Los sistemas de detección de Dispositivo Espectroscópico de Carga Acoplada (CCD) están disponibles con una amplia gama de sensores y opciones de refrigeración. El propósito de este documento es ayudarte a seleccionar las opciones más adecuadas para tu solicitud. Prácticamente toda la espectroscopía entre 200 nm y 1100 nm se realiza utilizando un detector multicanal basado en silicio y un espectrógrafo. La detección multicanal ha permitido utilizar espectroscopía en aplicaciones de investigación y análisis que antes no eran posibles con espectroscopía de barrido de canal único, ofreciendo tanto mejor rendimiento señal-ruido como mayor velocidad de adquisición.
Las matrices lineales de fotodiodos (PDA) y CCDs ofrecen adquisición de datos de bajo coste y alta velocidad para una amplia gama de aplicaciones. Los CCD bidimensionales ofrecen las ventajas añadidas de un tamaño variable del área de detección y la capacidad de monitorizar múltiples fuentes simultáneamente. Suelen ser más sensibles y se utilizan en investigaciones de alto nivel y aplicaciones industriales de análisis multipunto.
Los sistemas de detección CCD diseñados específicamente para espectroscopía a veces se denominan cámaras. Sin embargo, incorporan sensores CCD que normalmente tienen píxeles más grandes y son más largos que los CCD usados para aplicaciones de imagen. Los CCD de imagen suelen medir 6 mm x 4 mm con píxeles menores de 10 μm cuadrados. Los CCD espectroscópicos suelen medir 25 mm o más y tienen píxeles de alrededor de 25 μm cuadrados. Tampoco tienen enmascaramiento para la transferencia de imágenes. Las cámaras CCD para espectroscopía se enfrian para reducir el ruido oscuro.
Las prioridades para la adquisición espectroscópica son diferentes a las de la adquisición de imágenes. En imagen, la resolución espacial es más importante que el rango dinámico. En espectroscopía, la resolución espacial no es tan crítica como la resolución espacial horizontal, que se mapea a la resolución espectral y se determina mediante el espectrógrafo. En la mayoría de las aplicaciones de imagen, el rango dinámico, es decir, la capacidad de diferenciar tonos de gris, normalmente no tiene que superar de 1.000 a 1. En espectroscopía, un rango dinámico más alto es importante para realizar mediciones en un amplio rango de intensidades. Un detector científico CCD típico tiene un rango dinámico intrínseco de más de 300.000 a 1. Todos los sistemas CCD espectroscópicos tienen de 16 bits de analogia a digital
convertidores (ADC) que limitan el rango dinámico medible a 65.535 a 1 o menos.
El objetivo principal de un sistema de medición espectrométrica es poder distinguir las características espectrales del ruido, dentro de los límites de tiempo impuestos por el fenómeno, y de factores ambientales o económicos. En aplicaciones con poca luz, la óptica de colección, las opciones de espectrógrafo y la configuración del detector CCD son fundamentales.
Relaciones aproximadas señal-ruido.
Todos los espectros tienen ruido. Es importante asegurarse de que la señal de la muestra supere la suma de los componentes de ruido. La relación señal-ruido (SNR) debe ser mayor que 1/1 para distinguir una característica espectral del ruido. Un pico con un SNR de 4/1 puede no parecer bonito, pero aun así es inequívoco y puede ser aceptable para un análisis cualitativo. Normalmente se requieren SNRs más altos para el análisis cuantitativo.
Hay muchas fuentes de ruido que afectan a la calidad de un espectro. La fuente en sí tiene cierta inestabilidad, el espectrómetro tiene cierto nivel de luz dispersa y la mesa puede vibrar. Aquí, sin embargo, la discusión se limitará a las fuentes de ruido asociadas al sistema de detección.
La SNR puede ser la consideración definitiva en aplicaciones donde el flujo es muy bajo durante el periodo de medición permitido. Las limitaciones pueden deberse a una señal intrínsecamente baja, variaciones temporales en la estructura de la muestra o duración de la fuente. En la mayoría de los demás casos, es decir, si el tiempo lo permite, la SNR puede mejorarse integrando más tiempo. El aumento en la SNR será la raíz cuadrada del factor incremento en el tiempo de integración. Aumentar el tiempo de integración de 2 segundos a 4 segundos incrementará la SNR en un factor de 1,414. Así, duplicar el tiempo de integración de un espectro con una SNR de 4/1 aumentará la SNR a 5,6/1.
