Оптоволоконные спектрометры AvaSpecАвтоматизированный спектрометр AvaSpec-256 Аналитический спектрометр AvaSpec-1024 Высокочувствительный спектрометр AvaSpec-2048 Высокоточный USB2.0 спектрометр AvaSpec-3648 Высокочувствительный в ультрафиолетовом (UV) диапазоне оптоволоконный спектрометр AvaSpec-2048×14 Оптоволоконный спектрометр AvaSpec-NIR256 диапазон 900-2500 нм Оптоволоконный спектрометр c охлаждаемым детектором AvaSpec-2048TEC Триггерный спектрометр AvaSpec-2048 FT USВ2.0 Спектрометр многоканальный AvaSpec-DT/RM AvaRaman cистема для Рамановской спектроскопии AvaMouse ручной сканирующий спектрофотометр-фотоколориметр Электронная платформа AS161 Электронная платформа AS5216 USB2.0 AvaBench оптические платформы AvaSpec спектрометров Интерфейс-кабели для спектрометров AvaSpec | Оптическое разрешение оптоволоконных спектрометров Avantes BV определяется как минимально различимая длина волны разрешаемая спектрометром. Для разделения двух спектральных линий необходимо отобразить их по крайней мере в 2 элементах светочувствительной детекторной матрицы.  Изображение щели на поверхности детектора перекрывает множество светочувствительных элементов. Для оптического разрешения нескольких спектральных линий требуется, чтобы количество светочувствительных элементов оптического детектора в поле изображения щели по крайней мере на одиницу превышало число разрешаемых спектров. При использовании оптоволоконных кабелей большого диаметраоптическое разрешение спектрометра может быть повышено установкой оптических щелей, ширина которых меньше диаметра оптического волокна.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Определение оптического разрешения спектрометра | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Степень монохроматичности излучения на выходе спектрометра определяется полушириной линии выходного спектра FWHM (Full Width Half Maximum) и зависит от плотности штрихов (мм-1) дифракционной решетки и диаметра входного оптического элемента (оптического волокна или щели). 1) Разрешение увеличивается при увеличении плотности штрихов дифракционной решетки, но при этом сужается рабочий спектральный диапазон и снижается интенсивность выходного сигнала 2) Разрешение увеличивается при уменьшении диаметра входного оптического элемента (входной щели или оптического волокна), но при этом снижается интенсивность выходного сигнала. Как определяется приблизительное оптическое разрешение спектрометра Ocean Optics (FWHM) в нанометрах? 1. Определите ширину спектрального диапазона дифракционной решетки. Эту информацию вы можете найти в технических характеристиках спектрометра:
2. Для получения величины дисперсии разделите длину спектрального диапазона дифракционной решетки на количество активных элементов детектора. Дисперсия (нм/пиксел) = Спектральный диапазон дифракционной решетки / Количество активных элементов детектора Ниже приведена таблица, содержащая информацию о количестве активных элементов детектора для различных моделей спектрометров и платформ.
3. Определите разрешающую способность элементов изображения (в пикселах). В таблице, расположенной ниже, приведены значения разрешающей способности элементов изображения (в пикселах) для различных размеров щели (или диаметра оптического волокна, если он является лимитирующим фактором). Входные апертурные щели имеют различную ширину и постоянную высоту (1000 мкм).
4. Определите оптическое разрешение (в нм). Дисперсия (определенная в пункте 2) x («умножить на») значение разрешающей способности элементов изображения (определенная в пункте 3). ПРИМЕР: Задача: Определить оптическое разрешение спектрометра USB4000 с дифракционной решеткой №3 и щелью 10 мкм. Решение: 650 нм (ширина спектрального диапазона дифракционной решетки №3) / 3648 (количество активных элементов детектора, установленного в USB4000) = 0.18 нм/пиксел x 5.6 пикселов = 1.0 нм (FWHM) Примечание: Значение округлено до десятой части. |
5.14: Оптическое разрешение — Химия LibreTexts
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 191238
- Крис Шаллер
- Колледж Святого Бенедикта/Университет Святого Иоанна
Оптическое разрешение относится к отделению двух разных энантиомеров друг от друга. Очень редко это делалось, если кристаллические формы двух энантиомеров заметно отличались друг от друга. Например, Луи Пастер смог отделить два энантиомера винной кислоты друг от друга, потому что эти два соединения кристаллизовались по отдельности. Кристаллы, которые образовались, имели многогранные формы, которые были явно зеркальным отражением друг друга. Он кропотливо разделил два энантиомера с помощью пинцета и микроскопа.
