Stabilność linii bazowej spektrometrów MicroNIR
Ultrakompaktowy spektrometr MicroNIR firmy VIAVI zachowuje się bardziej jak czujnik niż tradycyjny spektrometr skanujący lub dyfrakcyjny. Zawiera on zmienny filtr liniowy (LVF) – technologię należącą do firmy VIAVI i używaną w wielu misjach kosmicznych oraz systemach optycznych w zakresie światła widzialnego, bliskiej podczerwieni (NIR) i podczerwieni (IR). Ponieważ wspomniana technologia została zakwalifikowana do wykorzystania w kosmosie, stabilność optyczna tych filtrów jest nadal niedościgniona na rynku spektrometrów. Poniższe rysunki pokazują zasadę działania technologii LVF i spektrometru MicroNIR.
Rys. 1. Zasada działania LVF i przekrój spektrometru MicroNIR (objaśnienia: detector array – macierz detektora, dispersed light – świało rozszczepione, undispersed light – światło nierozszczepione, sample – próbka, sapphire window – okno szafirowe, tungsten lamps – lampy wolframowe, collection optics – układy ogniskujące, control and readout electronics – układy kontrolno-odczytujące)
Ponieważ element dyspersyjny spektrometru jest oparty o transmisję światła (bierną) i nie posiada części ruchomych, statyczna konstrukcja systemu jest bardzo stabilna i powtarzalna w długim czasie i niezależnie od egzemplarza urządzenia. Tradycyjne spektrometry zwykle wymagają częstej aktualizacji wzorca 100% i pomiarów widma tła szumów (dark current) przetwornika optycznego, aby utrzymać powtarzalność widmową w funkcji czasu. Pomiary wzorcujące oznaczają pobranie w danym momencie widma znanego wzorca. Niestety, pomimo stabilności wzorca i wykonania go ze znanego materiału, zebrane skany wzorcowe mogą znacznie się od siebie różnić z powodu subtelnych zmian jednorodności próbki i różnego umieszczenia próbki w spektrometrze. Dodatkowo występujące w czasie zmiany intensywności lampy oświetlającej oraz temperatury otoczenia mogą również wpłynąć na stabilność przyrządu.
Aby zbadać stabilność spektrometru MicroNIR 1700, monitorowano widma wzorca długości fali NIST SRM 2036 przy użyciu pojedynczego 100% pomiaru wzorca w ciągu 30 dni. Dla każdego pobranego widma przed jego pobraniem aktualizowano widmo tła korzystając z opcji auto-zero, gdy lampy są wyłączane, pobierane jest ciemne widmo tła, a następnie włącza się lampy, by pobrać widmo próbki. W sumie zebrano 12839 widm w ciągu różnych dziesięciu dni w 30-dniowym okresie. Dane w każdym z dziesięciu dni były zbierane w przypadkowych momentach, by oddać rzeczywiste ich użycie u klienta. Podczas pobierania danych wykonywano dwa skany na minutę, zatem skany reprezentowane w tym badaniu pokazują ponad 106 godzin pracy przez 30 dni. Rysunek 2 pokazuje wszystkie zebrane widma absorpcyjne.
Rys. 2. 12839 widm absorpcyjnych wzorca NIST SRM 2036
NIST SRM 2036 jest wzorcem dokładności długości fali, a nie wzorcem fotometrycznym, zatem można spodziewać sie pewnych zmian widma z powodu umieszczenia próbki w spektrometrze MicroNIR. Rysunek 3 pokazuje ten sam zbiór widm absorpcyjnych po zastosowaniu korekcji linii bazowej transformacją SNV. Transformacja SNV jest stosowana do danych spektroskopowych w celu usunięcia efektów różnicy rozpraszania pomiędzy próbkami. Każde widmo jest centrowane, a następnie skalowane przez odchylenie standardowe.
Rys. 3. Widma absorpcyjne NIST SRM 2036 skorygowane transformacją SNV
Jak widać na rys. 3, zastosowanie korekcji linii bazowej usuwa praktycznie całą zmienność widma spektrometru MicroNIR 1700 w zakresie 950-1650 nm. Rysunek 4 pokazuje odchylenie standardowe dla poszczególnych pikseli 12839 skanów oryginalnych i skorygowanych transformacją SNV widm w 30-dniowym okresie.
Rys. 4. Odchylenie standardowe pikseli wzorca NIST SRM 2036 w okresie 30 dni
Każda aplikacja chemometryczna jest unikalna. Ponieważ każdy model kalibracyjny jest inny, wpływ stabilności linii bazowej powinien być zbadany dla każdego modelu. W wyniku otrzymujemy lepsze zrozumienie rzeczywistych efektów wpływu czasu między pomiarami wzorcującymi na jakość modelu.
Dane przedstawione w niniejszym dokumencie pokazują stabilność linii bazowej możliwej do uzyskania w przyrządzie MicroNIR 1700 w 30-dniowym okresie. Dzięki temu MicroNIR 1700 można stosować z dużym zaufaniem w długich przedziałach czasu, gdyż wywołuje to bardzo małe zmiany jego parametrów.