Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Computer ControlsComputer Controls
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Prosty spektrofotometr - zbuduj i poznaj zasadę działania

Kubald 31 Gru 2012 17:59 37821 11
  • Prosty spektrofotometr - zbuduj i poznaj zasadę działania

    Niniejszy opis przedstawia propozycję budowy całkiem prostego, ale funkcjonalnego spektrofotometru z łatwo dostępnych części. Rzecz jasna, urządzenie nie może być porównane z komercyjnymi spektrofotometrami, ale pozwoli użytkownikowi na poznanie budowy i działania tego typu urządzeń.

    Prosty spektrofotometr - zbuduj i poznaj zasadę działania

    Spektrofotometr jest urządzeniem mierzącym, jaka ilość światła absorbowana jest przez próbkę. Zasada działania jest następująca: wiązka światła przechodzi przez pryzmat bądź siatkę dyfrakcyjną. Odpowiednia długość fali bądź zakres fal wybierany jest przez przepuszczanie rozproszonego światła przez szczelinę. Następnie światło przechodzi przez próbkę w kuwecie i pada na detektor. Dzięki temu można zarejestrować „spektrometryczny odcisk palca” badanej próbki, zależny od substancji zawartych w badanej próbce.

    Autor podkreśla ponownie, że urządzenie nie może być w żaden sposób porównywane z komercyjnie produkowanymi spektrofotometrami, ale jest doskonałą okazją do przekonania się „na własne oczy”, jak działają takie urządzenia.

    Do budowy spektrofotometru potrzebne będą m.in.: silnik krokowy ze sterownikiem (np. Arduino), garść rezystorów, układ L293D (mostek H), tranzystory, wzmacniacz operacyjny (np. TL081), fotorezystor, biała dioda LED i/lub żarówka, kuweta spektrofotometryczna oraz siatka dyfrakcyjna (lub kawałek płyty CD/DVD).

    Na początek należy przygotować źródło światła: małą żarówkę lub białą diodę LED. Autor w swoim urządzeniu zamontował obydwa źródła światła, aby sprawdzić, które będzie lepiej się sprawdzało. Żarówka powinna być umieszczona w odpowiedniej oprawce, zamocowanej prostopadle do podłoża. Dioda LED może być zamontowana w złączu ARK, powinna być wyposażona w rezystor ograniczający prąd (2,2 kΩ).

    Prosty spektrofotometr - zbuduj i poznaj zasadę działania

    Aby można było wybrać dokładną długość fali (kolor światła zależy wprost od długości fali), potrzebne jest najpierw rozszczepienie światła białego na widmo. Można tego dokonać najlepiej za pomocą siatki dyfrakcyjnej, ale jako że jest to element trudno dostępny, można wykorzystać fragment płyty CD. Rzecz jasna, ta ostatnia nie rozszczepi światła tak dobrze, jak prawdziwa siatka dyfrakcyjna.

    Wybór właściwej długości fali następuje na skierowanie widma na bardzo wąską szczelinę, wykonaną np. w arkuszu kartonu bądź blachy. Fala będzie wybierana poprzez obrót płyty CD zamontowanej na silniku krokowym względem źródła światła.

    Prosty spektrofotometr - zbuduj i poznaj zasadę działania

    Silnik krokowy może być sterowany np. za pomocą Arduino. Autor załączył przykładowy wsad dla procesora, dostępny jest on na stronie projektu.

    Prosty spektrofotometr - zbuduj i poznaj zasadę działania

    Szczelina, jak wspomniano powyżej, powinna być bardzo wąska – jest to trudne w warunkach domowych, więc w urządzeniu autora znajdują się dwie, szersze szczeliny, przesunięte względem siebie, co umożliwia wybranie bardzo wąskiego zakresu spektrum światła.

    Prosty spektrofotometr - zbuduj i poznaj zasadę działania

    Do detekcji światła przechodzącego wykorzystany został fotorezystor. Teoretycznie można by mierzyć same zmiany oporu za pomocą omomierza, ale „zgrabniej” jest wykorzystać prosty wzmacniacz i woltomierz, pozwoli to rejestrować mniejsze zmiany w natężeniu światła padającego na fotorezystor. W urządzeniu pracuje układ oparty o kostkę TL081 – schemat znajduje się poniżej.

