Спектрофотометры диффузного отражения на основе мини-спектрометров C12880MA и C11708MA Hamamatsu

Спектроскопия диффузного отражения с пространственным разрешением – перспективное направление неразрушающего контроля свойств ряда рассеивающих мелкодисперсных материалов, в том числе и продуктов питания. Она может найти широкое практическое применение только при наличии компактной, простой в применении и недорогой спектрофотометрической техники. Цель статьи – исследование возможности создания портативных спектрофотометров на основе мини-спектрометров Hamamatsu, которые работают в комплексе с современными вычислительными средствами.

Рассмотрены схемы подключения мини-спектрометров C12880MA и C11708MA к портативным вычислительным устройствам. Показана целесообразность использования малогабаритной микропроцессорной платы ARM STM32F103C8T6 (Blue pill) на чипе STM32F103C8T6. Её использование в схеме подключения позволило упростить обмен данными с управляющим компьютером по USB интерфейсу и формирование всех сигналов, которые необходимы для управления работой мини-спектрометра.

Созданы два экспериментальных образца спектрофотометров на основе мини-спектрометров C12880MA и C11708MA и микропроцессоров STM32 и исследованы их характеристики. Приведены методика градуировки и особенности программного обеспечения этих спектрофотометров. Описанные особенности обеспечивают оперативность модификации программного обеспечения под решаемую спектрофотометрическую задачу. Выявлено наличие искажений регистрируемых спектров в коротковолновом участке спектрального диапазона C12880MA. Они возникают за счёт фокусировки вогнутой дифракционной решеткой части рассеиваемого ей излучения в нулевой порядок.

Апробация созданных портативных спектрофотометров на основе мини-спектрометров Hamamatsu указывает на возможность их применения в портативной спектрофотометрической технике и устройствах спектрального контроля оптических свойств рассеивающих материалов. Описанная методика градуировки позволяет определять диапазон спектра, в котором искажения регистрируемых спектров минимальны. Предлагаемые решения позволяют существенно снизить стоимость устройств спектроскопии диффузного отражения с пространственным разрешением и расширить возможности их использования в различных отраслях науки и производства.

1. Puig-Bertotto J., Coelloa J., Maspoch S. Evaluation of a handheld near-infrared spectrophotometer for quantitative determination of two APIs in a solid pharmaceutical preparation. Analytical Methods, 2019, vol. 11, iss. 3, pp. 327–335. DOI: 10.1039/C8AY01970C

2. Tang E. Rapid Analysis of Textiles with Portable Near Infrared Spectroscopy. NIR news, 2015, vol. 26, iss. 8, pp. 11–12. DOI: 10.1255/nirn.1566

3. Nicolaï B.M., Beullens K., Bobelyn E., Peirs A., Saeys W., Theron K.I., Lammertyn J. Nondestructive measurement of fruit and vegetable quality by means of NIR spectroscopy: A review. J. Postharvest Biology Technology, 2007, vol. 46, iss. 2, pp. 99–118. DOI: 10.1016/j.postharvbio.2007.06.024

4. Do Trong N.N., Erkinbaev C., Tsuta M., De Baerdemaeker J., Nicolaï B., Saeys W. Spatially resolved diffuse reflectance in the visible and near-infrared wavelength range for non-destructive quality assessment of “Braeburn” apples. Postharvest Biology and Technology, 2014, vol. 91, pp. 39–48. DOI: 10.1016/j.postharvbio.2013.12.004

5. Doornbos R.M., Lang R., Aalders M.C., Cross F.W., Sterenborg H.J.C.M. The determination of in vivo human tissue optical properties and absolute chromophore concentrations using spatially resolved steadystate diffuse reflectance spectroscopy. Phys. Med. Biol., 1999, vol. 44, no. 4, pp. 967–981. DOI: 10.1088/0031-9155/44/4/012

6. Thueler P., Charvet I., Bevilacqua F., Ghislain M. In vivo endoscopic tissue diagnostics based on spectroscopic absorption, scattering, and phase function properties. J. Biomedical Optics, 2003, vol. 8, no. 3, pp. 495–503. DOI: 10.1117/1.1578494

7. Abookasis D., Zafrir E., Nesher E., Pinhasov A., Sternklar S. Diffuse near-infrared reflectance spectroscopy during heatstroke in a mouse model: pilot study. J. Biomedical Optics, 2012, vol. 17, no. 10, pp. 105009-1– 105009-11. DOI: 10.1117/1.JBO.17.10.105009

8. Abookasis D., Shochat A., Marlon S. Monitoring hemodynamic and morphologic responses to closed head injury in a mouse model using orthogonal diffuse nearinfrared light reflectance spectroscopy. J. Biomedical Optics, 2013, vol. 18, no. 4, pp. 04503-1–04503-11. DOI: 10.1117/1.JBO.18.4.045003

9. Bevilacqua F., Piguet D., Marquet P., Gross J.D., Tromberg B.J., Depeursinge C. In vivo local determination of tissue optical properties: applications to human brain. Applied optics, 1999, vol. 38, no. 22, pp. 4939– 4950. DOI: 10.1364/ao.38.004939

10. Micro-spectrometr C12880MA. Hamamatsu Photonics K. K. Solid State Division. Cat. No. KACC1226E02. Oct. 2015 DN, pp. 1–12.

11. Mini-spectrometers C10988MA-01, C11708MA. Hamamatsu Photonics K. K. Solid State Division. Cat. No. KACC1169E11. Oct. 2014 DN, pp. 1–10.

12. Firago V.A., Sakovich I.A., Sabchuk A.N. [Fiber-optic spectrophotometer to register the spectra of thermal radiation of heated bodies]. Materialy 4 MNPK “Prikladnyye problemy optiki, informatiki, radiofiziki i fiziki kondensirovannogo sostoyaniya”. 11–12 maya 2017 g., Minsk [Materials of 4 ISPK “Applied problems of optics, informatics, radiophysics and condensed matter physics”. May 11–12, 2017, Minsk], pp. 148–150 (іn Russian).

13. Firago V., Hotra O., Sakovich I. Radiometric calibration of fiber optic spectrophotometers. Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering, 2019, vol. 11045, pp. 1104516-1– 1104516-7. DOI: 10.1117/12.2522540

14. Firago V.A. Tsifrovaya termografiya [Digital thermography]. Minsk, BSU Publ., 2019, 319 p.