Sistemas de detecção espectroscópica por Dispositivo de Carga Acoplada (CCD) estão disponíveis com uma ampla gama de sensores e opções de resfriamento. O objetivo deste documento é ajudá-lo a selecionar as opções mais adequadas para sua aplicação. Praticamente toda a espectroscopia entre 200 nm e 1100 nm é realizada utilizando um detector multicanal baseado em silício e um espectrógrafo. A detecção multicanal possibilitou o uso da espectroscopia em aplicações de pesquisa e análise que antes não eram possíveis com a espectroscopia de varredura de canal único, oferecendo melhor desempenho de sinal-ruído e maior velocidade de aquisição.
Matrizes lineares de fotodiodos (PDAs) e CCDs oferecem aquisição de dados de baixo custo e alta velocidade para uma ampla gama de aplicações. Os CCDs bidimensionais oferecem as vantagens adicionais de tamanho de área de detecção variável e a capacidade de monitorar múltiplas fontes simultaneamente. Eles são tipicamente mais sensíveis e são usados em pesquisas de ponta e em aplicações industriais de análise multiponto.
Os sistemas de detecção CCD projetados especificamente para espectroscopia são às vezes chamados de câmeras. No entanto, eles incorporam sensores CCD que normalmente têm pixels maiores e são mais longos do que os CCDs usados para aplicações de imagem. Os CCDs para imagem geralmente têm 6 mm x 4 mm com pixels menores que 10 μm quadrados. Os CCDs espectroscópicos costumam ter 25 mm ou mais de comprimento e pixels em torno de 25 μm quadrados. Eles também não possuem mascaramento para transferência de imagem. As câmeras CCD para espectroscopia são resfriadas para reduzir o ruído escuro.
As prioridades para aquisição espectroscópica são diferentes das prioridades para aquisição de imagem. Em imagem, a resolução espacial é mais importante que a faixa dinâmica. Em espectroscopia, a resolução espacial não é tão crítica quanto a resolução espacial horizontal, que é mapeada para a resolução espectral e é determinada pelo espectrógrafo. Na maioria das aplicações de imagem, a faixa dinâmica, ou seja, a capacidade de diferenciar tons de cinza, geralmente não precisa exceder 1.000:1. Em espectroscopia, uma faixa dinâmica maior é importante para realizar medições em uma ampla gama de intensidades. Um detector CCD científico típico tem uma faixa dinâmica intrínseca de mais de 300.000:1. Todos os sistemas CCD espectroscópicos possuem conversão analógica-digital de 16 bits.
Conversores (ADC) que limitam a faixa dinâmica mensurável a 65.535 para 1 ou menos.
O principal objetivo de um sistema de medição espectrométrica é ser capaz de distinguir as características espectrais do ruído, dentro dos limites de tempo impostos pelo fenômeno e por fatores ambientais ou financeiros. Em aplicações com baixa luminosidade, a óptica de coleta, as opções de espectrógrafo e a configuração do detector CCD são todos fatores críticos.
Relações sinal-ruído aproximadas.
Todos os espectros apresentam ruído. É importante garantir que o sinal da amostra seja superior à soma dos componentes de ruído. A relação sinal-ruído (SNR) deve ser maior que 1/1 para distinguir uma característica espectral do ruído. Um pico com SNR de 4/1 pode não parecer ideal, mas, ainda assim, é inequívoco e pode ser aceitável para análise qualitativa. Geralmente, são necessárias SNRs mais altas para análise quantitativa.
Existem muitas fontes de ruído que afetam a qualidade de um espectro. A própria fonte apresenta alguma instabilidade, o espectrômetro possui algum nível de luz espúria e a mesa pode vibrar. Aqui, no entanto, a discussão se limitará às fontes de ruído associadas ao sistema de detecção.
