Revisión de Producto: Espectrometros Ocean Optics y Software

Hace años, me dí cuenta de las limitaciones de simplemete medir la intensidad de luz de un acuario y anhelé una forma de medir la calidad espectral. En ese entonces, el costo de un espectroradiómetro equivalía a la compra de un sedan de lujo. Los tiempos han cambiado. Si usted tiene los bolsillos profundos y un verdadero deseo de enredarse con y saber prácticamente todo acerca de su sistema de iluminación y luego algo así, entonces los espectrómetros de relativamente bajo costo y accesorios de Ocean Optics podrían ser para usted.

Uno se preguntaría el porque uno quisiera invertir alrededor de mil dólares en un ‘juguete de niño grande.’ Después de todo, los hobbyistas dedicados, como Sanjay Joshi, han analizado el espectro de cientos de lámpras y han distribuido libremente esta inforamción. Porqué invertir en un espectrómetro? Mientras el monitorear la calidad de espectro de las lámparas es probablemente la meta principal de la mayoría de los hobbyistas, los espectrómetros de Ocean Optics son capaces de hacer mucho más (cuando los accesorios necesarios y el software adicional – todos a un costo extra - están disponibles). De estos, reflectancia, transmitencia, absorbencia, análisis de color, irradiancia realtiva y irradiancia absoluta son de posible interés.Of these, reflectance, transmittance, absorbance, color analysis, relative irradiance and absolute irradiance are of possible interest.

Este artículo article transmitirá algunas de mis experiencias personales con dos Ocean Optics espectrómetros en mi laboratorio (un USB-2000FL – modelo desigando para medir niveles bajos de fluorescencia y un USB-2000 capaz de medir la radiación ultravioleta y la radiación visible desde los 200 nm a los 850 nm) también comentar algo sobre las nuevas y emocionantes modelos. El USB-2000 ha recientemente sido reemplazado por un modelo nuevo – el USB-4000 – sin embargo, las observaciones de los modelos más viejos son generalemtne váildas para la serie 4000 series, así como también el nuevo, espetrómetro ‘Marea Roja’ de bajo costo USB650.

El siguiente artículo también describirá varias opciones disponibles de Ocean Optics; sin embargo, no es un substituto de una consulta con un Científico de Aplicaciones. Los pocos minutos que requirió una llamada a Ocean Optics es tiempo bien gastado, y asegurarán que su espectrómetro está correcto para su aplicación. Hay algunas cosas que necesitará saber antes de llamar, y este artículo puede ayudarle con eso.

Espectrómetros

Ocean Optics revolucionó el campo de los espectrómetros cuando introdujo los espectrómetros de difracción basada en una rejilla usando un charged coupled device (CCD) para la colección de luz. Los primeros modelos eran solo de una fracción del costo de los espectrómetros en ese entonces en el mercado. Combinados con tecnología de fibra óptica, el equipo de Ocean Optics era, y continua siendo, una herramienta de investigación poderosa y relativamente barata. El nuevo espectrómetro Marea Roja cuesta $999 dólares, mientras que el nuevo USB-4000 empieza a costar desde los $2,199 dólares. El sotfware requerido SpectraSuite está disonible por un costo adicional de $199 dólares. Ver la lista parcial de especificaciones en Tabla 1.

Los espectrómetros son muy compactos (alrededor del tamaño de un mazo de cartas para jugar) y de peso ligero. Estos espectrómetros utilizan tecnología USB, haciendolos ideales para el uso en el campo (de hecho, muchos investigadores tienen sus espectrómetros en lugares provicionales vajo el agua para trabaar con corales en sus habitats naturales). Todos los espectrómetros OO son del diseño cruzado Czerny-Turner.

