Fonte de luz LED para espectroscopia, Faixa de comprimento de onda, Medição Espectral

Os LEDs se tornaram uma fonte de luz prática para uma ampla gama de espectroscopia e instrumentos de detecção espectral, desde espectroscopia de tecido no infravermelho próximo e imagem multiespectral até medição de absorbância, fluorescência excitação, colorimetria, e fotobiomodulação. As fontes de luz LED são compactas, estável, eletricamente simples, longevo, e disponível através do ultravioleta (ultravioleta), visível, infravermelho próximo (NIR), e infravermelho de ondas curtas (SWIR) bandas. Para instrumentos que sondam um conjunto de comprimentos de onda discretos em vez de um espectro completo e contínuo, Os LEDs são frequentemente a escolha mais eficiente e de menor custo. Este guia aborda quando os LEDs fazem sentido para espectroscopia, as especificações que importam, como escolher comprimentos de onda, como emparelhar um LED com um detector ou espectrômetro, e como a espectroscopia também é usada para caracterizar a própria luz LED.

Por que LEDs para espectroscopia

A espectroscopia clássica usa uma lâmpada de banda larga (halogênio de tungstênio, incandescente, deutério, ou xenônio) e um elemento dispersivo, uma grade ou prisma, para espalhar o espectro através de um detector. Essa abordagem é poderosa, mas complicada, sedento de poder, e caro. Muitos instrumentos modernos usam a estratégia inversa: iluminar a amostra com um ou mais estreito, comprimentos de onda bem definidos dos LEDs e medir a resposta. É aqui que as fontes de luz LED se destacam.

Um LED emite uma faixa de luz relativamente estreita, normalmente dezenas de nanômetros de largura, com uma distribuição espectral aproximadamente gaussiana, centrado em um pico escolhido. Selecionando o conjunto certo de LEDs, um projetista pode interrogar exatamente as características de absorção ou emissão que importam e ignorar o custo, tamanho, e potência de um monocromador completo. O resultado é um menor, custo mais baixo, instrumento mais robusto, adequado para uso portátil, usável, em linha, e designs com grande número de canais.

Os LEDs são uma ótima opção quando sua medição:

• alvos características espectrais específicas em alguns comprimentos de onda, em vez de uma varredura contínua completa;
• precisa de um compactar, baixo custo, ou portátil fator de forma;
• benefícios de comutação rápida, Os LEDs modulam em taxas de kHz-MHz para detecção de bloqueio e rejeição de ruído de fundo;
• requer longa vida útil e saída estável com aquecimento mínimo.

Trabalho completo de espectro contínuo, identificação em alta resolução de materiais desconhecidos, ou resolvendo estrutura espectral fina, ainda prefere uma lâmpada de banda larga mais um espectrômetro, ou um laser ajustável. LEDs brilham para direcionado, comprimento de onda múltiplo medição e monitoramento.

O que a espectroscopia precisa de uma fonte de luz LED

Quatro especificações de LED impulsionam a qualidade da medição:

Pico (centro) comprimento de onda. O centro da banda de emissão deve estar alinhado com a característica espectral que você está medindo. Muitas aplicações de espectroscopia têm comprimentos de onda específicos de alguns nanômetros, portanto, a precisão do comprimento de onda central e a tolerância do compartimento são importantes. O comprimento de onda de pico também varia ligeiramente com a corrente e a temperatura do inversor, que deve ser controlado ou caracterizado.

Largura espectral (FWHM) e largura de banda. Um LED emite uma banda, não é uma linha, geralmente 20–40 nm de largura total na metade do máximo no visível/NIR. Um emissor de banda estreita proporciona limpeza, medições mais seletivas; uma largura de banda mais ampla pode confundir recursos pouco espaçados. Onde a matemática depende da distribuição espectral da fonte, por exemplo, relacionando a absorção à concentração do analito através da lei Beer-Lambert, use os LEDs medido curva de emissão em vez de assumir um único comprimento de onda.

Potência óptica e irradiância. A saída radiante suficiente deve atingir a amostra e retornar ao detector para uma relação sinal-ruído adequada. As aplicações geralmente especificam uma irradiância alvo (por exemplo, dezenas de mW/cm² na amostra); maior potência também suporta comprimentos de caminho mais longos ou separações maiores entre fonte e detector.

Estabilidade. A saída deve ser estável ao longo do tempo e da temperatura, porque a espectroscopia compara intensidades. Unidade de corrente constante, gerenciamento térmico, e, onde necessário, feedback óptico mantém a leitura honesta em uma medição.

LED versus. lâmpada versus. laser

Para a maioria dos instrumentos de comprimento de onda discreto, Os LEDs ficam no ponto ideal entre o volume de uma lâmpada e o custo e a carga de segurança de um laser. Onde um amplo espectro é genuinamente necessário, uma lâmpada ainda é a escolha certa; onde um único comprimento de onda com pureza máxima é necessário, um laser vence.