A relação sinal-ruído (SNR) pode ser o fator mais importante em aplicações onde o fluxo é muito baixo durante o período de medição permitido. As limitações podem ser devidas a um sinal intrinsecamente baixo, variações temporais na estrutura da amostra ou duração da fonte. Na maioria dos outros casos, ou seja, se houver tempo disponível, a SNR pode ser melhorada com um tempo de integração mais longo. O aumento na SNR será a raiz quadrada do fator de aumento no tempo de integração. Aumentar o tempo de integração de 2 segundos para 4 segundos aumentará a SNR em um fator de 1,414. Assim, dobrar o tempo de integração de um espectro com SNR de 4/1 aumentará a SNR para 5,6/1.
Os CCDs estão disponíveis com uma ampla gama de opções de sensores e refrigeração. Compreender as limitações experimentais e o ruído associado às escolhas de componentes pode fazer a diferença entre obter qualquer espectro e pagar um preço excessivo por ele. A Figura 45 mostra as características espectrais com as relações sinal-ruído (SNR) aproximadas indicadas acima de cada uma.
A discussão a seguir ajudará você a entender como cada fonte de ruído da câmera CCD contribui para o ruído total e quais delas são insignificantes ou dominantes na hora de selecionar as opções de detector adequadas para sua aplicação.
A equação básica para determinar a relação sinal-ruído (SNR) de um detector CCD é mostrada abaixo, onde:
S = sinal sendo medido
N = ruído total
D = sinal escuro
R = ruído de leitura.
O ruído de disparo, também conhecido como ruído quântico, é causado pela variação estatística na contagem do número de fótons e não pode ser eliminado.
O ruído de disparo, também conhecido como ruído quântico, é causado pela variação estatística na contagem do número de fótons e não pode ser eliminado.
Essa variação segue uma distribuição de Poisson clássica e pode ser descrita como a raiz quadrada do número de fótons detectados no espectro.
período de medição. A variação estatística para uma medição de 100 fótons estaria entre 95 e 105 fótons. A relação sinal-ruído (SNR) dessa medição seria 100/√100 = 10/1.
O ruído de disparo é quase sempre a principal fonte de ruído do detector em experimentos que utilizam sistemas de detecção baseados em CCD resfriados, uma vez que o sinal se sobressai em relação a qualquer sinal de fundo.
Ruído termiônico ou ruído escuro.
Assim como os fótons podem liberar elétrons, as vibrações térmicas dentro do sensor também podem fazer o mesmo. O número de elétrons liberados para qualquer temperatura e período de aquisição é bastante reprodutível. Com detectores não refrigerados ou minimamente refrigerados, a corrente escura pode ser frequentemente maior que o sinal medido. Realizar uma medição de corrente escura com o mesmo tempo de integração da medição e subtraí-la desta é uma prática comum. Existe, no entanto, um componente análogo de ruído de disparo na corrente escura.
Quanto mais frio o sensor, menor a corrente escura e o ruído associado. Um CCD resfriado com nitrogênio líquido (LN₂) apresenta uma corrente escura na ordem de frações de elétrons por pixel por hora e, para todos os efeitos práticos, não possui componente de ruído escuro. Sistemas de detecção CCD de nível científico, construídos com refrigeradores termoelétricos Peltier (TE), normalmente atingem temperaturas abaixo de 200 K. Esses CCDs possuem componentes de ruído na ordem de frações de elétrons por segundo, o que, para a maioria das aplicações, é mais do que adequado. No entanto, para fenômenos extremamente fracos que exigem tempos de integração na ordem de minutos, um detector resfriado com LN₂ pode ser uma escolha mais apropriada.
O ruído de leitura deve-se à incerteza no processo de leitura. Geralmente, é especificado como um número de elétrons RMS. RMS, ou Raiz Quadrada Média, é uma medida estatística e o número real de elétrons lidos para qualquer pixel pode variar em uma faixa aproximada de pico a pico de 5 vezes o valor RMS.