Como mencioné, estos espectrómetros utilizan enrejados de difracción para separar la luz que entra en sus componentes espectrales. Esta luz difraccionada cae upon the CCD array y el software especializado analiza y reporta las características espectrales. Ningun enrejado de difracción simple es eficiente para los análisis de banda ancha (200nm -1100 nm, excepto en el caso del enrejado HC-1 disponible en las series EC ‘enrejado compuesto’ de espectrómetros, empezando en los $3,999), así que Ocean Optics ofrece una opción de 14 enrejados para el USB4000 (el barato USB650 está preconfigurado para analizar longitud de ondas entre 350 y 850 nm). Análisis de UV (hasta ~220nm) y radiación visible requerirá un enrejado específico, mientras se trabaja con longitudes de ondas visibles y cerca del infrarrojo demandará un enrejado especial. En un mínimo, uno decidiría cuál parte de un espectro es de interés para el análisis. Incluso con el enrejado apropiado, la calidad espectral reportada no es 100% correcta. Un enrejado en particular es eficiente sobre un rango espectral dado (Ocean Optics usa 30% de eficiencia como el corte). Esto significa que estos espectrómetros generalmente sub-reportan algunas longitudes de onda. El enreajdo de difracción #3 es probablemente la mejor opción para la mayoría. Es muy eficiente a los 500nm y sub-reporta otras longitudes de onda, particularmente las longitudes de onda del azul y rojo. Hay varios remedios, pero talvés el mejor es la libre correción espectral del software del Dr. Charles Mazel en www.nightsea.com. Charlie espera tener esto pegado en su sitio web ‘pronto’ lo incluirá junto con sus nuevos productos para ver la fluorescencia en los acuarios. Idealmente, uno usaría un estandard de reflectancia junto con el software para corregir las medidas del espectrómetro, pero no es absolutamente necesario. Los datos son fácilmente exportados a un programa de ojas amplia para un mayor análisis (aunque esto reuerirá algo de tiempo y esfuerzo invertido en escribir algunas líneas de código).

Otra consideración importante es la intensidad de luz esperada. Seis aperturas de diferentes tamaños (llamadas ‘cortes’) están disponibles para el USB4000 (5, 10, 25, 50, 100, 200 µ y ‘ninguno’- el tamaño de la fibra óptica actúa como el mecanismo de regulación de luz). Las aplicaciones de luz baja (como las medidas de fluorescencia) requieren aperturas más grandes (200µ), mientras que una mayor intensidad de luz requiere una apertura más pequeñas. Los Ciéntificos de Aplicaciones le guiarán a través de estás opciones. La cuestion sobre lo apropiada que es una instalación en particular sobre un gran rango de intensidad de luces es obvia - puede un espectrómetro diseñado para trabajar con luz baja medir el espectro ‘brillante’ de una lámpara metal halide? La respuesta corta es ‘si’ – pero discute esto con los Científicos de Aplicaciones de Ocean Optics (unos pocos ‘trucos del intercambio’ son alistados en la sección Helpful Hints, abajo). La Resolución Óptica es una función de la anchura de la apertura y del enrejado holográfico. Una Resolución Óptica de solo una fracción de un nanómetro es posible. Sin embargo, la Resolución Óptica estará generalmente entre 2 y 10nm.

Estos espectrómetros son sompatibles con USB 1.1 y USB 2.0; El uso de un puerto serial es posible con el suministro de poder de 5v.

Actualizaciones

Las aplicaciones particulares pueden requerir una actualización de tu espectrómetro la cual usualmente tiene un costo adicional. Por ejemplo, para trabajar con radiación ultravioleta de onda corta se requerirá de ópticos especiales de transmición UV (ventana opcional UV2 de cuarzo para trabajar con 200 – 340nm) y de fibras resistentes al daño UV (‘solarización’). Para trabajar con luz baja (como la fluorescente) considera a actualización del lente L2.

Fibra Óptica

No es absolutamente necesario usar cordones de parche de fibra óptica si la meta es simplemente medir el espectro de lámparas – uno puede meramente remover la cubierta protectiva de la apertura de entrada y apuntar el espectrómetro a una fuente de luz. Sin embargo, los cordones de fibra óptica ofrecen ventajas en que pueden ser sujetados ajustadamente a la apertura (vía fibra terminada SMA 905) así protege los trabajos internos del espectrómetro (el pensamiento de una gota de agua salada o escombros entrando a un espectrómetro es aterrador). Los cordones de fibra óptica también ofrecen otras ventajas. Mientras que es aparente que los cordones son indispensables para conectar los accesorios opcionales, debería notarse que el tamaño (diámetro) del cordón es también una consideración crítica. Muy simplemente, mientras más grande sea el diámetro del cordón de la fibra óptica, más luz es trasmitida. Esto es útil si la alta intensidad de luz ‘satura’ la variedad CCD y causa que la intensidad reportada esté arriba del nivel máximo permitido - El uso de un cordón de diámetro más pequeño podría atenuar (‘debilitar’) la señal, y así permitir más medición. Las fibras están disponibles en los siguientes diámetros (en µ): 8 (solo VIS/NIR, rangos de 450 – 1000nm), 50, 100, 200, 300, (para usar con UV <250nm) 400, 600 y 1000.