Escolhendo comprimentos de onda em todo o espectro

A espectroscopia abrange toda a faixa óptica, UV-Vis, NIR, e SWIR, e a banda certa depende do que você está medindo:

• ultravioleta (UV-A/B/C, ~230–400nm), excitação de fluorescência, absorvância de proteínas e ácidos nucleicos, fotoquímica, e processos ativados por UV (por exemplo, UVB de banda estreita em torno de 305–315 nm para ativação de vitamina D).
• Visível (~400–700nm), colorimetria e ensaios colorimétricos, absorção de pigmentos e corantes, refletância, e fotobiomodulação. Um LED azul (~450 nm) é comum para excitação de fluorescência; vermelho por volta de 630–660 nm para terapia e absorção.
• Infravermelho próximo (NIR, ~700–1050 nm), tecido e biomédico espectroscopia, espectroscopia funcional no infravermelho próximo (fNIRS), oximetria de pulso, e medição de refletância, onde é comum LED NIR conjuntos incluem 750, 760, 800, 850, e 940 nm.
• Infravermelho de ondas curtas (SWIR, ~1050–1750 nm), medição de umidade e teor de água, composição de alimentos e materiais, e imagens multiespectrais de características invisíveis na banda visível.

Como as características de absorção biológica e química estão espalhadas por várias dessas bandas, muitos projetos precisam vários comprimentos de onda ao mesmo tempo, LEDs discretos de cor única, um LED RGB, ou um pacote personalizado de vários comprimentos de onda.

Emparelhamento de LEDs com fotodiodos e espectrômetros

Uma fonte de luz LED é apenas metade do instrumento; o detector e a óptica completam. Para um design LED de comprimento de onda fixo, o detector geralmente é um fotodiodo (silício para UV-NIR até ~1000 nm, InGaAs para SWIR), simples, rápido, e de baixo custo, e uma correspondência natural com a saída discreta de um LED. Onde você ainda precisa resolver um espectro, um compacto espectrômetro módulo (muitas vezes uma grade fixa sobre um CCD ou matriz de fotodiodos) mede em uma faixa espectral mais ampla em uma resolução definida.

Considerações práticas de emparelhamento:

• Acoplamento e óptica, uma lente, filtro óptico, guia de luz, ou fibras ópticas encaminham a saída do LED para a amostra e a luz de retorno para o detector, e isolar a banda de interesse; acessórios de esfera integradora e fibra óptica ajudam com sinais difusos ou fracos.
• Sensibilidade e alcance do detector, combine a resposta espectral do fotodiodo ou espectrômetro com os comprimentos de onda do seu LED.
• Calibração, calibrar a intensidade e (para um espectrômetro) comprimento de onda para que os resultados sejam repetíveis; uma leitura escura define o nível de ruído de fundo.
• Modulação e lock-in, alternar o LED e detectar de forma síncrona rejeita a luz ambiente e melhora o limite de detecção.

Porque os LEDs mudam instantaneamente e não precisam de aquecimento, eles combinam bem com front-ends de fotodiodo de baixo custo para sensores de alta contagem de canais e monitoramento contínuo.

Imagens multiespectrais e designs de vários comprimentos de onda

Um requisito recorrente é um sistema que ilumine uma amostra com vários comprimentos de onda, em sequência ou de uma fonte compacta, para imagens multiespectrais, detecção multiparâmetro, ou absorção diferencial. Construir isso a partir de pacotes discretos significa um alinhamento mecânico rígido e uma grande área ocupada.

UM pacote multi-comprimento de onda resolve isso. Heyi-LEDs Pacote COB 8 em 1 integra até oito emissores acionados de forma independente, escolhido livremente em uma ampla lista de comprimentos de onda UV através de SWIR, em um único 2.2 × 2.9 pegada mm. Para um instrumento de espectroscopia multiespectral ou multibanda, que recolhe uma matriz de LEDs separados em um componente com uma origem óptica comum, simplificando a óptica, montagem, calibração, e integração.

Usando espectroscopia para caracterizar luz LED

Espectroscopia e LEDs também se cruzam na outra direção: um espectrômetro é a ferramenta padrão para medindo a própria luz de um LED. Esteja você qualificando um emissor para um projeto ou verificando um lote de produção, uma medição espectral fornece o comprimento de onda de pico, o FWHM e distribuição espectral completa, e a saída radiante ou luminosa.

Para LEDs brancos e iluminação, esses mesmos dados espectrais produzem a iluminação métricas isso importa: temperatura de cor correlacionada (TCC), o índice de reprodução de cores (IRC), cromaticidade e matiz, e como o revestimento de fósforo de um LED branco produz um amplo espectro em comparação com uma lâmpada incandescente ou halógena. Esta análise espectral é a forma como os engenheiros confirmam se uma fonte de luz ou luminária LED corresponde à sua cor, iluminação, e metas de qualidade, e é por isso “Espectroscopia LED” trata tanto de caracterizar LEDs quanto de usá-los.

