JP2694200B2

JP2694200B2 - マルチチャンネル蛍光減衰波形測定装置

Info

Publication number: JP2694200B2
Application number: JP63054278A
Authority: JP
Inventors: 哲郎岩田
Original assignee: Jasco Corp
Current assignee: Jasco Corp
Priority date: 1988-03-08
Filing date: 1988-03-08
Publication date: 1997-12-24
Anticipated expiration: 2012-12-24
Also published as: JPH01227948A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、試料へ照射した励起光パルスに応答して、
該試料から放出される蛍光のフォトンを光電子パルスに
変換し、クロックパルスによりシフトされるシフトレジ
スタに該変換された光電子パルスを供給して、該フォト
ンの発生時刻に対応した情報を有する光電子パルス列の
パターンを該シフトレジスタに作成し、該パターンを読
み出して統計的な積算処理を施すことにより蛍光減衰波
形を測定するマルチチャンネル蛍光減衰波形測定装置に
関する。

［従来の技術］蛍光減衰波形測定手法として、蛍光強度が微弱な場合
には、感度、分解時間の観点から単一光子遅延一致法
（以下TAC法と略記）が広く用いられている。TAC法は数
ピコ秒という分解時間が達成できるものの、その測定原
理上、信号利用率が非常に低い。波形歪みなく信号を得
るためには、１回の試料励起に対して高々１個のフォト
ンの発生しか許されず、通常を数十回の励起に対して平
均１個のフォトンが発生するような光量にしなければな
らない。したがって、ある程度“明るい”試料に対して
は減光という好ましくない手段を使用しなければならな
い。

このTAC法に対して、分解時間をある程度犠牲にして
も、信号利用率を向上させようというのが光電子パルス
列同時検出法である。光電子パルス列同時検出法では、
１回の励起に対して複数個のフォトンが発生した場合、
それらをすべて計測する。その原理を第３図に示す。
（イ）は試料への励起光パルスであり、（ロ）は試料か
らの光量が非常に強い場合の蛍光減衰波形である。光量
が弱くなると、これを光電変換する光電子増倍管からの
出力は、フォトン１個１個に対応した光電子パルスにな
り、そのパルス発生時刻の確率密度関数は、（ロ）の強
度に比例したものになる。各励起後の光電子パルス発生
状況は毎回異なり、これを（ハ）（ニ）（ホ）（ヘ）に
示す。したがって、（ト）に示すように（時間区分され
た各領域がカウンタに対応し、○は１個のフォトンを示
す）、各フォトンの発生時刻に対応するカウンタを用意
しておき、光電子パルス１個の発生につき対応するカウ
ンタの内容を１だけ加算すれば、多数回励起による積算
を行うことにより、最終的に（ロ）の波形と相似な波形
が得られる。この場合の分解時間は、（ト）に示したΔ
ｔである。

この原理に基づく最も簡単なマルチチャンネル蛍光減
衰波形測定装置を第４図に示す。このマルチチャンネル
蛍光減衰波形測定装置では、１回の励起光パルスによる
試料励起後の光電子増倍管10からのパルス列をアンプ・
ディスクリミネータ12を通して高速動作可能なＮビット
のシフトレジスタ14に供給し、クロックパルス発生器16
からのクロックパルスによりΔｔ毎に１ビットシフトさ
れるシフトレジスタ14上にビットパターンを作成し、Ｎ
Δｔ後にタイミングコントローラ18から制御パルスを受
けてシフトレジスタ14の内容をバッファレジスタ20に読
み出し、バッファレジスタ20の各ビットに対応して設け
られたカウンタ22によりこのビットデータを計数する。
試料励起毎に生じるビットパターンを逐時、カウンタ22
に加算していく。この場合の分解時間は、クロックパル
ス発生器16からのクロックパルスの周期Δｔである。

この構成のマルチチャンネル蛍光減衰波形測定装置
は、ビットパターンの積算処理という観点からは理想的
であるが、多くのカウンタを要し、またデータ処理のた
めにカウンタの内容を読み出そうとすると、多くのマル
チプレクサや、繁雑な配線を必要とする。