    Prosty spektrofotometr - zbuduj i poznaj zasadę działania
    Prosty spektrofotometr - zbuduj i poznaj zasadę działania

    Gotowa konstrukcja znajduje się na tytułowej fotografii.

    Sam pomiar należy przeprowadzać następująco: ponieważ fotorezystor nie jest selektywny i reaguje na każde padające na niego światło, pomiar należy prowadzić w ciemnym pomieszczeniu lub umieścić urządzenie w pudełku. Także ponieważ odpowiedź fotorezystora zależy od długości fali świetlnej padającej na niego, należy przeprowadzić pomiar ślepy. W tym celu należy wypełnić kuwetę wodą destylowaną (albo innym rozpuszczalnikiem stosowanym do roztworzenia próbki) i zanotować wartości napięcia na wyjściu wzmacniacza dla wybranej do badania długości fali bądź fal. Po zakończeniu tego procesu, kuwetę należy wypełnić badanym roztworem i dokonać analogicznych pomiarów, zważając, aby użyć tej samej długości fali bądź fal.

    Prosty spektrofotometr - zbuduj i poznaj zasadę działania

    Następnie, posługując się prawem Lamberta-Beera należy wyliczyć wartości absorbancji: $$A = log \frac{I_0}{I}$$
    gdzie I0 to intensywność światła padającego na próbkę (ze ślepej próby), a I – intensywność światła przechodzącego przez próbkę.

    Na poniższych obrazkach można zobaczyć widma, jakie autor zarejestrował np. dla próbek żywności i dla roztworu błękitu metylenowego. Niestety, w zaproponowanym rozwiązaniu nie można dokładnie stwierdzić, przy jakiej konkretnej długości fali prowadzony jest pomiar.

    Prosty spektrofotometr - zbuduj i poznaj zasadę działania
    Prosty spektrofotometr - zbuduj i poznaj zasadę działania
    Prosty spektrofotometr - zbuduj i poznaj zasadę działania

    Więcej szczegółów można znaleźć na stronie źródłowej.

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    Kubald
    Poziom 15  
    Offline 
    Specjalizuje się w: spektroskopia exafs/xanes, uc, it
    Kubald napisał 188 postów o ocenie 74, pomógł 0 razy. Mieszka w mieście Kraków. Jest z nami od 2004 roku.
  • Computer ControlsComputer Controls
  • #2
    stachu_15
    Poziom 11  
    Biała dioda LED nie da wiarygodnych wyników. Chyba, że ktoś specjalnie chce mieć okrojone widmo promieniowania oświetlającego do zakresów niebieskiego i żółtego. Powinna być zastosowana lampa halogenowa, może być nawet taka żaróweczka, jakie np. stosuje się do podwieszanych sufitów. W komercyjnych spektrofotometrach również wykorzystuje się halogeny, bo mają one prawie identyczne widmo promieniowania jak nasze Słoneczko :)
    A wracając do diod, to dlaczego by nie zaobserwować wtedy jak rozkłada się owe widmo ich promieniowania, rozszczepiając je na pryzmacie czy siatce.
  • #3
    Pokrentz
    Poziom 21  
    Halogen jest dobry, ale świeci jak (w przybliżeniu) ciało czarne w temp. 3000 K. Słońce jest cieplejsze, ok. 5500 K. Dlatego jako symulatora światła słonecznego uzywa się ksenonowych lamp wyładowczych (łukowych), takich, jak w projektorach kinowych.
    Niemniej jednak tak spektrofotometr jest ciekawą zabawką.

