Hoe we spectra meten

Hoe we spectra meten!

Wat meten we?
Spectroscopie, visueel en UV, wordt dikwijls gebruikt om absorptie en transmissie te meten. Daarmee kunnen we bv. concentraties meten van stoffen in oplossing of de eigenschappen van materialen uit hun reflectie of doorlaatbaarheid. Wat wij willen meten is echter emissie. Licht dat wordt uitgezonden door mineralen die met UV belicht worden en daardoor fluoresceren. We hebben dus behalve onze UV-bron, of meer algemeen: excitatiebron, geen licht nodig. Sterker nog, we moeten proberen al het licht dat niet van onze fluorescentie komt te vermijden. We zijn dus verplicht om in het donker te meten. De gemakkelijkste manier om dat te doen is te meten in een donkere meetcel. Peperduur, zo’n cel van enige afmeting, maar je kan ze ook zelf maken uit bv. een brooddoos… De binnenkant zwart verven en een paar gaten boren op strategische plekken, een stopcontact als houder voor de probe, en daar heb je een bruikbare meetcel. Kostprijs: nog geen € 70.00.

Spectrometer:
Kleine toestellen die via USB werken zijn tegenwoordig redelijk betaalbaar geworden. De MKA heeft een Ocean Optics JAZ aangekocht. Schrijver dezes heeft zich een Ocean Optics Flame aangeschaft. Beide apparaten hebben een “extended grating”, waardoor ze een zeer breed spectrum kunnen meten: 180 nm tot 1080 nm. De JAZ heeft meer pixels maar is erg gevoelig voor temperatuurstijging van de sensor. Bij langere integratietijden kan de achtergrondmeting daardoor wel eens verlopen. De FLAME spectrometer is veel stabieler maar heeft dan weer minder pixels. Beide spectrometers kunnen op minder dan één minuut voorzien worden van een andere ingangsspleet, hetgeen ons mogelijk maakt om zowel zeer sterke als zeer zwakke fluorescentie te meten met het best mogelijke scheidend vermogen.

Onze 'doe-het-zelf' meetcel met probe en lichtbron

Lichtbronnen
Spectra vertellen ons veel over de onderzochte stof door analyse van de spectrale pieken. Waar liggen ze en hoe intens en hoe breed zijn ze? Dat zijn de dingen die ons kunnen vertellen waarom een mineraal fluoresceert. Wanneer we echter ons UV gaan opwekken met kwikdamplampen, gaan we ongewild ook het spectrum van kwik introduceren in onze metingen. Dat is een echte vervuiling die we niet willen. Daarom proberen we uitsluitend te werken met LED-bronnen en laser-diodes. Die hebben smalle emissiepieken en leveren een zuiver spectrum op.

Een lichtbron met verschillende golflengten is onmisbaar. Deze bron heeft een witte LED aan boord en LED UV-bronnen van 305, 375, 400, en 410 nm. Ook een 532 nm groene laser voor opsporen van bv. chroom en neodymium is ingebouwd.

Collecteren van licht
Het licht van onze fluorescerende mineralen moet natuurlijk tot in de spectrometer geleid worden. Glasvezel is daarvoor het ideale medium. We kochten een Ocean Optics backscattering/reflection probe. Dat is een glasvezelkabel die zich splitst in een Y-vorm. Een been van de Y wordt op de gebruikte UV-LED geschroefd met een SMA-koppeling. Vandaar gaat het UV door de kabel tot in de tip van het gemeenschappelijke been van de Y. De glasvezel splitst zich in zes dunnere draden die symmetrisch rond het centrum van de tip geplaatst zijn. In het midden van de tip vertrekt de “meetkabel” naar het andere been van de Y. Dat koppelen we dan aan de spectrometer. Op die manier zijn we er altijd zeker van dat wat we meten ook precies in de door het UV verlichte vlekje ligt. De probe laat ons ook toe om zeer kleine oppervlakten, zeg 2 mm², te meten.

Golflengte kalibratie
Als je wil dat je de spectrale pieken kan gebruiken ter herkenning van activators, dien je ervoor te zorgen dat de spectrometer weet op welke pixel een bepaalde golflengte moet vallen. Dat doen we door middel van een kwik-argon ijklamp. Hg en Ar hebben samen een aantal spectraallijnen die vrijwel het gehele spectrum, van korte golf UV tot ver in het rood, omvatten. Voor de ijking van de spectrometer moet je de pieken herkennen en in een Excel bestand deze pieken koppelen aan de sensorpixel die daarbij hoort. Je laat daar dan de oplosser van Excel op los en je krijgt daaruit de coëfficiënten van een veelterm van de zesde graad. Je kan die dan uploaden naar de EPROM in het toestel. Vanaf dat moment heb je de juiste relatie tussen pixel en golflengte.

Noodzaak voor absolute ijking
Om een goede spectrale spreiding te krijgen moet je een buigingsrooster gebruiken waarvan de eigenschappen precies geschikt zijn voor het spectrale gebied dat je wenst te onderzoeken. Twee dingen zijn daarbij belangrijk: het aantal lijnen per mm (n) en de hoek van die lijnen staan t.o.v. het oppervlak van de rooster. Hoe groter n, hoe groter de dispersie. Meer dispersie betekent een groter scheidend vermogen maar ook een smaller deel van het spectrum. Als je een breed gebied wil bekijken en toch een goede scheiding wil hebben moet je voor een ‘extended range’ buigingsrooster kiezen. Bij deze roosters is n variabel (bv. 300 tot 600 lijnen/mm). Bij elke waarde van n hoort een ‘blaze’, een gebied waar de efficiëntie van het rooster het hoogst is. Met een rooster met variable lijndichtheid heb je natuurlijk ook meerdere blazes. Bij het interpreteren van een spectrum moet je daar terdege mee rekening houden. Daarvoor ga je het spectrum meten van een ijklamp. Dat is een lamp waarvan je het spectrum kent omdat de fabrikant ervan het professioneel geijkt heeft. Je kan aan de hand van dat bekende spectrum versus wat je meet, gaan omrekenen welke correcties moeten uitgevoerd te worden om te compenseren voor de blazes.