本発明者は、分解時間を２倍にし、しかも構成を簡単
化した第５図に示すマルチチャンネル蛍光減衰波形測定
装置を案出し、製作した。２段のフトレジスタ14A、14B
を、クロックパルス発生器16′から出力される、位相が
180度異なったクロックパルスでそれぞれΔｔ毎に交互
にシフトし、光電子パルスのビットパターンをシフトレ
ジスタ14A、14B上に作成する。一方、タイミングコント
ローラ18′による制御の下で、このΔｔ毎に、各シフト
レジスタ14A、14Bの各ビットに対応するアドレスを有す
る、RAM24A、24Bの内容をバッファレジスタ26A、26Bを
介しカウンタ28A、28Bに逐時読み出しては、シフトレジ
スタ14A、14Bの最上位ビットから直列に取り出されるビ
ットデータを加算し、当該アドレスにストアする。この
ような一連の時系列的な処理で蛍光減衰波形のヒストグ
ラムの作成が行えるようにした。

この製作した装置の性能は、分解時間2.5n sec、測定
可能な時間スパン100n sec、繰り返し周波数25KHZであ
る。

本発明者は、光電子パルス列同期検出法を実現する他
のマルチチャンネル蛍光減衰波形測定装置として、バー
ニアクロノトロンを利用したものを案出し、製作した。

第６図はバーニアクロノトロンを示しており、伝播遅
延時間τ、τ＋Δτの２本の同軸ケーブル30A、30Bと、
波形整形のための２つのリフレッシュアンプ32A、32B
と、２つのパルスの合致を検出するコインシデンス回路
34と、パルスの周回数を数えるスケーラ36で構成されて
いる。その原理は以下のようである。今、時間差ｔを有
する２つのパルスA,Bをそれぞれ図のように入力する
と、各々のパルスは、それぞれ周期τ＋Δτとτでそれ
ぞれの径路を循環する。ここで、パルスＢはパルスＡよ
りもΔτだけ短い周期となるので、パルスＢは循環１回
につきΔτだけパルスＡに相対的に接近することにな
る。したがって、パルスＢはt/Δτ回目にパルスＡに追
いつき、合致が検出される。一方、パルスＢの周回数は
スケーラ36で計数されており、合致が検出されたときに
この計数を停止する。Δτは既知であるので、周回数ｎ
を計数することにより、最初のパルス間隔ｔは、ｔ＝ｎ
Δτで求められる。このバーニアクロノトロンは、微分
直線性が極めて安定で、分解時間はケーブルの長さの差
に比例したΔτで決定される。

バーニアクロノトロンは２つのパルスの時間差しか測
定できない。これはマルチチャンネル化するためには、
本発明者により案出された第７図に示す構成にすればよ
い。パルスＡとパルス列Ｂを図のように入力すれば、Ａ
が試料への励起光パルスに同期したパルス、Ｂが光電子
増倍管からの光電子パルス列に対応する。第６図のスケ
ーラ36の代わりに、シフトレジスタ14を用意し、スケー
ラ36で計数していた周回パルスでシフトレジスタ14のシ
フト動作をさせ、コインシデンス回路34からの合致検出
パルスをシフトレジスタ14への直列データ入力パルスと
する。このようにすれば、パルス列Ｂが同軸ケーブル30
Bを循環している間に、このパルス列Ｂがシフトレジス
タ14上のビットパターンに変換される。

試料励起毎に生じるシフトレジスタ14上のビットパタ
ーンの処理は、第４図または第５図に示す回路を用いて
行うことができ、本発明者は第５図に示す回路を用いた
ものを製作した。

以上説明したマルチチャンネル蛍光減衰波形測定装置
のダイナミックレンジは、アンプ・ディスクリミネータ
12のパルス対分解能で制限される。一方、分解時間は、
シフトレジスタ方式の場合はシフトレジスタへのクロッ
ク周波数、バーニアクロノトロンの場合はケーブル長差
で決定される。

したがって、前者の場合にはクロック周波数を上げれ
ば、また後者の場合にはケーブル長差を短くすれば、電
気系のジッタの程度まで分解時間を向上させることがで
きる筈である。

しかしながら、実際には、光電子増倍管10からの光電
子パルスが1.5〜3.0n sec程度の幅を有し、一個のパル
スが複数個のチャンネルにわたって計数されるために、
分解時間は光電子増倍管10の出力パルス幅程度が下限で
あると一般に考えられていた。

