دستیابی به اندازه گیری های برتر رامان: درک و جلوگیری از اشباع ردیاب

یکی از مزایای اصلی فن آوری طیف سنج های رامان گردباد نسبت به آنالایزر معمولی رامان ، بهره وری نوری به طور قابل توجهی بالاتر است که توسط پلت فرم HTVS ما ارائه می شود (که در این پست وبلاگ قبلی شرح داده شده است). با استفاده از فوتون های 10 برابر تا 30 برابر بیشتر در ثانیه ، سیستم های گردباد داده های طیفی برتر را برای دقت و حساسیت بهتر برای اندازه گیری PAT فراهم می کنند ، همانطور که قبلاً بحث کرده ایم. با این حال ، این سیل واقعی فوتون ها می تواند گاهی اوقات آشکارساز نور را در طیف سنج Toado Raman ("یک دستگاه همراه با بار" یا CCD) بیش از حد بارگذاری یا اشباع کند ، و از اندازه گیری شدت قابل اعتماد برخی از مناطق از دامنه طیفی جلوگیری می کند. در موارد شدید ، الکترونهای تولید شده توسط فوتون می توانند در مناطق مجاور در سطح عکسبرداری CCD در پدیده ای که به عنوان شکوفه شناخته می شود ، ریخته شود. خوشبختانه ، اجتناب از اشباع و شکوفه ردیاب ساده است ... اگر می دانید چه چیزی را باید مراقب باشید. این پست وبلاگ مقدمه ای برای این مفاهیم ارائه می دهد و راهنمایی هایی را برای کاربران رامان ارائه می دهد که می خواهند بهترین کیفیت اندازه گیری را از داده های طیف سنجی خود بدست آورند.

اشباع و شکوفه پدیده هایی هستند که در تمام سنسورهای دوربین دیجیتال ، هم سنسورهای CCDS و هم CMOS رخ می دهند و هم ویژگی های تصویربرداری کمی و کیفی آنها را تحت تأثیر قرار می دهند. اگر هر پیکسل جداگانه را می توان به عنوان یک سطل یا "چاه" تصور کرد که می تواند الکترون ها را جمع کند ، پس اشباع به شرایطی اشاره می کند که چاه کاملاً پر می شود. سالهاست که سنسورهای تصویر CCD و دوربین ها مزایایی در کیفیت داده ها مانند دامنه دینامیکی بیشتر ، عملکرد نویز بهتر و یکنواختی بهتر ارائه می دهند ، اما فناوری سنسور CMOS برای اکثر برنامه های تصویربرداری شیوع بیشتری پیدا کرده است. با این حال ، دوربین های CCD هنوز هم برای خواستارترین کاربرد رامان بهتر هستند - کسانی که به بالاترین دقت و دقت نیاز دارند ، جایی که حساسیت در نور کم بسیار مهم است - بنابراین ما برای آن نوع دستگاه های سنسور روی اشباع و شکوفه تمرکز خواهیم کرد.

طیف سنجهای نوری گردباد از CCD برای تبدیل فوتون ها (ذرات سبک) به الکترونها استفاده می کنند ، که توسط یک مدار مبدل ویژه در الکترونیک دوربین دیجیتالی می شوند. در اصل ، تعداد الکترونهای جمع شده در هر پیکسل CCD به یک عدد 16 بیتی (مقادیر 0 تا 65. 535) به طور خطی متناسب با شدت طیفی رامان در یک نقطه در محدوده طیفی تبدیل می شود. هزاران مقدار شدت در چند میلی ثانیه اندازه گیری می شود ، به رایانه کنترل منتقل می شود و سپس به عنوان یک طیف نوری در امتداد دامنه موج ساز از ابزار ترسیم می شود. از سنسورهای مشابه در دوربین های تلفن همراه ، تجهیزات عکاسی دیجیتال با سطح بالاتر و تلسکوپ های دیجیتال برای ایجاد تصاویر به جای طیف استفاده می شود ، اما این مفهوم یکسان است-اندازه گیری شدت نور در مکان های مختلف در سطح سنسور.