Eigenschappen van sensor CCD
De sensorarray van je spectrometer is niet even gevoelig voor alle golflengten. Je moet dus ook compenseren zodat de signalen van verschillende golflengten ‘gelijk behandeld worden’. Ook hiervoor is de absolute kalibratie nodig.

De CCD-array is niet even gevoelig voor alle golflengten. Daar moet je ook voor corrigeren. Image courtesy by Ocean Optics

Kwik-argon ijklamp HG-1
Photo courtesy by Ocean Optics

Halogeen ijklamp
Halogeenlampen vertonen, binnen bepaalde grenzen, een spectrum dat overeenkomt met een thermische straler. Als zo’n lamp een kleurtemperatuur heeft van pakweg 2800 Kelvin, dan beantwoordt het licht ervan aan een Planck-spectrum van een object met die temperatuur. De voeding van de lamp is gestabiliseerd zodat schommelingen op de netspanning niet resulteren in schommelingen van de kleurtemperatuur. Een dergelijke lamp laat ons toe de spectrometers te ijken voor het gebied tussen 380 nm en 750 nm. Je corrigeert dan voor blazes van je grating, de efficiëntie van de sensorarray, en ook voor effecten die voortvloeien uit het gebruik van verschillende glasvezels, ingangsspleten, enz.. Het is dus belangrijk dat je gaat ijken voor ELKE opstelling. We hebben dus een ijking verricht voor meting met de backscattering/reflection probe voor ELKE ingangsspleet die we hebben: 5, 25, 100 en 200 µm en dat op de twee spectrometers die we gebruiken. Je moet dus ook opletten dat je steeds de juiste ijking gebruikt die past bij de opstelling waarmee je meet.

Gecorrigeerde Resultaten
Als we geen absolute ijking uitvoeren moeten we voor élk spectrum manueel interpreteren wat nu een echte piek is en wat eerder als een instrumentfout moet bekeken worden. Dat bemoeilijkt de interpretatie van spectra in ernstige mate. Als je bijvoorbeeld een blaze hebt die tussen 600 nm en 610 nm valt, ga je daar natuurlijk een piekje zien. Dat is een massief struikelblok omdat precies op die golflengten enkele belangrijke emissies gevonden worden van Sm3+. Het is dus van belang om de correcties ook te gebruiken! De beste manier om te meten is als ‘Absolute Irradiation’ en wel om twee redenen. Ten eerste kan je dat alleen als je een kalibratie hebt uitgevoerd. Het spectrum wordt dan automatisch opgekuist binnen het ‘geldige gebied’ van de kalibratie. Alle bulten en piekjes die afkomstig zijn van het instrument en de gebruikte glasvezels worden dan uit het spectrum verwijderd. Een tweede, minstens even belangrijke, reden is dat je meet in de ‘energie-ruimte’ en niet als relatieve lichtintensiteit per golflengte. Waarom is dat van belang? Wel, een blauw foton heeft aanzienlijk meer energie dan een rood. Dat volg uit het feit dat de golflengte λ omgekeerd evenredig is met de energie. Hoe kleiner de golflengte λ, hoe groter E wordt. De energieafstand van bv. 10 nm is bijgevolg groter tussen zeg 400 - 410 nm dan tussen 700 - 710nm. Het gaat steeds om 10 nm maar de energie ertussen verschilt. Als je gaat meten in Absolute Irradiatie, dan meet je het vermogen in micro-Watt per vierkante centimeter dat door je specimen wordt uitgestraald voor iedere golflengte. Je resultaat is dan niet in ‘counts’ maar in µW/cm²/nm. Hierdoor kan je spectrum er behoorlijk anders gaan uitzien. Het nadeel van deze methode is dat delen van spectra die dicht bij de grenzen van het kalibratiegebied liggen vaak erg gestoord worden door ruis. Theoretisch is de kalibratie met een halogeenlamp geldig van 380 nm tot 850 nm. In de praktijk ben je echter beperkt to metingen tussen 415 nm - 750 nm.
Wil je een breder ijkgebied, waardoor je ook ver in het UV kan kijken, dan moet je een gecombineerde halogeen/deuteriumlamp hebben. Die is echter nogal zwaar voor het budget… ze kost algauw een paar duizend Euro. Ze laat je echter toe om nauwkeurige bepalingen te doen van activators die in het blauw en UV-gebied stralen. Voorlopig blijft deze ijklamp een vrome droom.

Software
Momenteel gebruiken we voor opname van spectra de software van Ocean Optics “Ocean View”. Die is modulair opgebouwd en bevat tools voor verschillende soorten spectrometrie.
Om spectra grafisch weer te geven en berekeningen uit te voeren op spectra (normalisatie, foutcorrectie, berekening van Gaussiaanse componenten van een spectrum, etc…) heeft schrijver dezes het programma MagicPlot Pro aangeschaft.

Spectrum van de emissie van het disulfide-ion in marialiet. De vibronische emissie is perfect oplosbaar in zijn Gaussiaanse componenten, op voorwaarde dat je meet als absolute spectrale emissie.

Photo's courtesy by Ocean Optics

Halogeen ijklamp
Photo courtesy by Ocean Optics