Los CCD están disponibles con una amplia gama de sensores y opciones de refrigeración. Entender las limitaciones experimentales y el ruido asociado a las elecciones de componentes puede marcar la diferencia entre conseguir cualquier espectro o pagar demasiado por conseguirlo. La Fig. 45 muestra características espectrales con SNRs aproximadas indicadas por encima de cada una.
La siguiente discusión te ayudará a entender cómo cada fuente de ruido de la cámara CCD contribuye al ruido total y cuáles son insignificantes o dominantes a la hora de seleccionar las opciones de detector adecuadas para tu aplicación.
La ecuación básica para determinar la SNR de un detector CCD se muestra a continuación, donde:
S = señal que se está midiendo
N = ruido total
D = señal de oscuridad
R = ruido de lectura.
El ruido de disparos, también conocido como ruido cuántico, es causado por la variación estadística en el conteo del número de fotones y no puede eliminarse.
El ruido de disparos, también conocido como ruido cuántico, es causado por la variación estadística en el conteo del número de fotones y no puede eliminarse.
Esta variación sigue una distribución de Poisson clásica y puede describirse como la raíz cuadrada del número de fotones detectados en la
Periodo de medición. La variación estadística para una medición de 100 fotones estaría entre 95 y 105 fotones. La SNR de esta medida sería 100/√100 = 10/1.
El ruido de disparo es casi siempre la fuente dominante de ruido del detector en experimentos que emplean sistemas de detección basados en CCD refrigerados una vez que la señal supera cualquier señal de fondo.
Ruido termiónico u oscuro.
Así como los fotones pueden liberar electrones, las vibraciones térmicas dentro del sensor pueden hacer lo mismo. El número de electrones liberados para cualquier temperatura y periodo de adquisición es muy reproducible. Con detectores sin refrigeración o mínimamente refrigerados, la corriente de oscuridad puede ser a menudo mayor que la señal que se está midiendo. Tomar una medición oscura por el mismo tiempo de integración que la medición y restarla de la medición es una práctica común. Sin embargo, existe un componente análogo de ruido de disparo en la corriente oscura.
Cuanto más frío es el sensor, menor es la corriente oscura y el ruido asociado. Un CCD refrigerado por nitrógeno líquido (LN) tiene una corriente oscura en el rango de fracciones de electrones por píxel hora, y para todos los efectos prácticos, no tiene componente de ruido oscuro. Los sistemas de detección CCD de grado científico construidos con enfriadores termoeléctricos (TE) Peltier suelen alcanzar temperaturas inferiores a 200 K. Estos CCDs tienen componentes de ruido en fracciones de electrones por segundo, lo que para la mayoría de las aplicaciones es más que suficiente. Sin embargo, para fenómenos extremadamente débiles que requieren tiempos de integración en el rango de minutos, un detector refrigerado por LN puede ser una opción más adecuada.
El ruido de lectura se debe a la incertidumbre en el proceso de lectura. t suele especificarse como un número determinado de electrones RMS. RMS, Root Mean Squared, es una medida estadística y el número real de electrones leídos para cualquier píxel puede variar en un rango aproximado de pico a pico de 5 veces el valor RMS.
El ruido de lectura se debe a la incertidumbre en el proceso de lectura. El ruido de lectura suele especificarse como un número determinado de electrones RMS. RMS, Cuadrado Medio Raíz, es una medida estadística y el número real de electrones leídos para cada píxel puede variar en un rango aproximado de pico a pico de 5 veces el valor RMS. Una diferencia de unos pocos electrones en el ruido de lectura no tiene un efecto discernible sobre la SNR general incluso en las aplicaciones más difíciles. El ruido de lectura se mide en total oscuridad con el tiempo de integración mínimo alcanzable. Una señal de solo 25 fotoelectrones en un periodo de medición tendría un ruido de disparo superior al ruido de lectura de la mayoría de los detectores CCD de grado científico.
La Fig. 48 muestra el ruido de lectura de dos matrices. Aunque estadísticamente se detecta una diferencia de 1 electrón para cualquier medición repetida individual, hay más de 1000 píxeles que se leen en un espectro. Para cualquier píxel dado, el dispositivo con mayor ruido de lectura RMS puede tener en realidad menor ruido. Cuando el ruido del disparo de la señal se superpone a esto, no hay posibilidad de hacer una distinción medible.
