Как использовать спектрометр
Все спектрометры, сканирующие или многоканальные, по существу представляют собой камеры, снимающие очень тусклые снимки. Таким образом, для них в первую очередь важны две вещи: апертура (диафрагма) и скорость затвора. Вместе они определяют, сколько света входит в спектрометр во время измерения. Каждая также имеет другие, менее очевидные влияния на качество спектра.
Апертура почти всегда контролируется с помощью аппаратных средств. Другими словами, вы меняете её вручную. Почти все современные многоканальные спектрометры предназначены для работы с оптоволоконными кабелями. Хотя они обычно стоят несколько сотен долларов каждый, эти кабели довольно удобны. Они позволяют измерять свет во всевозможных узких пространствах и в нескольких метрах от вашего спектрометра (полезно, если нужно измерить свет под водой). Они также защищают вас самих от света, что важно, если нужно работать с ультрафиолетовым излучением. Для этих систем апертура является только площадью поперечного сечения волокна. Если несколько кабелей в вашей конструкции соединены последовательно, апертура приблизительно будет равна диаметру самого тонкого кабеля. Диаметры кабелей обычно варьируются от 10 до 1000 мкм, поэтому просто сменив кабель можно изменить апертуру в 10 000 раз (помните, что апертура - это площадь и поэтому она пропорциональна квадрату диаметра кабеля). Я говорю «можно», потому что у большинства спектрометров также есть входная щель, что усложняет ситуацию. Если входная щель уже, чем используемый кабель, то изменение кабеля оказывает только линейное влияние на количество поступающего в спектрометр света, а не увеличивает площадь. Например, если спектрометр имеет щель шириной 100 мкм и длиной несколько мм, то переход от кабеля диаметром 500 мкм к диаметру 1000 мкм приведёт к удвоению количества света, а не к увеличению его в четыре раза. Это звучит мелочными придирками, но окажется важным, когда вы заберётесь далеко в открытое море или на вершину горы, только для того чтобы узнать, что ваши два кабеля не обеспечивают необходимый диапазон чувствительности.
Помимо контроля количества света, попадающего в спектрометр, апертура также влияет на разрешение спектра в многоканальных спектрометрах – более узкие апертуры, улучшают спектральное разрешение. Как упоминалось выше, эти спектрометры посылают поступающий свет на дифракционную решётку, которая затем светит радугу на массив детекторов. Даже если спектрометр оснащен довольно маленькой входной щелью, площадь поперечного сечения пучка, входящего в спектрометр, влияет на размер пятна, попадающего на решетку и, следовательно, на разрешение спектра (рис. 9.3).
Хотя это не имеет большого значения для довольно широких естественных спектров, но имеет значение при попытке охарактеризовать флуоресцентную лампу или иризацию бабочки, так как и то, и другое может иметь узкие спектральные пики. Апертура также влияет на рассеянный свет, поскольку больший луч света внутри спектрометра с большей вероятностью отскачет туда, где его быть не должно. Как правило, 400 мкм оптоволоконный кабель, прикрепленный к спектрометру со щелью 200 мкм, даст спектры с достаточной детализацией для почти всех биологических задач. Более узкие кабели я использую только при работе на открытом воздухе, чтобы предотвратить переполнение детекторов спектрометра.
Второй основной параметр сбора света – скорость затвора – всегда управляется программным обеспечением. Я допускаю, что где-то может существовать спектрометр, оснащённый для этой цели циферблатом, но я такой никогда не видел. В большинстве управляющих спектрометрами программ скорость затвора называется временем интегрирования и измеряется в миллисекундах. В отличие от камеры, в спектрометре обычно нет фактического затвора. Вместо этого время интеграции контролирует, как долго свет может взаимодействовать с детектором, прежде чем компьютер зафиксирует состояние детектора. То, что происходит внутри детектора, зависит от его типа, но мне нравится визуализировать происходящее как ряд сосудов, заполняемых дождём из круглых леденцов. Время интеграции – это то, как долго нужно ждать, прежде чем опорожнить банку и подсчитать конфеты. Увеличение времени интеграции, аналогично увеличению скорости затвора в обычной фотокамеры, делает спектрометр более чувствительным к свету.
В отличие от апертуры изменение времени интеграции не влияет на спектральное разрешение, но диапазон регуляции времени интеграции ограничен. С нижнего конца диапазона – большинство спектрометров не будут принимать время интеграции менее нескольких миллисекунд. Это кажется быстрым, но всё ещё может быть слишком долгим при работе на открытом воздухе в солнечный день. На верхнем конце происходит насыщение спектрометра, что означает, что любое дальнейшее увеличение света не может быть измерено (рис. 9.4). По сути, банка переполнена. Точка насыщения обычно зависит от показателя известного как «глубина скважины» детектора и от того, как данные преобразуются в цифровую форму для компьютера.
Как упоминалось выше, центральной проблемой многоканальных спектрометров является то, что у них одно время интеграции для всего спектра. Поэтому, чаще чем вы могли бы предположить, вам придётся видеть потолок насыщения в одной части спектра, чтобы чётко видеть другую часть. Это не повредит спектрометру, исключая вариант причудливого спектрометра, использующего в качестве детекторов фотоумножители. Однако переполнение датчика увеличивает рассеянный свет и иногда может заставить программное обеспечение действовать странно. Если вам нужно увидеть часть спектра, которая намного тусклее, чем остальные, обычно лучше всего отфильтровать более яркую часть спектра до того, как она попадёт на спектрометр.
Итак, что, если свет, который вы хотите измерить, тусклый на всех длинах волн? Можете ли вы увеличить время интеграции настолько, насколько хотите? К сожалению, вы не можете – из-за шума, который подводит нас к следующему разделу.