    Mozna go ulepszyć przy zastosowaniu pryzmatu zamiast siatki dyfrakcyjnej i dorobieniu układu optycznego w postaci kolimatorów soczewkowych. Zamiast przybliżonej długości fali mozna użyć dużo dokładniejszej - trzeba zdjąć widmo świetlówki kompaktowej, w której będzie widać piekne linie rtęci o znanej długości fali, neonówki tablicowej (tu trzeba już zidentyfikowac gazy w środku, pewnie hel z neonem) czy choćby próbki róznych soli wprowadzanych do płomienia (np. sól kuchenna daje żółtą linię sodu. jak juz mamy kilka punktów na wykresie kalibracji, dopasowujemy jakąs gładką krzywą typu wielomian 3-go stopnia i można się bawić sporo precyzyjniej.
  • Computer ControlsComputer Controls
  • #5
    Pokrentz
    Poziom 21  
    Dałoby radę, ale rozdzielczośc widmowa byłaby wyjątkowo niska (w porywach 100 nm). Zaledwie mógłbyś powiedzieć, czy jakiś filtr tak badany jest czerwony, żółty, zielony czy niebieski, ew. purpurowy albo niebieskozielony.
  • #6
    andrzejlisek
    Poziom 28  
    tomek10861 napisał:
    Zastanawia mnie jak by światło puścić bezpośrednio (bez siatki dyfrakcyjnej) na matrycę kamery internetowej, a następnie badać poszczególne składowe kolorów (RGB). Dało by tym radę? :)


    W ten sposób mógłbyś otrzymać co najwyżej kolorymetr. Najpierw trzebaby skalibrować w stosunku do barwy kilku lamp o znanej barwie (w najgorszym wypadku prawidłowo skalibrowany monitor komputerowy wyświetlający barwy podstawowe i białą) i mógłbyś mierzyć temperaturę barwową dowolnej lampy, a może nawet w przybliżeniu współrzędne CIEXYZ, tylko, że zakres będzie ograniczony gamutem użytej matrycy, może nawet jeszcze nieco mniejszy.
  • #7
    Greyangel
    Poziom 14  
    Dodam tylko od siebie bo urządzenia pomiarowe to mój konik ;) i nie mogę się powstrzymać. Spektrofotometry dzielą się na absorpcyjne i emisyjne ten tutaj to jednowiązkowy absorpcyjny mierzący absorpcję danej długości fali przez próbkę. W połączeniu z prawem Lamberta-Beera można wyznaczyć stężenie czynnika absorbującego.

    W spektrofotometrach profesjonalnych używa się raczej siatek dyfrakcyjnych niż pryzmatów. Z odpowiednimi siatkami jest maleńki problem na szczęście można to fajnie obejść poprzez odpowiednie wypalenie płyty CD i jej wygięcie tak by rozsunąć widmo. Tak samo w profesjonalnych spektrofotometrach używa się lamp halogenowych (VIS) i rtęciowych lamp kwarcowych (UV) takich jak z lampy ulicznej (konieczne sterowanie mocą). Kolejna sprawa to driver fotodiody, stosuje się od razu układy logarytmujące. W asortymencie Maxim-Dallas jest specjalistyczny i dedykowany pod to układ (dwuwiązkowy). Ci którzy nie mogą zamówić sampla muszą się bawić z logarytmującym wzmacniaczem operacyjnym a jeśli nie mogą go zdobyć to muszą go zrobić i do tego fajnie mieć co najmniej jedną parę komplementarną NPN. Od razu powiem że zastosowanie zwykłego wzmacniacza i ADC jest tu jedynie półśrodkiem bo układ taki będzie bardzo nieprecyzyjny w zakresie wysokich absorbancji.

    Tak zrobiony spektrofotometr jest wolny bo silnik musi przemieść cały zakres długości fali. Szybsze jest rozwiązanie spotykane w spektrofotometrach emisyjnych. Tam światło pada na siatkę i jest rzucane od razu na linijkę diodową o konstrukcji podobnej jak w skanerach stołowych ale o lepszych parametrach. Odbierana z linijki ramka zawiera od razu informacje o długości fali i intensywności promieniowania. Takie spektrofotometry są znacznie szybsze. Spektrofotometry w zakresie IR są w zasadzie nieco podobne jednak optyka jest inna i wymagają one innych materiałów.

    Dobra, kończę żeby nie zaśmiecać forum :). Jakby ktoś był zainteresowany rozwinięciem jakiegoś zagadnienia to jest taka możliwość.

