Zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung
Hochempfindliche Einzelphotonendetektoren (single photon detectors, SPDs) liefern wertvolle Signale, deren zeitliche Analyse in der Astrophysik, Materialwissenschaft, Quanteninformatik, Quantenverschlüsselung, medizinischer Bildgebung, DNA-Sequenzierung und in der faseroptischen Kommunikation ungeahnte Möglichkeiten bietet. Zum Beispiel lässt sich die Fluoreszenzlebensdauer angeregter Materie ableiten und abbilden (FILM). Dies ist die perfekte Aufgabe für unsere TDCs.
Bei der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung werden Lichtintensitäten gemessen, die schnellen zeitlichen Änderungen unterliegen. Die besonders hohe Zeitauflösung, die heute erreicht wird, ist ein besonderes Merkmal dieser Technologie.
Das Ziel von TCSPC ist es, Daten aus Photonen-Emissionsprozessen zu gewinnen, die im Bereich von Picosekunden stattfinden. Die Hauptanwendungen liegen dabei im Bereich der Fluoreszenzlebensdauer-Messungen (photoluminiscence decay measurements) und in der Quantenkommunikation. Die TCSPC-Technik übertrifft dabei heute alle populären Techniken hinsichtlich Empfindlichkeit, Dynamikbereich, Datengenauigkeit und Präzision, da an der Quantengrenze gemessen wird. Mit der Methode wird in vielen Aspekten der technisch machbare Stand der Technik erreicht, z.B. indem sogar einzelne Photonen registriert werden können.
Um die Photonenemissionszeiten zu messen, kommen entweder schnelle TDCs oder ADCs zum Einsatz, die im Gsps/s-Bereich arbeiten. Die einzelnen Messungen werden softwareseitig in einem Histogramm sortiert, welches dann zeigt, wie oft die einzelnen Emissionszeitpunkte aufgetreten sind.
Funktionsweise:
Bei TCSPC werden Laserquellen (inzwischen auch Femtosekundenlaser) als Quelle für anregendes Licht genutzt. Bei der Auswahl der Laserquellen spielen vornehmlich die charakteristischen Anregungsenergien der Probe und ihre erwartete Fluoreszenzlebensdauer eine entscheidende Rolle.
Mit einer hohen Wiederholungsrate (normalerweise im Bereich von 1–100 MHz) sendet der Laser-Treiber gleichzeitig mit dem vom Laser ausgesendeten Pumppuls ein Startsignal an einen Computer, um die Zeitmessung auszulösen. Die Laserpulse selbst sind typischerweise kürzer als 0,1 ns und werden über einen Neutralfilter auf die Probe gerichtet. Der Filter unterdrückt Streulicht, welches den Detektor fälschlicherweise auslösen könnte, und dämpft den Anregungspuls entsprechend. Wenn innerhalb eines Pulszyklus ein Photon von der Probe emittiert wird und auf den Detektor trifft, löst dies das Stoppsignal der Zeitmessung aus. Vor dem Detektor befindet sich ein Cut-Off-Filter, der die Messung auf den relevanten Spektralbereich begrenzt. Bei einigen Messaufbauten passiert das vom Probenmolekül emittierte Licht zusätzlich einen Monochromator, um Informationen über die emittierte Wellenlänge zu erhalten.
Die Synchronisation der Messsignale und deren Digitalisierung erfolgt mit Hilfe schneller, hochpräziser Datenerfassungstechnik, die am Ende Histogramme der aufgezeichneten Zeitdaten liefert – dies ist die Kernkompetenz von cronologic.
Die folgenden Photonendetektoren werden für TCSPC-Messungen verwendet:
- PMTs: (Photomultiplier Tube) – der klassische Ansatz, günstig, hohe Verstärkung, nicht ideal für die schnelle Detektion.
- MCPs: Mikrokanalplatten sind sehr verbreitet, da sie empfindlicher als PMTs sind und schnellere Reaktionszeiten aufweisen.
- APDs & SPADs (Avalanche-Photodioden & Einzelphoton-Avalanchedioden): Die Halbleiteräquivalente zur PMT liefern sehr kurze Impulse (FWHM 30-400 ps) und ermöglichen somit die Erkennung sehr schneller Photolumineszenz-Ereignisse.