そこで、本発明者は、この問題点を解決すたマルチチ
ャンネル蛍光減衰波形測定装置を案出した（昭和63年２
月29日付の特許出願）。

これを第８図について説明する。なお、第５図と同一
構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

コントローラ18は、スイッチ38をクロックパルス発生
器16側にした後、励起パルスを励起光源（不図示）に供
給して試料に励起光パルスを照射する。この励起光パル
スは光センサ（不図示）で検出され、この検出信号に同
期してクロックパルス発生器16からクロックパルスが発
生開始される。コントローラ18はこのクロックパルスを
計数する。クロックパルスは、シフトパルスとしてシフ
トレジスタ14へも供給され、クロックパルスの周期Δt₁
毎にシフトレジスタ14を１ビット第８図右方向にシフト
する。試料から放出された蛍光のフォトンは、光電子増
倍管10により光電子パルスに変換され、アンプ・ディス
クリミネータ12を通ってシフトレジスタ14へ供給され
る。したがって、試料励起後、時間ＮΔt₁経過すると、
蛍光寿命を示す光電子パルス列のパターンがシフトレジ
スタ14に作成される。

第９図（Ａ）はアンプ・ディスクリミネータ12から出
力される光電子パルス列であり、（Ｂ）はこのパルス列
によりシフトレジスタ14に作成されたビットパターンで
ある。図中、斜線部は光電子パルスに対応した部分のビ
ットであって、“1"が格納され、他は“0"が格納されて
いる。

コントローラ18は試料励起パルス出力後、Ｎ個のクロ
ックパルスを計数すると、スイッチ38を分周器40側に切
り換え、クロックパルス発生器16からのクロックパルス
を分周器40で分周したものをシフトパルスとしてシフト
レジスタ14へ供給する。すなわち、その後のデータ処理
速度との関係から、シフトレジスタ14からの直列データ
の読み出しを比較的遅く行う。

この直列データは第９図（Ｂ）に示す如くなっいる
が、有効データ抽出回路42を通ると、（Ｅ）に示す如
く、光電子パルスに対応した連続する複数ビットのう
ち、最初の１ビットのデータが有効データとして抽出さ
れる。

すなわち、（Ｃ）に示すパルスがオンディレイ回路46
を通ると、（Ｄ）に示す如く、分周器40の出力パルスの
１周期Δt₂に等しい時間だけ立ち上がりが遅れた波形に
され、次いでインバータ48で反転され、アンドゲート44
に供給されて、シフトレジスタ14からのパルスとの論理
積がアンドゲート44から出力され、（Ｅ）に示す如くな
る。オンディレイ回路46は図示の如く抵抗器Ｒおよびコ
ンデンサＣからなる積分回路を使用できる。

一方、分周器40からパルスが１個出力される毎に、次
のような一連の処理が行なわれる。

すなわち、RAM24のアドレスＡのデータD_Aが、バッフ
ァレジスタ26を介してカウンタ28へ供給され、アンドゲ
ート44から出力されるビットデータがカウンタ28により
計数（ビットデータが“1"のときのみ１を加算）され、
次いでバッファレジスタ26を介してRAM24の元のアドレ
スＡに格納される。次いでRAM24のアドレスがインクリ
メントされる。

このような一連の処理がＮ回繰り返して行われると、
RAM24へのデータ書き込み処理が一旦停止され、スイッ
チ38がクロックパルス発生器16側へ切り換えられ、上述
のシフトレジスタ14への光電子パルス列パターンの作成
が行われる。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、測定時間を短縮するために励起光パル
スを強くすると、第10図（Ａ）に示す如く、アンプディ
スクリミネータ12から出力される複数の光電子パルスが
オーバーラップした状態で現れる頻度が多くなり、シフ
トレジスタ14には（Ｂ）に示す如く多数のビットが連続
したパターンが形成される。