Las fibras son usualmente de 2m largo, y medidas especiales están disponibles. Las fibras terminadas con conectores SMA 905 pueden ser deslizadas con abultamientos (disponibles en OO).

Software y Aplicaciones

SpectraSuite: Ocean Optics ha actualizado sus software viejo OOIBase32 al nuevo software SpectraSuite. SpectraSuite es un software basado en Java que opera con Windows 98/Me/2000/XP, Mac OSX y Linux c/USB puerto. Las medidas de luz son usualmente reportadas como ‘cuentas’ (un término genérico) pero es posible medir la irradancia absoluta. Ver comentarios en el software OOIIrrad abajo. Los datos gráficos pueden ser copiados, y los datos numéricos exportados a hojas de cáculo como Excel. El tiempo de integración es programable, así las funciones integración como la regulación y de suavidad "boxcar". Dos cuadros de espectros pueden ser abiertos en una sola vez y así permitir el uso simultáneo de dos espectrómetros (especialmente útil cuando la excitación fluorescente observada y la emision de longitud de onda). Los lenguajes incluyen Inglés, Alemán, Japaonés, Ruso, Chino, Francés y Español. Listas por $199.

OOISensors: Software especificamente para el uso con pH fluorescente y probetas de oxígeno disuelto. Disponibles por $199.

OOIIrrad:Software para medir la irradiancia relativa y absoluta. OOIIrrad también requiere la compra de un LS-1-Cal Calibrado Fuente de Luz NIST-rastreable por $749 adicionales. El software OOIIrrad se vende por $299.

OOIIrrad-C: Adicionlamente a las funciones del software OOIIrad (arriba), este paquete también analiza reflectancia y la emisión de color. $399.

Nota- Ocean Optics está cargando su software para compatibilidad con varios sistemas operativos (Windows, Mac, y Linux). Los precios listados son los actuales de principios de Mayo 2006.

Accesorios

Ocean Optics ofrece un rango amplio de accesorios diversos para diversas aplicaciones.

Sensores especializados utilizando fluorescencia están disponibles para monitorear el pH (probeta de pH TP300, disponible por $750) y oxígeno disuleto (probetas ‘FOXY’, costando desde $499 dólares). El software OOISensor también es requerido (ver arriba). Estás probetas son de diámetros modestos y pueden medir pH o oxígeno disuelto con los espacios intersticios de los corales ‘espesos’. Seguramente veremos información importante generada con estos sensores impresa pronto. (Jake Adams experimentó con corales y un sensor de oxígeno e hizo una presentación muy interesante en el IMAC 2006.)

Un filtro neutral de densidad variable está disponible para la atenuación de luz (pero vea los ‘Tips Útiles’ abajo). El filtro de densidad neutral está en $499 dólares. Si se necesita uno, considere comprar los kits de UV o Vis Fiber Optic. Cada uno de ellos cuesta $999 (especificar ‘ultravioleta’ o ‘visible’) e incluyen un filrto neutral de densidad variable, cuatro lentes ópticos de las series 74 collimating, 4 cordones de fibra óptica de varios diámetros, corrector CC-3 cosine, bulkhead y equipamineto splicer, una llave SEM y algunas otras cosas más. Si se compra individualmente, el surtido de objetos en el Kit de Fibra Óptica es de ~ $1,500.

Los estándares de reflectancia (difusos y especulares) están disponibles y deberían ser usados para determinaciones de reflectancia.

Carias fuentes de luz de excitación y calibración están disponibles, incluyando deuterio, tungsteno-halógeno y diodos emisares de luz (LEDs) de varios ‘colores.’

Razguños y Equipo Surplus de Abolladuras

Ocean Optics ofrece objetos de intercambio a la venta con precios de ganga (Yo conseguí un Spectralon ‘como nuevo’ 99% reflección difusa referente por $199 – normalmente se vende por $329). Cheque http://www.oceanoptics.com/PriceList/Scratch&Dent_FiberPriceList.pdf para el inventorio disponible.

Tips Útiles

Ocean Optics sugiere usar esta fórmula para determinar la resolución óptca aproximada:

Resolución Óptica = Dispersión X pixeles en la abertura o fibra, donde:

Dispersión = Rango Espectral del Enrejado/Número de Pixeles en a variedad CCD.

