УЛУЧШЕНИЕ ВОСПРОИЗВОДИМОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ В ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ИСКРОВОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ВОЛОС ЧЕЛОВЕКА ПРИ ПОСТОБРАБОТКЕ РЕГИСТРИРУЕМОГО АНАЛИТИЧЕСКОГО СИГНАЛА
УЛУЧШЕНИЕ ВОСПРОИЗВОДИМОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ В ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ИСКРОВОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ВОЛОС ЧЕЛОВЕКА ПРИ ПОСТОБРАБОТКЕ РЕГИСТРИРУЕМОГО АНАЛИТИЧЕСКОГО СИГНАЛА
Аннотация
Проведены экспериментальные исследования интенсивности спектральных линий углерода CI (193.1 нм) в лазерной плазме, генерируемой на поверхности волос человека при фокусировке импульсов длительностью 40 фс и 650 фс и энергией 1 мДж без предварительной пробоподготовки.
Показано, что без применения постобработки регистрируемого сигнала воспроизводимость измерений составляет 13,7% для плазмы, генерируемой лазерными импульсами длительностью 40 фс и 15,3% для плазмы, генерируемой лазерными импульсами длительностью 650 фс. Применение постобработки сигнала позволило значительно улучшить воспроизводимость спектроопределений: в 3,9 раза для импульсов длительностью 40 фс и 1,68 раза для импульсов длительностью 650 фс.
1. Введение
Содержание химических элементов в волосах человека может рассматриваться как показатель уровня химических элементов в других тканях, а также отражать минеральный обмен в организме [1], [2] В работах [3], [4], [5] было показано, что волосы являются ценным индикатором загрязнения окружающей среды, кроме того, при анализе волос возможней проводить ретроспективный анализ элементарного состава в зависимости от длины анализируемого образца. Одним из перспективных методов определения химического состава биологических объектов в режиме реального времени является метод лазерной искровой спектроскопии (ЛИС) [6], [7]. К преимуществам ЛИС относят отсутствие подготовки проб для анализа, оперативность, малое разрушающее действие на образец, дистанционность, широкий спектр одновременно определяемых химических элементов. В последние годы метод ЛИС начал активно применяться как для качественного, так и для количественного спектрального анализа биологических образцов [8], [10], [12], [13]. Применение импульсов фемтосекундной длительности в ЛИС позволило значительно повысить чувствительности данного метода [14]. Несмотря на актуальность, в настоящее время существует относительно немного работ по развитию метода ЛИС биообразцов, обзор которых представлен в [15], [16]. В проводимых ранее исследованиях, в основном, использовались гомогенизированные биообразцы при анализе ЛИС с использованием лазерных импульсов наносекундой длительности. Однако существует ряд задач, где требуется определять изменение содержания элементов в волосе с привязкой ко времени его роста. При анализе волос это возможно сделать если исследовать их по длине без предварительной пробоподготовки. Для решения таких задач необходимо, помимо определения оптимальных условий возбуждения и регистрации аналитического сигнала метода ЛИС, использовать устройство позиционирования одиночного волоса относительно фокусирующей линзы. Последнее может повлиять на конечный результат анализа, в том числе из-за влияния системы позиционирования. Одной из важнейших аналитических характеристик метода ЛИС является воспроизводимость спектроопределений [7]. В случае анализа неоднородных образцов либо образцов без пробоподготовки целесообразно выявлять и исключать из результатов анализа некорректно полученные данные путем обработки сигнала после измерений [17].
Целью данной работы является проведение экспериментальных исследований интенсивности спектральных линий в плазме, генерируемой на поверхности волос человека при фокусировке лазерных импульсов фемтосекундной длительности и повышение воспроизводимости спектроопределений за счет обработки сигнала после измерений.
2. Методы и принципы исследования
Для исследования возможностей анализа элементного состава волос человека методом лазерной искровой спектроскопии создан экспериментальный стенд, схема которого представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки:
1 - фемтосекундный комплекс Spitfire Pro 40F (Spectra Physics, США), 2 - двухчастотные зеркала UFM10R (Thorlabs, США), 3 - фокусирующая оптика, 4 - образец (волос человека), 5 - блока подачи образца, 6 - собирающая линза LA4380 (Thorlabs, США), 7 - коллиматор CVH100-COL (Thorlabs, США) , 8 - световод P600-2-SR (Ocean Optics, США), 9 - спектрограф SpectraPro2500i (Princeton Instruments, США), 10 - ICCD камера PicoStar HR (LaVision, Германия), 11 - аспиратор, 12 - автокоррелятор PSCOUT PL-SP-LF (Spectra Physics, США), 13 - диэлектрический светоделитель с коэффициентом отражения 3% на откидной держалке, 14 - персональный компьютер
В качестве источника лазерного излучения использован фемтосекундный комплекс Spitfire Pro 40F (Spectra Physics, США) (1). Данный лазерный комплекс обеспечивает генерацию импульсов длительностью от сотен пикосекунд до ~40 фс на центральной длине волны 800 нм с энергией в одиночном импульсе 1 мДж, частотой повторения импульсов до 1 кГц. Лазерное излучение по системе двухчастотных зеркал (2) UFM10R (Thorlabs) направляется на фокусирующую линзу (3) c фокусным расстоянием 50 мм. Излучение фокусировалось на образец (4) на расстоянии 0.5 мм от выходного отверстия блока подачи образца (5). Излучение плазмы собиралось кварцевой линзой (6) LA4380 (Thorlabs, США) с фокусным расстоянием 100 мм, установленной соосно с исследуемым образцом, на расстояние от него меньше фокусного, так чтобы весь плазменный факел (диаметр ≈ 1мм) был в поле зрения приемной системы. Далее излучение передавалось в коллиматор (7) CVH100-COL (Thorlabs, США) с апертурой 10 мм и по световоду (8) P600-2-SR (Ocean Optics, США) со световым диаметром 0.6 мм поступало на входную щель спектрографа (9) SpectraPro2500i (Princeton Instruments, США), решетка 1200 штр/мм, сопряженного с ICCD камерой PicoStar HR (LaVision, Германия) (10). Управление ICCD PicoStar HR и спектрографом осуществляется с помощью программного обеспечения «DaVis». Для удаления продуктов лазерной абляции образца в процессе анализа использовался воздушный аспиратор (11). Для контроля длительности лазерного излучения использовался автокоррелятор (12) PSCOUT PL-SP-LF (Spectra Physics, США) на вход которого направлялась часть лазерного излучения с помощью диэлектрического светоделителя с коэффициентом отражения 3%, установленного на откидной держалке (13). Управление экспериментальным стендом осуществлялось с помощью персонального компьютера (14). Постобработка полученных спектральных данных проводилась на персональном компьютере (14) в созданном программном комплексе на платформе MATLAB компании MathWorks (лицензия #1088659).