Principais especificações de LED para um instrumento de espectroscopia

Ao selecionar LEDs para espectroscopia ou design de detecção espectral, definir esses parâmetros:

• Pico / comprimento de onda central e tolerância bin, quão firmemente o pico deve ser mantido, e em que faixa de temperatura.
• FWHM, largura de banda, e forma espectral, estreito o suficiente para sua seletividade, com uma curva de emissão de LED conhecida e faixa espectral.
• Poder radiante / irradiância na amostra, derivado do comprimento do caminho, geometria, e sensibilidade do detector.
• Drive e modulação, unidade de corrente constante, e velocidade de comutação para detecção lock-in ou multiplexada no tempo.
• Comportamento térmico, comprimento de onda e desvio de saída versus temperatura de junção, e o dissipador de calor necessário para permanecer nas especificações.
• Pacote, óptica, e montagem, tamanho do emissor, ângulo de visão, e se um único pacote de vários comprimentos de onda (versus peças discretas) se adapta melhor ao design óptico.

Heyi-LEDs para espectroscopia

Heyi-LED's-LED fornece LEDs abrangendo aproximadamente 365 nm (ultravioleta) através 1750 nm (SWIR), incluindo os comprimentos de onda visíveis e NIR nos quais a maioria dos sistemas de espectroscopia depende. Você pode navegue no catálogo por comprimento de onda para corresponder a picos específicos, escolha emissores individuais em SMD, SMBB, COB, e pacotes através do furo, ou especifique e personalize um comprimento de onda múltiplo 8-pacote em 1 para projetos multiespectrais. Para compartimentos apertados de comprimento de onda de pico, combinações de comprimento de onda personalizadas, ou orientação sobre FWHM e potência óptica para sua medição, Contate-nos com seus comprimentos de onda alvo, irradiância, e geometria.

Perguntas frequentes

Você pode usar LEDs para espectroscopia?

Sim. LEDs são amplamente utilizados em espectroscopia e detecção espectral, especialmente para instrumentos que medem um conjunto de comprimentos de onda discretos em vez de um espectro contínuo completo. Eles são compactos, estável, comutação rápida, baixo custo, e disponível em UV, visível, NIR, e SWIR, o que os torna adequados para designs portáteis e multicanais.

LED versus. laser para espectroscopia, o que é melhor?

Depende da medição. Lasers fornecem pureza espectral subnanométrica e acoplam-se eficientemente em fibras ópticas, o que é importante para trabalhos de alta resolução ou de longo caminho, mas são caros e acarretam restrições de segurança ocular. Os LEDs oferecem uma banda estreita (mas não de linha única) produção com custo e complexidade muito mais baixos, e são a melhor escolha para múltiplos comprimentos de onda direcionados, portátil, e instrumentos com alta contagem de canais.

Qual LED de comprimento de onda eu preciso para minha aplicação de espectroscopia?

Combine o comprimento de onda central do LED com o recurso de absorção ou emissão que você está medindo. UV é adequado para excitação de fluorescência e absorção de proteínas/ácidos nucleicos, visível combina com colorimetria e pigmentos, NIR é adequado para espectroscopia de tecido e refletância, e SWIR se adapta à umidade e à composição do material. Muitos projetos precisam de vários comprimentos de onda nessas bandas.

Como a largura espectral de um LED (FWHM) afetar espectroscopia?

Um LED típico emite uma banda de 20–40 nm em vez de uma única linha, recursos tão espaçados podem ficar confusos, e qualquer cálculo baseado no espectro da fonte deve usar a curva de emissão medida do LED. Um FWHM mais estreito melhora a seletividade; onde a alta resolução é essencial, um laser pode ser necessário.

Qual detector combina com uma fonte de luz de espectroscopia LED?

Para um LED de comprimento de onda fixo, um fotodiodo (silício para UV-NIR, InGaAs para SWIR) é o mais simples, correspondência de menor custo. Onde você precisa resolver um espectro, um módulo espectrômetro compacto, uma grade sobre um CCD ou matriz de fotodiodos, mede através de uma faixa espectral em uma resolução definida. Combine a sensibilidade do detector com os comprimentos de onda do LED e calibre para obter resultados repetíveis.

Um pacote de LED pode fornecer vários comprimentos de onda de espectroscopia?

Sim. Um pacote de vários comprimentos de onda, como um COB 8 em 1, integra vários emissores acionados de forma independente em diferentes comprimentos de onda em um espaço pequeno, que é ideal para imagens multiespectrais e detecção espectral multiparâmetro porque todos os comprimentos de onda compartilham uma origem óptica comum.

Como a espectroscopia é usada para caracterizar a luz LED?

Um espectrômetro mede o comprimento de onda de pico de um LED, FWHM, e distribuição espectral completa, e para LEDs brancos deriva métricas de iluminação, como temperatura de cor e índice de reprodução de cor (IRC). Esta análise espectral qualifica os emissores durante o projeto e verifica a produção na produção.

Por que a estabilidade do comprimento de onda é importante na espectroscopia?

Espectroscopia compara intensidades de luz, portanto, qualquer desvio no comprimento de onda da fonte ou na saída durante uma medição torna-se um erro. Pico do LED e mudança de saída com corrente e temperatura do inversor, então acionamento de corrente constante e gerenciamento térmico, e, onde necessário, caracterização ou feedback, mantenha os resultados repetíveis.