Спектрометр света для андроида

Сайт о нанотехнологиях #1 в России

Профессор химии Александр Щилин (Alexander Scheeline) из Университета Иллинойса сделал из мобильного телефона спектрометр, чтобы увлечь школьников аналитической химией.

Профессор собрал основной научный инструмент химика из недорогих материалов и цифровой камеры. Спектрофотометрия является одним из наиболее широко используемых средств для идентификации и определения количества материалов. Если, например, нужно измерить количество протеина в мясе, воды в зерне или железа в крови – нужен спектрометр.

Студент не может оценить работу спектрофотометрии, если пользуется загадочным «ящиком» лабораторного спектрометра. Он не понимает, что происходит внутри и просто меняет образцы и записывает результаты, – объясняет Александр Щилин. – Это не помогает учебному процессу. Если вы хотите научить кого-то творчески использовать инструмент и улучшать его, нужно что-то попроще и понятнее».

Рис. 1. Это все, что нужно для изготовления спектрометра.

Если вы хотите обратить внимание на недостатки инструмента, намного проще, когда эти недостатки очень большие и не компенсируются сложностью устройств и настройкой», – объясняет Александр Щилин.

В спектрометре белый свет проходит сквозь образец материала, который поглощает определенные длины волн света. Затем дифракционная решетка раскладывает свет на цвета, и химики могут анализировать спектр, определяя свойства образца.

Рис. 2. Собранный спектрометр. Светодиод просвечивает кювету прямо напротив решетки, которая закреплена прозрачным скотчем.

В качестве источника света профессор Щилин использовал один светодиод, питаемый 3-вольтовой батарейкой. Дифракционную решетку, кюветы для образцов в США купить несложно и в итоге все оборудование стоит менее 3 долл. Осталось найти подходящую цифровую камеру, и тут ученый вспомнил, что у каждого школьника и студента есть мобильный телефон. После этого осталось только решить проблему обработки данных. Для этого профессор написал программу анализа спектров по фотографиям в формате jpeg и выложил ее в свободный доступ в интернет вместе с исходными кодами.

Впервые Александр Щилин продемонстрировал свое изобретение во время работы по программе обмена в Ханое (Вьетнам). Вьетнамские студенты не имели опыта работы с научными приборами, но с энтузиазмом приступили к экспериментам с сотовым телефоном-спектрометром.

Рис. 3. Мобильный телефон не заменит в серьезных научных исследованиях точный спектрометр, но не у каждого школьника есть 3000 долл. карманных денег для хобби.

В Соединенных Штатах профессор использовал самодельный спектрометр в ходе уроков в средней школе. К концу 45-минутного урока ученики усвоили вещи, которые ускользают от большинства учеников, использующих только учебники. Например, один ученик спросил о влиянии рассеянного света на чувствительность камеры и ее способность считывать спектр.

Старшеклассник, который еще час назад почти ничего не знал о спектрофотомерии, обнаружил основную проблему всех спектрометров, – радуется Александр Щилин. – С тех пор, как я начал преподавать, я пытался объяснить своим студентам концепцию воздействия рассеянного света на спектрометр и влияние этой проблемы на качество работы оборудования. И вдруг я увидел, как школьник сам понял суть этой проблемы и задал мне правильный вопрос!»

Ученый с радостью делится своим изобретением со школьными учителями и преподавателями ВУЗов на различных семинарах и с помощью интернета. Он надеется, что его изобретение усовершенствуют, например, напишут программу обработки изображений для смартфонов, что позволит избавиться от необходимости использовать компьютер. Мобильный телефон-спектрометр может увлечь массу людей аналитической химией, которая многим кажется сложной и непонятной наукой. Однако изобретение Александра Щилина демонстрирует, что врожденную любознательность человека легко пробудить – достаточно предложить простые, понятные и увлекательные творческие эксперименты.

