Wer hätte vor 20 Jahren gedacht, dass Photon Counting einmal eine so wichtige Rolle in Forschung und Entwicklung spielen wird? Mit dieser Technologie können kleinste Lichtmengen (10-14 W) zuverlässig nachgewiesen werden.
Photonenzählanwendungen spielen eine entscheidende Rolle bei Fortschritten in so vielfältigen Gebieten wie Astronomie, Metallurgie, Umweltschutz, Krankheitsdiagnostik, sowie medizinische Analyse- und Bildgebungsverfahren. Eine der spektakulärsten Anwendungen ist mit Sicherheit die biomedizinische Forschung; sie hilft bei der Entschlüsselung des menschlichen Genoms.
Drei Technologien
Anwender können zwischen drei Methoden wählen, die allesamt für höchst anspruchsvolles Photonenzählen geeignet sind.
Single Photon Counting Modules (SPCMs) zählen Photonen mit Hilfe einer Avalanche Photodiode (APD). Eine APD ist ein siliziumbasierter Halbleiter-Detektor, welcher Photonen in Elektronen umwandelt – jedoch gänzlich anders als herkömmliche Photodioden, bei denen das Verhältnis Photon zu Elektron 1:1 ist. In einer APD können photonengenerierte Elektronen weitere Elektronen erzeugen, was zu einem Lawineneffekt führt. Diese interne Verstärkung kann über die Vorspannung geregelt werden, z. B. von 1 bis 1.000. Das daraus resultierende Signal ist proportional zur Intensität des einfallenden Lichts. SPCMs sind mit einer Steuerelektronik ausgerüstet, welche den Strom permanent überwacht und mittels TTL-Pulsen abschaltet. Der Betrieb in diesem „Photon-Counting Mode“ ist extrem schnell und erlaubt das Zählen eines Photons alle 50 ns.
Channel Photomultipliers (CPMs) sind weiterentwickelte monolithische Versionen traditioneller Photomultiplier Tubes (PMTs). Eintretende Photonen erzeugen hier Elektronen, welche in Richtung Anode beschleunigt werden und dabei einen kurvenreichen, halbleitenden Vakuumkanal passieren. Dies erzeugt einen Lawineneffekt ähnlich dem einer APD. CPMs haben einige Vorteile: Sie erzeugen einen wesentlich geringeren Dunkelstrom, werden weniger von externen Magnetfeldern beeinflusst, sind mit einem internen elektronischen Shutter ausgerüstet sowie allgemein robuster und widerstandsfähig gegenüber Beschädigung. CPM-Module sind extrem schnell. Photonen können alle 30 ns gezählt werden. Die äußerst geringe Dunkelzählrate erlaubt einen sehr hohen dynamischen Bereich.
Charged Coupled Devices (CCDs) sind Arrays normaler Photodioden, welche Messwerte an eine Reihe von Ausleseeinheiten schicken. Im Gegensatz zu anderen Detektoren, bei denen jedes Photon sofort eine Einzelzählung der Elektronen auslöst, laden die CCD-Elektronen einen Kondensator. Der Nutzer kann die Intensität des einfallenden Lichts messen, da diese proportional zum Ladezustand des Kondensators ist. CCDs müssen für diese Aufgabe thermoelektrisch gekühlt werden, um Dunkelstrom und Rauschen zu verringern. Im Gegensatz zu SPCMs und CPMs, bei welchen Photonen nacheinander detektiert werden, liefert ein einzelnes CCD Messwerte von mehreren Pixeln gleichzeitig.
Die Auswahl
Da sich die verschiedenen Technologien bezüglich ihrer Fähigkeiten und Einschränkungen stark unterscheiden, sollten bei der Technologieauswahl folgende Überlegungen angestellt werden:
Wellenlängenbereich
Verschiedene Aufgaben erfordern Empfindlichkeiten bei unterschiedlichen Wellenlängen.
- SPCMs: Deren Empfindlichkeit erstreckt sich von ca. 500 nm bis 1100 nm, wobei mit 70 % das Maximum der Quanteneffizienz bei 650 nm liegt. Sie werden bspw. eingesetzt, wenn Fluoreszenz auf einem Mikroarray mittels Laser angeregt wird.
- CPMs: Obwohl CPMs am Empfindlichsten im UV und im blauen Bereich sind, deckt ihre spektrale Empfindlichkeit den gesamten Bereich von 115 nm bis 900 nm ab. Forscher, die Blitzlampen oder andere Lichtquellen zur Probenanregung im UV oder im sichtbaren Bereich verwenden, sollten zum CPM greifen.
- CCD: Bei CCDs deckt sich die Empfindlichkeit mit den Eigenschaften des Siliziums, welches Messungen von 300 nm bis 1000 nm ermöglicht.
Probengröße
SPCMs können emittiertes Licht selbst von extrem kleinen Proben detektieren (Volumen im Zentiliter-Bereich), wobei der Detektor selbst nur 0,2 bis 0,3 mm misst. Probengrößen von mehreren Zehntel Millimeter bis zu einigen Zentimetern können gut mit einem CPM gemessen werden, dessen Größe zwischen mehreren Millimetern und einigen Zentimetern liegen kann. CCDs wiederum haben zwar wesentlich kleinere empfindliche Flächen (in Normalfall 7 μm), können aber trotzdem größere Proben betrachten solange diese auf einem CCD abgebildet werden können.
Geschwindigkeit
SPCMs und CPMs sind die erste Wahl, wenn Geschwindigkeit eine Rolle spielt. CCDs sind unweigerlich langsamer, da der Kondensator Zeit zum Aufladen braucht. Da SPCMs und CPMs Photonen alle 50 ns bzw. 30 ns zählen können, lassen sich mit beiden Zerfall und Diffusion messen.
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CPM | SPCM |
Abhängig von Aufgabe und Konstruktionsparametern entscheidet der Systemhersteller, welche Photonenzähltechnologie am besten geeignet ist. Wenn es ausschließlich um räumlich aufgelöste Fluoreszenzanalysen geht, ist ein CCD die richtige Wahl. Sollen Probengrößen zwischen weniger als einem Millimeter und mehreren Zentimetern im UV oder im sichtbaren Bereich analysiert werden, ist ein CPM geeignet. Werden Laser im sichtbaren Bereich verwendet, um die Intensität einzelner Moleküle in punktförmigen Quellen zu untersuchen bzw. sollen auch Zerfall und Diffusion gemessen werden, sollte die Wahl auf ein SPCM fallen. CPMs und SPCMs können von LASER COMPONENTS geliefert werden.
