Аннотация 3
ВВЕДЕНИЕ 3
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 5
1.1 Теоретические основы спектроскопии комбинационного рассеяния 5
1.2 Особенности спектроскопии комбинационного рассеяния 6
1.3 Применение спектроскопии комбинационного рассеяния в аналитических целях 7
2. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ СПЕКТРОСКОПИИ КР 9
2.1 Развитие аналитических инструментов спектроскопии КР 9
2.2 Концепт КР-спектрометра нового поколения 13
2.3 Принцип работы спектрального прибора для спектроскопии КР 14
2.4 Технические характеристики спектрального прибора 15
2.5 Спектрометр на основе смартфона в спектроскопии 16
3. РАЗРАБОТКА КР-СПЕКТРОМЕТРА 35
3.1 Макет устройства 35
3.2 Обработка получаемой информации 38
3.3 Оптимизация положения дифракционной решетки 39
3.3.1 Определение оптимального угла поворота дифракционной решетки 39
3.3.2 Оптимальный угол дифракционной решетки 41
3.4 Оценка реальных характеристик спектрометра 42
3.4.1 Экспериментально установленные характеристики 43
3.5 Сравнение цветной и монохромной матрицы 44
3.6 Сравнение отношения сигнал-шум для цветной и монохромной матрицы 47
3.7 Оценка погрешности измерений 48
3.8 Определение минимальной детектируемой концентрации вещества 51
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 53
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 54
Актуальность: Начало XXI века ознаменовалась новым витком научно-технологического прогресса, в результате чего широкому кругу людей стали доступны технологии, ранее имеющие применение только в стенах лабораторий. Внедрение современных технологий непосредственно сопряжено с модернизацией промышленности, появлению новых видов производств и расширением ряда старых. Бурное технологическое развитие и связанный с этим экономический рост являются причинами увеличивающейся распространенности токсичных веществ как в воздухе, так и в почве, и воде. Контроль распространения токсичных соединений в воде является одним из наиболее простых, поэтому поиск новых способов многокомпонентного анализа является приоритетным направлением. Для анализа химического состава, позволяющего выявить превышение концентрации опасных соединений, зачастую используется сложное и дорогое оборудование, требующее определенной квалификации у его оператора, что ограничивает объем и скорость проведения исследований подобного рода. В тоже время для эффективного мониторинга необходимы регулярные измерения, которые будут проводится на большой территории на протяжении длительного времени. Для реализации таких измерений требуется компактный и простой в обращении прибор, дающий возможность в любой момент времени провести измерение людям, не обладающим специальной квалификацией. Сеть таких приборов может собирать большой объем данных, делая возможным более точное отслеживание динамики загрязнения и предоставлять актуальную информацию пользователю. Основа для такого прибора есть в кармане практически у любого человека на планете - это смартфон. Будучи наследником мобильного телефона, смартфон не просто унаследовал его основные функции, но и значительно модернизировал их, а также приобрел ряд новых, что сделало его незаменимым инструментом как для повседневной жизни, так и для решения специализированных задач. В большинстве современных моделей содержится большое количество различных сенсоров, например, термометр, магнитометр, акселерометр и т. д., а вычислительные возможности значительно превосходят большинство компьютеров и суперкомпьютеров прошлого века, с помощью которых удавалось совершать величайшие достижения в истории, в частности, полет человека на Луну. Благодаря большому набору источников информации об окружающем мире, возможности подключать новые датчики в качестве периферии, а также большой вычислительной мощности, необходимой для реализации соответствующих алгоритмов обработки данных, смартфон может использоваться для проведения различных измерений, например, для определения наклона поверхности, определения высоты без системы GPS, автономного прогноза погоды и т.д. Наибольшее развитие среди всех систем получила камера. Благодаря современным достижениям в развитии полупроводниковых матриц и алгоритмам обработки изображений, качество фотографии значительно превосходит большое количество фотоаппаратов конца XX - начала XXI века, тем самым открывая широкий набор возможностей для людей с различными требованиями и задачами, что привлекает широкий круг ученых и инженеров из разных областей, где использование камеры смартфона позволит получить более удобный и эффективный профессиональный инструмент. Одной из таких областей является спектроскопия комбинационного рассеяния (спектроскопия КР), активно развивающаяся последние десятилетия и привлекающая к себе достаточно много внимания специалистов. Благодаря своим уникальным особенностям, выделяющим спектроскопию комбинационного рассеяния на фоне других методов молекулярной спектроскопии, данный метод имеет потенциал стать настоящим прорывом, позволив внедрить современные достижения науки во многие области жизни человека, делая ее более здоровой и безопасной. Его главными преимуществами являются возможность проведения неразрушающего контроля, а также довольно небольшой объем вещества для проведения анализа. Уже сейчас спектроскопия комбинационного рассеяния ограниченно используется в большом количестве направлений, например, в медицине, геологи, археологии и т.д. Спектроскопия комбинационного рассеяния отлично подходит для анализа жидких образцов, позволяя быстро и точно проводить многокомпонентный анализ, что крайне необходимо для решения вышеописанной проблемы.
Цель: Разработка КР-спектрометра на основе смартфона
Задачи:
1. Расчет оптической системы спектрометра..
2. Сборка макетного образца и его апробация.
3. Регистрация спектров КР образцов прозрачных жидкостей различного состава.
4. Оценка погрешности измерений и минимальной детектируемой концентрации.
В результате проделанной работы разработан и собран макет КР-спектрометра на основе смартфона для анализа концентрации веществ в растворах.
Величина обратной линейной дисперсии составила 0,20 нм/мкм, одновременно регистрируемый спектральный диапазон 532 - 706 нм (0-4600 см-1), спектральное разрешение ~1,68 нм (39 см-1). В регистрируемом спектральном диапазоне лежат все фундаментальные колебательные полосы молекул, что позволяет определять широкий класс веществ.
Проведено сравнение монохромной и цветной матрицы смартфона путем регистрации спектров раствора этанола, по которым определена величина отношения сигнал-шум при различных параметрах записи снимка. Установлено, что монохромная матрица обеспечивает до двух раз лучшее соотношение сигнал-шум.
Установлено, что в случае анализа водно-этанольных растворов погрешность измерений данного спектрометра и минимально детектируемая концентрация составляет ~1% при мощности излучения 100 мВт и времени анализа 20 с.
При записи спектров, по которым строилась калибровочная кривая и определялась минимальная детектируемая концентрация, использованы стандартные возможности смартфона, однако полученные значения потенциально можно улучшить путем использования современных алгоритмов обработки изображений и более совершенной элементной базы.
