen die wesentliche Eigenschaft, dass die Addition ihrer Autokorrelationsfunktionen alle Signalnebenkeulen verschwinden lässt. Lediglich der Hauptpeak addiert sich konstruktiv.
Eine weitere Verbesserung kann erzielt werden, wenn das bipolare Signal vor der weiteren Verarbeitung in einen Manchestercode umgewandelt wird. Manchestercodes sind beispielsweiese definiert in Foster R, Manchester encoding - opposing definitions resolved, Engineering Science & Education Journal 9 (6), 278 (2000).
Beispielsweise könnte jede„1 " durch die Abfolge„1 ,-1 " und jede„-1 " durch die Abfolge„-1 , 1 " ersetzt werden.
Ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Messung von Intensitäten ist nämlich der Offset, der sich durch das Detektorrauschen, das elektronische Rauschen und die Verstärkung ergibt und in jedem Signal enthalten ist. Bipolare Codes bieten den Vorteil, dass eine konstante Offsetspannung am Detektor weitgehend eliminiert wird, sofern die verwendete binäre Sequenz genauso viele Einsen wie inverse Einsen besitzt. Durch die Autokorrelation (auf dem resonanten Geschwindigkeitskanal) addiert sich ein konstanter Offset daher zu Null, was von Vorteil ist. Bei komplementären Sequenzen weisen beide Codes meist unterschiedliche Signalenergien auf, so dass nach Autokorrelation und Addition der Korrelationssignale ein DC-Offset nicht verschwindet. Durch die Manchestercodierung werden die Sequenzen zwar doppelt so lang, jedoch wird auf diese Weise sichergestellt, dass beide Codes immer balanciert sind, das heißt die Summe ihrer Koeffizienten immer Null ergibt und sich somit ein zeitlich konstanter Detektoroffset aufhebt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren. Es zeigen:
Figur 1 eine vereinfachte Form eines Messsignals mit der Amplitude 1 ohne Rauschen und Offset,
Figur 2 eine vereinfachte Darstellung eines überlagerten Messsignals,
Figur 3 das mit einem Optimalfilter gefilterte Messsignal,
Figur 4 das differenzierte Signal von Figur 3,
Figur 5 eine schematische Querschnittsdarstellung eines D u rchfl u sszy tom ete ra ufba u s ,
Figur 6 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform,
Figur 7 eine schematische Darstellung eines Detektors einer zweiten Ausführungsform,
Figur 8 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform und
Figur 9 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform. Das erfindungsgemäße Verfahren wird am Beispiel eines Durchflusszytometers. wie es schematisch in Figur 5 gezeigt ist, erläutert. Die Figur 5 zeigt einen Querschnitt. Das Durchflusszytometer weist einen auf einem Substrat 1 aufgebrachten Mikrokanal 2 auf, durch den fluoreszierende Objekte 3 bewegt werden. Dabei erreichen sie eine Anregungszone 4, welche mittels beispielsweise eines Laserstrahls beleuchtet wird, wodurch die Objekte angeregt werden und fluoreszierende Strahlung emittieren. In diesem Bereich ist ein optisches Amplitudengitter 5, d.h. ein nichtperiodisches, binäres Filter 5 vorgesehen, durch welches Fluoreszenzstrahlung austreten kann, welche über den optischen Filter 6 auf den Detektor 7 gelangt. Dort wird im Wesentlichen das in Figur 2 oben gezeigte Signal empfangen. Das Signal besteht somit aus verschiedenen Rechteckpulsen, deren Breite der Breite der Öffnungen im binären Filter 5 entsprechen.
In Figur 6 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Ein Fluoreszenzlichtstrahl 8 wird an einem Strahlteiler 9 aufgeteilt. Ein erster Teil des Fluoreszenzlichtstrahls wird durch die Maske 10 auf den Detektor 12 abgebildet. Am Detektor 12 wird somit ein Signal empfangen, das sich durch eine Abfolge von„0" und„1 " repräsentieren lässt. Der zweite Teil wird von dem zweiten Detektor 13 erfasst, der einer zweiten Maske 1 1 , welche invers zur ersten Maske 10 ausgebildet ist, zugeordnet ist. Auch das vom zweiten Detektor 13 erfasste Signal lässt sich durch eine Abfolge von„0" und„1 " repräsentieren. Das Signal des zweiten Detektors 13 wird mit Hilfe eines Multiplikators 14 mit„-1 " multipliziert. Danach werden die beiden Signale, d.h. das Signal des ersten Detektors 12 und das mit„-1 " multiplizierte Signal des zweiten Detektors 13 miteinander korreliert, d.h. im vorliegenden Fall mit Hilfe des Addierers 15 addiert.
