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PHOTON-TIMING DETECTOR MODULE FOR SINGLE-MOLECULE SPECTROSCOPY POLITECNICO DI MILANO I.Rech*, M. Ghioni*, S. Cova*, H. Yang°, G. Luo °, X.S. Xie° * Dip.

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1 PHOTON-TIMING DETECTOR MODULE FOR 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

2 Ivan Rech Photon-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy Sommario : Introduzione : perché misure su singole molecole Introduzione : 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 SPTM2 Modulo SPTM2 Risultati sperimentali Risultati sperimentali

3 Ivan Rech Photon-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy Perché misure su singole molecole? 1.Misure di proprietà di molecole NON MEDIATE SU INSIEME 2.Possibilità di seguire in tempo reale levoluzione 3.Informazioni sulla dinamica della molecola Molecole di interesse biologico : Proteine FRET : Fluorescence Resonance Energy Trasnfer Variazioni di struttura nanometriche

4 Ivan Rech Photon-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy Single Molecule Structural Dynamics

5 Ivan Rech Photon-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy Nuovo metodo di X.S. Xie, Harvard University - Basato su eccitazione con impulsi laser - Rivelazione fotoni fluorescenti e misure di: t1 t2 t3 photon Excitation pulse train Ritardo emissione risp. eccitazione Tempo reale di emissione Analisi per correlazione

6 Ivan Rech Photon-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy Setup di Misura ?

7 Ivan Rech Photon-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy Requisiti del Rivelatore Alta QE (Quantum detection Efficiency) > 40% Alta QE (Quantum detection Efficiency) > 40% Basso rumore intrinseco < 50c/s Basso rumore intrinseco < 50c/s Alta Risoluzione Temporale (FWHM) < 100ps Alta Risoluzione Temporale (FWHM) < 100ps NON ESISTONO RIVELATORI COMMERCIALI CON QUESTE CARATTERISTICHE

8 Single Photon Avalanche Diode (SPAD)

9 Ivan Rech Photon-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy PerkinElmer SPCM (SLIK TM diode) Reach-Trough structure Typical active region: 200 m diameter QE: 30% OK Dark Counts: 150 c/s OK FWHM: >300ps NO! High voltage : 300 to 400V High dissipation Delicate and degradable Very expensive

10 Ivan Rech Photon-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy Sviluppo SPAD (Polimi e IMM-CNR) Planar structure typical active region: 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

11 Ivan Rech Photon-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy Quantum Efficiency e Dark Counting Rate

12 Modulo SPTM2

13 Ivan Rech Photon-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy Modulo SPTM2 Sfruttare le Performance del Rivelatore Sistema Compatto e User Friendly Compatto (82x60x30mm) Singola alimentazione Tensioni programmabili Hold off programmabile Interfaccia RS-232 Controllo di Temperatura Pulse Counter integrato

14 Ivan Rech Photon-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy Avalanche PhotoDiode APD Linear-mode: AMPLIFICATORE Single-Photon Avalanche Diode SPAD APD SPAD Geiger-mode: TRIGGER device!!

15 Ivan Rech Photon-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy F.Zappa, S.Cova, M.Ghioni, US patent iAQC: 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 duscita

16 Ivan Rech Photon-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy Modulo SPTM2: Diagramma a Blocchi

17 Ivan Rech Photon-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy Planar thin Si-SPADPerkinElmer SPCM (SLIK TM diode) Risoluzione Temporale

18 Ivan Rech Photon-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy Risoluzione

19 Ivan Rech Photon-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy Modulo SPTM2

20 Risultati Sperimentali

21 Ivan Rech Photon-timing Detector Module For Single-molecule Spectroscopy Misure su Singola Molecola

22 Ivan Rech Photon-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 School of Molecular Biosciences, Washington State University, Pullman, WA ° Dipartimento di Elettronica e Informazione, Politecnico di Milano Science, Vol.302, , 10 Oct 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


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