برای به دست آوردن بهترین طیف یا تصویر ممکن ، با به حداکثر رساندن فوتون های ضربه به CCD ، بیشترین سیگنال را بدست می آورید. این هدف را می توان با افزایش زمان قرار گرفتن در معرض و جمع آوری فوتون های بیشتر در هر پیکسل انجام داد. با این حال ، اگر تعداد فوتون ها از ظرفیت چاه پیکسل فراتر رود ، پاسخ الکترونیکی اندازه گیری شده غیرخطی می شود و طیف یا تصویر در آن مکان اشباع می شود. در اصل ، هر پیکسل دارای سطح بار اشباع است که در صورت دستیابی ، بار اضافی تولید شده توسط عکس را به نزدیکترین چاههای مجاور در منطقه تصویر سرریز می کند. این اثر معمولاً به عنوان "شکوفه" یا "اشباع اشباع" گفته می شود ، و معماری ردیاب CCD باعث می شود که این شکوفه در درجه اول در همان ستون پیکسل اشباع (به صورت عمودی) رخ دهد.

یک پدیده مشابه را می توان هنگام تلاش برای گرفتن عکس از خورشید بدون فیلتر مناسب مشاهده کرد - شکل 1 نشان دهنده شکوفه روی خود خورشید است. در نتیجه ، فوتون های موجود در ناحیه تصویر خورشید چاه های موجود در آن منطقه را سرریز می کنند و به صورت عمودی از طریق چاه های CCD منتقل می شوند و باعث ایجاد خط روشن در تصویر می شوند.

شکل 1: تصویر اشباع نشده از خورشید

همین پدیده هنگام اشباع کردن یک آشکارساز CCD در یک طیف سنج نوری رخ می دهد. هنگامی که قرار گرفتن در معرض برای سطح بار اشباع آشکارساز خیلی زیاد است ، آن ناحیه از طیف اشباع می شود و شکوفه ها را می توان در تصویر طیفی مشاهده کرد.

شکل 2 طیف ایالات متحده از یک آنالیت ساده ، کافئین ، در سه سطح مختلف اشباع را نشان می دهد. سطح اشباع عبارتند از: 95 ٪ اشباع ، دو برابر سطح اشباع و چهار برابر اشباع. منطقه موج موج پایین طیف در هر یک از این سطوح به طور قابل توجهی متفاوت به نظر می رسد.

شکل 2: سه سطح اشباع ردیاب

اگر فقط به بخش کم موج از طیف ها نگاه کنیم (شکل 3) ، تفاوت ها برجسته تر می شود. همانطور که انتظار می رود 95 ٪ از طیف اشباع (آبی) هیچ مدرکی از اشباع یا شکوفه را نشان نمی دهد. طیف اشباع 2x (قرمز) اشباع را تا حدود 250 سانتی مت ر-1 نشان می دهد و شواهد احتمالی شکوفه پس از اشباع. طیف اشباع 4X شواهدی از اشباع تا 450 سانتی مت ر-1 و شواهدی از شکوفه از 450-525 سانتی مت ر-1 را نشان می دهد. توجه به اوج یاقوت کبود واقع در حدود 420 سانتی مت ر-1 مهم است. برجسته ترین قله نشان داده شده در سطح اشباع 95 ٪ است. در سطح اشباع 2 برابر ، هنوز هم برجسته ترین قله است. با این حال ، در سطح اشباع 4X ، این اوج به دلیل اشباع بیش از حد CCD وجود ندارد. در واقع ، تمام قله های 0-550 سانتی مت ر-1 به دلیل اشباع و شکوفه "ناپدید شده اند".

