MĚŘENÍ SE SPEKTROMETREM S CCD DETEKTOREM

MĚŘENÍ SE SPEKTROMETREM S CCD DETEKTOREM Obsah Popis a vlastnosti spektrometru Avantes S2000 ........................................................................... 1 Úvod ............................................................................................................................................... 1 Popis měřící soupravy ................................................................................................................. 2 Měření optických charakteristik roztoku pomocí spektrometru S2000 ........................................... 4 Postup při měření optických charakteristik roztoku při kinetických měřeních ..................... 5 Měření v módu periodického ukládání spekter .................................................................................. 6

Popis a vlastnosti spektrometru Avantes S2000 Úvod Optická spektroskopie je metoda založená na měření intenzity světla v UV, VIS, NIR a IR oblasti vlnových délek. Zařízení k tomu používaná se v obecnost skládají ze vstupní štěrbiny, kolimátoru, disperzního elementu (mřížka nebo hranol), soustřeďující optika detektoru. U monochromatických systémů je vstupní a výstupní štěrbina ve fixované pozici a je možné měnit jen jejich šířku. Otáčením disperzního elementu je možné proskenovat zvolený interval vlnových délek. Vývoj mikroelektroniky v 90. letech v oblasti víceelementových optických detektorů jako jsou CCDA (Charged Coupled Devices Array) detektor a PDA (Photo Diode Array) detektor, umožňující konstrukce optických zařízení jako jsou levné scannery a kamery. Tyto detektory jsou dnes používány ke konstrukci rychlých, skenujících spektrometrů bez mechanicky pohyblivých disperzních elementů. Při Obrázek 1 Optická lavice podle Czernyhopoužití opticky vodivých kabelů je možné Turnera snadno vytvářet modulární, snadno obměňovatelné a rychlé optické měřící systémy. Jádro kabelových optických UV/VIS spektrometrů Avantes (www.avantes.com) tvoří optická lavice podle Czernyho-Turnera (viz Obrázek 1) se standardním vstupem optickým kabelem (SMA905), mřížkou pro žádaný spektrální rozsah, kolimačními zrcátky a víceelementovým detekčním polem. Spektrometr Avantes S2000 je vybaven CCD detektorem Sony ILX501 s lineárním polem 2048 elementů (rozměr jednoho elementu je 12,5x200 mikrometrů). Absolutní citlivost je 2,9.10-17 J/impuls, což odpovídá 86 fotonům/impuls. Efektivní spektrální rozsah je 200-1100 nm. Obrázek 2 Spektrometr Avantes S2000

Pavel Janderka, [email protected] katedra teoretické a fyzikální chemie, PřF MU

1

Popis měřící soupravy UV/VIS spektrometrická měřící aparatura se skládá z vlastního spektrometru a z řídícího PC. Spektrometr je složen optické soustavy se CCD detektorem (Obr. 2), USB převodníku (Obr. 3), které po spojení dvěma konektory tvoří jeden celek. Na vstup spektrometru je připojen držák kyvet CUV-DA (Obr. 4), který je optickým kabelem (Obr. 5) připojen k miniaturnímu kombinovanému zdroji světla Mini-D2 (Obr. 6). Napájení zdroje světla a převodníku elektrickým proudem je zajištěno dvěma AC/DC napáječi 12V. Digitálně analogový převodník ADC1000-USB (12 bitů, 8 kanálů, 1MHz) zajišťující Obrázek 3 Digitálně analogový převodník komunikaci spektrometru s PC a transport dat, ADC-1000-USB je k PC připojen přes rychlé USB rozhraní nebo alternativně přes seriové (RS232) rozhraní. V případě použití USB portu je nekratší doba integrace jednoho spektra 3 ms,v případě seriového rozhraní 5ms.

Obrázek 4 Držák kyvet CUV-DA Obrázek 5 Optický kabel


2

Obrázek 6 Miniaturní kombinovaný UV/VIS zdroj světla Mini-D2 s popisem ovládacích prvků

Spektrometr je plně ovládán pomocí dodaného programu AvaSoft Full 5, který pracuje pod operačním systémem Windows 9x/2000/XP.

Obrázek 7 Grafické prostředí ovládacího programu AvaSofts se základními ovládacími prvky a nabídkami. Znázorněné spektrum odpovídá základní vyzařovací charakteristice kombinovaného optického zdroje Mini-D2.


