The Advantages of a Compact, Thermoelectrically-Cooled Fiber Optic Spectrometer for Raman and Fluorescence Spectroscopy

Význam tématu

Compactní vláknové spektrometry nacházejí uplatnění v analytické chemii pro měření fluorescence i Ramanovy spektroskopie. Díky nízké intenzitě vysílaného nebo rozptýleného světla jsou však kladeny vysoké nároky na detekční limity a šum detektoru. Termoelektrické chlazení detektoru představuje průlomové zlepšení, které umožňuje výrazně snížit temný šum a rozšířit možnosti analýzy slabých signálů.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo porovnat výkonnost termoelektricky chlazeného spektrometru a standardního nechlazeného zařízení pro aplikace fluorescence a Ramanovy spektroskopie. Analýza zahrnovala vyhodnocení šumových charakteristik, detekčních limitů a kvality získaných spekter.

Použitá metodika a instrumentace

Studie vycházela z teorie šumu v CCD detektorech, kde jsou hlavními složkami readout noise, shot noise, dark noise a fixed pattern noise. Pro experimenty byl použit spektrometr Glacier X s 2048pixelovým CCD detektorem chlazeným TEC na 14 °C, optickou benchí typu crosserního-Czernyho–Turnera a rozlišením pod 0,2 nm.

Hlavní výsledky a diskuse

• Dark noise: Termoelektrické chlazení snížilo temný proud přibližně pětinásobně ve srovnání s nechlazeným zařízením při 30sekundové integraci.
• Fluorescence: U CdSe/ZnS kvantového bodu fluoreskujícího na 584 nm a 120s integraci byl u nechlazeného systému signál zcela zakryt šumem, zatímco chlazený systém vykázal jasný a rozlišitelný vrchol.
• Raman: Při měření acetaminofenu s 7s integrací neumožňoval vysoký základní šum nechlazeného spektrometru identifikaci Ramanových pásů, kdežto u chlazeného zařízení byly pásy zřetelné a s nízkým šumovým pozadím.

Přínosy a praktické využití metody

Termoelektrické chlazení nabízí:

• Nižší detekční limity pro slabé signály
• Širší dynamický rozsah měření
• Lepší dlouhodobou stabilitu základu
• Využití v biologii, farmaceutickém výzkumu a QA/QC laboratořích

Budoucí trendy a možnosti využití

Další rozvoj se očekává v oblasti miniaturizace TEC modulů, integrace spektrometrie s mikrofluidikou, automatizace laboratorních postupů a využití strojového učení pro pokročilou analýzu a potlačení šumu.

Závěr

Studie prokázala, že termoelektricky chlazený CCD spektrometr významně eliminoval temný šum a zlepšil kvalitu měření ve fluorescence i Ramanově spektroskopii. Umožňuje delší integraci, nižší detekční limity a rozšíření aplikací ve výzkumu i průmyslové analytice.

Reference

1. B&W Tek. Glacier X compact high performance TE-cooled CCD spectrometer. 2019.
2. B&W Tek. Exemplar Plus high performance smart spectrometer. 2019.