PHOTON-TIMING DETECTOR MODULE PHOTON-TIMING DETECTOR MODULE FOR SINGLE-MOLECULE SPECTROSCOPYFOR SINGLE-MOLECULE SPECTROSCOPY

POLITECNICO DI MILANO

I.Rech*, M. Ghioni*, S. Cova*, H. Yang°, G. Luo°, X.S. Xie°

* Dip. di Elettronica e Informazione and IFN-CNR, POLITECNICO DI MILANO° Dep. of Chemistry and Chemical Biology, HARVARD UNIVERSITY

Ivan Rech

Photon-timing Detector Module For Single-molecule SpectroscopyPhoton-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy

Sommario :Sommario :

• Introduzione : perché misure su singole molecoleIntroduzione : perché misure su singole molecole

• Misure di fluorescenza “time-resolved”Misure di fluorescenza “time-resolved”

• Single Photon Avalanche Diode (SPAD)Single Photon Avalanche Diode (SPAD)

• Modulo SPTM2Modulo SPTM2

• Risultati sperimentaliRisultati sperimentali

Ivan Rech

Photon-timing Detector Module For Single-molecule SpectroscopyPhoton-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy

Perché misure su singole molecole?Perché misure su singole molecole?

1.1. Misure di proprietà di molecole Misure di proprietà di molecole NON MEDIATE SU INSIEMENON MEDIATE SU INSIEME

2.2. Possibilità di seguire Possibilità di seguire in tempo realein tempo reale l’evoluzione l’evoluzione

3.3. Informazioni sulla Informazioni sulla dinamicadinamica della molecola della molecola

Molecole di interesse biologico : ProteineMolecole di interesse biologico : Proteine

FRET : Fluorescence Resonance Energy Trasnfer

Variazioni di struttura nanometriche

Ivan Rech

Photon-timing Detector Module For Single-molecule SpectroscopyPhoton-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy

Single Molecule Structural DynamicsSingle Molecule Structural Dynamics

Ivan Rech

Photon-timing Detector Module For Single-molecule SpectroscopyPhoton-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy

Nuovo metodo di X.S. Xie, Nuovo metodo di X.S. Xie, Harvard UniversityHarvard University

- Basato su eccitazione con impulsi laser- Basato su eccitazione con impulsi laser

- Rivelazione fotoni fluorescenti e misure di:- Rivelazione fotoni fluorescenti e misure di:

t1 t2 t3

photon

Excitation pulse train

• Ritardo emissione risp. eccitazione• Tempo reale di emissione• Analisi per correlazione

Ivan Rech

Photon-timing Detector Module For Single-molecule SpectroscopyPhoton-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy

Setup di MisuraSetup di Misura

??

Ivan Rech

Photon-timing Detector Module For Single-molecule SpectroscopyPhoton-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy

Requisiti del RivelatoreRequisiti del Rivelatore

• Alta QE (Quantum detection Efficiency) > Alta QE (Quantum detection Efficiency) > 40%40%

• Basso rumore intrinsecoBasso rumore intrinseco < < 50c/s50c/s

• Alta Risoluzione Temporale (FWHM)Alta Risoluzione Temporale (FWHM) < < 100ps100ps

NON ESISTONO NON ESISTONO RIVELATORI COMMERCIALI RIVELATORI COMMERCIALI

CON QUESTE CARATTERISTICHECON QUESTE CARATTERISTICHE

Single Photon Avalanche DiodeSingle Photon Avalanche Diode(SPAD)(SPAD)

Ivan Rech

Photon-timing Detector Module For Single-molecule SpectroscopyPhoton-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy

PerkinElmer SPCM (SLIKPerkinElmer SPCM (SLIKTM TM diode)diode)

Reach-Trough structure

Typical active region:

200 m diameter

•QE: 30% (@500nm) OK

•Dark Counts: 150 c/s OK

•FWHM: >300ps NO!