3

Měření optických charakteristik roztoku pomocí spektrometru S2000 Spektrometr v popsané konfiguraci umožňuje měření intenzity prošlého světla v závislosti na vlnové délce – Scope Mode – S, po naměření tmavého proudu a spektra referenčního vzorku též absorbanci – A a transmitanci –T. Data jsou ukládána ve vnitřním formátu programu jako jednotlivá spektra (např. přípona .ABS při měření absorbance), která je možno v prostředí programu exportovat do ASCII tvaru (přípona .tat). Jsou pak k dispozici základní údaje o parametrech měření (metadata) jako integrační čas, údaje o průměrování spekter a o vyhlazování a vlastní experimentální data tj. intenzita prošlého světla temného proudu, referenčního vzorku a vzorku v počtech impulzů (viz str. 1) a absorbanci vše v závislosti na vlnová délce. Soubory s příponou .tat lze importovat do vhodného tabulkového a grafického programu např. Excel, Origin nebo Grapher k dalšímu zpracování. Příklad tvaru exportovaného ASCII souboru. M- 20.9.2002 10:16:21 Integration time: 100 ms Average: 5 scans Nr of pixels used for smoothing: 10 Wave ;Dark ;Ref ;Sample ;Absorbance [nm] ;[counts] ;[counts] ;[counts] ;[A.U.] 176.24;-92.14;-91.70;-90.12;0 176.62;-4.63;-4.97;-7.29;0 177.01;-2.74;-2.90;-1.92;0 177.39;-0.832;-2.37;-1.29;0 177.78;-1.74;-1.70;0.0805;0 . . . 220.28;0.869;3.51;3.05;0.0836 220.66;0.909;3.50;3.07;0.0783 221.04;1.36;3.87;3.45;0.0796 221.42;1.56;4.06;3.39;0.136 221.80;1.53;4.00;3.42;0.115 . . . 463.56;0.804;937.7;671.5;0.145 463.91;0.757;941.9;675.0;0.145 464.26;0.939;944.0;677.4;0.144 464.62;1.04;946.1;680.3;0.143 464.97;0.973;949.0;683.1;0.143 465.33;1.21;949.2;684.4;0.142 . . . Pavel Janderka, [email protected] katedra teoretické a fyzikální chemie, PřF MU

4

874.83;-1.54;163.1;164.1;-2.567E-3 875.13;-1.23;162.8;161.9;2.445E-3 875.42;1.86;162.1;167.3;-0.0138 875.71;-0.432;163.2;167.3;-0.0107 876.00;1.86;165.7;169.5;-9.895E-3 876.30;0.568;160.4;163.5;-8.284E-3 Pozn.: jde pouze zkrácený tvar, program vždy ukládá všechna data v celém přístrojově dostupném rozsahu vlnových délek, od 176 do 876 nm po kroku cca 0,3nm, fyzikální smysl mají data pro vlnovou délku větší než cca 220nm, což je dána optickou propustností světlovodného kabelu) Program - mimo ukládání jednotlivého spektra, umožňuje periodické ukládání předem zvoleného počtu spekter ve zvolených časových intervalech a se zvoleným zpožděním uložení prvního spektra . Tato funkce je zvláště vhodná pro kinetická měření.

Postup při měření optických charakteristik roztoku při kinetických měřeních 1. zapnutí PC, po automatickém startu souboru Evidence měření se spektrometrem Avantes proveďte do něj zápis v potřebném rozsahu, 2. připojte oba síťové napáječe spektrometru do sítě, zapněte hlavní vypínač (ON) světelného zdroje (zadní čelo) a vypínače obou světelných zdrojů (ON, přední čelo), přepínač SHUTTER má být v poloze OFF, měření je možno zahájit nejméně po deseti minutách od zapnutí optického zdroje až se stabilizuje světelný tok, 3. z pracovní plochy monitoru spusťte program Avantes, po přepnutí přepínače SHUTTER do polohy ON a kliknutí na tlačítko START v grafickém menu programu by se měla objevit obrazovka znázorněná na Obr. 7, odpovídající spektrální vyzařovací charakteristice kombinovaného optického zdroje Mini-D2, parametry této pracovní plochy mají být: Integration time 100ms Average 5 rozměry měřící plochy Wavelength [nm] 200 – 870nm Counts -100 - 4100 Parametry Integration Time and Average lze změnit z klávesnice po zastavení snímání spekter zmáčknutím tlačítka STOP. 4. v nabídce Setup-Smoothing and Spline zaškrtneme volbu Spline-Master a Smoothing 5, 5. Změření a uložení temného proudu: - přepneme přepínač SHUTTER do polohy OFF a kliknutím na tlačítko Save Dark se na disk PC uloží příslušný soubor, - vrátíme přepínač SHUTTER do polohy ON, vložíme do kyvetového prostoru vhodnou kyvetu, křemenná, skleněná, plastová – podle sledovaného spektrálního rozsahu, naplněnou referenčním vzorkem, Pavel Janderka, [email protected] katedra teoretické a fyzikální chemie, PřF MU