O ruído de leitura deve-se à incerteza no processo de leitura. Geralmente, o ruído de leitura é especificado como um número de elétrons RMS. RMS, ou Raiz Quadrada Média, é uma medida estatística e o número real de elétrons lidos para qualquer pixel pode variar em uma faixa aproximada de pico a pico de 5 vezes o valor RMS. Uma diferença de alguns elétrons no ruído de leitura não tem efeito perceptível na relação sinal-ruído (SNR) geral, mesmo nas aplicações mais exigentes. O ruído de leitura é medido na escuridão total com o menor tempo de integração possível. Um sinal de apenas 25 fotoelétrons em um período de medição teria um ruído de disparo acima do ruído de leitura da maioria dos detectores CCD de grau científico.
A Figura 48 mostra o ruído de leitura de dois arranjos. Embora estatisticamente uma diferença de 1 elétron seja detectável para qualquer medição repetida, há mais de 1000 pixels sendo lidos em um espectro. Para qualquer pixel, o dispositivo com o maior ruído de leitura RMS pode, na verdade, ter um ruído menor. Quando o ruído de disparo do sinal é sobreposto a este, não há possibilidade de se fazer uma distinção mensurável.
Se o ruído de leitura for superior ao ruído de disparo para uma exposição de 10 minutos, há uma boa probabilidade de não se obter um espectro utilizável.
Os raios cósmicos estão sempre presentes. Quando um deles atinge um sensor CCD, pode liberar elétrons ao longo de sua trajetória. Alguns desses elétrons serão capturados e aumentarão o ruído. A taxa média de impacto é de 5 eventos/cm²/minuto. Para a maioria das aplicações, os raios cósmicos não representam um problema, pois o sinal geralmente é mais forte e o tempo de integração é curto. No entanto, para fenômenos extremamente fracos, em que o sinal pode estar na faixa de dezenas de fótons por segundo e os tempos de integração se aproximam de 20 a 30 minutos, o ruído induzido pelos raios cósmicos pode tornar um espectro ilegível. A maioria dos softwares de espectroscopia possui um algoritmo de remoção de raios cósmicos. Essencialmente, dois espectros são obtidos e qualquer característica não encontrada em ambos é subtraída.
Os raios cósmicos atravessam colunas e linhas e, mesmo com o algoritmo, os espectros de longa exposição podem ser distorcidos a ponto de perderem a validade analítica. Veja a Figura 49. Se o ruído de leitura for superior ao ruído de disparo para uma exposição de 10 minutos, há uma boa chance de que um espectro utilizável não seja obtido.
QE indica qual a porcentagem de fótons que atingem o sensor e que, em última análise, resultarão na captura e leitura de um elétron.
Existem diversas opções a serem consideradas na seleção de um sensor. A eficiência quântica (EQ) é frequentemente considerada a mais importante. A EQ indica qual porcentagem dos fótons que atingem o sensor resultará na captura e leitura de um elétron. Um sensor padrão com iluminação frontal praticamente não possui sensibilidade abaixo de 400 nm e seria inadequado para medições no ultravioleta (UV). Na figura 50, o sensor de eletrodo aberto (EA) com iluminação frontal apresenta uma EQ de aproximadamente 50% em 550 nm. O sensor com iluminação frontal e revestimento UV (FIUV) apresenta uma EQ de aproximadamente 25% no mesmo comprimento de onda. Isso indica que, para o mesmo fluxo incidente, o sensor EA produz o dobro de elétrons detectáveis. Assim, para o mesmo tempo de integração, o sensor EA terá uma relação sinal-ruído (SNR) 1,414 (√2) vezes melhor que o sensor FIUV, ou seja, uma relação SNR equivalente poderia ser alcançada na metade do tempo.
