Преимущества компактного оптоволоконного спектрометра с термоэлектрическим охлаждением для рамановской и флуоресцентной спектроскопии

ФЕВ082016

Компактные спектрометры, использующие ПЗС-детекторы и оптоволокно для ввода излучения, используются во многих спектроскопических применениях. Исторически сложилось, что одним из ограничений был плохой предел обнаружения. На применениях с низким уровнем света, например, рамановской и флуоресцентной спектроскопии, данный недостаток сказывался особенно сильно.

Главной причиной такой производительности приемников был высокий уровень шума, связанный с использованием неохлаждаемых детекторов. Однако, прорыв в термоэлектрическом (TE) охлаждении детекторов привел к значительному снижению шума, что позволило увеличить время интегрирования – как результат увеличился минимальный предел обнаружения. В данной статье описываются преимущества спектрометра с TE охлаждением по сравнению с прибором с неохлаждаемым приемником для флуоресцентной и рамановской спектроскопии.

Шум детектора

Чтобы лучше понять преимущества ТЕ охлаждения, сначала важно иметь представление о шуме, связанном с любым типом фотонного детектора. Теория показывает, что общее значение шума вычисляется путем извлечения квадратного корня от суммы каждого из отдельных компонентов шума. Четыре основных составляющих шума, присущих любому приемнику включают в себя:

• Шум считывания – вызван электронным шумом на выходе приемника и в электрической схеме. Сильно определяет пределы обнаружения спектрометра
• Дробовый шум – связан со статическим распределением числа фотонов, достигающих приемника. Описывается распределением Пуассона и, как результат, пропорционален корню квадратному от падающего светового потока
• Темновой шум – связан со статистическим изменением числа электронов, генерируемых в темновом состоянии, и зависит от температуры
• Шум с постоянным спектром – изменение фотоотклика между соседними пикселями, которое вызвано небольшой разницей в площади и толщине детектора во время производства

Термоэлектрическое охлаждение

Охлаждение детектора с помощью встроенного термоэлектрического охладителя является эффективным способом уменьшения темнового шума (тока). Кроме того, это позволяет увеличить динамический диапазон и увеличить минимальные пределы обнаружения детектора. Исследования показывают, что с ПЗС на основе кремния, значение темнового тока увеличивается в два раза, когда температура увеличивается на 5 – 7 ˚С и уменьшается в два раза, когда значение температуры уменьшается на такое же количество градусов. При комнатной температуре (≈ 22 ˚С), например, темновой ток вносит значительный вклад в общий сигнал неохлаждаемого детектора.

Данная картина отображена на рисунке ниже. Он показывает значения темнового тока неохлаждаемого ПЗС-детектора (слева) при комнатной температуре и детектора с TE охлаждением (справа) до 14 ˚С при времени интегрирования 30 секунд. Вычисленное значение среднеквадратичного отклонения (СКО) шума спектрометра с TE охлаждением примерно в 5 раз ниже, чем у неохлаждаемого детектора.

Рис. 1. Темновой ток охлаждаемого и неохлаждаемого детекторов.

Следует отметить, что когда спектрометр на основе ПЗС-детектора используется для применений с высоким уровнем света, например, измерение светодиодов, снижение темнового тока за счет TE охлаждения уже не является особенным преимуществом. Основная причина заключается в том, что шум считывания является доминирующим компонентом, когда используется относительное короткое время интегрирования (порядка 200 мс). Поэтому в таких ситуациях нет значительного уменьшения шумов за счет ТЕ охлаждения, хотя внутренний температурный контроль будет полезным для долговременной стабильности базовой линии.

Теперь рассмотрим более детально две области с низким уровнем света: флуоресцентная и рамановская спектроскопия. Все данные, отраженные в этой статье, были получены с помощью спектрометра с ТЕ охлаждением Glacier X компании BWTek. В данном спектрометре используется компактный высокопроизводительный 2048 пиксельный ПЗС-детектор с ТЕ охлаждением до 14 ˚С. Спектрометр выполнен по скрещенной оптической схеме Черни-Тернера с разрешением менее 0.2 нм.

Флуоресцентная спектроскопия

В флуоресцентной спектроскопии молекулу обычно изучают за счет ее возбуждения с помощью фотона с высокой энергией, который заставляет перемещаться электроны из нижнего состояния в возбужденное состояние (состояние высокой энергии). Когда электрон переходит обратно в первоначальное состояние, он испускает фотон с определенной длиной волны света с энергией, эквивалентной разнице между энергетическими состояниями.