5

kliknutím na tlačítko Save Reference se na disk uloží příslušná data, 6. Vložíme do kyvetového prostoru kyvetu naplněnou vzorkem, na pracovní ploše programu pak vidíme spektrum intenzity prošlého světla, 7. po kliknutí na tlačítka A resp. T program automaticky provádí korekci na uložený temný proud a spektrum referenčního vzorku, takže v příslušných integračních časech vidíme na pracovní ploše aktuální závislost absorbance – A nebo transmitance – T na vlnové délce, 8. absorpční spektrum může být uloženo v dialogu File-Save-Experiment, v dalším dialogu je možné vyplnit až 80 znaků komentáře, jméno souboru je přiděleno automaticky ve tvaru AVANTESxxxx.ABS (pro absorbanci), kde xxxx je nejbližší volné pořadové číslo následující po čísle posledního experimentu. Všechny soubory se ukládají v adresáři C:\Program Files\SW5full\data 9. soubory typu .ABS lze jednotlivě nebo hromadně konvertovat do ASCII tvaru v dialogu File-Covert Graph-To ASCII , 10. v dalším dialogu vybereme typ konvertovaného záznamu Scope ModeAbsorbance Mode-Transmittance Mode, označíme myší vybraný soubor, případně více souborů ke hromadné konverzi, a ta je v pracovním adresáři provedena vytvořením souborů AVANTESxxxx.tat (v případě absorbance). 11. Tyto soubory můžeme standardním postupem importovat nejlépe do prostředí MS Excelu k dalšímu zpracování. Doporučený tvar dat je tabulka ve tvaru: -

Wave [nm]

Dark [counts]

Ref [counts]

Sample [counts]

Absorbance1 Absorbance2-x [A.U.] [A.U.]

Měření v módu periodického ukládání spekter 1. provedeme úkony spojené se zahájením měření dle předešlého návodu body 1 – 7, 2. v dialogu Setup-Options-Autosave Spectra Periodically vyplníme tabulku Save Parameters Time delay before first scan: Time delay between scans: Number of scans to save:

X Y Z

seconds seconds

Parametry X, Y a Z musí být celočíselné, tím je dáno minimální zpoždění zahájení snímání prvního spektra 1s od potvrzení dialogu (OK) a minimální interval mezi naměřením dvou spekter 1s. V případě zaškrtnutí volby Save as fast as possible je rychlost snímání a ukládání maximální a je dána pouze rychlostí přenosu dat mezi spektrometrem a PC. Soubory budou ukládány ve tvaru AVANTESxxxx.ABS až AVANTESxxxq.ABS, kde (xxxq-xxxx)+1=Z Pozn.: při plánování experimentu je mimořádně důležité předem uvážit předpokládanou délku experimentu a podle toho vhodně naplánovat časy X, Y a parametr Z tak, aby vznikl přiměřený počet souborů, které budou exportovány do ASCII resp.importovány do Excelu (doporučit lze 20 – 50 spekter). Pavel Janderka, [email protected] katedra teoretické a fyzikální chemie, PřF MU

6

3. provedeme export uložených souborů, respektive vybraných souborů AVANTESxxxx.ABS až AVANTESxxxq.ABS do ASCII tvaru AVANTESxxxx.tat až AVANTESxxxq.tat, podle postupu popsaného v bodu 9 minulého návodu, převod lze zajistit hromadně, pokud v dialogu výběru souborů označíme běžným windowsovským postupem (s použitím tlačítka Ctrl) více souborů současně, 4. ukončení programu provedeme kliknutím na tlačítko STOP, pokud již snímání spekter nebylo ukončeno automaticky v módu periodického ukládání spekter a v dialogu File kliknutím na volbu Exit. Pozn.: Ukončení zavřením okna pomocí se program brání, neboť se tak korektně neukončuje komunikace s USB převodníkem. 5. Pro další práci s daty je vyžadováno, aby ASCII soubory byly překopírovány do osobního pracovního adresáře (téhož počítače C:\Dokumenty\Praktikum\Jméno) a po případném zálohování byly všechny nově vzniklé soubory v C:\Program Files\SW5full\data smazány!!! Tento krok je důležitý pro zachování přehlednosti obsahu adresáře.


7

MĚŘENÍ SE SPEKTROMETREM S CCD DETEKTOREM

Recommend Documents