Aproximadamente a 320 nm, o sensor UV retroiluminado (BIUV) apresenta uma QE de 60%, uma OE de 35% e uma FIUV de 15%. O BIUV pode adquirir dados equivalentes em 0,6 do tempo de um OE (35/60) ou com um ganho de SNR de 1,31 (√(60/35) em relação ao OE. Comparando o BIUV com o FIUV, obtém-se uma vantagem de velocidade de quatro vezes ou uma vantagem de SNR de duas vezes. A Figura 51 mostra as comparações de SNR em níveis de luz extremamente baixos. Para aplicações onde um SNR de 10/1 ou melhor é rotineiramente alcançado, essas pequenas diferenças podem não justificar o custo. Ao decidir entre um CCD retroiluminado e uma versão frontalmente iluminada, é a diferença relativa na QE que importa, dadas as condições que não são limitadas por ruído de disparo ou tempo. Um sensor retroiluminado é mais apropriado para medições fracas, de disparo único, cinéticas ou limitadas pelo tempo de reação na faixa de sub-segundos ou em casos onde os tempos de integração necessários são muito longos e há potencial para efeitos de raios cósmicos.
As diferenças relativas na QE (eficiência quântica) no visível e no infravermelho próximo são, no máximo, de 50% entre um CCD iluminado pela frente e um iluminado por trás. Isso corresponde à diferença na relação sinal-ruído (SNR) entre os espectros vermelho e verde. No ultravioleta, entretanto, a diferença relativa pode ser superior a quatro vezes, correspondendo à diferença entre os espectros vermelho e violeta.
A diferença de 50% entre uma QE de 40% e 60%, por exemplo, resultará em um ganho de SNR de 1,25, correspondendo à diferença entre os espectros vermelho e verde na Figura 51. A maior diferença relativa no VIS e NIR é de apenas cerca de duas vezes. Isso resulta em uma melhoria de SNR de 1,4, que corresponde à diferença entre os espectros vermelho e azul ou azul e violeta. No UV, entretanto, há uma diferença significativa entre um sensor iluminado pela frente (com revestimento UV) e um iluminado por trás; chegando a até cinco vezes a QE.
Isso produz uma diferença que se aproxima de uma comparação entre os espectros vermelho e violeta.
Adquirir um sensor com a maior QE (eficiência quântica) nem sempre garante uma melhoria significativa na qualidade espectral. Quase sempre, porém, isso aumenta o custo.
A capacidade de processamento de elétrons (FWC) de um sensor é especificada em mil elétrons (ke-) e indica o número total de elétrons que podem ser medidos em um pixel do registrador de leitura. Os pixels no registrador de leitura geralmente são ligeiramente maiores que os demais.
A capacidade de contagem de elétrons (FWC) de um sensor é especificada em milhares de elétrons (ke-) e indica o número total de elétrons que podem ser medidos em um pixel do registrador de leitura. Os pixels no registrador de leitura geralmente são ligeiramente maiores que os demais. À medida que os elétrons são transferidos pelas colunas até o pixel do registrador de leitura, a FWC também representa o valor máximo para qualquer coluna. Na maioria das aplicações com baixa luminosidade, isso não representa um problema. Em aplicações onde a luz é relativamente intensa ou onde a medição pode ser feita em uma escala de tempo que permita a maximização do sinal, a FWC pode ser importante. Uma FWC maior permite a medição de sinais mais intensos. Também pode permitir uma faixa dinâmica maior na medição, ou seja, pode distinguir picos menores em um espectro com um pico de escala completa do que um sensor com uma FWC menor, dependendo da configuração de elétrons por contagem.
Os esquemas de cada tipo de sensor são mostrados abaixo, com breves tópicos descrevendo as vantagens e desvantagens de cada sensor.