Таким образом, используя определенную связь между энергией и частотой испускаемого света, могут быть изучены различные электронные и колебательные состояния молекулы. Данный процесс показан на рисунке 2. На нем сравниваются спектры флуоресценции селенида кадмия (CdSe), представляющего собой ядро, и сульфида цинка (ZnS), являющегося оболочкой, которые имеют пик флуоресценции на длине волны 584 нм.

Измерения производились при использовании УФ источника возбуждения и данные собирались с помощью коллиматорного объектива и волоконного патч-корда, подсоединенного к неохлаждаемому спектрометру и спектрометру с ТЕ охлаждением. Оба спектрометра имеют спектральный диапазон 350 – 1050 нм и спектральное разрешение 4 нм. Время интегрирования каждого спектрометра было установлено на 120 секунд.

Рис. 2. Сравнение спектров флуоресценции селенида кадмия (CdSe) и сульфида цинка (ZnS), полученных с помощью спектрометра без охлаждения и спектрометра с ТЕ охлаждением.

После анализа графиков становится ясно, что неохлаждаемый спектрометр имеет значительно больший уровень шума, чем спектрометр с ТЕ охлаждением. В результате можно сказать, что пик флуоресценции на 584 нм при регистрации спектрометром без охлаждения становится практически полностью неотличимым от шумовой составляющей, тогда как при регистрации спектрометром с ТЕ охлаждением он виден совершенно отчетливо. Данная разница видна лучше на графике, на котором был удален темновой ток.

Рамановская спектроскопия

Рамановская спектроскопия изучает колебательные, вращательные и другие низкочастотные взаимодействия между падающим светом и молекулами. Данный эффект возникает, когда падающий фотон поглощается молекулой, затем он возбуждает и переносит его на виртуальный энергетический уровень, энергия которого эквивалентна энергии фотона. Тогда как основная часть электронов возвращается в первоначальное энергетическое состояние и испускает фотоны с той же самой энергией, которая была у поглощенного фотона, небольшая часть возбужденных электронов попадает в промежуточное энергетическое состояние перед тем, как вернуться в первоначальное. Когда такое происходит, молекула испускает фотон с меньшим значением энергии и разница в энергии эквивалентна колебательной энергии. Данный процесс рамановского рассеяния известен как Стоксово рассеяние и приходится на 1 из 10⁶ поглощенных фотонов. Также есть большая вероятность, что фотон будет иметь энергию эквивалентную колебательной энергии. Такой процесс испускания известен как Антистоксово рассеяние и обычно этот процесс гораздо слабее Стоксового рассеяния. Энергия фотона определяет длину волны.

Таким образом, измеряя изменения длины волны от монохроматического источника возбуждения (обычно лазер), рамановская спектроскопия позволяет производить исследование и идентификацию колебательных состояний молекулярных связей. Однако, так как данный эффект имеет очень малую вероятность возникновения, необходимо производить интегрирование сигнала в течение долгого периода времени при измерении рассеянного света. Эта особенность делает использование обычных спектрометров с неохлаждаемыми детекторами для рамановской спектроскопии очень трудной задачей. На рисунке 3 показаны преимущества спектрометра с ТЕ охлаждением перед спектрометром без охлаждения, получающими спектр ацетаминофена. Так как данное вещество очень слабо рассеивающий материал, то время интегрирования для обоих спектрометров было установлено на 7 секунд.

Рис. 3. Рамановские спектры ацетаминофена, полученные с помощью неохлаждаемого спектрометра (слева) и спектрометра с ТЕ охлаждением (справа).

Из полученных данных видно, что значение темнового тока для неохлаждаемого спектрометра настолько велико, что становится очень трудно различать рамановские пики в спектре. Тогда как спектр, полученный с помощью спектрометра с ТЕ охлаждением, имеет отчетливые рамановские пики с очень низким уровнем шума.

Заключение

Данная статья показала, что понижением температуры ПЗС-детектора в спектрометре с использованием термоэлектрического охладителя, можно значительно уменьшить величину темнового тока. Для применений с низким уровнем света, где исследуемый сигнал зачастую очень трудно отличить от шума, ТЕ охлаждение позволяет выставлять большее значение времени интегрирования, что автоматически снижает уровень шума, увеличивает минимальный предел обнаружения детектора, расширяет динамический диапазон и имеет лучшую долговременную стабильность.

Подробные характеристики спектрометра с ТЕ охлаждением