Resolución – Usar Tabla 2. (Resultados son en pixeles, el valor típico del ancho de la abertura o del diámetro de la fibra).

Si el análisis espectral de una lámpara(s) es su única preocupación, entonces talvés las observaciones del cambio del porcentaje espectral sería el de más uso. Hojas de cálculo, como Excel, permiten la manipulación rápida y fácil de datos exportados.

Uno de los retos más comunes que los usuarios de estos espectrómetros enfrentan es un exceso de luz. Atenuación es posible por varios medios (como mover el espectrómetro o el cordón de fibra óptica lejos de la fuente de luz). Reducir el tiempo de integración es también útil como usar un cordón de fibra óptica más pequeño. Una ventana del material Fiberglas, actuando como un filtro neutral de densidad puede también ser reemplazado sobre la apertura o en la terminal del cordón de fibra óptica. La intensidad de luz puede también ser reducida ala aplicar una capa (o dos) de cinta transparente sobre el final del parche del cordón o sobre la apertura de la entrada de luz.

Sujetar el espectrómetro a una pequeña pieza de madera con hilos de nylon. Esto lo protegerá de esos inevitables golpes (Ver figura 1).

Figura 1. Protega su inversión! La protección no tiene que ser cara o bonita – solo efectiva!

Impresiones Generales

Aprendí más que lo que nunca había conocido sobre espectros de lámparas (especialmente en el rango de UV) en unos pocos minutos ’ usé mi primer OO espectrómetro. Sus instrumentos de relativo bajo costo han hecho posible muchos expermentos sobre la iluminación y sus efectos en la fotosíntesis de zooxanthellae. Estos espectrómetros’ son de tamaño pequeño, peso ligero y poder de USB han hecho la investigación de campo fácil. El equipo de Ocean Optics no es relativamente caro, pero de ningua manera barato. La mano de obra y a calidad general del hardware es de primera clase.

Hay unas pocas áreas en las cuáles los productos podrían ser mejorados. El nuevo software, SpectraSuite, no es tan amigable con los usuarios como el viejo software OOI32Base. La sección de ‘Ayuda’ está en un CD (el cuál por supuesto es una regla hoy). Talvés solo soy anticuado, pero prefiero un Manual de Usuario impreso directamente de la caja que el opuesto de imprimir una copia yo mismo.

Lea completamente y entienda las instrucciones para conectar el espectrómetro a su computadora. Resista la tentacón de conectar el USB y el espectrómetro! Lea las instrucciones! Planee pasar una hora instalando el software y configurando el espectrómetro.

Todavía, el equipo no es para cualquiera. Personalmente, recomendaría la compra de un quantum o un medidor PAR antes de comprar un espectrómetro – un medidor PAR será de mucho más uso. Sin embargo, si uno tiene un medidor PAR, entonces el análisis espectral es la siguiente frontera. Los hobbyistas deberían honestamente evaluar el regreso de una inversión así como la cantidad de tiempo que uno tiene que dedicar para el uso del instrumento y para la instalación del experimento. Sanjay Joshi hizo (y está haciendo) un estuéndo servicio al hobby al proveer de datos espectrales de cientos de lámparas (ver artículos archivados en Advanced Aquarist, o visite el sitio web de Sanjay: http://www.reeflightinginfo.arvixe.com).

En la otra mano, Ocean Optics ha conseguido la reputación de equipode calidad a precios razonables y cualquier hobbyista realmente serio o un laboratista de mente de pequeña cartera se beneficiaría de la flexibilidad del espectrómetro. Hay muchas preguntas sin respuesta acerca de la calidad de la luz artificial y sus efectos en la fotosíntesis de zooxanthellae y la pigmentación del coral. Especialmente con la introducción del espectrómetro ‘Marea roja (Red Tide)’ USB650 y el paquete de software costando un total de solo $1,200, el equipo de Ocean Optics será una llave importante para nuestra búsqueda de abrir los misterios y las caras desconocidas del hobby.

Vea http://www.oceanoptics.com para un cataálogo en línea, Información de cntacto y más datos técnicos.

Estoy en el proceso de escribir un artículo o dos acerca de las prácticas aplicaciones del equipo de Ocean Optics, como interpretar los resultados y que nos dicen.