Speciální spektrometrické metody. Zpracování signálu ve spektroskopii



Podobné dokumenty
Modulace a šum signálu

Fluorescence (luminiscence)

Časově rozlišená fluorescence

Spektrometrické metody. Luminiscenční spektroskopie

Luminiscence. Luminiscence. Fluorescence. emise světla látkou, která je způsobená: světlem (fotoluminiscence) chemicky (chemiluminiscence)

Luminiscence. emise světla látkou, která je způsobená: světlem (fotoluminiscence) fluorescence, fosforescence. chemicky (chemiluminiscence)

13. Spektroskopie základní pojmy

Detektory. požadovaná informace o částici / záření. proudový puls p(t) energie. čas příletu. výstupní signál detektoru. poloha.

Barevné principy absorpce a fluorescence

CZ.1.07/2.2.00/ AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 1 / 30

Úvod do spektrálních metod pro analýzu léčiv

9. Měření kinetiky dohasínání fluorescence ve frekvenční doméně

Fotonásobič. fotokatoda. typicky: - koeficient sekundární emise = počet dynod N = zisk: G = fokusační elektrononová optika

Úvod do laserové techniky KFE FJFI ČVUT Praha Michal Němec, Plynové lasery. Plynové lasery většinou pracují v kontinuálním režimu.

Vybrané spektroskopické metody

5. POLOVODIČOVÉ MĚNIČE

Fotoelektrické snímače

FLUORIMETRICKÉ STANOVENÍ FLUORESCEINU

Barevné principy absorpce a fluorescence

popsat princip činnosti základních zapojení čidel napětí a proudu samostatně změřit zadanou úlohu

Emise vyvolaná působením fotonů nebo částic

Fyzikální praktikum 3 Studium činnosti fotonásobiče

Fotoelektronová spektroskopie Instrumentace. Katedra materiálů TU Liberec

ABSORPČNÍ A EMISNÍ SPEKTRÁLNÍ METODY

Moderní nástroje pro zobrazování biologicky významných molekul pro zajištění zdraví. René Kizek

ELEKTRONIKA PRO ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLU

Číslicový Voltmetr s ICL7107

MS - polovodičové měniče POLOVODIČOVÉ MĚNIČE

Zdroje optického záření

- Rayleighův rozptyl turbidimetrie, nefelometrie - Ramanův rozptyl. - fluorescence - fosforescence

Fyzikální praktikum 3. Studium činnosti fotonásobiče

Anizotropie fluorescence

VY_32_INOVACE_AUT-2.N-06-DRUHY AUTOMATICKEHO RIZENI. Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno

ROZDĚLENÍ SNÍMAČŮ, POŽADAVKY KLADENÉ NA SNÍMAČE, VLASTNOSTI SNÍMAČŮ

PSK1-14. Optické zdroje a detektory. Bohrův model atomu. Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola, Božetěchova 3 Ing. Marek Nožka.

Spektrometrické metody. Reflexní a fotoakustická spektroskopie

FOTOAKUSTIKA. Vítězslav Otruba

Měřící přístroje a měření veličin

Tel-30 Nabíjení kapacitoru konstantním proudem [V(C1), I(C1)] Start: Transient Tranzientní analýza ukazuje, jaké napětí vytvoří proud 5mA za 4ms na ka

18A - PRINCIPY ČÍSLICOVÝCH MĚŘICÍCH PŘÍSTROJŮ Voltmetry, A/D převodníky - principy, vlastnosti, Kmitoměry, čítače, fázoměry, Q- metry

J = S A.T 2. exp(-eφ / kt)

Scintilace. Co zachytí oko? Pokud během 1/10 s nejméně 15 fotonů. Jedna z nejstarších detekčních metod (Rutherford a ZnS)

ZÁKLADNÍ ČÁSTI SPEKTRÁLNÍCH PŘÍSTROJŮ

Detektory optického záření

Zvyšování kvality výuky technických oborů

Společná laboratoř optiky. Skupina nelineární a kvantové optiky. Představení vypisovaných témat. bakalářských prací. prosinec 2011

Senzory ionizujícího záření

Charakteristiky optoelektronických součástek

SNÍMAČE OPTICKÉ, ULTRAZVUKOVÉ A RÁDIOVÉ

HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE - kvalitativní i kvantitativní detekce v GC a LC - pyrolýzní hmotnostní spektrometrie - analýza polutantů v životním

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV RADIOELEKTRONIKY. OPTICKÝ SPOJ LR-830/1550 Technický popis