Источник

Самодельный спектрометр с высоким разрешением

Хорошее разрешение достижимо

В интернете много публикаций о том, как используя DVD-R диск и смартфон можно собрать спектрометр, однако характеристики таких устройств не позволяют проводить точные измерения. Мне же удалось сделать прибор с разрешением 0,3 нм.

Основные характеристики

Спектрометр работает в диапазоне 400-700 нм с разрешением 0,3 нм. Применяются сменные оптические щели шириной 50, 100, 200 и 300 микрон. Дифракционная решетка с шагом 740 нм изготовлена из DVD-R диска. Регистрация спектра выполняется зеркальной фотокамерой Nikon D5100. Прибор выполнен в крепком корпусе, позволяющем сохранять настройки при перемещениях.

Конструкция и изготовление прибора

Дифракционная решетка

Просто красивый спектр свечи на DVD-R диске

Диск был расслоен на две половины и разрезан на части, которые после промывания спиртом были помещены в рамки. Дифракционная решетка готова.

Дифракционная решетка из DVD-R диска

Изготовление сменных оптических щелей

В дюралевой пластине сверлю отверстие диаметром 8 мм. Клеевым пистолетом закрепляю половинку лезвия безопасной бритвы, располагая режущую кромку по центру отверстия. Вставляю в отверстие щуп толщиной 50 мк, плотно прижимаю вторую половину лезвия и приклеиваю ее. Аналогично делаю щели 100 мк, 200 мк и 300 мк. Сменные оптические щели готовы.

Корпус спектрометра

Делаю деревянный корпус. Окрашиваю внутри и снаружи в черный цвет.

Оптика и регистрация спектра — фотоаппарат NIKON D5100

Зеркальная фотокамера NIKON D5100

Примерно на 3000 пикселей матрицы приходится около 300 нм видимого спектра. Т.е. 1 пикселю соответствует 0.1 нм. Для надежной регистрации линии нам нужно два-три пикселя. Расчеты показывают, что для такого разрешения размеры оптической щели должны быть порядка 100 микрон. Было сделано несколько щелей для выбора лучшего варианта экспериментальным путем.

Чтобы получить такое разрешение необходим зеркальный фотоаппарат с хорошим объективом. Смартфон и веб-камера не подходят. Требуется большая апертура и ручные настройки. На данный момент на Авито можно приобрести подходящую камеру по цене от 5 до 10 тысяч рублей.

Настройка и калибровка спектрометра

Калибровка прибора проводилась перед каждой серией экспериментов по известному спектру компактной ртуть содержащей люминесцентной лампы.

Лампа для калибровки

Определение длины волны линий исследуемого спектра возможно без специального программного обеспечения. Ниже спектр лампы с линиями ртути 435,8 нм, 546,0 нм, 577,0 нм и 579,1 нм. Линия 611 это уже Европий.

Спектр лампы с линиями ртути Две линии ртути крупным планом Еще крупнее

Расстояние между линиями 2, 1 нм. Половина ширины линии на кадре не более 0,3 нм, что соответствует примерно 3 пикселям матрицы. Делаем вывод – разрешение прибора 0,3 нм. Что в дальнейшем подтвердится съемкой двойной линии натрия.

Для построения спектральных кривых можно использовать программу сайта Spectral Workbench

Спектр лампы, которую я применял для калибровки

Измерение различных спектров

Были проведены несколько классических экспериментов.

Снят спектр Солнца. Высота 13 градусов над горизонтом. Полдень Спектр от трех лазеров с длинами волн 405 нм, 532 нм и 650 нм Опыты по определению концентраций растворов KMnO4 Спектр пламени газовой горелки

Самый интересный эксперимент, ради которого и был изготовлен спектрометр — измерение спектра пламени костра

На фоне непрерывного спектра была зарегестрированна яркая линия, которую я назвал линией огня.

Обработка результата

Совмещаем спектр калибровочной лампы и исследуемый спектр на одном кадре. Зная расположение известных линий ртути, можно определить искомую длину волны, путем замеров и последующих расчетов.