Si el ruido de lectura está por encima del ruido de la toma durante una exposición de 10 minutos, hay una buena posibilidad de que no se obtenga un espectro utilizable.
Los rayos cósmicos están siempre presentes. Cuando uno golpea un sensor CCD, puede liberar electrones a lo largo de su trayectoria. Algunas de esas capturas se capturan y aumentan el ruido. La tasa media de acierto es de 5 eventos/cm/minuto. Para la mayoría de las aplicaciones, los rayos cósmicos no son un factor, ya que la señal suele ser más fuerte y el tiempo de integración corto. Sin embargo, para fenómenos extremadamente débiles, donde la señal puede estar en el rango de decenas de fotones por segundo y los tiempos de integración se acercan a 20 a 30 minutos, el ruido inducido por rayos cósmicos puede hacer que un espectro sea ilegible. La mayoría del software espectroscópico tiene un algoritmo de eliminación de rayos cósmicos. En esencia, se toman dos espectros y se resta cualquier característica que no se encuentre en ambos espectros. Sin embargo,
Los rayos cósmicos cruzan columnas y filas, e incluso con el algoritmo, los espectros de larga exposición pueden distorsionarse más allá de la validez analítica. Véase la Fig. 49, Si el ruido de lectura está por encima del ruido de la toma durante una exposición de 10 minutos, hay una buena probabilidad de que no se obtenga un espectro utilizable.
La QE indica qué porcentaje de los fotones que impactan en el sensor resultará finalmente en que un electrón sea capturado y leído.
Hay varias opciones a considerar al seleccionar un sensor. La eficiencia cuántica (QE) suele considerarse la más importante. La QE indica qué porcentaje de los fotones que impactan en el sensor resultarán finalmente en capturar y leer un electrón. Un sensor frontal iluminado estándar tiene prácticamente ninguna sensibilidad por debajo de 400 nm y sería inadecuado para mediciones UV. En la figura 50, el sensor de electrodo abierto (OE) iluminado frontal tiene aproximadamente un 50% de QE a 550 nm. El sensor frontal iluminado con recubrimiento UV (FIUV) tiene aproximadamente un 25% de QE en la misma longitud de onda. Esto indica que para el mismo flujo incidente, el sensor OE produce el doble de electrones detectables. Así, durante el mismo tiempo de integración, el sensor OE tendrá una SNR 1,414 (√2) veces mejor que el sensor FIUV, o se podría alcanzar una relación SNR equivalente en la mitad del tiempo.
Con aproximadamente 320 nm, el sensor UV retroiluminado (BIUV) tiene un QE del 60%, el OE del 35% y el FIUV del 15%. El BIUV puede adquirir datos equivalentes en 0,6 del tiempo de un OE (35/60) o con una ganancia SNR de 1,31 (√(60/35) respecto al OE. Comparar el BIUV con el FIUV da una ventaja de velocidad de cuatro veces o de una ventaja de SNR de dos veces. La Fig. 51 muestra las comparaciones de SNR a niveles de luz extremadamente bajos. Para aplicaciones donde se logra habitualmente una SNR de 10/1 o mejor, estas pequeñas diferencias pueden no justificar el coste. A la hora de decidir entre una versión CCD con iluminación trasera y una versión frontal iluminada, lo que importa es la diferencia relativa en QE, dadas condiciones que no son ruido de disparo ni limitación temporal. Un sensor retroiluminado es más adecuado para mediciones cinéticas o limitadas por tiempo de reacción débiles, de un solo disparo, en el rango de menos de segundos, o en casos donde los tiempos de integración necesarios son muy largos y existe potencial para efectos de rayos cósmicos.
Las diferencias relativas en QE en el visible y el NIR son, como mucho, del 50% entre un CCD iluminado frontal y uno trasero. Esto corresponde a la diferencia en la SNR entre los espectros rojo y verde. Sin embargo, en el ultravioleta, la diferencia relativa puede ser mayor a cuatro veces, correspondiendo a la diferencia entre los espectros rojo y violeta.
