Como escolher um monocromador/espectrógrafo.
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Nota: O valor f nem sempre é o fator determinante da taxa de transferência. Por exemplo, a luz pode ser coletada de uma fonte com abertura f/1 e projetada na fenda de entrada de um monocromador f/6, de modo que toda a imagem esteja contida dentro da fenda. Nesse caso, o sistema operará com base na coleta de fótons no cone f/1 e não no cone f/6 do monocromador.
Critérios principais: Dispersão, resolução, faixa de passagem
A dispersão demonstra a capacidade de dispersar a luz. Ela fornece a largura de banda utilizável de um monocromador ou indica a faixa espectral de um espectrógrafo equipado com um detector de matriz multicanal, como uma câmera CCD ou uma matriz InGaAs. Alterar a largura da abertura da fenda permite ajustar a largura de banda.
A resolução espectral é inversamente proporcional à dispersão linear de um monocromador. A resolução exigida pelo experimento é frequentemente o principal requisito de desempenho para qualquer aplicação. Para análises de estruturas estreitas (resolução melhor que 0,1 nm na faixa visível), monocromadores de grande porte são a melhor escolha, pois oferecem maior dispersão espectral e, consequentemente, maior resolução espectral.
Se o requisito mais importante da aplicação for adquirir uma ampla faixa espectral em uma única captura, espectrógrafos pequenos são mais adequados, como em aplicações de processo. De fato, monocromadores simples com distância focal inferior a 0,3 m são apropriados quando a luz espúria não representa um problema significativo.
Pesquisadores de laboratório que não precisam de alta resolução e ampla faixa espectral simultaneamente devem optar por espectrógrafos maiores. Esses usuários podem trocar as grades de difração (ou seja, para uma densidade de ranhuras maior ou menor) ou adquirir múltiplos espectros para obter resultados completos.
Segundo critério: Precisão, velocidade
Os monocromadores funcionam varrendo as características espectrais dos sinais ópticos, passo a passo. Consequentemente, o processo de medição é geralmente mais lento do que o de espectrógrafos com detectores de matriz multicanal que operam com a grade de difração em posição fixa e adquirem diretamente um espectro completo, dependendo principalmente do acionamento do motor da grade. Instrumentos com distância focal de 0,5 m ou superior são geralmente equipados com mecanismos de barra senoidal que proporcionam excelente precisão (melhor que 0,1 nm) e repetibilidade (melhor que 0,01 nm). Mas a desvantagem é a velocidade: pode levar vários minutos para varrer uma grande faixa espectral com alta resolução espectral no modo monocromador. Dispositivos menores geralmente utilizam acionamentos diretos ou por engrenagem helicoidal, pois suas especificações de resolução são menores. Nesse caso, o posicionamento da grade é ajustado em poucos segundos.
Terceiro critério: Produtividade, qualidade da imagem
Na maioria das vezes, monocromadores e espectrógrafos pequenos têm melhor rendimento do que os grandes devido às suas maiores aberturas numéricas (números f) e design mais simples (frequentemente com menos componentes ópticos).
No entanto, a abertura numérica não é o fator determinante na transmissão óptica. A dispersão linear também é importante, pois define os tamanhos das aberturas de entrada para uma determinada resolução espectral.
Um parâmetro mais útil para comparar monocromadores em aplicações de imagem é a capacidade de captação de luz. Fabricantes de instrumentos pequenos geralmente descobrem que, para preservar a resolução espectral, só conseguem produzir uma imagem pequena.
Produzir uma imagem maior, especialmente em uma ampla faixa espectral, é muito difícil devido às correções espaciais necessárias.
A introdução comercial de espectrógrafos de imagem corrigiu parcialmente os problemas de qualidade de imagem espacial. Esses instrumentos utilizam grades toroidais ou espelhos toroidais para corrigir o astigmatismo no plano da imagem e melhorar a qualidade da imagem, mantendo a abertura numérica no mesmo nível dos dispositivos sem capacidade de formação de imagem. Essa correção requer cálculos complexos. A escolha do toroide, os ângulos de incidência óptica do dispositivo e as otimizações de comprimento de onda demonstram a expertise do fabricante.
Espectrógrafos compactos, fixos e bem corrigidos podem proporcionar excelente qualidade de imagem. Alguns conseguem discriminar três ou quatro canais espectrais em um plano focal de 6 mm de altura. Configurações interessantes de espectrógrafos axiais, utilizando prismas e lentes, também oferecem excelente qualidade de imagem em algumas centenas de nanômetros na faixa visível.
Alguns espectrógrafos de imagem de 30 cm ou maiores permitem análises com mais de 10 canais, minimizando a sobreposição entre eles.
Critérios finais: Luz difusa, design, distância focal
A luz difusa está relacionada principalmente à qualidade dos componentes ópticos do dispositivo (espelhos e grades de difração). O usuário geralmente não percebe a luz difusa ou a reflexão interna inadequada, que podem produzir resultados ruins.
Devido à sua configuração de fenda dupla, os monocromadores apresentam menos luz espúria ou luz reentrante do que os espectrógrafos, que não possuem fenda de saída. No entanto, quando a luz espúria é importante para uma aplicação específica, instrumentos com grande distância focal, ou monocromadores duplos, são a melhor escolha. Dispositivos pequenos apresentam maior risco de luz espúria do que os maiores.
Em termos de projeto óptico, a maioria dos grandes monocromadores/espectrógrafos utiliza a configuração assimétrica de Czerny-Turner. Instrumentos menores tendem a usar uma configuração assimétrica em “V” como um meio-termo.
Avaliando as vantagens e desvantagens
Nenhum dispositivo isolado consegue atender a todas as aplicações espectroscópicas. No entanto, um usuário que analise cuidadosamente os requisitos espectrais e de desempenho de uma aplicação pode ponderar as vantagens e desvantagens envolvidas na escolha entre monocromadores e espectrógrafos de curta e longa distância focal.
Se você precisa analisar uma faixa espectral curta com baixa resolução, provavelmente pode usar um monocromador ou espectrógrafo compacto e barato. Mesmo que esses dispositivos apresentem luz espúria, métodos de calibração quimiométrica podem corrigi-la sem influenciar os resultados. No entanto, se você precisa de alta resolução, precisão ou versatilidade, monocromadores e espectrógrafos de grande porte costumam ser a opção mais segura. É por isso que esses instrumentos são geralmente os mais indicados para pesquisa ou indústrias de alta tecnologia.
Especificações dos monocromadores HORIBA.
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