ETC Embedded Technology Club setkání 6, 3B zahájení třetího ročníku

11. Odporový snímač teploty, měřicí systém a bezkontaktní teploměr

Binární data. Číslicový systém. Binární data. Klávesnice Snímače polohy, dotykové displeje, myš Digitalizovaná data odvozená z analogového signálu

SPEKTRÁLNÍ METODY. Ing. David MILDE, Ph.D. Katedra analytické chemie Tel.: ; (c) David MILDE,

Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Hustopeče, Masarykovo nám. 1

Luminiscence. Luminiscence. Fluorescence. emise světla látkou, která je způsobená: světlem (fotoluminiscence) chemicky (chemiluminiscence)

Signál v čase a jeho spektrum

Charakteristiky laseru vytvářejícího světelné impulsy o délce několika pikosekund

Usměrňovače, filtrace zvlněného napětí, zdvojovač a násobič napětí

11. Polovodičové diody

Nízkofrekvenční (do 1 MHz) Vysokofrekvenční (stovky MHz až jednotky GHz) Generátory cm vln (až desítky GHz)

Určení Planckovy konstanty pomocí fotoelektrického jevu

VY_32_INOVACE_E 15 03

INSTRUMENTÁLNÍ METODY

7. Měření fluorescence při excitaci kontinuálním světlem ( steady-state )

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela analýza šumu v elektronických obvodech

Přístrojové vybavení pro detekci absorpce a fluorescence

Šum AD24USB a možnosti střídavé modulace

Dioda jako usměrňovač

Optogalvanick{ spektrometrie Vítězslav Otruba

Světlo jako elektromagnetické záření

1. Obecná struktura pohonu s napěťovým střídačem

Fyzikální praktikum 3 Operační zesilovač

Fluorescenční spektroskopie

Návrh frekvenčního filtru

Referát z atomové a jaderné fyziky. Detekce ionizujícího záření (principy, technická realizace)

Přenosová technika 1

Spektroskopické metody. převážně ve viditelné, ultrafialové a blízké infračervené oblasti

Druhy sdělovacích kabelů: kroucené metalické páry, koaxiální, světlovodné

1 Elektronika pro zpracování optického signálu

Otázky k předmětu Optické spektroskopie 1

Základy Mössbauerovy spektroskopie. Libor Machala

filtry FIR zpracování signálů FIR & IIR Tomáš Novák

2. Zdroje a detektory světla

Nabídkový list spolupráce 2014

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Jan Polášek stud. skup. 11 dne

1. Zdroje a detektory optického záření

Měření výstupní práce elektronu při fotoelektrickém jevu

Maturitní témata. 1. Elektronické obvody napájecích zdrojů. konstrukce transformátoru. konstrukce usměrňovačů. konstrukce filtrů v napájecích zdrojích

EXPERIMENTÁLNÍ METODY I 15. Měření elektrických veličin

KOMPLEXY EUROPIA(III) LUMINISCENČNÍ VLASTNOSTI A VYUŽITÍ V ANALYTICKÉ CHEMII. Pavla Pekárková

5. Optické počítače. 5.1 Optická propojení

4. Měření rychlosti zvuku ve vzduchu. A) Kalibrace tónového generátoru

Optoelektronika. elektro-optické převodníky - LED, laserové diody, LCD. Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Vektorové obvodové analyzátory

ZÁKLADNÍ EXPERIMENTÁLNÍ

ochranným obvodem, který chrání útlumové články před vnějším náhodným přetížením.

OPERA Č NÍ ZESILOVA Č E

Studium tranzistorového zesilovače

Transkript:

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

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.

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

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

Modulační zesilovač

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

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

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

Lock-in IV čtyřkvadrantová násobička Vstupní a referenční signál jsou bod po bodu vynásobeny: 1 0.5 0-0.5 signál -1 1 0.5 0-0.5 reference, fázový posun 57-1 1 0.5 0-0.5 Součin dvou signálů při daném fázovém posunu -1 1 0.5 0-0.5 Součin dvou signálů při nulovém fázovém posunu -1

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 180. 1 0.5 0-0.5-1 1 0.5 0-0.5-1 průměr = 0.27 průměr = 0.50

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 -1 1 0-1 signál o frekvenci 1.75 f 1 0 výsledný signál: průměr = 0.01-1

Lock-in zesilovač fy Stanford Research

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.

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 10 3-10 4 krát (obr. A)

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.

Čítač fotonů fy Stanford Research

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.

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

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

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 = 2 2 1+ ω τ

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.

Schéma aparatury pro TCSPC