Как выбрать флуоресцентный спектрометр? Монохроматоры

Монохроматор классического флуоресцентного спектрометра построен на диффракционных решетках по схеме Черни-Тернера.

Рис. 1. Схема монохроматора Черни-Тернера

 

Основные параметры монохроматора, которые нас обычно интересуют, это:

— фокусное расстояние

— плотность линий на дифракционной решетке и количество самих решеток

— угол блеска

— щель

— как следствие всех вышеперечисленных моментов – дисперсия, которая в свою очередь определяет разрешение спектрометра по длинам волн.

 

В отличие от детекторов и тем более источников, выбор здесь как правило невелик. Но важно понимать на что влияет тот или иной параметр.

 

• Фокусное расстояние

Чем оно больше, тем на большее спектральное разрешение мы можем рассчитывать, поскольку дисперсия увеличивается, что позволяет лучше разделить линии по длинам волн. Увеличение фокусного расстояния, однако, может привести к уменьшению светосилы из-за уменьшения размера выходной щели. Классическое фокусное для люминесцентного спектрометра исследовательского уровня – 300 мм, встречаются варианты с чуть большими значениями (Edinburgh Instruments FLS1000 и SilverskAI). Компактные приборы типа Horiba Fluoromax имеют монохроматоры с фокусными в районе 150 мм. Соответственно, спектральное разрешение здесь похуже.

Рис. 2. Как определяется фокусное расстояние монохроматора

 

• Плотность линий

В зависимости от диапазона это может быть 300, 600, 1200 и более линий/мм. В общем случае чем выше плотность линий, тем выше разрешающая способность, но меньше светосила. В базовом сценарии для видимой области используются решетки на 1200 линий/мм. В диапазонах 900-1700 это уже 600 линий/мм. Еще дальше в ИК – плотность еще ниже. Поэтому если прибор работает в широком спектре, скажем, от 200 до 2700 нм, то потребуется уже 3 решетки. В большинстве случаем на возбуждающем монохроматоре стоит 1 решетка 1200 линий/мм (так как возбуждаем чаще всего длиной волны короче 900 нм), на эмиссионном – несколько.

 

• Угол блеска

Если на пальцах, то угол блеска это та длина волны, на которой решетка отражает больше всего света. То есть если вы работаете только с флуоресценцией GFP, то берите угол блеска 500-550 нм, там соотношение сигнал/шум прибора будет максимальным. В принципе в этом районе как правило и располагается угол блеска эмиссионных монохроматоров систем типа Fluorolog или Fluotime. На возбуждении чуть короче – в районе 300 нм. Как правило производители дают возможность выбрать свой угол блеска, но заказчики как правило игнорируют эту возможность, так как влияние этого параметра несущественно (только если вы не работаете исключительно в диапазоне регистрации 800 нм, там будет актуально сдвинуть угол блеска на эмиссионном монохроматоре в длинноволновую область).

Рис. 3. Направление движения света на дифракционной решетке.

 

• Щель

Чем меньше щель – тем выше спектральное разрешение, но меньше света. В общем случае входная и выходная щель на монохроматоре идентична (но при этом совершенно нормальна ситуация, когда щель на эмиссионном монохроматоре 10 мм, а на возбуждающем 1). Исходя из общих соображений хотелось бы иметь возможность открыть щель максимально широко (когда квантовый выход эмиссия образца очень низкий). Как правило минимальное значение это 0,01 мм, максимальное в районе 10. Но если вы открыли щели на 10 мм, задрали напряжение на монохроматоре, а сигнала все равно нет, то стоит задуматься, а нужно ли записывать спектр такого образца?

 

• Дисперсия

По итогу на дисперсию будет влиять прежде всего фокусное расстояние и плотность линий на решетке, а также такие моменты как материал стенок и оптических элементов, их чистота, а также количество. И здесь нам может помочь второй монохроматор. В системах с двойным монохроматором удается существенно улучшить итоговое значение дисперсии. При этом можно их объединить в режиме вычитания дисперсии (Субтрактивный) и сложения дисперсии (аддитивный). В одном вы получите лучшее временное разрешение, во втором – лучшее спектральное.

 

Таким образом, при подборе прибора стоит обратить внимание на фокусное расстояние монохроматоров и не забыть добавить дополнительные дифракционные решетки на эмиссионный монохроматор, если планируется работа в ИК (не обязательно сейчас, возможно в перспективе, решетку лучше поставить сразу). Например, на модульный люминесцентный спектрометр SilverskAI с монохроматором 320 мм может быть установлено до 3 решеток, что позволяет работать в широком диапазоне длин волн без необходимости ставить еще один эмиссионный монохроматор.

 

В следующей статье поговорим о держателях образца