La diferencia del 50% entre un QE del 40% y uno del 60%, por ejemplo, dará una ganancia de SNR de 1,25, correspondiente a la diferencia entre los espectros rojo y verde en la Fig. 51. La mayor diferencia relativa entre el VIS y el NIR es solo unas dos veces. Esto produce una mejora en la SNR de 1,4, que corresponde a la diferencia entre los espectros rojo y azul o azul y violeta. Sin embargo, en el UV, hay una diferencia significativa entre un sensor iluminado frontal (recubierto de UV) y uno iluminado por la parte trasera; hasta cinco veces la QE.
Esto produce una diferencia que se acerca a una comparación entre los espectros rojo y violeta.
Comprar un sensor con la mayor QE no siempre garantiza una mejora significativa en la calidad espectral. Sin embargo, casi siempre añade coste.
El FWC de un sensor se especifica en mil electrones, ke-, e indica el número total de electrones que pueden medirse en un píxel del registro de lectura. Los píxeles en el registro de lectura suelen ser ligeramente más grandes que los demás.
El FWC de un sensor se especifica en mil electrones, ke-, e indica el número total de electrones que pueden medirse en un píxel del registro de lectura. Los píxeles en el registro de lectura suelen ser ligeramente más grandes que los demás. A medida que los electrones se transfieren por las columnas hasta el píxel del registro de lectura, el FWC también es el máximo para cualquier columna. En la mayoría de las aplicaciones de bajo nivel de luz esto no es un problema. En aplicaciones donde la luz es relativamente intensa o donde la medición puede realizarse en una escala temporal que permita maximizar la señal, puede ser importante. Un FWC mayor permite medir señales más intensas. También puede permitir un rango dinámico más alto en la medición, es decir, puede distinguir picos menores en un espectro con un pico a escala completa que un sensor con un FWC menor dependiendo del ajuste de electrones por conteo.
A continuación se muestran los esquemas de cada tipo de sensor con breves viñetas que describen las ventajas y desventajas de cada sensor.
El tamaño del píxel se ha asociado con una mejor resolución espectral. Un píxel de 20 μm de ancho tendrá un número menor de longitudes de onda cayendo sobre él que un píxel de 26 μm de ancho. Las únicas aplicaciones donde esta diferencia de tamaño puede influir son aquellas con espectros de emisión atómica extremadamente estrechos tomados con espectrógrafos de larga distancia focal y baja apertura. Para todas las demás aplicaciones, es más importante seleccionar una combinación de espectrógrafo y rejilla que tenga una resolución superior a la requerida para la medición.
La mayoría de los espectros moleculares, Raman y fluorescencia por ejemplo, tienen características relativamente amplias y pueden medirse con espectrógrafos entre 0,3 m y 0,6 m. Las aberraciones fuera del eje en estos son mayores que la diferencia de 6 μm en el ancho de píxel, en gran parte del plano focal. Además, es muy raro, especialmente en aplicaciones con poca luz, que una anchura de rendija inferior a 25 μm sea apropiada. Un espectrógrafo de mayor densidad de rejilla o mayor distancia focal permitiría el uso de una rendija de entrada más ancha para lograr una resolución equivalente y, lo que es más importante, captaría más luz. El ancho de la ranura es el factor determinante en la resolución. Si el ancho de la ranura es mayor que el ancho del píxel, el píxel no tendrá ningún efecto en la resolución. No habría ventaja en tener un píxel más pequeño, pero sí habría una reducción de FWC, ya que cuanto más pequeño es el píxel, menos electrones puede contener.
Los sensores se enfrían para reducir el nivel de corriente en la oscuridad y el ruido asociado. Los sistemas CCD espectroscópicos están disponibles con refrigeración termoeléctrica (TE) o refrigeración por nitrógeno líquido (LN). Los fabricantes afirman niveles de refrigeración TE entre -80 ºC y -100 ºC (con fuentes de alimentación opcionales y circulación de agua). A -80 °C, la mayoría de los CCD tienen una corriente oscura de aproximadamente 0,002 electrones por píxel por segundo. La corriente oscura para cualquier lectura es la corriente oscura combinada de todos los pixeles en cualquier columna. Para un sensor de 256 píxeles de altura, con todos los píxeles de una columna siendo leídos, la corriente oscura total sería (0,002e/píxel) x 256 píxeles o 0,5 electrones por segundo. Para obtener un nivel de ruido oscuro justo equivalente a un ruido de lectura de 3 electrones se necesitarían unos 18 segundos. Está claro que, incluso en tiempos de adquisición bastante largos, el enfriamiento no es un problema, y nunca es un problema incluso en experimentos extremadamente débiles en escalas de tiempo inferiores a segundos.