Слева спектр калибровочной лампы. По центру спектр пламени

Полезные ссылки:

Сайт Spectral Workbench. Используя программы на сайте можно обрабатывать спектры и получать графики интенсивности в зависимости от длины волны.

Информационная система «Электронная структура атомов». Очень удобный русскоязычный ресурс по спектральным данным атомов и ионов.

Источник

МИНИ-СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ СМАРТФОНА

МИНИ-СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ СМАРТФОНА

Даниловских М.Г. 1, *, Винник Л.И. 2 , Стрещук В.А. 3

1 ORСID: 0000-0002-4603-0745;

2 ORCID: 0000-0002-8458-5944,

1, 2, 3 Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого, Великий Новгород, Россия

* Корреспондирующий автор (mikhail.danilovskikh[at]novsu.ru)

Аннотация

В статье рассматривается вопрос создания мини-спектрометра для смартфона с целью получения, обработки спектров в диапазоне 400-760 нм и отображения их на экране смартфона. Мини-спектрометр на базе смартфона используется в качестве комбинированной автономной системы позволяющей выполнять спектроскопические измерения в режиме реального времени в полевых условиях. Результаты обработки измерений могут храниться в памяти смартфона или могут быть переданы на удаленную станцию для более качественной обработки.

Ключевые слова: экспресс-анализ, входная щель, диспергирующий элемент, акриловый световод, детектор.

MINI SPECTROMETER FOR SMARTPHONE

Danilovskikh M.G. 1, *, Vinnik L.I. 2 , Streshchuk V.A. 3

1 ORCID: 0000-0002-4603-0745;

2 ORCID: 0000-0002-8458-5944,

1, 2, 3 Yaroslav-the-Wise Novgorod State University, Veliky Novgorod, Russia

* Correspondent author (mikhail.danilovskikh[at]novsu.ru)

Abstract

The article discusses the creation of a mini spectrometer for a smartphone to obtain and process spectra in the range of 400-760 nm and display them on the smartphone screen. A mini spectrometer for a smartphone is used as a combined autonomous system enabling users to perform spectroscopic measurements in real time in the field. The results of processing measurements can be stored in the smartphone memory or can be transferred to a remote station for better processing.

Keywords: rapid analysis, entrance slit, dispersing element, acrylic beam waveguide, detector.

Введение

Спектральные методы анализа — это методы, основанные на изучении взаимодействия электромагнитного излучения с исследуемым веществом. При этом изучается распределение исследуемых параметров по длинам волн излучения или энергиям квантов.

Спектральные методы анализа, работающие в инфракрасном (ИК), видимом и ультрафиолетовом (УФ) диапазонах называют оптическими. Они больше всего применяются в спектральных исследованиях вследствие сравнительной простоты оборудования для получения и регистрации спектра.

Спектральные методы анализа успешно применяются во многих областях науки и техники. Примерами могут служить криминалистика, токсикология, геммология, органический синтез новых соединений, медицина, экология, металлургия и т.д.

Спектральные анализы выполняют, как правило, в лабораториях, оснащенных современными спектральными приборами (рис. 1) и имеющих квалифицированный персонал.

Рис. 1 – Лабораторные измерительные спектрометры различного назначения

Часто возникает необходимость в проведении «экспресс-анализа» — спектрального анализа на месте нахождения анализируемого объекта с целью одномоментной оценки, а также при возникновении чрезвычайных ситуаций. В этом случае дорогое, габаритное и сложное лабораторное измерительное оборудование не может быть использовано.

В настоящее время для экспресс-анализа в полевых условиях применяют либо простые оптические спектрометры, пользоваться которыми могут только специалисты либо дорогостоящие мини-спектрометры (стоимостью от 50000 рублей и выше) (рис. 2). Мини-спектрометры — это отдельные устройства, некоторые из них имеют возможность подключения к смартфону для передачи данных о снятых спектрах в общую базу данных.

