CC BY
6ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ БИООБЪЕКТОВ
ОДНОКАНАЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР СВЕРХСЛАБОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ
ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ САХАРОМИЦЕТ
Н.В. Дунин, В.Б. Дунин, С.А. Савинов, С.Н. Майбуров, Т.Е. Демихов, Е.И. Демихов Физический Институт им. П.Н. Лебедева РАН, Россия, Москва
Б01:10.24412/с1-37145-2023-1-5-11
В области биофотоники изучение образцов сахаромицет, часто включает в себя измерение оптических сигналов чрезвычайно низкого уровня. Одноканальные фотоэлектронные умножители (ФЭУ) зарекомендовали себя как незаменимые инструменты для обнаружения и количественной оценки одиночных фотонов, испускаемых биологическими образцами. При регистрации сверхслабого оптического излучения фотоэлектронными умножителями возникает проблема фильтрации полезного одноэлектронного сигнала небольшой ширины (несколько наносекунд) от одноэлектронных шумовых импульсов темнового тока. Для регистрации сверхслабого оптического излучения от биологических образцов создан одноканальный детектор на основе ФЭУ фирмы Hamamatsu, работающий в режиме счета фотонов, и электронный блок регистрации данных на основе микроконтроллера и ПЛИС для счета зарегистрированных импульсов.
Введение
Одноканальные детекторы с ФЭУ — это приборы, предназначенные для точного подсчета и регистрации отдельных фотонов. Фундаментальные принципы, лежащие в основе этих детекторов, делают их пригодными для измерений и задач, требующих высокой чувствительности. Одним из способов изучения конденсированных сред на основе живых организмов является анализ сверхслабого оптического излучения, которое они излучают в процессе своей жизнедеятельности. Это излучение может быть крайне слабым, и его обнаружение представляет некоторую сложность и ряд инженерных вызовов для разработчиков детектирующей аппаратуры. Данная аппаратура использует принцип фотоэффекта, при котором фотоны, попадающие на поверхность ФЭУ, вызывают электронный каскад, увеличивая суммарное количество фотоэлектронов.
Описание детекторной системы
Разработанный одноканальный оптический детектор (рисунок 1)предназначен для регистрации сверхслабого оптического излучения биокультур и экспериментальной оценки интенсивности этого излучения в ходе эксперимента. Габаритные размеры зоны размещения блока детектора оптических фотонов не превышают 110 мм х 55 мм.
Длина волны, содержащая полезный сигнал, находится в диапазоне от 290 до 600 нм. Основные элементы одноканального детектора сверхслабых фотонных оптических излучений: фотоэлектронный умножитель Я9880и (Натата18иРЬо1;ошс8), операционный усилитель АВ8014 (Апа^Беуюев), дискриминатор на основе компаратора ЛБ8561 (Апа1о§Реу1сев), модуль высоковольтного питания С10 (БтсоН1§ЬУо11а§е).
Выходной сигнал с детектора сверхслабого оптического излучения представляет собой импульсы стандарта ТТЛ (логический ноль - от 0 до 0,3 В; логическая единица - от 2,5 до 3,3 В).
Характерная длительность выходных ТТЛ импульсов составляет 30-40 нс.
Низкое выходное сопротивление (~ 50 Ом) детектора оптического излучения позволяет снизить искажения и наводки при передаче сигнала к измерительному оборудованию (частотомер или модуль счёта фотонов).
Структура измерительного стенда представлена на рисунке 2. Источник питания (GPS-4303) подает на вход макетного образца ДОИ постоянное напряжения 12 вольт положительной и отрицательной полярностей. Следующие номиналы выходных токов источника, около 80 мА для положительной полярности и 20 мА для отрицательной полярности, являющиеся верными для нормального режима работы детектора. Следующим шагом была проверка наличия на выходе
макетного образца логических ТТЛ импульсов правильной формы, которая производится с помощью осциллографа Tektronix. Алгоритм проверки следующий: было выставлено входное сопротивление осциллографа на 50 Ом, схема синхронизации и запуска развертки осциллографа переведена в ждущий режим, уровень срабатывания триггера установлен на +1 В. В результате на экране осциллографа были видны сигналы прямоугольной формы с амплитудой около 3 В и длительностью 30-40 нс.
Рис.1. Общий вид детектора в корпусе.
Для непосредственного проведения испытаний детектора его выход подключался к частотомеру (Ч3-85/3), на котором заранее выставлен порог срабатывания на 1 В (рисунок 3). Выбранное время накопления импульсов составляло 10 сек. В этом случае, искомая частота следования шумовых импульсов численно будет равна измеренному значению, деленному на 10.