O tamanho do pixel tem sido associado a uma melhor resolução espectral. Um pixel com 20 μm de largura terá um número menor de comprimentos de onda incidindo sobre ele do que um pixel com 26 μm de largura. As únicas aplicações em que essa diferença de tamanho pode ter um efeito são aquelas com espectros de emissão atômica extremamente estreitos, obtidos com espectrógrafos de longa distância focal e baixa abertura. Para todas as outras aplicações, selecionar uma combinação de espectrógrafo e grade de difração que tenha uma resolução maior do que a necessária para a medição é mais importante.
A maioria dos espectros moleculares, como Raman e fluorescência, apresenta características relativamente amplas e pode ser medida com espectrógrafos entre 0,3 m e 0,6 m. As aberrações fora do eixo nesses espectros são maiores que a diferença de 6 μm na largura do pixel, em grande parte do plano focal. Além disso, é muito raro, especialmente em aplicações com baixa luminosidade, que uma largura de fenda inferior a 25 μm seja apropriada. Um espectrógrafo com maior densidade de grade ou maior distância focal permitiria o uso de uma fenda de entrada mais larga para resolução equivalente e, mais importante, capturaria mais luz. A largura da fenda é o fator determinante da resolução. Se a largura da fenda for maior que a largura do pixel, o pixel não terá efeito sobre a resolução. Não haveria vantagem em ter um pixel menor; no entanto, haveria uma redução na FWC (Frequência de Onda Completa), pois quanto menor o pixel, menos elétrons ele pode conter.
Os sensores são resfriados para reduzir o nível de corrente escura e o ruído associado. Sistemas CCD espectroscópicos estão disponíveis com resfriamento termoelétrico (TE) ou com nitrogênio líquido (LN₂). Os fabricantes alegam níveis de resfriamento TE entre -80 °C e -100 °C (com fontes de alimentação e circulação de água opcionais). A -80 °C, a maioria dos CCDs apresenta uma corrente escura de cerca de 0,002 elétrons por pixel por segundo. A corrente escura para qualquer leitura é a soma das correntes escuras de todos os pixels lidos em qualquer coluna. Para um sensor de 256 pixels de altura, com todos os pixels de uma coluna sendo lidos, a corrente escura total seria (0,002e/pixel) x 256 pixels, ou 0,5 elétrons por segundo. Para obter um nível de ruído escuro equivalente a um ruído de leitura de 3 elétrons, seriam necessários cerca de 18 segundos. Claramente, mesmo para tempos de aquisição relativamente longos, o resfriamento não é uma preocupação e nunca representa um problema, mesmo em experimentos extremamente fracos em escalas de tempo sub-segundo.
O efeito de "etaloning" é um fenômeno que pode interferir em algumas medições espectroscópicas, mas pode não interferir em outras.
Com um sensor retroiluminado, a luz incidente atinge diretamente a camada de silício fotossensível. A camada de silício é fisicamente adelgaçada, resultando em maior eficiência quântica, mas também causando efeitos de franja de reflexão entre as camadas de silício e dióxido de silício.
O efeito de "etaloning" é um fenômeno que pode interferir em algumas medições espectroscópicas, mas pode não interferir em outras. Para limitar o efeito de "etaloning" e aumentar a eficiência quântica, um substrato mais espesso pode ser aplicado aos sensores BI. Esse tipo de sensor é conhecido como sensor de depleção profunda retroiluminado.
A discussão até agora considerou fótons e elétrons. Os fótons da amostra liberam elétrons no sensor. Esses elétrons, os elétrons da corrente escura e os elétrons produzidos pelo processo de leitura são combinados na medição. Os valores exibidos na tela, no entanto, são contagens. Há 65.535 contagens discerníveis com um conversor analógico-digital de 16 bits. A eletrônica permite ao usuário definir quantos elétrons compõem uma contagem, ajustando o ganho do amplificador. A eletrônica da HORIBA permite a seleção de um ganho entre 1 e 8 elétrons por contagem. A capacidade de escolher o ganho é importante para otimizar a relação sinal-ruído (SNR) e a faixa dinâmica.