• High voltage : 300 to 400V

• High dissipation

• Delicate and degradable

• Very expensive

Ivan Rech

Photon-timing Detector Module For Single-molecule SpectroscopyPhoton-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy

Sviluppo SPAD (Polimi e IMM-CNR)Sviluppo SPAD (Polimi e IMM-CNR)

Planar structure

typical active region:

20-50 m diameter

• Good QE and low noise

• Picosecond timing

• Low voltage : 15 to 40V

• Low power : cooling not necessary

• Standard Si substrate

• Planar fabrication process

• COMPATIBLE with array detector and integrated circuits

• Robust and rugged

• Low-cost

Ivan Rech

Photon-timing Detector Module For Single-molecule SpectroscopyPhoton-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy

Quantum Efficiency e Dark Counting RateQuantum Efficiency e Dark Counting Rate

Modulo SPTM2Modulo SPTM2

Ivan Rech

Photon-timing Detector Module For Single-molecule SpectroscopyPhoton-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy

Modulo SPTM2Modulo SPTM2

Sfruttare le PerformanceSfruttare le Performancedel Rivelatoredel Rivelatore

SistemaSistemaCompatto e User FriendlyCompatto e User Friendly

• Compatto (82x60x30mm)

• Singola alimentazione

• Tensioni programmabili

• Hold off programmabile

• Interfaccia RS-232

• Controllo di Temperatura

• Pulse Counter integrato

Ivan Rech

Photon-timing Detector Module For Single-molecule SpectroscopyPhoton-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy

Avalanche PhotoDiode

APD

Linear-mode: AMPLIFICATORE

Single-Photon Avalanche Diode

SPAD

APD SPAD

Geiger-mode: TRIGGER device!!

Ivan Rech

Photon-timing Detector Module For Single-molecule SpectroscopyPhoton-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy

F.Zappa, S.Cova, M.Ghioni, US patent

iAQC: integrated Active Quenching CircuitiAQC: integrated Active Quenching Circuit

iAQC, oltre la miniaturizzazione…

• Capacità ridotte

• Carica di valanga ridotta

• Afterpulsing ridotto

Active Quenching Circuit

• Tempo morto corto e ben definito

• High counting rate > 1 Mc/s

• Impulso Standard d’uscita

Ivan Rech

Photon-timing Detector Module For Single-molecule SpectroscopyPhoton-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy

Modulo SPTM2: Diagramma a BlocchiModulo SPTM2: Diagramma a Blocchi

Ivan Rech

Photon-timing Detector Module For Single-molecule SpectroscopyPhoton-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy

Planar thin Si-SPADPerkinElmer SPCM (SLIKTM diode)

Risoluzione TemporaleRisoluzione Temporale

Ivan Rech

Photon-timing Detector Module For Single-molecule SpectroscopyPhoton-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy

Risoluzione Temporale @500nmRisoluzione Temporale @500nm

Ivan Rech

Photon-timing Detector Module For Single-molecule SpectroscopyPhoton-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy

Modulo SPTM2Modulo SPTM2

Risultati SperimentaliRisultati Sperimentali

Ivan Rech

Photon-timing Detector Module For Single-molecule SpectroscopyPhoton-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy

Misure su Singola MolecolaMisure su Singola Molecola

Ivan Rech

Photon-timing Detector Module For Single-molecule SpectroscopyPhoton-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy

“Single-Molecule Protein Dynamics on Multiple Time Scales Probed by Electron Transfer” Haw Yang*, Guobin Luo*, Pallop Karnchanaphanurach*, Tai-Man Louie‡, Ivan Rech°, Sergio Cova°, Luying Xun‡ and X. Sunney Xie** Department of Chemistry and Chemical Biology, Harvard University, Cambridge, MA 02138. ‡ School of Molecular Biosciences, Washington State University, Pullman, WA 99164. ° Dipartimento di Elettronica e Informazione, Politecnico di Milano

Science, Vol.302, 262-266, 10 Oct. 2003.

“Photon-Timing Detector Module for Single-Molecule Spectroscopy with 60ps Resolution” Ivan Rech, Guobin Luo*, Masimo Ghioni, Sergio Cova, Haw Yang*, X. Sunney Xie*Dipartimento di Elettronica e Informazione, Politecnico di Milano *Department of Chemistry and Chemical Biology, Harvard University, Cambridge, MA

IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, in press, 2004