Durch die in Fig. 6 gezeigte Ausführungsform wird ein bipolares Signal erzeugt, welches bei der weiteren Auswertung verwendet wird. Bipolare Signale lassen sich deutlich leichter auswerten als die bislang verwendeten unipolaren Signale. Insbesondere kann das Signal-zu-Nebenkeulen- Verhältnis deutlich verbessert werden, da durch den bipolaren Charakter des Signals die niederfrequenten Anteile unterdrückt sind.
In Figur 7 ist eine schematische Darstellung eines Detektors einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Bei dieser Ausführungsform wird ein räumlich strukturierter Detektor 16 mit zwei getrennten Detektorausgängen 17, 18 verwendet. Man erkennt, dass der nicht schraffierte Teil der Detektorfläche 19 dem ersten Detektorausgang 17 und der schraffierte, andere Teil dem zweiten Detektorausgang 18 zugeordnet ist. Die Zusammenschaltung der dem zweiten Detektorausgang 18 zugeordneten Fläche liefert somit das auf die binäre Sequenz bezogene komplementäre Signal.
Durch die Verwendung eines strukturierten Detektors wird das gesammelte Fluoreszenzlicht des Objektes vollständig genutzt, da keine Abschattung notwendig ist. Im Grunde genommen unter- scheidet sich der räumlich strukturierte Detektor von den Schattenmasken dadurch, dass die abgeschatteten Bestandteile nun ebenfalls auf dem Detektor erfasst und dem inversen Signal zugeführt werden. Auch hier ist es möglich, das inverse Signal mit„-1 " zu multiplizieren und zu dem Ursprungssignal zu addieren, sodass ein bipolar codiertes Signal erzeugt wird.
Bei dieser Ausführungsform wird zwar das Fluoreszenzlicht vollständig genutzt, der strukturierte Detektor 16 hat jedoch eine vorgegebene, nicht änderbare Struktur.
In einer dritten Ausführungsform, die schematisch in Figur 8 dargestellt ist, wird daher ein aus einer Vielzahl von Pixeln 21 bestehender Detektor 20 verwendet, bei dem jedes Pixel 21 selektiv ausgelesen werden kann. Durch analoges oder digitales Zusammenfassen einzelner Pixelbereiche (das auch„Binning" genannt wird) ist es daher möglich, einen räumlich strukturierten Code zu implementieren. Das Binning ist mit Hilfe der miteinander verbundenen Linien in Fig. 8 skizziert. So werden die einzelnen Pixel 21 des Detektors 20 in dieser Figur zu einem ersten Pixelbereich 22 und einem zweiten Pixelbereich 23 zusammengefasst Mit Hilfe der entsprechenden Ansteuersoftware kann somit nahezu jeder beliebige Code durch entsprechendes Zusammenfassen von Pixelbereichen abgebildet werden. Neben dem Vorteil der einfachen Softwareimplementierung hat diese Ausführungsform weiterhin den Vorteil, dass das Rauschen bedingt durch die Vielzahl der Pixel des Detektors 20 weiter verringert wird.
Da zudem das Signal nicht lokal ausgeblendet wird, sondern die gesamte Information erhalten bleibt, kann das Zusammenfassen von Pixeln softwaretechnisch auch parallel in vielen verschiedenen Variationen durchgeführt werden. Das gleiche Messsignal könnte somit unterschiedlichen Masken zugeordnet werden. Dies ist insbesondere von Vorteil für die Klasse von sogenannten komplementären Binärcodes, wie im Folgenden beschrieben wird, obgleich jede andere Art von Code ebenso implementiert werden kann. Durch die mehrfache parallele Auswertung des Signales ist es zudem möglich, dem Signal unterschiedliche Informationen zu entnehmen. So ist beispielsweise im ersten Schritt eine Partikeldetektion durch eine Autokorrelation von zwei räumlich versetzten LABS möglich und im zweiten Schritte kann dann die Partikelgeschwindigkeit mit einem periodischen Binningmuster ermittelt werden. Insbesondere dann, wenn das bipolare LABS entsprechend kurz ausgewählt wird, kann beispielsweise dreimal das gleiche LABS mittels des Detektors ausgelesen werden und aus der zeitlichen Differenz des Korrelationspeaks die Partikelgeschwindigkeit bestimmt werden.