В большинстве случаев нам так не везет. Два энантиомера обычно настолько похожи друг на друга физически, что мы не можем их разделить.
Тем не менее, в этом может возникнуть острая необходимость. Это потому, что два энантиомера могут иметь одинаковые физические свойства, но они могут иметь очень разные биологические свойства. В клетке они могут столкнуться с другими хиральными материалами, включая белки и сахара. Их взаимодействие с этими хиральными молекулами может сильно зависеть от того, как они сочетаются друг с другом. Результатом может быть разница между соединением, облегчающим атсму у ребенка, или усугубляющим ее.
Хиральные соединения, конечно, часто сравнивают с руками. Два энантиомера подобны правой руке и левой руке, зеркальному отображению друг друга, которые выглядят точно так же, но вместо этого полностью противоположны.
Рисунок \(\PageIndex{1}\): Хиральность или хиральность: левая и правая рука.(Вам не нравятся руки с тремя пальцами? Начните читать страницу комикса. Это устоявшаяся условность.)
Тот факт, что на взаимодействие хиральных соединений с другими хиральными соединениями влияет их стереохимия, часто сравнивают с надеванием одной и той же перчатки двумя руками. Неудивительно, что на одной руке перчатка сидит лучше, чем на другой.
Рисунок \(\PageIndex{2}\): Хиральность или хиральность: левая и правая рука и одна перчатка. Одним из способов разделения двух энантиомеров является хиральная колоночная хроматография . Хиральная колоночная хроматография использует что-то вроде подхода с использованием перчаток для отделения двух энантиомеров друг от друга.
Если вы не знакомы с хроматографией, сначала рассмотрим ее в общих чертах. Хроматография описывает разделение соединений за счет их различных физических взаимодействий между двумя разными фазами, когда соединения проходят через длинную колонку или трубку.
Колонка заполнена одним материалом, называемым стационарной фазой, задачей которого является прилипание к соединениям и предотвращение их перемещения по трубке. Неподвижной фазой может быть простой оксид алюминия или кремнезем (например, очень мелко измельченный песок) или сложный синтетический материал, защищенный патентом.
Другой материал, называемый подвижной фазой, проходит через колонку. Работа подвижной фазы состоит в том, чтобы тянуть за собой соединения и пропускать их через колонку. Подвижной фазой может быть газ, пропускаемый через колонку из резервуара со сжатым воздухом, или жидкость, проталкиваемая насосом.
Начинается перетягивание каната между подвижной и неподвижной фазами. Различные соединения будут иметь разное сродство к каждой фазе. Соединения, которые сильнее притягиваются к подвижной фазе, будут перемещаться быстрее. Соединения, которые прочнее удерживаются неподвижной фазой, будут двигаться медленнее.
Хиральная колоночная хроматография включает использование одной из запатентованных стационарных фаз. Неподвижная фаза имеет особый тип хиральной молекулы (или хиральной части, просто части молекулы), связанной со всем ее телом. Различные взаимодействия между двумя энантиомерами и хиральными элементами неподвижной фазы приводят к тому, что два соединения проходят через колонку с разной скоростью. Соединение, которое подходит вместе с хиральной стационарной фазой, будет замедляться, и ему потребуется больше времени, чтобы пройти через колонку.
Вторым основным способом разделения двух энантиомеров является использование хирального разделяющего агента . Хиральный разделяющий агент представляет собой соединение, которое уже имеет собственный хиральный центр. Он используется в чистом виде: только один энантиомер, а не другой, уже каким-то образом очищенный (или селективно синтезированный). Это соединение должно быть способно как-то реагировать с целевым соединением. Когда это произойдет, он сформирует третье, новое соединение. Третье соединение должно содержать оба хиральных центра: центр целевого соединения и центр хирального разделителя.