Em níveis de luz extremamente baixos, onde o ruído de leitura é da mesma ordem de grandeza que o ruído de disparo (com um ganho de 1 elétron por contagem), é teoricamente possível distinguir o sinal do ruído, assumindo que haja tempo suficiente para a integração antes que forças externas afetem os dados. Com um ruído de leitura de 3 elétrons, seriam necessários menos de 25 elétrons de sinal para superar o ruído de leitura, tornando a medição limitada pelo ruído de disparo.
Nesse nível, porém, a intensidade máxima mensurável seria de 65.535 elétrons, pois esse é o limite do ADC. Além disso, a faixa dinâmica seria limitada a 65.535/3 ou 21.845 para 1.
Utilizando um ganho de 4 elétrons por contagem, em níveis de sinal ligeiramente acima de 25 elétrons, o ruído de leitura seria reduzido para uma contagem. Na verdade, qualquer ruído de leitura inferior a 6 elétrons seria reduzido para uma contagem (o que abrange a maioria dos detectores CCD científicos). Assim, mais de 260.000 elétrons poderiam ser medidos antes da saturação e a faixa dinâmica seria maior, de 65.535 para 1.
Um ganho de 4 elétrons por contagem é o ganho ideal para abranger sinais extremamente fracos e muito fortes com a maior faixa dinâmica possível. Com esse ganho, qualquer ruído de leitura entre 1 e 6 elétrons seria indistinguível, pois quase sempre estaria dentro da primeira contagem.
A Figura 55 mostra o caminho de conversão de fóton em contagem.
Um ganho de 4 elétrons por contagem é o ganho ideal para abranger sinais extremamente fracos e muito fortes com a maior faixa dinâmica possível. Com esse ganho, qualquer ruído de leitura entre 1 e 6 elétrons seria indistinguível, pois quase sempre estaria dentro da primeira contagem.
Um ganho de 4 elétrons por contagem é o ganho ideal para abranger sinais extremamente fracos e muito fortes com a maior faixa dinâmica possível. Com esse ganho, qualquer ruído de leitura entre 1 e 6 elétrons seria indistinguível, pois quase sempre estaria dentro da primeira contagem.
A Figura 56 mostra uma comparação de um espectro obtido com configurações de ganho de 1 e 4 elétrons por contagem (e/ct). Quando exibido na mesma escala, o espectro com 4 e/ct parece mais limpo. Isso ocorre porque o ruído de leitura é reduzido para 1 contagem, enquanto que com a configuração de ganho de 1 e/ct ele é de 3 contagens.
Quando o pico de 4 e/ct é expandido para a mesma altura que o outro, como mostrado à direita, podemos ver que o nível de ruído parece ligeiramente mais alto. Nesse nível de sinal, ele é duas vezes maior. A diferença se deve à diferença de ruído de disparo nas intensidades do sinal, sendo o ruído de leitura apenas alguns por cento do ruído total.
Acima de 21.845 contagens, a configuração de 4 e/ct teria uma melhor relação sinal-ruído (SNR) e seria sensível a níveis de sinal acima de 65.535 contagens, impostos pelo ganho de 1 e/ct.
Uma taxa de clock de 100 MHz não permite a aquisição do dobro de espectros em comparação com uma taxa de clock de 50 MHz. Além disso, a taxa espectral depende muito do tamanho e da localização da área do chip que está sendo lida.
Os CCDs científicos precisam estar no escuro durante a transferência do sinal, pois não possuem máscaras para impedir que fótons que incidem fora do período de medição contribuam para o resultado. Geralmente, para CCDs não intensificados, é necessário um obturador eletromecânico. Esses obturadores podem funcionar de forma confiável por exposições de até 50 ms, permitindo a aquisição de cerca de 20 espectros por segundo.