Durch die Umwandlung des zunächst unipolaren Signals in ein bipolares Signal können aus der Radartechnik bekannte Verfahren zur Teilchendetektion und zur Geschwindigkeitsbestimmung der Teilchen verwendet werden. Mit Vorteil wird das Messsignal in komplementäre Binärcodes umgewandelt. Diese besitzen die wesentliche Eigenschaft, dass die Addition ihrer Autokorrelati- onsfunktionen alle Signalnebenkeulen verschwinden lässt. Lediglich der Hauptpeak addiert sich konstruktiv. Beispiele und Definitionen von komplementären Binärcodes finden sich beispielsweise in„Radar Signals", Levanon, Nadav, and Eli Mozeson, John Wiley & Sons, 2004. und in M. J. I. Golay,„Complementary series", IRE Trans. Inform. Theory, IT-7, Seiten 82 bis 87 (1961 ).
Ein weiterer nicht zu vernachlässigender Gesichtspunkt bei der Messung von Intensitäten ist der Offset, der sich durch das Detektorrauschen, durch elektronisches Rauschen und die Verstärkung ergibt und somit in jedem Signal enthalten ist.
Die hier beschriebenen bipolaren Codes bieten den Vorteil, dass eine konstante Offsetspannung am Detektor weitgehend eliminiert wird. Durch die Autokorrelation (auf dem resonanten Geschwindigkeitskanal) addiert sich ein konstanter Offset zu Null, was von Vorteil ist. Bei komplementären Sequenzen weisen jedoch beide Codes meistens unterschiedliche Signalenergien auf, sodass nach Autokorrelation und Addition im Korrelationssignal ein DC-Offset nicht verschwindet. Eine Möglichkeit, dies zu umgehen, ist eine Manchester-Encodierung der komplementären Sequenzen vorzunehmen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass jede Eins„1 " ersetzt wird durch die Abfolge„1 , -1 ", während eine inverse Eins„-1 " ersetzt wird durch die Ziffernfolge„- 1 , 1 ". Dadurch werden die Sequenzen zwar doppelt so lang, jedoch wird auf diese Weise sichergestellt, dass beide Codes immer balanciert sind, d.h. die Manchester-Encodierte binäre Sequenz genauso viele Einsen„1 " wie inverse Einsen„-1 " aufweist und die Summe ihrer Koeffizienten daher immer Null ergibt und somit ein zeitlicher konstanter Detektoroffset eliminiert wird.
In Figur 9 ist schematisch der Aufbau einer entsprechenden Detektionsvorrichtung gezeigt. Die zu detektierenden Objekte 3 bewegen sich durch einen Mikrokanal 2. In diesem Mikrokanal 2 wird mit Hilfe einer Beleuchtungsoptik 24, bestehend aus einem Laser (nicht gezeigt), von dem ein Laserstrahl 25 ausgesendet wird, einem optischen Anregungslichtfilter 26, einer Powell-Linse 27 und einer asphärischen Linse 28, eine Anregungszone gleichmäßig ausgeleuchtet. Beim Durchlaufen der Anregungszone fluoreszieren die Objekte 3. Das entsprechende Fluoreszenzlicht 29 trifft, nachdem es einen optischen Filter 30 passiert hat, auf ein Gradienten-Index-Linsen (GRIN) Array 31 , was wiederum das Licht auf entsprechende Makropixel 32, die für das Binning zuständig sind, abbildet. Bezugszeichenliste Substrat
Mikrokanal
Objekte
Anregungszone
optisches Amplitudengitter (binärer Filter) optischer Filter
Detektor
Fluoreszenzlichtstrahl
Strahlteiler
Maske
Maske
Detektor
Detektor
Multiplikator
Addierer
Detektor
erster Detektorausgang
zweiter Detektorausgang
Detektorfläche
Detektor
Pixel
erster Pixelbereich
zweiter Pixelbereich
Beleuchtungsoptik
Laserstrahl
Anregungslichtfilter
Powell-Linse
asphärische Linse
Fluoreszenzlicht
optischer Filter
GRIN-Array
Makropixel