Это все меняет. Соединение содержит два хиральных центра. Одна из них идентична среди всех молекул в образце; это тот, что из чистого хирального разделяющего агента. Другой присутствует в любой из двух конфигураций; это один из энантиомерного целевого соединения. Это означает, что теперь у нас есть смесь диастереомеров.
- Два энантиомера имеют одинаковые физические свойства. Их невозможно легко разделить стандартными лабораторными методами.
- Два диастереомера имеют разные физические свойства. их часто можно разделить с помощью стандартных лабораторных методов.
- Если в пару энантиомеров можно включить дополнительный хиральный центр, чтобы они стали диастереомерами, их можно разделить.
Классический пример этого метода получения одного изомера соединения включает образование диастереомерной соли. Соль имеет несколько хиральных центров, поэтому возможны диастереомеры.
Если рацемическую смесь фенилянтарной кислоты смешать с чистым образцом (-)-пролина (природная аминокислота), происходит реакция переноса протона (или кислотно-основная реакция Бренстеда). Два протона переходят от фенилянтарной кислоты к пролину. Один пролин имеет место для одного дополнительного протона, поэтому два протона оказываются на двух разных пролинах. Поскольку протоны имеют заряд +1, каждый пролин является катионным. Фенилянтарная кислота дала два положительных результата, значит, это дианион. Вместе эти три иона образуют соль.
Рисунок \(\PageIndex{3}\): образование соли, содержащей три хиральных центра. Рисунок \(\PageIndex{4}\): образование соли, содержащей три хиральных центра. Это диастереомер соли на предыдущей картинке. Если используется рацемическая смесь фенилянтарной кислоты, но добавляется чистый (-)-пролин, получаются два возможных диастереомера. Один хиральный центр в пролине всегда один и тот же. Другой хиральный центр в фенилянтарной кислоте может находиться в двух различных конфигурациях. В результате катионы и анионы могут упаковываться вместе по-разному в каждом случае, что приводит к разным температурам плавления и растворимости. Одна соль выпадает в осадок или образует твердое вещество из раствора, а другая остается растворенной. Два диастереомера можно разделить фильтрованием.
Упражнение \(\PageIndex{1}\)
Предположим, у вас есть чистый образец L-фенилаланина. Напишите уравнения реакций, используя структуры, которые показывают, как вы можете использовать его для получения образца ( S )-напроксена, анальгетика, из рацемической смеси напроксена.
- Ответить
Эта страница под названием 5.14: Оптическое разрешение распространяется под лицензией CC BY-NC 3.0 и была создана, изменена и/или курирована Крисом Шаллером с помощью исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.
- Наверх
- Была ли эта статья полезной?
- Тип изделия
- Раздел или Страница
- Автор
- Крис Шаллер
- Лицензия
- CC BY-NC
- Версия лицензии
- 3,0
- Показать страницу TOC
- № на стр.
- Теги
- оптическое разрешение
- источник@https://employees. csbsju.edu/cschaller/structure.htm
Разрешение микроскопа: понятия, факторы и расчет | Научная лаборатория
Разрешение и числовая апертура
Числовая апертура (NA) связана с показателем преломления (n) среды, через которую проходит свет, а также с угловой апертурой (α) данного объектива (NA = n sinα). Разрешение оптического микроскопа зависит не только от числовой апертуры объектива, но и от числовой апертуры всей системы с учетом числовой апертуры конденсора микроскопа. Больше деталей изображения будет разрешено в системе микроскопа, в которой все оптические компоненты правильно выровнены, имеют относительно высокое значение числовой апертуры и работают гармонично друг с другом. Разрешение также связано с длиной волны света, который используется для изображения образца; свет более коротких длин волн способен разрешать больше деталей, чем более длинные волны.
При определении разрешения необходимо учитывать 3 математических понятия: дифракционный предел Аббе, диски Эйри и критерий Рэлея. Каждый из них описан ниже в хронологическом порядке.
Джордж Бидделл Эйри и «Эйри-диски» (1835 г.)
Джордж Биддел Эйри (1801–1892) — английский математик и астроном. К 1826 году (в возрасте 25 лет) он был назначен профессором математики в Тринити-колледже, а два года спустя он был назначен профессором астрономии в новой Кембриджской обсерватории. С 1835 по 1881 год он был «Королевским астрономом» и даже назвал лунный и марсианский кратеры в его честь.