この場合、第８図に示す装置では、第10図（Ｃ）に示
す如く最初のビットのみが有効ビットとして42から抽出
されるので、時間的に最初の光電子パルスP₁についての
み、カウントされ、後の光電子パルスP₂についてはカウ
ントされない。したがって、入射蛍光の光量に対しフォ
トンの平均計数が比例する該入射光量の範囲、すなわち
ダイナミックレンジは、アンプ・ディスクリミネータ12
のパルス対分解能により制限され、これをさらに拡大す
ることができなかった。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、分解時間を光電
子パルス幅以下に向上させることができるとともに、入
射光量に対するダイナミックレンジを拡大できるマルチ
チャンネル蛍光減衰波形測定装置を提供することにあ
る。

［課題を解決するための手段］この目的を達成するために、本発明に係るマルチチャ
ンネル蛍光減衰波形測定装置では、試料へ照射した励起
光パルスに応答して、該試料から放出される蛍光のフォ
トンを光電子パルスに変換し、クロックパルスによりシ
フトされるシフトレジスタに該変換された光電子パルス
を供給して、該フォトンの発生時刻に対応した情報を有
する光電子パルス列のパターンを該シフトレジスタに作
成し、該パターンを読み出して統計的な積算処理を施す
ことにより蛍光減衰波形を測定するマルチチャンネル蛍
光減衰波形測定装置において、該シフトレジスタに格納
されている、光電子パルスに対応した連続する複数ビッ
トデータのうち、一定間隔毎のビットデータを有効なビ
ットデータとして抽出する有効データ抽出手段を設けた
ことを特徴としている。

［実施例］以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。

第１図にはマルチチャンネル蛍光減衰波形測定装置の
ブロック回路が示されており、第８図と同一構成要素に
は同一符号を付して説明を省略する。

スイッチ38の実線図示状態で試料励起後、時間ＮΔt₁
経過すると、蛍光寿命を示す光電子パルス列のパターン
がシフトレジスタ14に形成されることは上記と同様であ
る。第２図（Ａ）に示す如き光電子パルスP₁およびP₂が
アンプ・ディスクリミネータ12から得られたとき、シフ
トレジスタ14には（Ｂ）に示すパルス列が形成される。

この時間ＮΔt₁経過後、コントローラ18からの指令に
よりスイッチ38は点線図示状態に切り換えられ、シフト
レジスタ14から比較的遅い速度で直列データが読み出さ
れる。

この直列データはアンドゲート50の一方の入力端子に
供給される。アンドゲート50の他方の入力端子は後述す
る如く、常時ハイレベルになっており、該直列データは
アンドゲート50を通ってモノステーブルマルチバイブレ
ータ（以下モノマルチという）52に入力され、これがト
リガされる。このモノマルチ52の非安定（オン）時間
は、分周器40の出力パルスの１周期Δt₂に等しく選ばれ
ている。したがって、モノマルチ52のＱ出力は、第２図
（Ｃ）に示す如く、光電子パルスP₁に関する最初のビッ
トデータと対応する時間だけオンし、その出力がカウン
タ28に供給される。

一方、この出力は、インバータ54を通じてモノマルチ
56に供給される。モノマルチ56は、モノマルチ52の出力
パルスの立ち下がり（後縁）によってトリガされる。モ
ノマルチ56の出力は、（Ｄ）に示す如く、常時“1"を
出力しており、上記トリガにより出力が“0"になる。こ
の非安定（オフ）時間Δt₃は、一個の光電子パルスに対
応した連続するビット数をｎとするとき、Δt₃＝ｎΔt₂
−Δt₂に選ばれている。モノマルチ56のこのオフ時間Δ
t₃では、アンドゲート50が閉じているので、シフトレジ
スタ14からのデータはモノマルチ52に供給されない。

上記オン時間Δt₃後、モノマルチ56の出力はオン
し、アンドゲート50が開かれるので、シフトレジスタ14
からのビットデータがモノマルチ52に供給される。この
ビットデータは、（Ａ）に示す光電子パルスP₂に関する
ものである。これにより、モノマルチ52は再びトリガさ
れ、上記の如く時間Δt₂だけオンし、この出力がカウン
タ28に供給される。モノマルチ52の出力パルスの立ち下
がりにより、モノマルチ56が再びトリガされ、アンドゲ
ート50はこれより時間Δt₃閉じられた後、再び開かれ
る。