El etaloning es un fenómeno que puede interferir con algunas mediciones de espectroscopía, pero puede no interferir con otras mediciones.
Con un sensor iluminado por la parte trasera, la luz incidente impacta directamente en la capa fotosensible de silicio. La capa de silicio se adelgaza físicamente, lo que conduce a una mayor eficiencia cuántica, pero también provoca efectos de fleco etalón por reflejos entre las capas de silicio y dióxido de silicio.
El etaloning es un fenómeno que puede interferir con algunas mediciones de espectroscopía, pero puede no interferir con otras mediciones. Para limitar el etalonado y aumentar la eficiencia cuántica, se puede aplicar un sustrato más grueso a los sensores BI. Este tipo de sensor se denomina agotamiento profundo retroiluminado.
La discusión hasta ahora ha tenido en cuenta los fotones y electrones. Los fotones de la muestra liberan electrones en el sensor. Esos electrones, los electrones en la corriente oscura y los electrones producidos por el proceso de lectura se combinan en la medición. Sin embargo, los valores que aparecen en la pantalla son conteos. Hay 65.535 conteos discernibles con un convertidor analógico-digital de 16 bits. La electrónica permite al usuario definir cuántos electrones componen un solo conteo mediante el ajuste de la ganancia del amplificador. La electrónica de HORIBA permite una selección de ganancia de entre 1 y 8 electrones por conteo. La capacidad de elegir la ganancia es importante para optimizar la SNR y el rango dinámico.
En niveles de luz extremadamente bajos, donde el ruido de lectura es del mismo orden de magnitud que el ruido de disparo (con una ganancia de 1 electrón por conteo), teóricamente es posible distinguir finalmente la señal del ruido, suponiendo que haya tiempo suficiente para integrarse antes de que fuerzas externas afecten a los datos. Con un ruido de lectura de 3 electrones, solo se necesitarían menos de 25 electrones de señal para superar el ruido de lectura, limitando el ruido de disparo de medición.
Sin embargo, a este nivel la intensidad máxima medible sería de 65535 electrones, ya que ese es el límite del ADC. Además, el rango dinámico estaría limitado a 65.535/3 o 21.845 a 1.
Usar una ganancia de 4 electrones por conteo, a niveles de señal ligeramente superiores a 25 electrones, reduciría el ruido de lectura a un conteo. De hecho, reduciría cualquier ruido de lectura inferior a 6 electrones a un solo conteo (lo que cubre la mayoría de los detectores CCD científicos). Así, se podrían medir más de 260.000 electrones antes de la saturación y el rango dinámico sería mayor, 65.535 a 1.
Una ganancia de 4 electrones por conteo es la ganancia óptima para cubrir tanto señales extremadamente débiles como muy fuertes con el rango dinámico más alto posible. Con esta ganancia, cualquier ruido de lectura entre 1 y 6 electrones sería indistinguible, ya que casi siempre caería dentro del primer conteo.
La Fig. 55 muestra la vía de conversión del fotón al conteo.
Una ganancia de 4 electrones por conteo es la ganancia óptima para cubrir tanto señales extremadamente débiles como muy fuertes con el rango dinámico más alto posible. Con esta ganancia, cualquier ruido de lectura entre 1 y 6 electrones sería indistinguible, ya que casi siempre caería dentro del primer conteo.
Una ganancia de 4 electrones por conteo es la ganancia óptima para cubrir tanto señales extremadamente débiles como muy fuertes con el rango dinámico más alto posible. Con esta ganancia, cualquier ruido de lectura entre 1 y 6 electrones sería indistinguible, ya que casi siempre caería dentro del primer conteo.
La Fig. 56 muestra una comparación de un espectro tomado con ajustes de ganancia de 1 y 4 electrones por recuento (e/ct). Cuando se muestra en la misma escala, el 4 e/ct se ve más limpio. Esto se debe a que el ruido de lectura se reduce a 1 cuenta mientras que es 3 tiempos en la configuración de ganancia de 1 e/ct.
Cuando el pico de 4 e/ct se amplía a la misma altura que el otro, como se muestra a la derecha, podemos ver que el nivel de ruido aparece ligeramente más alto. A este nivel de señal es el doble de superior. La diferencia se debe a la diferencia de ruido de disparo en la intensidad de la señal, siendo el ruido de lectura solo unos pocos por ciento del ruido total.
