Рассматривается вопрос создания системы «мини-спектрограф — смартфон» с целью визуализации спектров излучения, поглощения, отражения с отображением их на экране смартфона, позволяющей проводить экспресс-анализ в реальном режиме времени в полевых условиях.
Ключевые слова: оптический акрил, схема Черни-Тернера, входная щель, призма полного внутреннего отражения, дифракционная решетка, ПЗС-детектор.
В современных экологических условиях информация о состоянии окружающей среды становится наиболее важной, так как она необходима людям для планирования своей деятельности [1, 2]. Мониторинг природной среды, природных ресурсов, флоры и фауны становится все более сложным и мониторинг ее состояния должен обеспечиваться постоянно в режиме реального времени. Одним из методов экологического мониторинга является оптический метод. Без знания химического состава флоры и фауны невозможно оценить состояние сельскохозяйственных угодий; поэтому были разработаны специальные методы определения химического состава растений, в том числе метод спектрального анализа [3].
Быстрый и точный анализ используется в сельском хозяйстве и пищевой промышленности — это анализ физико-химических и биологических показателей сельскохозяйственных культур и почвы, пищевых продуктов на наличие примесей токсичных элементов и тяжелых металлов, прикладных юридических наук, таких как судебная медицина, токсикология, геммология; в химическом и органическом синтезе новых соединений, в экологии, промышленности и т. д. и позволяет точно и быстро изучать элементный состав вещества [4]. На (рис. 1) изображено лабораторное оборудование для спектрального анализа.
Рис. 1. Лабораторные измерительные спектрометры различного назначения
Но все чаще приходится проводить спектральный анализ, так сказать, в «поле» (то есть в том месте, где находится анализируемый объект). Поэтому для спектрального «экспресс-анализа» нельзя использовать дорогостоящее, громоздкое и сложное лабораторное измерительное оборудование, требующее квалифицированного персонала.
Спектральный «экспресс-анализ» чаще всего используется для разовой оценки, а также в экстренных ситуациях (пожары, взрывы, катастрофы и т. д.).
Основным преимуществом спектрального «экспресс-анализа» является простота, доступность, скорость и мобильность оборудования, используемого для применения этих методов в полевых условиях, т. е. непосредственно на месте анализируемого объекта [5, 6].
В настоящее время для экспресс-анализа в полевых условиях используются либо простые оптические мини-спектрометры, либо мини-спектрографы, которыми могут пользоваться только специалисты [7, 8]. Это отдельные устройства, некоторые из них имеют возможность подключения к смартфону для передачи данных о собранных спектрах в общую базу данных (рис. 2).
Рис. 2. Примеры мини-спектрографов различного назначения
Современное развитие электронной промышленности позволяет решить эту проблему на основе новых технологий. Решение данной проблемы видится в применении смартфонов, на базе которых возможно создать комбинированную автономную систему для выполнения спектроскопических измерений в режиме реального времени в полевых условиях.
Конструкции системы мини-спектрограф/смартфон
Смартфон — это своеобразный компьютер и как всякое вычислительное устройство обладает процессором для обработки данных, ЖК-экраном для отображения информации, портом USB для подключения периферийных устройств, операционной средой и системой, поддерживающей беспроводную связь с возможностью подключения к другим мобильным телефонам и Интернету. Все это делает смартфон идеальной платформой для поддержки приложений, связанных со спектральной обработкой данных, полученных со спектрографа. Но спектрограф — это габаритное устройство поэтому для создания системы спектрограф/смартфон был создан мини-спектрограф с возможностью подключения его к смартфону.
Созданная система мини-спектрограф/смартфон состоит из двух частей это сам мини-спектрограф и работающий с ним в купе смартфон. Мини-спектрограф, работающий в первом и втором порядке длин волн, в диапазоне 400–700 нм и имеющий минимальные размеры [10]. Смартфон, предназначенный для регистрации, первичной обработки спектра, хранения и передачи информации о полученных спектрах на базовую станцию.
Мини-спектрограф предназначен для подключения к смартфону через модуль Bluetooth-HC-05. Монолитный оптический элемент в виде цельного куска изготовлен из акрила (ПММА) с показателем преломления около 1,49 и оптической схемой Черни-Тернера (рис. 3).
Рис. 3. Оптическая схема Черни-Тернера
Входная щель, входное зеркало с радиусом R, дифракционная решетка, сферическое выходное зеркало с радиусом R и линейный ПЗС-приемник расположены на твердой поверхности моноблока и обеспечивают дифракцию первого и второго порядков с фокусированным спектром на выходной поверхности моноблока, на которой укреплен ПЗС-детектор. (рис. 4).