Рис. 2 – Примеры мини-спектрометров различного назначения

Создание комбинированной автономной системы на базе смартфона позволит выполнять спектроскопические измерения в режиме реального времени в полевых условиях, используя такие достоинства спектрального «экспресс-анализа», как простота, доступность, оперативность, портативность используемой аппаратуры, без необходимости в использовании дорогостоящей аппаратуры.

Основные сведения

Спектрометр представляет собой систему визуализации, распределяющую множество монохроматических изображений в плоскости детектора.

Типичная оптическая схема спектрометра в основном содержит элемент определяющий размер светового потока (входная щель), диспергирующий элемент (разложение в спектр) и элемент детектирования (регистрации спектра).

Входная щель спектрометра функционирует как входной интерфейс, от входной щели зависят такие рабочие характеристики спектрометра как спектральное разрешение и пропускная способность, поскольку она задает размер светового потока, попадающего на оптическую часть. Щели могут иметь разную ширину — от 5мкм до 800мкм и более, высота щели составляет 1мм (стандартно) — 2мм. В основном в спектрометрах применяются щели шириной 10, 25, 50, 100, 200мкм и т.д.

В качестве диспергирующего элемента применяется в основном дифракционная решетка формирующая спектр длин волн света. Правильный выбор дифракционной решетки является важным фактором для получения требуемых характеристик спектра. От решетки зависит оптическое разрешение и эффективность распределения в спектре. Основным параметром нарезной решётки является частота штрихов.

Детектор, подключенный к спектрометру, может анализировать выходной сигнал, называемый спектром, для количественного определения каждого компонента длины волны, присутствующего во входном сигнале. В современных спектрометрах в качестве регистрирующего устройства применяются детекторы на линейных- и ПЗС-матрицах, являющихся следующим шагом развития спектрометров со штриховой решеткой. Поскольку случайный свет попадает на пиксели через ПЗС-матрицу, то каждый пиксель берет на себя часть спектра, который электронная система прибора может преобразовать и отобразить с помощью программного обеспечения. Это преимущество позволяет конструировать спектрометры без подвижных компонентов, что приводит к сокращению размеров и энергопотребления. Применение компактных многоэлементных детекторов — это резкое сокращение затрат, компактные размеры спектрометров, которые получили название «мини-спектрометры».

Конструкция мини-спектрометра

Современный смартфон – это мощное вычислительное устройство, обладающее многочисленными расширенными возможностями, включая: встроенный процессор для обработки данных, ЖК-дисплей для отображения в реальном времени, порт USB для обмена информацией с внешними приемниками/источниками, операционная система для поддержки рабочей среды и возможность беспроводной связи для подключения к другим сотовым телефонам или интернету.

Все эти соображения делают смартфон идеальной платформой для поддержки приложений реального времени, связанных со спектрометром. С другой стороны, физически невозможно интегрировать спектрометр в смартфон, если размер/объем спектрометра существенно не уменьшится.

Таким образом, задача заключалась в создании мини-спектрометра для смартфона, работающего в первом порядке длин волн, с целью регистрации, первичной обработки спектра, определения длин волн в диапазоне 400-760нм, оценки качества спектра источника излучения и выявления его особенностей.

Это достигается тем, что мини-спектрометр состоящий из непрозрачного корпуса крепится на смартфон. Внутри непрозрачного корпуса размещено оптически однородное монолитное тело из акрила, с одной стороны которого вклеена проходная пластиковая дифракционная решётка, с другой стороны сформировано выходное зеркало для проецирования спектра на камеру смартфона. Камерой смартфона производится регистрация спектра излучения, процессором смартфона производится обработка параметров регистрируемого спектра согласно специально разработанной программе. Результат обработки спектра выводится на экран смартфона.

Оптически однородное монолитное акриловое тело в мини-спектрометре применено для устранения проблем связанных с юстировкой, регулировкой, вибрацией и т.д. Неиспользуемые поверхности акрилового тела покрываются черным эпоксидным клеем с показателем преломления приблизительно равным показателю преломления акрилового тела.