    Dodano po 8 [minuty]:

    tomek10861 napisał:
    Zastanawia mnie jak by światło puścić bezpośrednio (bez siatki dyfrakcyjnej) na matrycę kamery internetowej, a następnie badać poszczególne składowe kolorów (RGB). Dało by tym radę? :)


    TCS3200D, TCS3414CS, TCS34717FN wszystkie trzy są czujnikami koloru i mogą zostać zastosowane do spektrofotometru odbiciowego. W takim spektrofotometrze światło ulega odbiciu od badanego przedmiotu i jest analizowane. W asortymencie znanej firmy jest także gotowy kit. Warto nadmienić że taki niepozorny spektrofotometr może pomóc np. dobrać kolor farby na ścianę bądź lakieru do samochodu a także jak dana farba płowieje jakby kogoś to interesowało. A zrobi to lepiej niż niejedne oko no może z wyjątkiem wytrawnego kolorysty.
  • #8
    Kubald
    Poziom 15  
    @Greyangel, kolega czasami nie myli spektrofotometru ze spektrometrem? O ile spektrometr może być albo emisyjny (AES czy ICP-OES) albo absorpcyjny (AAS, FT-IR) albo odbiciowy (ATR-IR), to spektrofotometr z założenia jest zawsze absorpcyjny. Prawo Bouguera-Lamberta-Beera dotyczy tylko absorpcji promieniowania, o żaden emisji nie ma mowy. A rozwiązanie, które tutaj kolega określa jako "emisyjne", to tak zwane spektrofotometry z detektorem DAD (diode array detector). :-)
  • #9
    Greyangel
    Poziom 14  
    Kubald napisał:
    @Greyangel, kolega czasami nie myli spektrofotometru ze spektrometrem? O ile spektrometr może być albo emisyjny (AES czy ICP-OES) albo absorpcyjny (AAS, FT-IR) albo odbiciowy (ATR-IR), to spektrofotometr z założenia jest zawsze absorpcyjny.


    Racja. Trochę pogubiłem się w nomenklaturze.

    Kubald napisał:
    Prawo Bouguera-Lamberta-Beera dotyczy tylko absorpcji promieniowania, o żaden emisji nie ma mowy.


    No i nigdzie chyba nie napisałem o prawie L-B w kontekście emisji.

    Kubald napisał:
    A rozwiązanie, które tutaj kolega określa jako "emisyjne", to tak zwane spektrofotometry z detektorem DAD (diode array detector). :-)


    Tu obydwaj mamy rację bo po pierwsze to rozwiązanie używane jest w detektorach do HPLC tj. DAD gdzie konieczna jest prędkość działania. Poza tym ja właśnie pracuję na spektrometrze emisyjnym pracującym dokładnie tak jak to tutaj przedstawiłem. Badamy nim emisję plazmy.
  • #10
    sq4avs
    Poziom 12  
    Fajna sprawa sam kiedyś zrobiłem taki układzik tylko z źródłem led linki
    https://sites.google.com/site/sq4avs/spektrokolorymetr
    w avt jest pcb do tego układu i wsad do procesora tu dyskusja
    http://silesia-it.nazwa.pl/vmc/forum/viewtopic.php?f=32&t=21263&start=25
    a tu linki jak zrobić spektrofotometr komputerowy. Wszystko jak na tacy wyszukane i podane, czas na budowe spektrofotometru z maksimum 1h, komputerowy, linki do softu, przykłady, szczegółowy opis, można nawet Ramana badać
    http://www.sciencemadness.org/scipics/spectroscope_2006.pdf
    http://rsb.info.nih.gov/ij/download.html
    http://books.google.pl/books?id=bRWd5bGhXM4C&...ientist%E2%80%99s%20Spectrophotometer&f=false
    Białe diody led (nie rgb) tylko te
    www.cree.com/products/pdf/xlamp7090xr-e.pdf
    wygląda że mają widmo ciągłe choć nie jest ono tak równe jak np. w halogenie.
    Taki speltrofotometr jest bardzo prosto wykalibrować wzorzec łatwodostępny słońce -linie Fraunhofera
    Przydało by się też źródło światła zmodulować choćby mechanicznie czoperem
  • #11
    Greyangel
    Poziom 14  
    Dzięki za te linki. Mieć swojego Ramana to już coś :).
  • #12
    gal_kris
    Poziom 10  
    Temat dość stary ale musze przyznać fascynujący, mam pytanie czy ktoś próbował wykonać takie testy dla diod IR? szukam jak zrobić prosto urządzenie które będzie rozpoznawać jakie diody ir są zastosowane w oświetlaczu podczerwieni