O usuário pode inserir uma máscara no caminho óptico que permita a iluminação apenas de uma parte do sensor. Isso pode possibilitar taxas espectrais mais altas. Essas taxas dependem muito da altura do sensor e do tamanho e localização da área de medição no sensor. Para tempos de exposição mais curtos, é necessário um CCD intensificado (ICCD), pois ele pode admitir e bloquear luz na escala de nanossegundos. Para tempos de resposta mais rápidos que alguns nanossegundos, uma diferença no comprimento do caminho óptico entre o sinal de excitação e o sinal de medição permite a coleta de dados usando lasers pulsados e sistemas de detecção CCD não intensificados.
Em todos os casos, sejam eles intensificados ou não, os dados dos pixels devem ser deslocados para baixo nas colunas e, em seguida, para a última linha a ser medida. O tempo gasto para deslocar as linhas para baixo e para fora representa uma parcela significativa do tempo necessário para ler um espectro. A taxa de clock refere-se apenas ao número de pixels por segundo que passam pelo ADC. Veja a Figura 57. Uma taxa de clock de 100 MHz não permite a obtenção do dobro de espectros em comparação com uma taxa de clock de 50 MHz. Além disso, a taxa espectral depende muito do tamanho e da localização da área do chip que está sendo lida. Infelizmente, não existem padrões para o procedimento usado no cálculo da taxa espectral. Alguns fabricantes consideram a leitura de apenas uma linha para determinar a taxa espectral máxima, enquanto outros consideram os resultados do deslocamento de todos os dados dos pixels para baixo e para fora.
A maioria dos fabricantes oferece opções de frequência de clock entre 20 kHz e 1 MHz. Se um espectro for obtido com um obturador, o número máximo de espectros não é limitado pela frequência de clock. Há uma vantagem intrínseca em usar a menor frequência de clock possível. Frequências de clock mais baixas produzem menor ruído de leitura e permitem que o ADC conte com maior precisão. A medida dessa precisão é chamada de eficiência de transferência de carga. As diferenças podem ser quase imperceptíveis, mas podem aparecer em condições de luminosidade extremamente baixa.
A discussão acima fornece uma boa orientação para o usuário que possui algum conhecimento prévio sobre as condições de aquisição e as relações sinal-ruído que serão encontradas no experimento. No entanto, uma grande porcentagem de usuários não sabe o que esperar. Para esses, oferecemos as três regras a seguir, que devem ser aplicadas mesmo antes do início da especificação do sistema.
Regra Número Um
Faça uma pesquisa bibliográfica. Encontre espectros publicados de experimentos ou procedimentos semelhantes ao que você planeja realizar. Observe a relação sinal-ruído (SNR) dos espectros. Analise o equipamento utilizado e o tempo de aquisição. Se a sua fonte tiver metade da intensidade e a concentração da amostra for 10 vezes menor, sua SNR será √20 vezes menor para o mesmo tempo de integração.
Regra Número Dois
Se os espectros publicados ou os dados que você prevê apresentarem uma relação sinal-ruído (SNR) inferior a 10:1, entre em contato com um especialista em aplicações do fornecedor do equipamento que esteja familiarizado com sua área de pesquisa. Regra número três: Não utilize um CCD retroiluminado se estiver realizando medições acima de 750 nm (exceto quando o chip retroiluminado possuir tecnologia anti-etaloning). Um fenômeno chamado etaloning fará com que os comprimentos de onda mais longos sejam refletidos pela superfície traseira, produzindo padrões de interferência.
Um CCD de multiplicação de elétrons (EMCCD) utiliza a tecnologia mais recente para melhorar a relação sinal-ruído (S/N) em medições onde os níveis de sinal são extremamente baixos.
Um CCD de multiplicação de elétrons (EMCCD) utiliza a tecnologia mais recente para melhorar a relação sinal-ruído (S/N) em medições com níveis de sinal extremamente baixos. Em regimes de baixa luminosidade, o processo de multiplicação de elétrons pode proporcionar uma boa relação S/N, ao contrário dos CCDs convencionais, onde apenas algumas das características mais fortes podem ser observadas acima do ruído.