В том же 1835 году он опубликовал статью в Трудах Кембриджского философского общества под названием «О дифракции предметного стекла с круглым отверстием» [1]. Эйри написал эту статью с точки зрения астронома, и в ней он описывает «форму и яркость колец или лучей, окружающих изображение звезды, которое можно увидеть в хороший телескоп». Несмотря на то, что эти наблюдения относятся к другой научной области, они относятся и к другим оптическим системам, включая микроскопы.
Диск Эйри — это оптимально сфокусированная световая точка, которую можно определить по круглой апертуре в идеально выровненной системе, ограниченной дифракцией. Если смотреть сверху (рис. 1), это выглядит как яркая светящаяся точка, вокруг которой расположены концентрические кольца или рябь (более правильно известный как узор Эйри).
Дифракционная картина определяется длиной волны света и размером отверстия, через которое проходит свет. Центральная точка диска Эйри содержит примерно 84% силы света, а остальные 16% приходятся на дифракционную картину вокруг этой точки. Конечно, в образце, рассматриваемом под микроскопом, есть много световых точек, и более уместно думать с точки зрения многочисленных паттернов Эйри, а не одной световой точки, описываемой термином «диск Эйри».
Трехмерное (3D) представление паттерна Эйри, как показано в правой части рисунка 1, также известно как «функция точечного расширения» (PSF).
Эрнст Аббе и «дифракционный предел Аббе» (1873 г.)
Эрнст Карл Аббе (1840–1905) — немецкий математик и физик. В 1866 году он познакомился с Carl Zeiss, и вместе они основали то, что было известно как Zeiss Optical Works, теперь известное как Zeiss. Кроме того, он также стал соучредителем Schott Glassworks в 1884 году. Аббе также был первым, кто дал определение термину «числовая апертура». В 1873 г. Аббе опубликовал свою теорию и формулу, объясняющую дифракционные пределы микроскопа [2]. Аббе понял, что изображения образцов состоят из множества перекрывающихся точек разной интенсивности, ограниченных дифракцией (или дисков Эйри).
Для увеличения разрешения d = λ/(2NA) образец необходимо рассматривать либо с использованием более короткой длины волны (λ) света, либо через визуализирующую среду с относительно высоким показателем преломления, либо с оптическими компонентами, имеющими высокая числовая апертура (или, действительно, сочетание всех этих факторов).
Однако, даже принимая во внимание все эти факторы, возможности реального микроскопа все же несколько ограничены из-за сложности всей системы, характеристик пропускания стекла на длинах волн ниже 400 нм и сложности достижения высокой числовой апертуры. в полной системе микроскопа. Боковое разрешение в идеальном оптическом микроскопе ограничено примерно 200 нм, тогда как осевое разрешение составляет около 500 нм (примеры пределов разрешения приведены ниже).
Джон Уильям Стратт и «Критерий Рэлея» (1896 г.)
Джон Уильям Стратт, 3-й барон Рэлей (1842–1919) был английским физиком и плодовитым писателем. За свою жизнь он написал 466 публикаций, в том числе 430 научных работ. Он писал на самые разнообразные темы, такие как полет птиц, психические исследования, акустика и в 1895, он открыл аргон (Ar), за что позже был удостоен Нобелевской премии по физике в 1904 году.
Рэлей продолжил и расширил работу Джорджа Эйри и изобрел теорию «критерия Рэлея» в 1896 году [3]. Критерий Рэлея определяет предел разрешения в системе с ограничением дифракции, другими словами, когда две световые точки различимы или разделены друг от друга.
Используя теорию дисков Эйри, если дифракционные картины от двух одиночных дисков Эйри не перекрываются, то они легко различимы, «хорошо разрешены» и считаются соответствующими критерию Рэлея. Когда центр одного диска Эйри непосредственно перекрывается первым минимумом дифракционной картины другого, их можно считать «только что разрешенными» и все еще различимыми как две отдельные световые точки (рис. 2, середина). Если диски Эйри расположены ближе, чем это, то они не удовлетворяют критерию Рэлея и «не разрешаются» как две отдельные точки света.