これらアンドゲート50、モノマルチ52、インバータ5
4、モノマルチ56をもって、データ抽出回路58が構成さ
れている。

なお、モノマルチ52からカウンタ28への２値データ入
力後は、第８図の説明と同様に動作するので省説する。

上記動作により、比較的強い励起光パルスを試料に照
射することにより、オーバラップした２つの光電子パル
スP₁及びP₂がシフトレジスタ14に入力され、シフトレジ
スタ14に連続した“1"のパターンが形成された場合であ
っても、各光電子パルスP₁及びP₂を正確に計数すること
ができる。

パルスP₁、P₂を識別可能なオーバラップの程度は、両
パルスのピーク間距離が略Δt₂以上である。したがっ
て、ｎ＝３であっても殆どのオーバラップを分離識別可
能であり、ダイナミックレンジを大幅に広げることがで
きる。

また、本実施例装置は第８図に示す装置の機能をも併
せて有しており、分解時間が１個の光電子パルスの幅以
下に向上する。

さらに、本実施例装置は３個以上の光電子パルスがオ
ーバラップしても入力された場合にも各パルスを計数す
ることができる。しかし、正確な計数値を得るようにす
るためには、最大３個程度になるよう励起光の強さを調
整した方が好ましい。

（２）拡張なお、本発明は、第４図、第５図および第７図で説明
した各種マルチチャンネル蛍光減衰波形測定装置に適用
することができることは勿論である。

また、マイクロコンピュータのソフトウエア構成によ
り、シフトレジスタ14に格納されている、光電子パルス
に対応した連続する複数ビットデータのうち、一定間隔
毎のビットデータを有効なビットデータとして抽出して
もよい。

［発明の効果］本発明に係るマルチチャンネル蛍光減衰波形測定装置
では、シフトレジスタに格納されている、光電子パルス
に対応した連続する複数ビットデータのうち、一定間隔
毎のビットデータを有効なビットデータとして抽出する
ので、分解時間を光電子パルス幅以下に向上させること
ができるとともに、入射蛍光の光量に対しフォトンの平
均計数が比例する該入射光量の範囲、すなわちダイナミ
ックレンジを大幅に広げることができるという優れた効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係り、マルチチャンネル蛍光
減衰波形測定装置の構成を示すブロック回路図、第２図
は第１図に示すデータ抽出回路58の動作説明図である。第３図乃至第７図は従来例に係り、第３図は光電子パル
ス列同時検出法の原理説明図、第４図はこの原理を実現
する第１のマルチチャンネル蛍光減衰波形測定装置のブ
ロック回路図、第５図は同じく第２のマルチチャンネル
蛍光減衰波形測定装置のブロック回路図、第６図はバー
ニアンクロノトロンの原理構成図、第７図は第６図の回
路を用いた第３のマルチチャンネル蛍光減衰波形測定装
置の回路図である。第８図は先に提案した蛍光減衰波形測定装置の構成を示
すブロック回路図、第９図は第８図に示す有効データ抽
出回路42の動作説明図、第10図は第９図において、
（Ａ）に示す光電子パルスが重畳して得られる場合の説
明図である。 10:光電子増倍管 12:アンプ・ディスクリミネータ 14:シフトレジスタ 16:クロックパルス発生器 18:コントローラ 22:カウンタ 24:RAM 30:同軸ケーブル 32:リフレッシュアンプ 34:コインシデンス回路 36:スケーラ 42、42A、58:有効データ抽出回路 46:オンディレイ回路 50:アンドゲート 52、56:モノステーブルマルチバイブレータ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】試料へ照射した励起光パルスに応答して、
該試料から放出される蛍光のフォトンを光電子パルスに
変換し、クロックパルスによりシフトされるシフトレジ
スタ（14）に該変換された光電子パルスを供給して、該
フォトンの発生時刻に対応した情報を有する光電子パル
ス列のパターンを該シフトレジスタ（14）に作成し、該
パターンを読み出して統計的な積算処理を施すことによ
り蛍光減衰波形を測定するマルチチャンネル蛍光減衰波
形測定装置において、該シフトレジスタ（14）に格納されている、光電子パル
スに対応した連続する複数ビットデータのうち、一定間
隔毎のビットデータを有効なビットデータとして抽出す
る有効データ抽出手段（58）を設けたことを特徴とするマルチチャンネル蛍光減衰波
形測定装置。