Os benefícios do ganho EM são claramente óbvios na imagem Raman rápida, onde os curtos tempos de integração necessários podem resultar em sinais que são dificilmente visíveis acima do ruído quando medidos com um CCD convencional.
Um CCD de multiplicação de elétrons (EMCCD) utiliza a tecnologia mais recente para melhorar a relação sinal-ruído (S/N) em medições onde os níveis de sinal são extremamente baixos.
O EMCCD possui dois registradores de leitura no chip: um registrador convencional e um registrador EM. No registrador EM, as tensões de clock utilizadas são mais altas do que no clock convencional, fazendo com que os elétrons adquiram energia suficiente para que a ionização por impacto ocorra. Nesse ponto, elétrons extras são produzidos e armazenados no pixel seguinte. Há apenas uma pequena probabilidade de os elétrons adquirirem energia suficiente para que a ionização por impacto ocorra (criando, assim, elétrons adicionais), mas como o registrador de leitura possui muitos elementos, fatores de ganho significativos são possíveis (até ~1000x).
A principal vantagem de um EMCCD é que a amplificação ocorre antes da leitura do sinal, o que significa que o sinal não é limitado pelo ruído de leitura. Em outras palavras, por meio da amplificação, o sinal é elevado bem acima do nível de ruído, que é determinado em grande parte pelo ruído da eletrônica de leitura (pré-amplificador e conversor A/D).
Guia de seleção de CCD com base na Aplicação e na exposição.
As sugestões abaixo são baseadas na experiência com milhares de pesquisadores em uma ampla gama de aplicações físicas, químicas e biológicas. Como são regras gerais, podem não ser exatamente adequadas para a sua aplicação específica. Converse com um cientista de aplicações. Os cientistas de aplicações da HORIBA têm milhares de horas de experiência em medições espectroscópicas e, embora possam não compreender totalmente a natureza da sua pesquisa, entendem perfeitamente as características e limitações dos sistemas ópticos e de detecção.
Utilize sensores retroiluminados e resfriamento com nitrogênio líquido para:
Qualquer coisa com raios UV:
Analítico em geral:
A Figura 60 mostra as intensidades relativas e as escalas de tempo para uma ampla gama de aplicações. Como mencionado anteriormente, esta também é uma generalização.
Este artigo focou-se exclusivamente em sistemas de detecção CCD. Embora sejam frequentemente o componente mais caro em um sistema espectroscópico, melhorias incrementais na qualidade espectral podem ser mais profundamente afetadas pela seleção adequada de outros componentes do sistema. Ganhos de duas vezes na relação sinal-ruído (SNR) não são possíveis, exceto no ultravioleta (UV), apenas com a seleção de um sensor diferente. No entanto, ganhos ou perdas de um ou dois fatores podem ser facilmente obtidos, dependendo da eficiência com que a óptica de entrada coleta o sinal e de quão bem ela é acoplada ao espectrômetro. Alterar a distância focal do espectrômetro ou dobrar a densidade de ranhuras da grade (passando de 1200 para 2400 linhas/mm) pode, em muitas aplicações, aumentar a taxa de transferência em duas vezes sem perda de resolução.
Para obter o melhor desempenho possível para o seu investimento financeiro, você deve levar em consideração todos os componentes do sistema óptico. Um investimento de algumas centenas de dólares em componentes ópticos pode gerar um benefício maior do que um investimento de vários milhares de dólares em um sensor de melhor qualidade.
HORIBA fabrica sistemas de detecção CCD e espectrômetros há mais tempo do que qualquer outro fornecedor. Possui a maior e mais experiente equipe de cientistas ópticos e de aplicação especializados em espectroscopia. Suas necessidades são avaliadas sob uma perspectiva sistêmica, sem privilegiar nenhum componente em particular.
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