Главная | Обратная связь

Обработка спектральной информации

Известно, что спектральные характеристики, полученные, в частности, в инфракрасном диапазоне, несут большое количество информации. Эти характеристики могут содержать информацию, например, о концентрации химических компонентов в образце, об анизотропных свойствах образца, о дисперсии показателя преломления, о коэффициенте поглощения, об изменении градиентов биохимических составляющих сырья биологического происхождения, о степени пространственной организации и т.д. Задача же заключается в трансформации огромного числа полученных данных на возможости управления технологическим процессом.

Методы НПВО позволяют вести анализ образца без его разрушения и по «слоям». Количественный анализ каждого из указанных выше параметров требует создание адекватных моделей, в которых необходимо учитывать и структуру образца, и его форму и размеры, и заполнение им рабочих поверхностей измерительных элементов.

Для реализации сказанного требуется использование ЭВМ при работе со спектральными приборами, а также разработка целого пакета программ для получения и анализа перечисленной выше информации.

Для реализации сформулированных выше задач требуется использование самых разнообразных спектральных приборов, работающих в различных спектральных диапазонах. С целью получения максимально возможной информации при использовании этой аппаратуры необходима разработка аппаратных и программных средств, обеспечивающие сопряжение с ЭВМ.

Например, регистрирующая часть спектрофотометра Spekord 75 IR содержит прецизионный потенциометр-датчик, ползунок которого синхронно передает движение измерительной диафрагмы и пера самописца. Это позволяет подавать измеряемую величину (коэффициент пропускания Т), т.е. пропорциональное ей напряжение на внешнее регистрирующее устройство, в нашем случае – на 10-ти разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с пределами входного напряжения от 0 до 10 В и временем преобразования 20 мкс. Опорное напряжение V₀ подается на потенциометр от внешнего прецизионного источника. Величина V₀ согласована с верхним пределом входного напряжения АЦП. Напряжение смещения нуля на выходе АЦП при продолжительной работе не превышает ±2 ед. М.З.Р., что обеспечивает измерение Т с погрешностью не более 0,2%. Погрешность же измерения Т по шкале ординат диаграммной бумаги в диапазоне от 1 до 0,1 составляет ±1%, а в диапазоне от 0,1 до
0 ¸ ±1,5%.

Соединение АЦП с ЭВМ возможно осуществить посредством платы сопряжения, конструктивно выполненной в виде полуплаты в стандарте кросса ЭВМ. Сигнал запуска и готовности АЦП формируется и контролируется этой же платой. Цифровой код в ЭВМ передается двумя последовательными байтами. Программные средства обеспечивают синхронную работу прибора и ЭВМ, запись спектров и их обработку. Подпрограммное управление обеспечивает в диалоговом режиме задание режима записи спектра – диапазон по длинам волн, время записи спектра, полное число отсчетов. Подпрограмма обработки обеспечивает цифровую фильтрацию данных, измерение расстояния между пиками в спектре, вычисление площади под пиком, расчет показателей поглощения, оптической плотности и концентрации.

Как известно, сложные органические вещества имеют сравнительно широкую и немонотонную полосу поглощения. Для определения концентрации поглощающего вещества необходимо определить площадь под полосой поглощения. Графическое определение площади представляет весьма трудоемкую задачу. С помощью ЭВМ эта задача решается быстро и с высокой точностью. Рассмотрим некоторые методические аспекты, связанные с вычислением площадей.

В соответствии с законом Бугера-Ламберта коэффициент пропускания Т определяется следующим образом:

Т(ν) = = exp [–k(ν) c d], (5.20)

где I₀(ν) – поток, падающий на кювету,

I(ν) – поток, прошедший через кювету,

k(ν) – показатель поглощения, характеризующий поглощающее вещество,

с – концентрация поглощающего вещества,

d – толщина поглощающего слоя.

Конструкция спектрофотометра обеспечивает непосредственную регистрацию Т(ν) в линейном масштабе. Для определения коэффициента поглощения A(ν) = 1 – Т(ν) или оптической плотности D(ν) необходимо выполнить соответствующие вычисления. При проведении количественного спектрального анализа обычно используют оптическую плотность, т.к. она, как правило, является аддитивной величиной.

Спектрофотометр записывает спектры пропускания Т(ν) в аналоговой форме. Синхронно с отклонением пера регистрирующего самописца аналоговая величина преобразуется в цифровой код и передается в ЭВМ. На мониторе ЭВМ в реальном масштабе отображается регистрируемая спектрограмма. По завершении записи, если в этом есть необходимость, можно осуществить фильтрацию данных – провести сглаживание выбросов, обусловленных шумами. После чего первоначальные данные представляются в виде двух зависимостей. Последовательно записываются два спектра – спектр фона Т₀(ν) и спектр образца с фоном Т₁(ν). На следующей стадии обработки происходит вычитание фона с формированием файла данных D(ν) = D₁(ν) – D₀(ν). После этой операции оператор задает ширину полосы, в пределах которой подсчитывается площадь поглощения. Результаты расчетов автоматически записываются в файл протокола обработки с указанием всех параметров эксперимента.

Подобные аппаратные и программные средства могут быть легко адаптированы к любому спектральному прибору.