Speciální spektrometrické metody. Zpracování signálu ve spektroskopii

Transkript

1 Speciální spektrometrické metody Zpracování signálu ve spektroskopii detekce slabých signálů synchronní detekce (Lock-in) čítaní fotonů měření časového průběhu signálů metoda fázového posuvu časově korelované čítaní fotonů

2 Měření slabých signálů ve spektroskopii Problém slabého signálu v optické spektroskopii vyvstává v souvislosti s měřením : 1. transmise silně absorbujících látek ve vysoké koncentraci, 2. fotoluminiscence (fluorescence, fosforescence) nebo chemiluminiscence. V případě silné absorpce lze problém řešit úpravou koncentrace nebo úpravou detekční aparatury. U fotoluminiscenčních měřeních je optimalizace aparatury složitější proces. Je-li signál, který získáme z experimentu příliš slabý, resp. obsahuje značný šum, je nezbytné ho zpracovat alespoň dodatečně. Existují ovšem metody, které využívají technik, jak se šumu zbavit v průběhu měření. V předchozích přednáškách byly naznačeny hlavní principy těchto metod.

3 Metody detekce slabých signálů Základní techniky detekce slabých signálů v optické spektroskopii: použití frekvenčních filtrů, modulační zesílení, synchronní detekce (lock-in detection), čítání jednotlivých fotonů (photon counting). Uvedené techniky se týkaly kontinuálního způsobu měření. Pro pulzní měření se využívají další měřící techniky, které rovněž umožňují stanovení časových charakteristik boxcar integrátor metoda fázového posuvu časově korelované čítání jednotlivých fotonů

4 Modulační zesilovač (chopper amplifier) Vstupní stejnosměrný napěťový signál nejdříve převedeme na obdélníkové pulzy pomocí střídavého uzemňování vstupního signálu. Obdélníkové pulzy po zesílení synchronně demodulujeme a odfiltrujeme získaný zesílený stejnosměrný signál neobsahuje blikavý šum. 6 mv 0 6 mv 6 V 3 V 1500 mv vstup 1000 x zesílení výstup Zisk = 1500/6 = 250

5 Modulační zesilovač

6 Lock-in zesilovač Synchronní detekce umožňuje získat užitečný signál i v případě S/N < 1. Základní komponenty jsou: periodický zdroj referenčního signálu, který moduluje zpracovávaný signál fázově citlivý detektor, zahrnující čtyřkvadrantový násobič, fázový posun a integrátor. Experimentální Systém Four-Quadrant Multiplier Integrator/Filter Lock-in výstup Modulační generátor posuv fáze

7 Lock-in II modulace signálu Modulace signálu lze docílit různými způsoby: Optická spektroskopie modulace přerušovačem světla (chopper), buzení světelného zdroje frekvenčním generátorem Elektronová spektroskopie modulace urychlovacího napětí Elektrochemie modulace napětí cely

8 Lock-in III - fázově citlivý detektor Odezva systému je modulována na stejné frekvenci jako referenční signál. Rozdílná rychlost odezvy způsobí, že do zesilovače přijdou v různých časech jsou fázově posunuté. Obvod fázového posuvu umožní posun referenční a vstupního signálu z experimentu tak, aby byly synchronní. signál fázový posun 0 reference 180

9 Lock-in IV čtyřkvadrantová násobička Vstupní a referenční signál jsou bod po bodu vynásobeny: signál reference, fázový posun Součin dvou signálů při daném fázovém posunu Součin dvou signálů při nulovém fázovém posunu -1

10 Lock-in V integrátor Součinový signál přichází do integrační obvodu. Nízkopropusťový filtr integrátor průměruje výsledný signál po dobu určenou časovou konstantou a poskytuje stejnosměrný signál. Výstupní signál je maximální při fázovém posunu 0 nebo průměr = 0.27 průměr = 0.50

11 Lock-in VI filtrace jiných frekvencí Šum se vyskytuje při všech frekvencích. Lock-in zesilovač po integraci v dostatečně dlouhém časovém intervalu poskytuje pro jiné frekvence než referenční nulovou hodnotu stejnosměrného signálu. 1 0 referenční signál signál o frekvenci 1.75 f 1 0 výsledný signál: průměr =