Por encima de 21.845 conteos, el ajuste de 4 e/ct tendría una mejor SNR y serían niveles de señal sensibles por encima de los 65.535 recuentos impuestos por la ganancia de 1 e/ct.
Una frecuencia de reloj de 100 MHz no permite tomar el doble de espectros que con una frecuencia de 50 MHz. Además, la tasa espectral depende en gran medida del tamaño y la ubicación del área del chip que se está leyendo.
Los CCD científicos deben estar en la oscuridad mientras se transfiere la señal, ya que no hay máscaras que impidan que los fotones que impactan fuera del periodo de medición contribuyan a la medición. Generalmente, para CCDs no intensificados, se requiere un obturador electromecánico. Estos obturadores pueden funcionar de forma fiable para exposiciones tan cortas como 50 ms, permitiendo adquirir unos 20 espectros por segundo.
Es posible que el usuario coloque una máscara en el camino óptico que solo permita iluminar una parte del sensor. Esto puede permitir tasas espectrales más altas. Estas tasas dependen en gran medida de la altura del sensor y del tamaño y ubicación del área de medición en el sensor. Para tiempos de exposición más cortos, se requiere un CCD intensificado (ICCD), ya que puede admitir y bloquear la luz en la escala de nanosegundos. Para tiempos de reacción superiores a unos pocos nanosegundos, una diferencia en la longitud del camino entre la señal de excitación y la de medición permite obtener datos utilizando láseres pulsados y sistemas de detección CCD no intensificados.
En todos los casos, ya sea intensificado o no, los datos de los píxeles deben desplazarse hacia abajo en las columnas y luego a lo largo de la última fila a medir. El tiempo para mover las filas hacia abajo y hacia fuera es una parte significativa del tiempo que se tarda en leer un espectro. La frecuencia de reloj se refiere únicamente al número de píxeles por segundo que pasan por el ADC. Véase la Fig. 57, Una frecuencia de reloj de 100 MHz no permite tomar el doble de espectros que con una frecuencia de reloj de 50 MHz. Además, la tasa espectral depende en gran medida del tamaño y la ubicación del área del chip que se está leyendo. Desafortunadamente, no existen estándares para el procedimiento utilizado en el cálculo de la tasa espectral. Algunos fabricantes consideran leer solo una fila para determinar la tasa espectral máxima, mientras que otros consideran los resultados de desplazar todos los datos del píxel hacia abajo y hacia fuera.
La mayoría de los fabricantes ofrecen una elección de frecuencias entre 20 kHz y 1 MHz. Si un espectro se toma con obturador, el número máximo de espectros no está limitado por la frecuencia de reloj. Existe una ventaja intrínseca en usar la frecuencia de reloj más baja posible. Las frecuencias de reloj lentas producen menor ruido de lectura y permiten que el ADC cuente con mayor precisión. La medida de esta precisión se denomina eficiencia de transferencia de carga. Las diferencias pueden ser casi imperceptibles, pero posiblemente pueden aparecer en condiciones de luz extremadamente baja.
La discusión anterior ofrece una buena cantidad de orientación para el usuario que tiene conocimientos previos sobre las condiciones de adquisición y las relaciones señal-ruido que se encontrarán en el experimento. Sin embargo, hay un gran porcentaje de usuarios que no saben qué esperar. Para ellos, ofrecemos las siguientes tres reglas que deben aplicarse incluso antes de que comience la especificación del sistema.
Regla número uno
Haz una búsqueda bibliográfica. Busca espectros publicados de experimentos o procedimientos similares a lo que planeas hacer. Mira la SNR de los espectros. Mira el equipo utilizado y el tiempo de adquisición. Si tu fuente es la mitad de intensa y la concentración de la muestra es 10 veces menor, tu SNR será √20 veces menor durante el mismo tiempo de integración.
Regla número dos
Si los espectros publicados tienen, o si tus datos previstos tienen un SNR inferior a 10/1, contacta definitivamente con un científico de aplicaciones del proveedor de equipos que conozca tu área de investigación. Regla número tres: No uses un CCD iluminado por detrás si vas a medir por encima de 750 nm (excepto cuando el chip iluminado por detrás tiene tecnología antietalonización). Un fenómeno llamado etaloning hará que las longitudes de onda más largas se reflejen desde la superficie trasera y produzcan patrones de interferencia.
