University of Oulu

SPAD-rivisensorin ajoitusepäideaalisuuksien kompensointimenetelmiä aikaportitettuun ramanspektroskopiaan

Saved in:
Author: Talala, Tuomo1
Organizations: 1University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Electrical Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 3.2 MB)
Pages: 67
Persistent link: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201812113257
Language: Finnish
Published: Oulu : T. Talala, 2018
Publish Date: 2018-12-12
Thesis type: Master's thesis
Tutor: Nissinen, Ilkka
Reviewer: Nissinen, Ilkka
Nissinen, Jan
Description:
Työssä selvitettiin aikaportitetussa ramanspektroskopiassa käytettävän CMOS SPAD -rivisensorin ajoitusvirheiden vaikutusta mitattuun ramanspektriin ja kehitettiin menetelmiä ajoitusvirheiden määritykseen sekä spektriin ajoitusvirheistä aiheutuvien vääristymien korjaamiseen. Lisäksi selvitettiin ajoitusvirheiden korjaamisen kannalta aikaerotteiselle sensorille sopiva aikaresoluutio. Ramanspektroskopian suurimpia ongelmia on näytteiden voimakas fluoresenssi, jonka seasta ramansirontaa on vaikea havaita. Mittauksen aikaportitus on tehokas keino fluoresenssin vähentämiseksi. Mittauksen signaali-kohinasuhteen kannalta optimaalisesti asetetun aikaportin loppuhetkellä fluoresenssitaso on lähellä huippuaan. Tästä johtuen voimakkaasti fluoresoivan näytteen tapauksessa pieni poikkeama aikaportin loppuhetkessä vaikuttaa merkittävästi havaittujen fotonien määrään ja kun spektri mitataan monikanavaisella sensorilla, aikaportin loppuhetken vaihtelu kanavien välillä vääristää spektriä. Vääristymän suuruuteen vaikuttaa aikaportin loppuhetken ajallisen vaihtelun lisäksi näytteen fluoresenssitaso ja fluoresenssin aikavakio. Ajoitusvirheiden määritykseen kehitettyjä menetelmiä voidaan käyttää ramanspektrometrin ollessa normaalissa toimintatilassaan ilman erityistä karakterisointilaitteistoa. Nopean menetelmän käyttöön tarvitaan vain kalibrointinäyte, jonka fluoresenssin aikavakio on lyhyt suhteessa käytetyn laserin pulssin leveyteen. Tarkempaan ja hitaampaan menetelmään tarvitaan lisäksi tarkasti säädettävä optinen tai sähköinen viive-elementti. Ajoitusvirheistä aiheutuvaa spektrin vääristymistä voidaan kompensoida mittaustulosten jälkikäsittelyssä kompensointimenetelmien tehokkuuden riippuessa olennaisesti ajoitusvirheiden määrityksen tarkkuudesta. Tehtyjen mittausten perusteella spektrien luettavuutta voidaan parantaa kompensointimenetelmillä merkittävästi ja kompensoinnin avulla spektreistä voidaan löytää yksityiskohtia, joiden havaitseminen olisi ilman kompensointia mahdotonta. Tarkemmalla menetelmällä spektrin vääristymiä saatiin vähennettyä koko spektrin alueella yli 70% ja nopeammallakin menetelmällä yli 50%. Kehitettyjen menetelmien kannalta aikaportitettuun ramanspektroskopiaan käytettävän sensorin aikaresoluutioksi sopii nykyisten laserien ja SPAD-ilmaisinten arvoilla noin 50 ps.
see all

Distortion in Raman spectrum, caused by a timing skew of a time-resolved CMOS SPAD line sensor, was studied. Then methods for resolving the timing skew and to compensate for its effects on the Raman spectrum were developed. Suitable temporal resolution for a time-resolved sensor to be used in time-gated Raman spectroscopy was also considered. The measured Raman spectrum is masked by a strong fluorescence background in many applications. Efficient fluorescence suppression can be achieved with time gating. With a highly fluorescent sample and a time gate set to an optimal time position, fluorescence level is very high at the point where time gate closes. Because of high fluorescence level even a small variation in the time gate end point makes the number of detected photons vary significantly. Variation along the spectral points of a sensor creates distortion to the Raman spectrum. The magnitude of distortion caused by the timing skew depends on the fluorescence level and lifetime of a sample and on the size of the timing skew. Methods developed for resolving the timing skew can be used when Raman spectrometer is in a normal operating mode. Only a calibration sample with a short fluorescence lifetime and an adjustable delay line (optical or electrical) is needed. Distortion in the Raman spectrum caused by the timing skew can be reduced noticeably with post processing, the efficiency of which depends on the precision of a timing skew measurement. Two post processing methods were used and according to measurement results, the quality of measured Raman spectrum can be improved significantly with the post processing methods presented. With a more precise method distortion could be decreased by more than 70% and with a quick method by more than 50%. Considering the developed methods and the lasers and SPAD detectors available at the time, suitable temporal resolution for a sensor to be used in time-gated Raman spectroscopy is about 50 ps.
see all

Subjects:
Copyright information: © Tuomo Talala, 2018. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.