Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM) hat sich zu einem wichtigen Instrument in der biologischen Forschung und der medizinischen Diagnostik entwickelt. Sie bietet quantitative Einblicke in molekulare Prozesse in lebenden Organismen und wird unter anderem bei der Krebszellenanalyse eingesetzt. Unter den verschiedenen FLIM-Ansätzen bietet die zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung (Time-Correlated Single Photon Counting, TCSPC) ein unübertroffenes Signal-Rausch-Verhältnis und maximalen Informationsgehalt.
In diesem Projekt entwickelten wir ein schnelles Photonenzählmodul, das FLIM mit bisher unerreichter Geschwindigkeit und Genauigkeit realisiert. Erstmals kann ein Bild im Subsekundenbereich erstellt werden, was einer Beschleunigung um das Zehnfache bei vergleichbarer Qualität im Vergleich zu bisherigen Verfahren entspricht. Ermöglicht wird dies durch Verwendung eines aktuellen FPGAs mit integrierten schnellen ADCs. Die Rechenleistung des FPGAs erlaubt es, die hohe Datenmenge so effizient zu verarbeitet, dass ein Vorschaubild der Messresultate live angezeigt werden kann.
Ein Problem bei schnellem TCSPC ist, dass nicht alle Photonen bei hohen Lichtintensitäten erfasst werden können, weil sich die elektrischen Puls-signale des Photonendetektors überlagern (Pile-up Effekt). Dieser Effekt führt zu Verzerrungen in der statistischen Auswertung und somit zu Messfehlern. Dank der erfolgreichen Zusammenarbeit zwischen dem IMES, Universität Zürich und dem Industriepartner Prospective Instruments GmbH konnte ein Algorithmus entwickelt werden, der erstmals den Pile-up Effekt vollständig korrigiert. Die volle Funktionalität konnte mit einem Prototypen verifiziert werden und der entwickelte Algorithmus wird patentiert.