Un CCD de Multiplicación de Electrones (EMCCD) utiliza la tecnología más avanzada para mejorar la relación señal-ruido (S/N) en mediciones donde hay niveles de señal extremadamente bajos.
Un CCD de Multiplicación de Electrones (EMCCD) utiliza la tecnología más avanzada para mejorar la relación señal-ruido (S/N) en mediciones donde hay niveles de señal extremadamente bajos. En regímenes de baja luz, el proceso de multiplicación de electrones puede proporcionar una buena relación S/N, a diferencia del CCD convencional, donde solo se pueden observar unas pocas de las características más fuertes por encima del ruido.
Los beneficios de la ganancia EM son claramente evidentes en la imagen Raman rápida, donde los tiempos de integración cortos necesarios a menudo pueden dar lugar a señales apenas visibles por encima del ruido cuando se miden con un CCD convencional.
Un CCD de Multiplicación de Electrones (EMCCD) utiliza la tecnología más avanzada para mejorar la relación señal-ruido (S/N) en mediciones donde hay niveles de señal extremadamente bajos.
El EMCCD tiene dos registros de lectura en el chip: un registro convencional y un registro EM. En el registro electromagnético, las tensiones de reloj utilizadas son mayores que en el reloj convencional, lo que hace que los electrones adquieran suficiente energía como para que pueda producirse ionización por impacto. En este punto, se producen electrones extra y se almacenan en el siguiente píxel. Existe solo una pequeña probabilidad de que los electrones adquieran suficiente energía para que ocurra la ionización por impacto (creando así electrones adicionales), pero dado que el registro de lectura contiene muchos elementos, son posibles factores de ganancia significativos (hasta ~1000x).
El principal beneficio de un EMCCD es que la amplificación ocurre antes de la lectura de la señal, lo que significa que la señal no está limitada por el ruido de lectura. En otras palabras, mediante amplificación la señal se eleva muy por encima del nivel de ruido de fondo, que está determinado en gran medida por el ruido de la electrónica de lectura (preamplificador y convertidor A/D).
Guía de selección del CCD basada en Aplicación y exposición.
Las sugerencias a continuación se basan en el trabajo con miles de investigadores en una amplia gama de aplicaciones físicas, químicas y biológicas. Como son reglas generales, puede que no sean exactamente adecuadas para tu aplicación en particular. Habla con un científico de aplicaciones. Los científicos de aplicaciones de HORIBA tienen miles de horas de experiencia realizando mediciones espectroscópicas y, aunque no comprendan completamente la naturaleza de tu investigación, sí comprenden las características y limitaciones de los sistemas ópticos y de detección.
Utiliza sensores retroiluminados y refrigeración LN para:
UV cualquier cosa:
Cualquier cosa analítica:
La Fig. 60 muestra las intensidades relativas y las escalas temporales para una amplia gama de aplicaciones. Como se ha dicho antes, esto también es una generalización.
Este artículo hasta ahora se ha centrado exclusivamente en los sistemas de detección de CCD. Aunque suelen ser el componente más caro en un sistema espectroscópico, las mejoras incrementales en la calidad espectral pueden verse más profundamente afectadas por la correcta selección de otros componentes en el sistema. No es posible obtener factores de ganancia de dos en la SNR, salvo en la UV, seleccionando un sensor diferente. Sin embargo, se pueden ganar o perder fácilmente factores o dos más dependiendo de la eficiencia con la que la óptica de entrada recoja la señal y de lo bien acoplada que esté al espectrómetro. Cambiar la distancia focal del espectrómetro o duplicar la densidad de la ranura de la rejilla (pasando de 1200 a 2400 gr/mm) puede, en muchas aplicaciones, aumentar el rendimiento por dos factores sin penalización en la resolución.
Para obtener el máximo rendimiento en tu inversión debes tener en cuenta todos los componentes del sistema óptico. Una inversión de unos pocos cientos de dólares en óptica puede aportar un beneficio mayor que una inversión de varios miles de dólares en un sensor mejor.
HORIBA lleva fabricando tanto sistemas de detección CCD como espectrómetros desde más tiempo que cualquier otro proveedor. Cuenta con el equipo más grande y experimentado de científicos ópticos y de aplicaciones especializados en espectroscopía. Tus requisitos se evalúan desde una perspectiva sistémica, sin prejuicio hacia ningún componente en particular.
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