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Detektion von sich entlang einer Trajektorie bewegenden Partikeln, welche elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen, wobei die elektromagnetische Strahlung, das elektrische Feld oder das magnetische Feld detektiert wird, wobei ein erstes Signal mit Hilfe einer ersten Strukturierungseinrichtung erfasst wird, wobei die erste Strukturierungseinrichtung entweder dafür Sorge trägt, dass die Partikel entlang eines Trajektorienabschnitts im Wesentlichen nur in ersten nicht-periodischen räumlichen Abständen elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen oder dafür Sorge trägt, das die elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder magnetische Feld im Wesentlichen nur in ersten nicht-periodischen räumlichen Abständen entlang des Trajektorienabschnitts detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Signal mit Hilfe einer zweiten Strukturierungseinrichtung erfasst wird, wobei die zweite Strukturierungseinrichtung entweder dafür Sorge trägt, dass die Partikel entlang eines Trajektorienabschnitts im Wesentlichen nur in zweiten nicht-periodischen räumlichen Abständen elektromagnetische Strahlung, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen oder dafür Sorge trägt, das die elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder magnetische Feld im Wesentlichen nur in zweiten nicht-periodischen räumlichen Abständen entlang des Trajektorienabschnitts detektiert wird, dass das erste und das zweite Signal miteinander korreliert werden und aus dem korrelierten Signal Rückschlüsse auf die Anzahl und/oder die Geschwindigkeit der Partikel gezogen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als erste und/oder zweite Strukturierungseinrichtung eine nicht-periodische, strukturierte Maske verwendet wird und die Partikel an einer Seite der Maske mit einer Geschwindigkeit v vorbeigeführt werden und auf der anderen Seite die durch die Maske tretende elektromagnetische Strahlung, das elektrische Feld oder das magnetische Feld detektiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als erste und/oder zweite Strukturierungseinrichtung ein Detektorarray verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Strukturierungseinrichtung jeweils derart ausgestaltet sind, dass bei einer Aufteilung des Trajektorienabschnittes in gleichlange Segmente, die Funktion der ersten und zweiten Strukturierungseinrichtung jeweils durch eine Abfolge von Nullen („0") und Einsen („1 ") beschrieben werden kann, wobei jede Ziffer ein Segment kennzeichnet und Segmente, in denen die jeweilige Strukturierungseinrichtung entweder dafür Sorge trägt, dass die Partikel ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld erzeugen oder zumindest beeinflussen oder dafür Sorge trägt, das die elektromagnetische Strahlung, das elektrische oder magnetische Feld detektiert wird, mit der Ziffer„1 " bezeichnet werden und alle anderen Segmente mit der Ziffer„0" bezeichnet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass entweder die Abfolge der zweiten Strukturierungseinrichtung gleich der von hinten nach vorne gelesenen Abfolge der ersten Strukturierungseinrichtung ist oder die Abfolge der zweiten Strukturierungseinrichtung gleich der Abfolge der ersten Strukturierungseinrichtung ist, und beide Abfolgen gleichzeitig jeweils einem Fl FO-Pufferspeicher zugeführt werden, wobei die beiden FIFO- Pufferspeicher parallel zueinander angeordnet sind, die beiden Abfolgen in entgegengesetzter Richtung zugeführt werden und für die Korrelation jeweils benachbarte Speicherplätze der beiden FIFO-Pufferspeicher korreliert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfolge der zweiten Strukturierungseinrichtung die inverse Abfolge zu der Abfolge der ersten Strukturierungseinrichtung ist, wobei vorzugsweise entweder das mit der ersten Strukturierungseinrichtung erfasste Signal oder das mit der zweiten Strukturierungseinrichtung erfasste Signal mit einem Faktor„-1 " multipliziert wird und danach die beiden erfassten Signale durch Addition miteinander korreliert werden, um ein bipolares Signal zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfolge der zweiten Strukturierungseinrichtung komplementär zur Abfolge der ersten Strukturierungseinrichtung ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das bipolare Signal vor der weiteren Verarbeitung in einen Manchester Code umgewandelt wird.
PCT/EP2016/064113 2015-06-26 2016-06-20 Verfahren zur detektion von strahlungsemittierenden partikeln Ceased WO2016207086A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015110359.1 2015-06-26
DE102015110359.1A DE102015110359B4 (de) 2015-06-26 2015-06-26 Verfahren zur Detektion von strahlungsemittierenden Partikeln