شکل 3: شواهدی از اشباع و شکوفه

یکی از سؤالی که اغلب توسط مشتریان Toado پرسیده می شود این است: "آیا می توانم بخشی از ردیاب خود را اشباع کنم تا سیگنال خود را افزایش دهم اگر قله های مورد علاقه من در بخش دیگری از اشباع نشده از دامنه طیفی باشد؟"بیایید نگاهی دقیق تر به آن بیندازیم. شکل 4 اوج مورد علاقه ، منطقه 1050-1080 سانتی مت ر-1 از طیف کافئین ، تحت سه سطح مختلف اشباع را نشان می دهد. افزایش افزایش سطح اشباع ردیاب ، سیگنال آن منطقه مورد علاقه را افزایش می دهد. بنابراین ، این اطلاعات بیشتری در مورد آنالیت ارائه می دهد. با این حال ، سایر جلوه ها نیز در طیف هایی مانند موارد زیر نیز قابل مشاهده است.

شکل 4: طیف آنالیت کافئین

شکل 5 منطقه ای از همان طیف ها را نشان می دهد که نباید اطلاعات آنالیز را شامل شود. با این حال ، با افزایش سطح اشباع ، افزایش قله در این منطقه مشهود است. با افزایش زمان قرار گرفتن در معرض ، قله ها در همه مناطق طیف هایی که اشباع نشده اند ، افزایش می یابد. این شامل سر و صدا و هر نوع تشعشع کیهانی است. نتیجه گیری از این تظاهرات افزایش ردیاب شما در گذشته از حد اشباع آن می تواند قله های مورد علاقه را افزایش دهد ، اما همچنین باعث افزایش سطح سر و صدا و مصنوعات موجود در طیف های شما می شود.

شکل 5: نویز در طیف کافئین

مشکل احتمالی دیگر در مورد بیش از حد غیر اشباع CCD شما ، آسیب احتمالی به سطح حساسیت به آن است. تقریباً همه تولید کنندگان CCD نسبت به اشباع طولانی مدت دوربین هشدار می دهند. در دراز مدت ، نتایج این می تواند یک ردیاب ناکام یا تصاویر شبح باشد (دقیقاً مانند بعد از تصویر در چشم شما پس از نگاه کردن به یک چراغ روشن). روش هایی وجود دارد که به CCD اجازه می دهد تا از این نوع درمان بازیابی شود ، اما بهتر است در وهله اول از اشباع بیش از حد خودداری کنید.

اگر به اندازه گیری های بهتری (نسبت سیگنال به نویز بالاتر ، حد کمتری از تشخیص و غیره) از قله های ضعیف یا باند در طیف رامان خود نیاز دارید ، توصیه می کنیم به جای افزایش زمان قرار گرفتن در معرض تعداد میانگین ها را افزایش دهید. اگرچه قله های رامان قوی تر به نظر نمی رسد ، اما با تعداد بیشتری از میانگین ها ، سطح سر و صدا کاهش می یابد ، به طوری که حتی قله های ضعیف می توانند نتایج کمی عالی از تجزیه و تحلیل شیمیایی ارائه دهند.

نتیجه

Turbocharged توسط فن آوری دارای شکاف مجازی با توان بالا Toado (HTVS ™) ، طیف سنجهای رامان ما به شما 10 برابر بهبود در توان فوتون و استحکام سیگنال در مقابل طیف سنج معمولی می دهد. این به معنای افزایش کلی نسبت سیگنال به نویز است که ضمن جلوگیری از اشباع ردیاب ، بهترین طیف ممکن را به مشتری می دهد. این افزایش سیگنال بدون اشباع و شکوفه به معنای اندازه گیری هایی است که می توانید بدون تأثیر افزایش سطح نویز طیفی یا آسیب رساندن به ردیاب خود در دراز مدت به آنها اعتماد کنید.

اگر می خواهید در مورد برنامه خود بحث کنید و در حال اتخاذ طیف سنجی رامان به عنوان یک فناوری تحلیلی فرآیند هستید ، لطفاً با ما در [email protected] تماس بگیرید