Общий вид мини-спектрометра укрепленного на смартфоне, показан на (рис. 3).

Рис. 3 – Мини-спектрометр укрепленный на смартфоне

Мини-спектрометр (рис. 4) состоит из акрилового световода 1, входной щели 2 расположенной на щелевой камере 3, пластиковой дифракционной решетки 4, вклеенной на входной поверхности 5 монолитного акрилового тела 6, выходной поверхности 7, срезанной под углом 45 о , покрытой алюминием и фторидом магния для защиты алюминиевого покрытия от окисления на воздухе, и являющейся выходным зеркалом для проецирования спектра на камеру смартфона.

Рис. 4 – Конструкция оптической схемы мини-спектрометра

Работает мини-спектрометр следующим образом. Излучение исследуемого источника света через акриловый световод 1 проецируется на щель 2 (4Í0,2мм), находящуюся на щелевой камере 3 под скользящим углом 35 о . Далее изображение щели проецируется на проходящую пластиковую дифракционную решётку 4 (1000штр./мм), вклеенную на входную поверхность 5 монолитного акрилового тела 6. Разложенное решёткой в спектр изображение щели, пройдя монолитное акриловое тело, поступает на плоское зеркало 7 и, отразившись от него, проецируется в объектив камеры смартфона.

На (рис. 5) представлен экран смартфона с интерфейсом программы управления, регистрации и обработки спектра излучения.

Заключение

Таким образом, применение комбинированной автономной системы мини-спектрометр/смартфон удобно для пользователя, т.к. позволяет быстро производить регистрацию спектра, визуально наблюдать полученное изображение спектра излучения, оперативно обрабатывать полученное изображение. Специально разработанная программа позволяет выполнять три базовых спектроскопических измерения, а именно: измерять спектры поглощения, отражения и испускания. Интерфейс программы позволяет выбирать способ обработки спектра, отобразить данные в режиме реального времени, оценить работу спектрометра и оперативно изменить настройки, сразу же отобразить результат изменения и сохранить данные, а при необходимости передать донные посредством Интернет на удаленную станцию для дальнейшей обработки.

На данную разработку была подана заявка на полезную модель. На данный момент получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Ландсберг Г.С. Оптика. Учеб. пособие: Для вузов. — 6-е изд., стереот. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 848 с.
2. Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. Изд. 2-е, доп. И перераб. Л.: Машиностроение, 1975. 312 с.
3. Зайдель А.Н. Техника и практика спектроскопии / Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. // М.: Наука, 1972.
4. Лебедева В.В. Экспериментальная оптика. – 4-е изд.- М.: Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 2005. – 282 с.
5. Павлычева Н.К. Спектральные приборы с неклассическими дифракционными решетками. Казань: Издательство Казан, гос. техн. ун-та, 2003. 198 с.
6. Путьмаков А.Н. Новые возможности модернизированных спектральных приборов / Путьмаков А.Н., Попов В.И., Лабусов В.А. и др. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. Специальный выпуск. 2007. Т. 73. С. 26-28.
7. Васильева И.Е. Градуировка методик атомно-эмиссионного анализа с компьютерной обработкой спектров / Васильева И.Е., Кузнецов A.M., Васильев И.Л. и др. // Журнал аналит. Химии. 1997. Т. 52, № 12. С. 1238-1248.
8. Спектральный анализ чистых веществ / под ред. Х.И. Зильберштейна. Санкт-Петербург: Химия, 1994.
9. Лабусов В.А. Многоканальный спектрометр «Колибри-2» и его использование для одновременного определения щелочных и щелочноземельных металлов методом пламенной фотометрии / Лабусов В.А., Путьмаков А.Н., Саушкин М.С. и др. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. Специальный выпуск. 2007. Т. 73. С. 35-39.
10. Решение о выдаче патента на полезную модель № 2487 от 25.09. 2018г. как «Мини-спектрометр для смартфона»

Список литературы на английском языке/ References in English

Источник