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016207086A1 true WO2016207086A1 (de) 2016-12-29

Family

ID=56137342

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2016/064113 Ceased WO2016207086A1 (de) 2015-06-26 2016-06-20 Verfahren zur detektion von strahlungsemittierenden partikeln

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102015110359B4 (de)
WO (1) WO2016207086A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017220309B4 (de) * 2017-11-15 2023-03-30 Emisense Technologies Llc Defekterkennung eines Partikelsensors mittels Signalrauschen
CN113504167B (zh) * 2021-08-06 2022-03-18 深圳市量宇科技有限公司 一种超低浓度颗粒物检测方法及其检测系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007051170A2 (en) * 2005-10-28 2007-05-03 The Regents Of The University Of California Apparatus and method for improved optical detection of particles in fluid
US20080021674A1 (en) * 2003-09-30 2008-01-24 Robert Puskas Methods for Enhancing the Analysis of Particle Detection
US20110222062A1 (en) * 2008-02-01 2011-09-15 Palo Alto Research Center Incorporated Analyzers with time variation based on color-coded spatial modulation
DE102013015016A1 (de) * 2013-09-07 2014-09-18 Testo Ag Verfahren zur Partikeldetektion in einem partikelhaltigen Fluid und korrespondierende Partikeldetektionsvorrichtung
DE102013105953A1 (de) * 2013-06-07 2014-12-11 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Detektion von strahlungsemittierenden Partikeln

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8821799B2 (en) 2007-01-26 2014-09-02 Palo Alto Research Center Incorporated Method and system implementing spatially modulated excitation or emission for particle characterization with enhanced sensitivity

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080021674A1 (en) * 2003-09-30 2008-01-24 Robert Puskas Methods for Enhancing the Analysis of Particle Detection
WO2007051170A2 (en) * 2005-10-28 2007-05-03 The Regents Of The University Of California Apparatus and method for improved optical detection of particles in fluid
US20110222062A1 (en) * 2008-02-01 2011-09-15 Palo Alto Research Center Incorporated Analyzers with time variation based on color-coded spatial modulation
DE102013105953A1 (de) * 2013-06-07 2014-12-11 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Detektion von strahlungsemittierenden Partikeln
DE102013015016A1 (de) * 2013-09-07 2014-09-18 Testo Ag Verfahren zur Partikeldetektion in einem partikelhaltigen Fluid und korrespondierende Partikeldetektionsvorrichtung