Изготовление мини-спектрографа из монолитного акрилового корпуса исключает необходимость подгонки и юстировки внешних монтажных элементов при его изготовлении. Неиспользуемые поверхности монолитного корпуса покрыты черным эпоксидным клеем с показателем преломления, примерно равным показателю преломления акрилового корпуса.
Мини-спектрограф конструктивно состоит (рис. 5) из оптической призмы для сбора света и направления его на входную щель спектрографа (рис. 6), пластиковой щели (рис. 7), оптической решетки дифракционной (рис. 8), вклеенной в специальное посадочное место монолитного корпуса, коллимирующее и фокусирующее зеркала, покрытые протекторной защитой от окисления на воздухе алюминиевого слоя (рис. 9), выходная поверхность, на которую наклеен модуль регистрирующего устройства — линейный ПЗС-детектор (рис. 10), от линейного ПЗС-детектора данные передаются по гибкому полиамидному кабелю на электронную плату регистрации (рис. 11), затем через модуль Bluetooth-HC-05 передается на смартфон для дальнейшей обработки (рис. 12).
Рис. 5. Конструкция мини-спектрограф
Рис. 6. Призмы полного внутреннего отражения с держателем
Рис. 7. Пластиковая входная щель
Рис. 8. Плоская отражательная дифракционная решетка
Рис. 9. Монолитный акриловый корпус с входным и выходным зеркалами
Рис. 10. Линейный ПЗС-детектор
Рис. 11. Плата электронной регистрации
Рис. 12. Модуль Bluetooth-HC-05
Мини-спектрограф работает следующим образом. Излучение от исследуемого источника направляется через призму с полным внутренним отражением на входную щель монолитного корпуса спектрографа. После входной щели световой пучок, проходя через монолитный корпус спектрографа, попадает на входное зеркало, которое коллимирует падающий световой пучок и направляет его на отражающую дифракционную решетку. Дифрагированный свет, отраженный от решетки, собирается и фокусируется выходным зеркалом на выходную поверхность с регистрирующим элементом (ПЗС-детектором). Данные с ПЗС-детектора передаются по гибкому полиамидному кабелю на электронную плату регистрации с интерфейсом USB, а затем через модуль Bluetooth-HC-05 передаются на смартфон для дальнейшей обработки.
Заключение
Экспресс-анализ с помощью системы мини-спектрограф/смартфон позволяет не только записывать и визуально наблюдать на экране спектры поглощения, отражения и излучения, но и выбирать метод обработки, отображать результат обработки в режиме реального времени и оценивать результаты анализа. Спектральные свойства через программный интерфейс, быстрое изменение параметров обработки с отображением результата изменения на экране, хранение или передача данных на базовую станцию.
На (рис. 14) показан смартфон с интерфейсом программы контроля, регистрации и обработки спектра излучения.
Рис. 14. Смартфон с интерфейсом программы.
Литература:
- Чернышов, В. Б. Экологическая защита растений // Проблемы энтомологии в России. Сб. научн. Трудов XI Съезда РЭО / СПб ЗИНРАН. — 1998. — т.2. — С. 199–200.
- Кирюшин, В. И. Экологические основы земледелия / В. И. Кирюшин. — М.: Колос. — 1996. — 376 с.
- Евсеев, В. В. Модель экологически безопасной защиты зерновых культур от болезней в агроландшафтах Уральского региона / В. В. Евсеев // Вестник защиты растений. — 2013. — № 2.– С. 13–25.
- Ничипорович А. А. Фотосинтетическая деятельность растений и пути повышения их продуктивности // Теоретические основы фотосинтетической продуктивности. М.: Наука, 1972. С. 511.
- Карначук Р. А., Дорофеев В. Ю., Медведева Ю. В. Фоторегуляция роста и продуктивности растений картофеля при размножении in vitro // VII Съезд общества физиологов растений России, Международная конференция «Физиология растений — фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий» 4–10 июля 2011. — Нижний Новгород, 2011. — С. 313–314.
- Алехина Н. Д., Балнокин Ю. В., Гавриленко В. Ф. и др. Физиология растений / Под редакцией И. П. Ермакова Изд.: Москва, «Академия»: 2005.
- Ландсберг Г. С. Оптика. Учеб. пособие: для вузов. — 6-е изд., стереот. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. — 848с.
- Пейсахсон И. В. Оптика спектральных приборов. Изд. 2-е, доп. И перераб. Л.: Машиностроение, 1975. 312 с.
- Зайдель А. Н., Островская Г. В., Островский Ю. И. Техника и практика спектроскопии. М.: Наука, 1972.
- Патент РФ № 205270 «Мини-спектрограф для полевых измерений» Даниловских М. Г., Винник Л. И., Стрещук В. А. Опуб. 06.07.2021г. Бюл. № 19.
