与使用TAC/ADC原理的SPC-130、-150、-160和-180 TCSPC模块不同,SPC-QC系列使用直接时间数字(TDC)转换,下图说明了这两种转换方式的原理。

TAC/ADCTDC的原理

TAC/ADC原理如左图所示:它使用起始脉冲(通常是光子通道)和停止脉冲(通常是来自激光的参考脉冲)之间的线性电压斜坡定时,电压差值转换为数字信号,该信号表示激光脉冲序列中光子的时间。

TDC原理如右图所示:来自探测器的光子脉冲和来自激光的参考脉冲分别被送入延迟单元链。时序逻辑查看延迟链中的数据,识别光子和激光脉冲的启动-停止对,并以这种方式确定光子在激光脉冲序列中的时间位置。从这些数据中,建立起TCSPC/FLIM的光子分布。

TDC原理的优点是,定时电子可以在FPGA(现场可编程门阵列)中实现,因此,可以在一个TCSPC板上实现多个记录通道。TDC优于TAC的另一个特点是,TDC原理可以达到极高的计数率,甚至每个激光脉冲可能检测到几个光子。在实践中,计数率受到堆叠、探测器-鉴别器组合中的死时间、高计数率下探测器定时性能的下降,当然,还受到样品提供计数率的能力的限制。

缺点是,时间分辨率远低于TAC/ADC原理。下图,SPC-180NXX和SPC-QC-104的电子IRF进行了比较。SPC-180NXX(左)的IRF宽度为2.8 ps FWHM,SPC-QC-104(右)的IRF宽度为39 ps FWHM。虽然39 ps FWHM对TDC来说还算不错,但SPC-QC-104没有利用超快探测器的全时分辨率,如SSPD、MCP-PMT和超快混合型PMT探测器。

SPC系列和SPC-QC系列电子时间分辨率对比

另一个关键差异是定时稳定性,多年来,定时稳定性一直是TDC的一个问题。在SPC-QC-104中,稳定性问题在很大程度上已被新的TDC逻辑结构所克服。下图显示了SPC-180 NXX和SPC-QC-104的定时稳定性的比较:对于SPC-180 NXX,IRF第一矩的稳定性优于0.4 ps RMS,对于SPC-QC-104,它优于5 ps RMS(注意不同的时间尺度)。虽然SPC-QC没有达到SPC-180NXX的稳定性,但可能的定时漂移仍然远低于IRF宽度,因此在实际应用中很少是一个问题。

SPC系列和SPC-QC系列定时稳定性比较

结论

SPC-QC-104是基于TDC的TCSPC FLIM模块,它有三个并行的TCSPC/FLIM通道和一个通用参考通道。或者,这些模块可以作为四个并联的绝对光子定时通道进行操作。该模块具有高峰值计数率和相当快的时间分辨率。SPC-QC-104的电子IRF宽度<39 ps FWHM,内部定时抖动<19 ps RMS,定时稳定性为5 ps RMS,可用于大部分荧光衰减和FLIM应用。SPC-QC-104在需要多个并行检测通道的应用中特别有优势,SPC-150或-180模块的多模块系统似乎过于笨重或耗电。缺点是,SPC-QC-104没有利用超快单光子探测器的全时分辨率,如SSPD、MCP-PMT或混合型PMT。在具有此类探测器的应用中,应使用bh SPC系列,最好使用SPC-180NX或SPC-180NXX。