Полная ширина на половине высоты (FWHM)
Более практичным подходом к разрешению является полная ширина на половине максимальной (FWHM) интенсивности оптически неразрешенной структуры [4,5]. Это значение относительно легко измерить с помощью микроскопа, и оно стало общепринятым параметром для целей сравнения. Теоретическое значение FWHM составляет R FWHM = 0,51λ/(NA), что приблизительно равно λ/(2NA). Таким образом, FWHM как параметр разрешения очень близок к дифракционному пределу Аббе, но также может быть измерен по данным микроскопического изображения. Для калибровки или измерений с предельным разрешением часто визуализируются и измеряются шарики или коллоиды различного диаметра.
Эти теоретические значения разрешения, полученные на основе физических и математических допущений, являются приблизительными. Они предполагают идеальные системы визуализации и точечный источник света в вакууме или полностью однородном материале в качестве образца или образца. Конечно, это предположение почти никогда не имеет места в реальной жизни, так как многие пробы или экземпляры неоднородны. Поскольку количество света, проходящего через образец или отражающегося от его поверхности, ограничено, измеримое разрешение существенно зависит от отношения сигнал-шум (SNR).
Как рассчитать разрешающую способность микроскопа
Принимая во внимание все вышеизложенные теории, становится ясно, что существует ряд факторов, которые следует учитывать при расчете теоретических пределов разрешающей способности. Разрешение также зависит от природы образца. Давайте рассмотрим расчет разрешения с использованием дифракционного предела Аббе, критерия Рэлея, а также FWHM.
Во-первых, следует помнить, что:
NA = n(sinα)
, где n — показатель преломления отображающей среды, а α — половина угловой апертуры объектива. Максимальная угловая апертура объектива составляет около 144º. Синус половины этого угла равен 0,9.5. При использовании иммерсионного объектива с маслом с показателем преломления 1,52 максимальная числовая апертура объектива будет равна 1,45. При использовании «сухого» (не иммерсионного) объектива максимальная числовая апертура объектива составит 0,95 (поскольку воздух имеет показатель преломления 1,0).
Дифракционная формула Аббе для поперечного (XY) разрешения:
d = λ/(2NA)
, где λ — длина волны света, используемого для изображения образца. При использовании зеленого света с длиной волны 514 нм и масляного иммерсионного объектива с числовой апертурой 1,45 (теоретический) предел разрешения составит 177 нм.
Формула дифракции Аббе для аксиального (Z) разрешения:
d = 2λ/(NA)2
и снова, если принять длину волны 514 нм для наблюдения образца с объективом, имеющим числовую апертуру 1,45, тогда осевое разрешение будет 488 нм.
Критерий Рэлея представляет собой слегка уточненную формулу, основанную на дифракционных пределах Аббе:
R = 1,22λ/(NA obj + NA cond )
, где λ — длина волны света, используемого для изображения образца. нет данных obj — это NA объектива. NAcond — числовая апертура конденсатора. Значение «1,22» является константой. Это получено из работы Рэлея о функциях Бесселя. Они используются для расчета проблем в таких системах, как распространение волн.
Принимая во внимание числовую апертуру конденсора, воздух (с показателем преломления 1,0) обычно является средой для формирования изображений между конденсором и предметным стеклом. Предполагая, что конденсор имеет угловую апертуру 144º, тогда значение NA cond будет равно 0,9.5.
При использовании зеленого света с длиной волны 514 нм, иммерсионного объектива с числовой апертурой 1,45 и конденсора с числовой апертурой 0,95 предел разрешения (теоретический) составит 261 нм.
Как уже упоминалось, FWHM может быть измерена непосредственно из PSF или рассчитана с помощью:
R FWHM = 0,51λ/(NA).
При использовании длины волны света 514 нм и объектива с числовой апертурой 1,45 теоретическое разрешение составит 181 нм. Это значение очень близко к латеральному разрешению, рассчитанному чуть выше из предела дифракции Аббе.
Как указано выше, чем короче длина волны света, используемого для изображения образца, тем лучше разрешаются мелкие детали. Таким образом, если использовать самую короткую длину волны видимого света, 400 нм, с иммерсионным объективом с числовой апертурой 1,45 и конденсором с числовой апертурой 0,95, тогда R будет равно 203 нм.