12 Lock-in zesilovač fy Stanford Research

13 Čítání fotonů Dosud popsané metody detekce slabých signálů využívaly pro měření světelného toku veličiny, které byly odvozeny ze zprůměrované hodnoty anodové proudu fotonásobiče. Nespojitý průběh anodového proudu plynoucí z nespojitého charakteru absorpce a emise, je zdrojem nežádoucího kvantového šumu. Úkolem detekčních obvodů je pak tento šum co nejvíce potlačit. Metoda čítání fotonů naopak kvantového charakteru absorpce a emise záření využívá a umožňuje dosáhnout výrazné zvýšení citlivosti detekce i při extrémně nízkých světelných tocích. Princip metody vychází z detekce každého proudového pulzu, který je v anodovém obvodu fotonásobiče vyvolán absorpcí fotonu a následné fotoemisi elektronu z fotokatody.

14 Základní schéma čítače fotonů I 1. Napětí na výstupu fotonásobiče (na anodovém odporu) má nespojitý charakter. Velké pulzy jsou dány emisí fotoelektronu, menší pulzy souvisejí s termoemisí elektronů z jednotlivých dynod, indukovanému vysokofrekvenčnímu šumu, šumu anodového odporu včetně dalších nestabilit (zdroj vysokého napětí, svodové proudy). Napětí je přiváděno na vstup zesilovače, který zesiluje řádově krát (obr. A)

15 Základní schéma čítače fotonů II 2. Ve vstupní části zesilovače je odfiltrováno nízkofrekveční zvlnění napětí. Rychlé pulzy tak procházejí na stálé napěťové hladině (obr. B). 3. Zesílené pulzy jsou zpracovány v diskriminátoru, který propouští pouze pulzy o amplitudě přesahující nastavenou hodnotu diskriminační hladiny. Tuto hladinu lze nastavit tak, aby procházely pouze pulzy vyvolané fotoemisí elektronů a pulzy odpovídající termoemisi byly potlačeny (obr. C). 4. Pulzy jsou pak detegovány čítačem a dále digitálně zpracovány.

16 Čítač fotonů fy Stanford Research

17 Měření doby života luminiscence Měření spektrálních optických charakteristik při použití kontinuálních světelných zdrojů poskytuje základní informace o: 1. energii přechodů, 2. polohách energetických hladin, 3. kvantovém výtěžku luminiscence, 4. stupni polarizace luminiscence. Uvedené spektrální charakteristiky umožňují získat základní informace o daném materiálu a jeho optických vlastnostech. Ve většině případů potřebujeme ovšem znát i informace o dynamice procesů optické absorpce a emise. Tyto informace lze získat pouze s časově proměnnými zdroji světelného záření. Pro pomalé děje lze využít např. elektronickou nebo modulaci světelného zdroje, pro měření dohasínání fluorescence organických látek (1-10 ns) v roztocích se nejčastěji používají vhodné pulzní zdroje.

18 Měření doby života luminiscence Přímá metoda vzorek I f / e t τ pulzní laser t filtr detektor PA

19 Nepřímé metody měření doby života Nejčastěji využívané metody jsou : metoda fázového posuvu, časově korelované čítání fotonů, boxcar integrace Metoda fázového posuvu je technika, která byla rozvíjena před rozvojem pulzních světelných zdrojů a s jejíž pomocí byly změřeny doby života fluorescence organických látek. Je založena na modulaci intenzity budícího svazku před jeho dopadem na vzorek. Modulované budící záření vyvolává modulovanou luminiscenční odezvu, která je vůči budící intenzitě fázově posunuta. Existují dvě modifikace: přímé měření fázového posuvu měření stupně modulace

20 Metoda fázového posuvu Měření pomocí stupně modulace vychází z měření stejnosměrné a střídavé (peak-to-peak) složky excitace b/a a emise B/A. Stupeň modulace m je definován vztahem: m = B A b a a při buzení excitací o frekvenci ω souvisí s fázovým posuvem ξ vztahy: tanξ = ωτ 1 m = ω τ

21 Časově korelované čítání fotonů Time-correlated single photon counting (TCSPC) Princip metody vychází ze statistického charakteru zářivé deexcitace vzbuzeného stavu luminoforu. Na rozdíl od obyčejného čítače fotonů obsahuje aparatura i časový diskriminátor, který umožňuje odečet časového intervalu mezi excitací vzorku a dopadem luminiscenčního záření do fotonásobiče.

22 Schéma aparatury pro TCSPC