Б.Санджинетти, Ф.Ричоу, С.Нонель, Дж. Босо, ID Quantique, Женева
Описана процедура детектирования флуоресценции синглетного кислорода с помощью детектора, изготовленного компанией ID Quantique (IDQ). Показано, как благодаря совместному действию детектора ID230 и логического элемента ID800, преобразовывающего время в цифровой код, удается повысить чувствительность детектирования.
Дозиметрические измерения синглетного кислорода при помощи детектирования его люминесценции на длине волны 1270 нм представляют довольно сложную задачу. Во-первых, этот процесс имеет крайне низкую эффективность и, следовательно, интенсивность светового излучения очень слабая. Для подобных задач традиционно использовали фотоумножители (ФЭУ). Однако, эти устройства имеют низкую эффективность и высокий уровень шума, они чувствительны к фоновой засветке и не работают с оптоволокном, что ограничивает их применение в некоторых конструкциях. В последнее время созданы сверхпроводящие нанопроводные детекторы, в которых достигнут достаточно низкий уровень шума при непосредственном обнаружении люминесценции синглетного кислорода. Но и они имеют свои недостатки, заключающиеся в необходимости предварительного криогенного охлаждения и обладанием, к сожалению, небольшой активной площадью размером около 100 мкм 2 (одномодовое оптоволокно). С другой стороны, созданный датчик ID230 обеспечивает такой же низкий уровень шума, имеет КПД почти 30%, не требует криогенного охлаждения и работает с многомодовым оптоволокном, поэтому площадь участка регистрации фотоноы 10000 мкм 2. То есть принимаемый сигнал оказывается в 100 раз сильнее, чем в случае использования нанопроводов в качестве детектороа синглетного кислорода.
Синглетный кислород
Синглетный кислород представляет собой высоко активные формы кислорода (рис.1) и играет важную роль в исследованиях, проводимых в области физики, химии, биологии, науках об атмосфере, в медицине, в частности в фотодинамической терапии. Методы фотодинамической терапии опираются на фотоактивацию светочувствительных лекарственных средств для селективного лечения некоторых типов патологии, связанных с опухолями, кожными и сосудистыми заболеваниями и бактериальными инфекциями [1]. Прямое обнаружение синглетного кислорода осуществляется при помощи его фосфоресценции. Хотя такое излучение является весьма слабым, этому способу обнаружения синглетного кислорода отдается предпочтение, поскольку результат предоставляется мгновенно и данные не зависят от присутствия иных артефактов.
Рис.1. Схема молекулярных орбиталей или три электронные конфигурации молекулярного кислорода, O2. Слева направо: возбужденное состояние синглетного кислорода a 1Δg, возбужденное состояние синглетного кислорода b 1Σg+, триплетное основное состояние X3Σg-. Молекулярная орбиталь 1s опущена для простоты. Обратите внимание, что состояния отличаются только спином и размещением двух вырожденных антисвязывающих πg-орбиталей кислорода. Источник: Википедия/Анджело Фрай
Детектор ID230
До недавнего времени однофотонные лавинные фотодиоды в ближнем ИК-диапазоне имели уровень шума величиной нескольких тысяч импульсов в секунду (имп/с) для детекторов с одномодовым (9 мкм) оптоволокном. Для устройств с оптоволокном, имеющим сердцевину большого диаметра, шум достигал еще большей величины. Детектор ID230 – это настоящий прорыв в технологии изготовления детекторов, благодаря тому, что уровень шума в нем снижен до величин, меньших 20 имп/с (вариант конструкции датчика с оптоволокном, диаметр сердцевины которого не превышает 100 мкм) [2]. Оптоволоконные детекторы достаточно практичны по нескольким причинам: они позволяют устранить шум при наличии точно определенной входной угловой апертуры и известного положения и обеспечивают превосходную гибкость при установке в экспериментальной системе. Оптическое волокно может также эффективно собирать излучение даже, будучи помещенным внутри исследуемого образца.
Флуоресценция синглетного кислорода часто обнаруживается после возбуждения образца сильным лазерным импульсом, который может "ослепить" детектор на несколько микросекунд. Для того, чтобы предотвратить "ослепление" из-за действия импульса возбуждения, можно модифицировать детектор ID230 для приема сигнала, дополнив его логическим элементом. Этот элемент гарантирует, что детектор будет выключен в момент действия импульса возбуждения и, наоборот, – будет быстро включен (через несколько сотен наносекунд) после импульса возбуждения. Такая дополнительная модификация (рис.2) датчика может быть выполнена по запросу заказчика.
Рис.2. Детектор ID230 соединяется с одномодовым или многомодовым оптоволокном с помощью FC/PC - разъема
Детекторы ID220 и ID210
Для экспериментов, проведение которых не требует использования детектора с крайне низким шумом, который обеспечивает датчик ID230, компания IDQ выпускает два типа других детекторов. Это детектор ID220, который похож на ID230, однако, обладает уровнем шума 1000 имп/с (он подходит для компаний-изготовителей комплексного оборудования), и детектор ID210, который также имеет более высокий уровень шума, но способен очень быстро откликаться на импульсное управление (время нарастания по логическому элементу
Сравнение детекторов производства компании "ID Quantique" с ФЭУ
Часто для измерений синглетного кислорода используются ФЭУ. Отметим, что они имеют большой диаметр активной площади и низкую квантовую эффективность порядка 2%, а также высокий уровень шума (темновая скорость счета). Детекторы производства компании "ID Quantique" обладают соединением с входным волокном 65 мкм, более высокой эффективностью и более низким уровнем шума. В таблице ниже приведены различия между типами детекторов.