Частота шумовых отсчётов ФЭУ может меняться в широких пределах в зависимости от внешних условий. Следует отметить, что значение уровня темновых шумов, указанных в паспорте ФЭУ не определяет реальное количество "паразитных" импульсов. Это связано с тем, что в детекторе оптических фотонов реализована схема отсекания большей части темновых отсчётов, обусловленных термоэмиссией электронов с фотокатода и динодов, путем выставления соответствующего порога срабатывания дискриминатора.
Частота шумовых отсчётов будет определятся процессами черенковского излучения и/или генерации сцинтилляций непосредственно в стеклянной колбе ФЭУ ввиду наличия радиационного фона. На Земле существует естественный радиационный фон, преимущественно формируемый излучением рассеянными в природе радионуклидами, содержащимися в земной коре, приемном воздухе, почве, воде, растениях, в организмах животных и человека, при этом около 15% приходится на космические частица (электроны, нейтроны, мезоны и пр.). Собственный темновой шум детектора (рис.4) составил от 20 до 55 отсчётов в секунду (200 - 550 отсчётов за 10 секунд). Мы использовали модуль счёта фотонов Иашаша1ви С8855-01 для регистрации.
Рис.2.Структурная схема детектора
Рис3. Схема измерительного стенда для детектора оптических фотонов.
Результаты измерений люминесценции биокультуры
Цель эксперимента заключалась в измерении частоты следования ТТЛ импульсов на выходе детектора, находящегося в полной темноте и сравнения полученных данных с результатами измерения частоты импульсов, полученных в результате митогенетического свечения биокультуры сахаромицет. Экспериментальный стенд, включал в себя следующее оборудование: лабораторный источник питания, частотомер, осциллограф, нагревательную плиту, модуль счёта фотонов и детекторную аппаратура на основе ФЭУ.
Образец сахаромицет предварительно охладили в течении суток в холодильники до температуры -15 ° С и затем производили измерения сверхслабого оптического свечения с постепенным нагревом до +35° С. Суммарное время измерения составило 20 часов (рисунок 5).
Светимость образца сахаромицет менялась от 6000 до 2000 импульсов за 10 секунд (600200 импульсов за 1 секунду). Таким образом, величина полезного сигнала выше в 10 раз чем величина шумовых импульсов.
Рис.4.Темновой ток и шумовые отсчёты детектора
Рис.5. Слабое оптическое излучение от образца сахоромицет Ъои1агШв течении недели
Подсчёт импульсов с помощью электроники на основе микроконтроллера
Принцип работы встроенного программного обеспечения регистратора (рисунок 6) созданного с помощью языка программирования "С" в свою очередь основан на использовании таймера. Таймер предназначен для формирования временных интервалов, позволяя микропроцессорной системе работать в режиме реального времени. Таймеры представляют собой цифровые счётчики, которые подсчитывают импульсы либо от высокостабильного генератора частоты, либо от внешнего источника сигнала, в этом случае таймер называют счётчиком внешних событий. Частота генератора задает минимальный временной промежуток, который может определять таймер. Разрядность цифрового счётчика таймера определяет максимальный интервал времени, который может задать таймер.
Алгоритм передачи данных (количества импульсов, времени и температуры) состоит из следующих шагов:
1) Управляющая программа микроконтроллера производит проверку буфера FIFO.
2) Происходит проверка разрешающего флага (переменной) на передачу данных.
3) Осуществляется отправка массива данных по иЛЯТсостоящего из 10 байт.
4) Проверка длинны сообщения и контрольной суммы.
5) Вывод времени, температуры и количества импульсов в программе на ПК.
6) Приём данных от регистратора (число зарегистрированных импульсов в канале) осуществляется через последовательный интерфейс (COM-port). Функции по работе с последовательным интерфейсом (открытие, считывание, закрытие) реализованы через инструмент УВЛв среде LabVIEW (рисунок 7).
7) УКЛявляется стандартным программных интерфейсом приложения (API), осуществляющего ввод/вывод для программирования контрольно-измерительного оборудования. УКЛможет управлять многими типами приборов (GPIB, VXI, PXI, последовательная передача) вызывая соответствующие драйверы.