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FOSTER R: "Manchester encoding - opposing definitions resolved", ENGINEERING SCIENCE & EDUCATION JOURNAL, vol. 9, no. 6, 2000, pages 278
KIESEL ET AL., APPL. PHYS. LETT., vol. 94, 2009, pages 041107 - 1
KIESEL PETER ET AL: "Spatially modulated fluorescence emission from moving particles", APPLIED PHYSICS LETTERS, A I P PUBLISHING LLC, US, vol. 94, no. 4, 27 January 2009 (2009-01-27), pages 41107 - 41107, XP012118708, ISSN: 0003-6951, DOI: 10.1063/1.3070536 *
LEVANON; NADAV; ELI MOZESON: "Radar signals", 2004, JOHN WILEY & SONS
M. J. I. GOLAY: "Complementary series", IRE TRANS. INFORM. THEORY, vol. IT-7, 1961, pages 62 - 87
MERTENS S: "Exhaustive search for low-autocorrelation binary sequences", J.PHYS. A - MATH. GEN., vol. 29, 1996, pages L473

Also Published As

Publication number Publication date
DE102015110359A1 (de) 2016-12-29
DE102015110359B4 (de) 2023-06-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE2447789C3 (de)
EP3410154B1 (de) Verfahren und sensorsystem zur vermessung der eigenschaften einer übertragungsstrecke eines messsystems zwischen sender und empfänger
EP3465156B1 (de) Fluoreszenzlebensdauer-mikroskopieverfahren mit zeitkorrelierter einzelphotonenzählung welches höhere lichtintensitäten zulässt, und entsprechende vorrichtung
DE4416558C2 (de) Verfahren zum optischen Messen eines Probenpunkts einer Probe und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
DE102013218692B4 (de) Detektion von Röntgenstrahlung
DE102013105953B4 (de) Verfahren zur Detektion von strahlungsemittierenden Partikeln
DE2210681C3 (de) Einrichtung zur berührungslosen Messung
EP3752818B1 (de) Fluoreszenzlebensdauer-mikroskopie-verfahren mit zeitkorrelierter einzelphotonenzählung
AT512154A4 (de) Vorrichtung und verfahren zur detektion eines optischen impulses
DE202020005737U1 (de) STED-Mikroskopie-Vorrichtung mit verbessertem Signal-Rausch-Verhältnis bei niedriger Photonenzahl
DE2452166A1 (de) Anordnung zum verringern des streustrahleneinflusses
DE102007014413A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Auswerten von Fluoreszenzbildern
CH665910A5 (de) Vorrichtung zum beruehrungslosen erfassen von bewegungsgroessen eines bewegten objekts.
DE102015110359B4 (de) Verfahren zur Detektion von strahlungsemittierenden Partikeln
EP2693403B1 (de) Verfahren zur Prüfung eines zusammenhängenden Bildbereichs auf Fehler im Oberflächenbereich eines Gegenstands
WO2016207262A1 (de) Vorrichtungen, zytometer, verfahren und computerprogramm zum bereitstellen von information über zumindest eine sequenz
EP2766742A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur optischen distanzmessung über grosse distanzbereiche
EP2917687B1 (de) Verfahren zur bestimmung der lage mindestens einer kante eines gegenstandes mittels auswertung fresnelscher beugungssaumverläufe
EP2474852B1 (de) Verfahren und Einrichtung zur rastermikroskopischen Abbildung eines Objektes
DE102017113194A1 (de) Verfahren zum Verfolgen einer Vielzahl von punktförmigen Objekten im Raum
DE3231025A1 (de) Einrichtung zur erkennung von gepulster laserstrahlung
WO2017037248A1 (de) Ortsfiltermessverfahren und vorrichtung zur ortsfiltermessung
EP1502128A2 (de) Verfahren zur zuordnung eines pulsverlaufes zu einem von einer mehrzahl von pulstypen verschiedener abklingzeit und vorrichtung zu dessen durchfuehrung
DE10110925A1 (de) Verfahren zur Photonenzählung in Laser-Scanning-Systemen
DE3824092C2 (de)

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16730385

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16730385

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1