TECHNOLOGIA DIODE ARRAY W TECHNICE NIR
Analizator NIR typ DA-7200
Technika NIR w analizie jakości produktów rolno-przemysłowych stosowana jest od ponad
30 lat. W tym okresie rozwinęły się i współistnieją zasadniczo dwie konstrukcje
spektrofotometrów:
⎯ skanujące, tzw. analizatory widma ciągłego
⎯ filtrowe, dysponujące empirycznie wyznaczonymi długościami fal światła,
przy których analizowane składniki posiadają maksima absorpcji.
Podstawowym założeniem konstrukcji analizatorów skanujących jest zmiana kąta położenia
monochromatora w stosunku do detektora lub próbki co pozwala na sekwencyjne tworzenie
obrazu absorpcji próbki w zależności od długości fali, czyli jej widmo.
Poniższy rysunek przedstawia przykładową konstrukcję w której światło białe pada na
monochromator, następuje jego rozszczepienie i w zależności od kąta obrotu
monochromatora, aktualnie dostępna długość fali pada na próbę. Odbita od próbki wiązka,
niosąca o niej informację optyczną, trafia na detektor.
To klasyczne rozwiązanie obarczone jest pewnymi wadami:
⎯ błąd mechaniki obrotu monochromatora może prowadzić do słabszej
powtarzalności uzyskiwanych widm przez co wymagana jest skomplikowana
procedura kalibracji położenia tego elementu.
⎯ przejście całego cyklu skanowania jest czasochłonne co znacznie wydłuża czas
analizy.
⎯ informacja widmowa budowana jest w oparciu o JEDEN detektor
odpowiedzialny za cały zakres uzyskiwanych energii, co wnosi błąd związany
z różną czułością lub liniowością elementu w zależności od uzyskiwanej
energii wiązki.
Poniższy rysunek przedstawia różne przebiegi liniowości detektora w zależności od długości
fali światła. Z przedstawionego wykresu wynika, ze jest ona różna dla różnych energii wiązki
Detector linearity - multiple wavelengths
-4
-2
0
2
4
6
8
0
20
40
60
80
100
D
iff
er
e
n
ce (
%
)
-6
Light intensity (%)
1100 nm
1300 nm
1500 nm
1700 nm
Przytoczone wyżej ograniczenia technologii skanowania wiązki stały się podstawą dla
stworzenia nowej technologii pod nazwą DIODE ARRAY.
W przeciwieństwie do rozwiązań klasycznych , w nowej technologii zastosowano nieruchomy
monochromator oraz element światłoczuły złożony z wielu, liniowo ułożonych detektorów o
zróżnicowanej charakterystyce odpowiadającej energii ( długości fali światła) za którą jest
odpowiedzialny.
Poniższe zdjęcie przedstawia element światłoczuły - Diode Array
W efekcie zastosowanych rozwiązań widmo ciągłe badanej substancji powstaje w czasie
rzeczywistym bez potrzeby skanowania.
Dla lepszego zobrazowania uzyskanego efektu można zjawisko to porównać z procesem
powstawania zdjęcia na prostokątnej matrycy aparatu cyfrowego, gdzie rejestrowany obraz
powstaje w momencie ekspozycji motywu, w ultrakrótkim czasie.
Poniższe zdjęcia pokazują efekt równoczesnego powstawania wszystkich elementów obrazu
na matrycy detektorów ( po lewej) oraz przypuszczalny efekt tworzenia obrazu metodą
skanowania ( po prawej) . Obrazy przedstawiono w świetle widzialnym dla lepszego
uwidocznienia różnic omawianych technologii.
Omawiana wyżej technologia znalazła swoje zastosowanie w najnowszej konstrukcji firmy
Perten Instruments – analizatorze NIR typ DA-7200
Poniższy schemat obrazuje zasadę działania analizatora DA-7200 wykorzystującego
technologię DIODE ARRAY. Odbite od próby światło białe, niosące informacje analityczną
zostaje rozszczepione na stacjonarnym monochromatorze a następnie jego składowe w
zakresie NIR ( 950-1650 nm) skierowane na element światłoczuły złożony z 256 detektorów.
Widmo stanowiące podstawę do dalszych obliczeń powstaje w momencie ekspozycji w
ultrakrótkim czasie kilku milisekund.
Poniższe schematy i zdjęcia przedstawiają konstrukcję analizatora DA-7200
ekspozycja próbki światłem białym
droga światła odbitego od próbki
Na przedstawionych schematach zobrazowano
ekspozycję próbki światłem białym oraz drogę
sygnału odbitego przekazywanego
światłowodami do zespołu detektorów –
Diode Array.
Załączone zdjęcia przedstawiają również
sposób ekspozycji analizowanej próby –
otwarty i bezkontaktowy z możliwością rotacji
naczynia pomiarowego.
Oczywistą konsekwencją zastosowania technologii Diode Array jest możliwość uzyskania
ogromnej informacji spektralnej z badanej próbki w bardzo krótkim czasie, w sposób stabilny
i powtarzalny.
Zastosowanie tej technologii umożliwiło również wprowadzenie rewolucyjnych zmian w
systemie prezentacji (ekspozycji) badanego materiału.
W przeciwieństwie do klasycznych rozwiązań, w analizatorze DA-7200 zastosowano otwarte
naczynie pomiarowe, z możliwością rotacji. Uzyskana w ten sposób ogromna powierzchnia
analityczna gwarantuje zebranie maksymalnie reprezentatywnej informacji oraz umożliwia
badanie próbek w ich naturalnej postaci, bez konieczności wstępnego przygotowania
(np. śrutowania).
Dodatkową zaletą takiego rozwiązania jest wyeliminowanie powierzchni kontaktu próbki z
elementami optyki co miało dotychczas miejsce podczas stosowania szklanych kuwet lub
różnego rodzaju komór zasypowych/przesypowych. Stworzyło to doskonałą możliwość
analizy prób „trudnych” tj. tłustych, mazistych lub bardzo mokrych a więc takich po których
mycie i suszenie szklanych kuwet i okienek pomiarowych optyki jest czynnością mało
atrakcyjną.
Zadowoleni powinni być również użytkownicy zmuszeni do analizy małych ilości prób (po
prawej) lub prób w naczyniach jednorazowych ( po lewej). Elastyczność systemu prezentacji
zapewnia łatwe przejście do dedykowanych rozwiązań z przystawką do oznaczania
klarownych płynów włącznie ( poniżej, wraz ze strzykawką i zestawem bibuł)
Reasumując powyższe można stwierdzić, że kombinacja najnowocześniejszej technologii z
nowatorskim systemem prezentacji próby pozwoliła firmie Perten Instruments stworzyć
analizator pozbawiony największego z dotychczasowych ograniczeń i mankamentów
techniki NIR jakim niewątpliwie jest postać badanej próby.