Atingindo Medições Raman Superiores: Compreendendo e evitando a saturação do detector

Uma das principais vantagens tecnológicas dos analisadores Raman Tornado sobre os dispositivos Raman convencionais é a eficiência ótica significativamente maior fornecida por nossa plataforma HTVS (descrita nesta postagem anterior do blog). Com 10x até 30x mais fótons por segundo, os sistemas Tornado fornecem dados espectrais superiores para melhor precisão e sensibilidade para Medidas PAT, como discutimos anteriormente. No entanto, esta verdadeira inundação de fótons às vezes pode sobrecarregar ou saturar o detector de luz dentro do espectrômetro Tornado (um “dispositivo de carga acoplada” ou CCD), impedindo medições de intensidade confiáveis ​​de algumas regiões da faixa espectral. Em casos extremos, os elétrons gerados por fótons podem se espalhar para regiões adjacentes na superfície fotossensível do CCD em um fenômeno conhecido como fluorescência. Felizmente, é fácil evitar a saturação e a fluorescência… se você souber o que observar. Esta postagem do blog fornece uma introdução a esses conceitos e orientação para usuários Raman que desejam obter a melhor qualidade de medição de seus dados espectroscópicos.

Saturação e fluorescência são fenômenos que ocorrem em todos os sensores de câmeras digitais, tanto CCDs quanto sensores CMOS, afetando suas características de imagem quantitativas e qualitativas. Se cada pixel individual pode ser pensado como um balde ou “poço” que pode acumular elétrons, então a saturação se refere à condição em que o poço se torna completamente preenchido. Por muitos anos, sensores de imagem CCD e câmeras ofereceram vantagens em qualidade de dados, como maior faixa dinâmica, melhor desempenho de ruído e melhor uniformidade, mas a tecnologia de sensor CMOS tornou-se mais prevalente para a maioria dos aplicativos de imagem. No entanto, as câmeras CCD são ainda melhores para as aplicações Raman mais exigentes – aquelas que precisam da mais alta exatidão e precisão, onde a sensibilidade com pouca luz é crítica – então nós iremos focar na saturação e florescimento para esses tipos de dispositivos sensores.
Os espectrômetros ópticos Tornado usam um CCD para converter fótons (partículas de luz) em elétrons, que são digitalizados por um circuito conversor especial dentro da eletrônica da câmera. Na essência, o número de elétrons acumulados dentro de cada pixel do CCD é convertido em um número de 16 bits (valores de 0 a 65.535) linearmente proporcional à intensidade espectral Raman em um ponto na faixa espectral. Milhares de valores de intensidade são medidos em alguns milissegundos, transmitido para o computador de controle e, em seguida, representado graficamente como um espectro óptico ao longo da faixa de número de onda do instrumento. Sensores semelhantes são usados ​​em câmeras de telefones celulares, equipamentos fotográficos digitais de ponta e telescópios digitais para criar imagens em vez de espectros, mas o conceito é o mesmo – quantificar a intensidade da luz em diferentes locais na superfície do sensor.

Para obter o melhor espectro ou imagem possível, é necessário obter o máximo de sinal, maximizando os fótons atingindo o CCD. Este objetivo pode ser alcançado aumentando o tempo de exposição e coletando mais fótons por pixel. No entanto, se o número de fótons excede a capacidade do poço do pixel, então a resposta de medição eletrônica torna-se não linear e o espectro ou imagem fica saturado naquele local. Essencialmente, cada pixel tem um nível de carga de saturação, que quando alcançado, transborda o excesso de carga fotogerada para o mais próximo poços adjacentes na área da imagem. Este efeito é comumente referido como “fluorescência” ou “supersaturação”, e a arquitetura do detector CCD faz com que esta fluorescência deva ocorrer principalmente na mesma coluna como o pixel saturado (verticalmente).
Um fenômeno semelhante pode ser visto ao tentar tirar uma foto do sol sem o filtro certo – Figura 1, ilustrando a fluorescência no próprio sol. Como resultado, os fótons na área da imagem do sol transbordam dos poços naquela área e são transferidos verticalmente através dos poços CCD causando a linha brilhante vista na imagem.

O mesmo fenômeno ocorre ao supersaturar um detector CCD em um espectrômetro óptico. Quando a exposição é muito alta para o nível de carga de saturação do detector, essa área do espectro torna-se saturada e a fluorescência pode ser vista na imagem espectral.

A Figura 2 mostra os espectros de um analito simples, a cafeína, em três níveis diferentes de saturação. Os níveis de saturação são: 95% de saturação, duas vezes o nível de saturação e quatro vezes a saturação. A região de baixo número de onda do espectro parece marcadamente diferente em cada um desses níveis.

Uma pergunta frequente pelos clientes da Tornado é: “Posso saturar parte do meu detector para aumentar meu sinal se meus picos de interesse estiverem em uma faixa espectral diferente e não saturada? ” Vamos dar uma olhada nisso. A Figura 4 mostra um pico de interesse, a região de 1050-1080 cm-1 do espectro da cafeína, sob os três diferentes níveis de saturação. O nível de saturação crescente do detector aumenta o sinal dessa área de interesse. Assim, fornece mais informações sobre o analito. No entanto, outros efeitos também podem ser vistos nos espectros, como o apresentado abaixo:

O outro problema potencial com a supersaturação rotineira de seu CCD é o possível dano à sua superfície fotossensível. Quase todos os fabricantes de CCDs alertam contra a saturação de longo prazo da câmera. No longo prazo, os resultados disso podem ser um detector com falha ou imagens fantasmas (muito parecido com o pós-imagem em seu olho depois de olhar para uma luz brilhante). Existem procedimentos para permitir que um CCD recupere deste tipo de tratamento, mas é melhor evitar a saturação excessiva em primeiro lugar.
Se você precisar de melhores medições (maior relação sinal-ruído, menor limite de detecção, etc.) de picos ou bandas de sinal fraco em seu espectro Raman, recomendamos aumentar o número de médias em vez de aumentar o tempo de exposição. Embora os picos Raman não apareçam mais fortes, os níveis de ruído será diminuída pelo maior número de médias, de modo que mesmo os picos fracos podem entregar resultados quantitativos da análise quimiométrica.

Através da tecnologia patenteada High Throughput Virtual Slit (HTVS ™) da Tornado, nossos analisadores Raman oferecem melhoria de 10 vezes na taxa de transferência de fótons e intensidade do sinal em comparação com um espectrômetro convencional. Isso significa um aumento geral na relação sinal-ruído que dá ao cliente o melhor espectro possível sem saturar o detector. Este aumento no sinal sem saturação e fluorescência significa medições nas quais você pode confiar sem o efeito de aumentar o nível de ruído espectral ou danificar seu detector a longo prazo.