Рис.7. Программное обеспечение созданное в среде ЬаЬУ1Е"^ Измерение собственных темновых импульсов (от 20 до
55 за сек.) одноканального детектора на основе ФЭУ
Рис.7. Двухканальная система детектирования одиночных фотонов с блоком сбора данных на основе ПЛИС ХШпх
Метод подсчёта интенсивности импульсов при помощи ПЛИС
Микроконтроллер Миландр1986BE92QI, имеет ограничение по скорости обработки сигналов с частотой больше чем 10кГц. Одним из значительных преимуществ программируемых вентильных матриц (ПЛИС) по сравнению с микроконтроллерами является их способность эффективно обрабатывать сигналы с высокой частотой импульсов, превышающей 10 кГц. Это особенно важно в задачах где требуется быстрая и точная обработка входящих данных. Благодаря возможности настраивать вентильную матрицу ПЛИС в соответствии с конкретными требованиями, разработчики могут создавать специализированные цифровые схемы, которые максимально эффективно обрабатывают сигналы с высокой частотой. Это позволяет улучшить производительность и точность при обработке цифровых сигналов.
Рис.8. Процесс конфигурации ПЛИС в среде LabУIEW БРвА
Использование программируемых вентильных матриц (ПЛИС) имеет свои преимущества. ПЛИС спроектированы для обработки данных параллельно (рисунок 7), что позволяет эффективно решать задачи, требующие одновременной обработки большого объема информации и способны параллельно выполнять большое количество операций, что делает их идеальным выбором для высокопроизводительных приложений. ПЛИСработают с низкой задержкой, что делает их подходящими для приложений, где требуется быстрый отклик.ПЛИС потребляют больше энергии, чем микроконтроллеры, что может быть критичным в портативных устройствах или при работе от аккумуляторов.В свою очередь, микроконтроллеры отличаются относительной простотой программирования и более широкой доступностью инструментов разработки. Также микроконтроллеры обычно потребляют меньше энергии, что делает их подходящими для задач, где требуется малое энергопотребление.
Мы использовали систему на кристалле (SoC) от Xilinx ZYNQ в составе контроллера National Instruments My RIO для создания высокоскоростного двухканального регистратора импульсов с ФЭУ. Мы выполнили конфигурацию (рисунок 8) контроллера в среде LabVIEWFPGAи подключили к нему два детектора: Одноканальный детектор с ФЭУ Hamamatsuи модуль подсчёта фотонов H7155. Таким образом мы получили решение для регистрации импульсов с частотой 100 кГц с двух (или более) каналов.
Заключение
Нами разработан одноканальный детектор сверхслабого оптического излучения. Показано что используемый ФЭУ работает в одно фотоэлектронном режиме. Наличие электронной схемы селекции одноэлектронных импульсов позволяет различить фотоэлектронные импульсы и отделить их как от импульсов темнового тока, так и от оптических импульсов с большой амплитудой.
Созданный одноканальный детектор на основе ФЭУ предназначен для исследования дрожжей сахаромицет, таких как Saccharomycesboulardii, предлагая высокую чувствительность для обнаружения и подсчета отдельных фотонов в сверхслабом оптическом излучении от образцов. Созданы две электронные системы регистрации и подсчёта импульсов от детектора, включая собственное программное обеспечение для блоков регистрации импульсов.
Благодарность.
Авторы выражают признательность за финансовую поддержку Российского фонда фундаментальных исследований в рамках научного проекта № 19-29-10007.
Список литературы
1. Tilbury R.N., Quickenden T.I. // Photochemistry and Photobiology 1988. Vol. 47. № 1. P.145-150.
2. Гурвич А.А. Еремеев В.Ф. Карабчиевский Ю.А. // Доклады АН СССР. 1968. Т.178. №6. с.1432-1435.
3. Дунин Н.В., Дунин В.Б., Савинов С.А. и др. // Приборы и техника эксперимента. 2023. № 1. С. 23 - 28 DOI: 10.31857/S003281622206012X.
4. Дунин Н.В., Дунин В.Б., Савинов С.А. и др. // Приборы и техника эксперимента. 2023. № 1. С. 29 - 32 DOI: 10.31857/S0032816223030205.
5. Peryt M.J., Roslon K., Dunin Nikita et al. // Acta Physica Polonica B Proceedings Supplement. 2021. Vol. 14. P. 629. DOI: 10.5506/APhysPolBSupp.14.629.
6. Demikhov T., Kostrov E., Lysenko V. et al. // IEEE Trans. Appl. Superconductivity. 2012. Vol. 22. № 3. Article Number 9501004. DOI: 10.1109/TASC.2011.2178994
