Development of single-channel FPGA-based correlators for fluorescence correlation spectroscopy

In order to investigate the binding interactions or the diffusion of bio-molecules in-vitro and in-vivo that are labeled using fluorescence, fluorescence correlation spectroscopy (FCS) is well developed and widely utilized. By taking advantage of a confocal microscope, the FCS is able to detect the changes in fluorescence intensity that stems from changes in the number of molecules that disseminate through an insignificant volume of observation. Not only physical but also photo-chemical information in regard to the diffused molecules can be revealed by the autocorrelation function (ACF) of the fluorescence intensity fluctuations. In order to keep track of the fluorescence fluctuations, nanomolar concentrations accompanied by typical acquisition times on the order of a couple of seconds to a couple of minutes is a prerequisite to the performance of FCS measurements. The designing of a single-channel FPGA based correlator involves the utilization of the multi-tau algorithm. An important feature of the abovementioned correlator is a maximum lag time 10ms with a minimum time bin of 10ns. The length of its lag time range can be as long as 1s on the Xilinx Spartan-6 SP605 Evaluation Kit. The proper real time display relies on the division of the correlator that has such long lag time into two parts. First, in order to verify the design, the generation of signal inputs by a FPGA based simulator gives correlated exponentially distributed pulses. Second, in order to further connect communication between the computer and FPGA, UART is introduced. National Instruments is the company that develops LabVIEW, which provides design platform and development environment for visual programming language. It also serves as interface to analyze data from the FPGA based off on the normalized autocorrelation function. Block diagram is the programming environment for the process. The diagram of correlation results vs. lag time is demonstrated in the front panel.

Al fine di studiare le interazioni di legame o la diffusione di bio-molecole in-vitro e in-vivo che sono marcate mediante fluorescenza, la spettroscopia di correlazione di fluorescenza (FCS) è ben sviluppata e ampiamente utilizzata. Sfruttando i vantaggi di un microscopio confocale, la FCS è capace di rilevare cambiamenti nell’intensità della fluorescenza che derivano da cambiamenti nel numero di molecole che si diffondo attraverso un volume insignificante di osservazione. Non solo le informazioni fisiche ma anche fotochimiche relative alle molecole diffuse possono essere rivelate dalla funzione di autocorrelazione (ACF) delle fluttuazioni di intensità della fluorescenza. Al fine di tenere traccia delle fluttuazioni della fluorescenza, le concentrazioni nanomolari, accompagnate da tempi di acquisizione tipici dell'ordine di un paio di secondi a un paio di minuti, sono un prerequisito per le prestazioni delle misurazioni FCS. La progettazione di un correlatore a singolo canale FPGA comporta l'utilizzo dell'algoritmo multi-tau. Una caratteristica importante del correlatore sopra menzionato è un tempo di ritardo massimo di 10 ms con un intervallo temporale minimo di 10ns. La lunghezza dell'intervallo temporale di ritardo può essere pari a 1 secondo sul Kit di Valutazione Xilinx Spartan-6 SP605. La corretta visualizzazione in tempo reale si basa sulla divisione del correlatore che ha un tempo di latenza così lungo in due parti. Innanzitutto, per verificare la progettazione, la generazione di ingressi di segnale da parte di un simulatore basato su FPGA fornisce impulsi distribuiti esponenzialmente correlati. In secondo luogo, al fine di connettere ulteriormente la comunicazione tra il computer e l'FPGA, viene introdotta la UART. National Instruments è la società che sviluppa LabVIEW, piattaforma di progettazione e ambiente di sviluppo per il linguaggio di programmazione visuale. Funziona anche come interfaccia per analizzare i dati dal FPGA basato sulla funzione di autocorrelazione normalizzata. Il diagramma a blocchi è l'ambiente di programmazione per il processo. Il diagramma dei risultati di correlazione rispetto al tempo di ritardo è mostrato nel pannello frontale.