- Hybrid PMTs kombinieren einen klassischen PMT mit einer Avalanche-Diode und bieten eine geringe Laufzeitstreuung und Vorteile in Bezug auf die Zähleffizienz. Diese Detektoren sind praktisch frei von Nachimpulsen. Ein Großteil der Verstärkung dieser Detektoren wird in einem einzigen Schritt erreicht. Daher erzeugen diese Einzelphotonenimpulse mit einer engen Impulshöhenverteilung. Mit derartigen Detektoren ist es deutlich einfacher, zwischen akkumulierten Photonen zu unterscheiden. Die Fluktuation weist nur eine kleiner Amplitude auf und verringert damit etwaigen Jitter.
Mögliche Herausforderungen bei TCSPC-Messungen:
Besondere Aufmerksamkeit sollte möglichen Messfehlern aufgrund des sogenannten „Puls-Stapels“ während einer TCSPC-Messung gewidmet werden:
Wenn zwei oder mehr Photonen innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalls emittiert werden, kann es beispielsweise aufgrund von Totzeiten des Datenerfassungssystems vorkommen, dass einzelne Photonen nicht aufgezeichnet werden. Der daraus resultierende Messfehler kann das aufgezeichnete Histogramm systematisch verändern, da meist das später eintreffende Photon verloren geht. Das Problem der Anhäufung von Photonen kann durch eine Verringerung der Anregungsintensität (und damit des Prozentsatzes der von der Probe emittierten Photonen) vermieden werden. Dementsprechend sind TCSPC-Aufbauten so konzipiert, dass nur ein Bruchteil, oft nur einer von 50 Anregungsimpulsen, überhaupt eine Fluoreszenzantwort erzeugt.
TCSPC-Messungen: damals und heute
Um die Ankunftszeit der Fluoreszenzphotonen relativ zur Anregungszeit der Probe zu registrieren, wird Elektronik mit höchstmöglicher Auflösung verwendet.
Ursprünglich wurden die TCSPC-Daten mit Hilfe eines TAC (Time to Amplitude Converter) und eines Transientenrekorders (Analog-Digital-Wandler, ADC) aufgezeichnet. Die Signale, die die Informationen über den Emissionszeitpunkt enthalten, wurden dann von einem constant fraction discriminator (CFD) verarbeitet. Der Referenzimpuls aktivierte dann den TAC. Der TAC erzeugte intern eine Spannungsrampe an einem Kondensator, wobei der Spannungsanstieg gestoppt wurde, sobald das Fluoreszenzphoton aus der Probe erkannt wurde. Die TAC-Spannung wurde dann von einem ADC ausgewertet und in einen digitalen Zeitstempel umgewandelt. Eine höhere Spannung entsprach einer späteren Emissionszeit. Im umgekehrten TAC-Modus wurden die Rollen des Anregungspulses und des detektierten Photons vertauscht. In diesem Fall stoppte der Anregungspuls den Spannungsanstieg im TAC. Der aufgezeichnete Zeitstempel konnte in einem Mehrkanal-Analysator (MCA) für Histogramme weiterverarbeitet werden. Diese klassische Messmethode hat eine vergleichsweise lange Totzeit.
Heutige TCSPC-Systeme nutzen die schnellen und effizienten Datenerfassungskonzepte moderner TDCs (Time to Digital Converter, Zeitintervall-Analysatoren), welche die Ankunftszeit der Zeitsignale direkt in digitale Zeitstempel umwandeln. Aufgrund der kurzen Totzeiten moderner TDCs ist es inzwischen meist möglich, mehrere Photonen pro Anregungszyklus aufzuzeichnen. Bei Bedarf können zu jedem Photonendetektionsereignis zusätzliche Informationen aufgezeichnet werden, z. B. die Wellenlänge des Lichts, seine Polarisation, seine Position innerhalb eines Bildbereichs, Informationen zu Probeneigenschaften, die Anregungswellenlänge usw.
Daraus ergeben sich vielfältige weitere Möglichkeiten zur Darstellung und Analyse der Messdaten.
Die Grenzen von TCSPC-Messungen
Die Auflösung von TCSPC-Messungen wird durch verschiedene Faktoren begrenzt, deren Summe als IRF (Instrument Response Function) bezeichnet wird:
- Die endliche Breite des Laserpulses (größter Faktor)
- endlicher Anstieg/Abfall elektronischer Signale
- Die Zeitauflösung der Detektoren
- Jitter in der Elektronik
Die IRF-Zeitsumme kann in der Regel vor Ort durch eine Messung des „Prompts“ ermittelt werden.
Autor: Uwe Thomaschky
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