В данной работе использованы следующие параметры экспериментального комплекса: частота повторений импульсов лазерного излучения - 100 Гц, энергия лазерного излучения для длительности импульсов 650 фс – 1.08 мДж, для длительности импульса 40 фс – 1.14 мДж, ширина входной щели спектрометра – 50 мкм, дифракционная решетка 1200 штрих/мм (максимум блеска на длине волны300 нм), время экспозиции для одиночного импульса – 1,9 мкс, время накопления сигнала – 4 секунды. В качестве образцов использовались мужские волосы человека среднего возраста.
3. Основные результаты
В работе исследовалась воспроизводимость эмиссионной линии углерода CI (193.1 нм) в лазерной плазме, выбор данной эмиссионной линии обусловлен ее интенсивностью и тем, что концентрация углерода в волосах человека является максимальной из всех химических элементов. На рисунке 2 представлена матрица данных регистрирующей камеры без объединения пикселей с разрешением 1024*1280, по оси абсцисс отложены длины волн в относительных единицах (на данном рисунке не применена калибровка по длинам волн), по оси ординат – высота регистрируемого сигнала в относительных единицах. Регистрируемые эмиссионные линии в плазме, генерируемой на поверхности волоса на рисунке 2 представлены желтым цветом, линия углерода CI (193.1 нм) обозначена красным. Из рисунка 2 видно, что на матрицу используемого детектора попадает излучение со световода диаметром 600 мкм, расположенного на входной щели спектрометра, при этом регистрируемый сигнал занимает только область между 550 и 650 пикселами по высоте матрицы. На рисунке 3 представлен результат усреднения 10 матриц данных по высоте щели, полученных из 10 последовательных измерений спектров плазмы, генерируемой на поверхности волоса человека при фокусировке лазерных импульсов длительностью 40 фс.
Рисунок 2 - Исходная матрица данных детектора.
Рисунок 3 - Усреднение интегральной интенсивности сигнала 10-ти измерений по высоте щели спектрометра.
Из рисунка 3 видно, что оптимальный диапазон регистрируемого сигнала по высоте щели находится в пределах 557-630 пикселей, при этом наблюдается значительное отличие интенсивности 5, 6, 7 измерений, обусловленное отсутствием оптимальной фокусировки лазерного излучения на поверхности волоса. На рисунке 4 представлены спектры линий углерода CI (193.1 нм) в плазме, генерируемой на поверхности волос импульсами длительностью 40 фс с учетом исключения 5, 6, 7 измерений.
Рисунок 4 - Спектры плазмы: линии углерода CI (193.1 нм).
На рисунке 5 приведены зависимости интенсивности эмиссионных линий углерода CI (193.1 нм) от номера измерения N, квадратные маркеры – плазма генерировалась лазерными импульсами длительностью 650 фс, треугольные маркеры – длительностью 40 фс, пунктирные линии – результат постобработки регистрируемого сигнала.
Воспроизводимость измерений (отклонение выборки измерений от среднего арифметического М) в ЛИС определяется следующим выражением [7]:
где хi-выборка результатов, n-число измерений.
Исходя из полученных данных, усредненная интенсивность линии углерода CI (193.1 нм) в плазме, генерируемой на поверхности волос импульсами длительностью 650 фс: по 6 измерениям – 1476 отн.ед., воспроизводимость – 9,1%, по 11 измерениям – 1500 отн.ед., воспроизводимость – 15,3%. Усредненная интенсивность линии углерода в плазме, генерируемой импульсами длительностью 40 фс на поверхности волос по 7 измерениям 1310 – отн.ед., воспроизводимость – 3,5%, по 10 измерениям – 1210 отн.ед., воспроизводимость – 13,7%.
Рисунок 5 - График зависимости интенсивности эмиссионных линий углерода CI (193.1 нм) от номера измерения N.
4. Заключение
Экспериментально исследованы интенсивности спектральных линий углерода в лазерной плазме, генерируемой на поверхности волос человека при фокусировке импульсов длительностью 40 фс и 650 фс и энергией 1 мДж без предварительной пробоподготовки. Показано, что без применения постобработки регистрируемого сигнала воспроизводимость измерений составляет 13,7% для плазмы, генерируемой лазерными импульсами длительностью 40 фс и 15,3% для плазмы, генерируемой лазерными импульсами длительностью 650 фс. Применение постобработки сигнала позволило значительно улучшить воспроизводимость измерений в данном методе: в 3,9 раза для импульсов длительностью 40 фс и 1,68 раза для импульсов длительностью 650 фс.