Сравнение параметров детекторов
Преимущества детекторов с оптоволоконным соединением
В эксперименте шум определяется не только исключительно собственными шумами детектора, в суммарный шум вносят дополнения флуктуации внешней среды. Для их исключения с целью получения высокочувствительных экспериментальных результатов детектор должен быть изолирован от шумов окружающей среды. Детекторы с большой активной площадью, такие как ФЭУ, будут чувствительны к окружающему фоновому освещению, нежелательной флуоресценции от оптических элементов и деталей системы, которые не вовлечены в исследование.
С другой стороны, детектор с оптоволоконным соединением имеет небольшую активную площадь (сердцевина оптоволокна), а также точно определенную числовую апертуру. В таком случае, можно использовать объектив для проекции (фокусировки) только части исследуемой системы на оптоволокно, ограничивая большую часть окружающего шума и сомнительной флуоресценции. Этот факт, наряду с чрезвычайно низкой темновой скоростью счета и высокой эффективностью обнаружения, позволяет осуществлять эксперименты с чувствительностью на несколько порядков выше, чем это было возможно в более ранних экспериментах.
Соединение с многомодовым оптоволокном
Попадание флуоресцентного излучения синглетного кислорода в оптоволокно осуществляется путем проецирования "объекта", то есть объема образца, освещаемого возбуждающим лазерным импульсом, на сердечник оптоволокна. Такая проекция может быть осуществлена с помощью двух линз (рис.3). Первая линза – коллиматор. Параллельный световой пучок, прошедший сквозь него, проходит далее сквозь несколько оптических элементов в виде фильтров, которые при необходимости могут быть размещены вдоль траектории луча.
Рис.3. Проецирование объекта на сердцевину оптоволокна. Могут быть выбраны коллимирующая и фокусирующая линзы с различными фокусными расстояниями.
Вторая линза предназначена для фокусировки излучения в рабочую плоскость сечения сердцевины оптоволокна. Если объект (освещаемый объем) меньше или больше объема сердцевины оптоволокна (62,5 мкм), площадь сечения пучка, попадающего на рабочую площадку оптоволокна, может быть увеличена или уменьшена подбором фокусных расстояний коллимирующей и фокусирующей линз. Например, если объект имеет диаметр 30 мкм, можно использовать коллимирующую линзу с фокусным расстоянием, равным половине фокусного расстояния фокусирующей линзы. То есть, имеем коллимирующую линзу с фокусным расстоянием fc = 40 мм, тогда фокусное расстояние фокусирующей линзы ff = 80 мм. Диаметр линзы выбирается таким образом, чтобы использовать полную числовую апертуру оптоволокна (NAF = 0,275).
Радиус фокусирующей линзы Rf должен удовлетворять условию: Rf > ff · NA. Откуда получаем: Rf > 80·0,275 = 22 [мм]. Если в схеме эксперимента объект исследования нужно разместить ближе к датчику, то используют линзы меньшего размера (Rf) с более короткими фокусными расстояниями (ff).
Для регулировки и проверки эксперимента лазер может быть подсоединен к оптоволокну вместо детектора, так что его излучение может быть распространено обратным образом вдоль оптоволокна и сфокусировано на образце. Такое действовать гарантирует качественную и простую регулировку.
Эксперимент
Типичная экспериментальная схема для процедуры регистрации синглетного кислорода изображена на рис.4. Импульсный зеленый лазер освещает образец, который вырабатывает синглетный кислород. Флуоресценция от исследуемого образца с помощью дихроичного зеркала (дихроичное зеркала отражает излучения только определенной длины волны) фильтруется для того, чтобы отвести нежелательное свечение. Флуоресцентные фотоны фокусируются на сердцевину оптоволокна и регистрируются с помощью детектора ID230.
Рис.4. Типичная экспериментальная процедура. Лазер с импульсным возбуждением освещает образец. Флюоресценция от данного образца собирается с помощью дихроического зеркала и фильтруется для того, чтобы отклонить нежелательные длины волн. Затем освещение фокусируется на оптоволокне и распознается детектором ID230.
Задержка между освещением от импульсного лазерного излучателя и обнаружением фотонов измеряется при помощи преобразователя "время – цифровой код" ID800 и передается на компьютер для формирования гистограммы (рис.5). Подробную информацию в отношении данного эксперимента можно найти в работе [3].
Рис.5. Повышение флюоресценции и распад синглетного кислорода. Первоначальный всплеск обусловлен быстро распадающимися элементами
Литература
- Zuluaga M.F., Gabriel D., Lange N. Enhanced prostate cancer targeting by modified protease sensitive photosensitizer prodrugs. – Mol. Pharm., 2012, v.9 (6), p.1570—1579.
- Korzh B., Lunghi T., Kuzmenko K., Boso G., Zbinden H. Afterpulsing studies of lownoise InGaAs/InP single-photon negativefeedback avalanche diodes. – J. Mod. Opt., 2015, v. 62 (14), p.1151—1157.
- Boso G., Ke D., Korzh B., Bouilloux J., Lange N., Zbinden H. Time-resolved singletoxygen luminescence detection with an efficient and practical semiconductor singlephoton detector. – Biomedical optics express 224/DOI:10.1364/BOE.7.000211.
- VK567
