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讓手機成為專業光譜儀/分光光度計: 科學 Maker 社群的科學台灣計畫!

以下要說一個手機怎麼變身專業光譜儀跟分光光度計的故事,這是科學Maker社群繼設計手機顯微鏡一年多後,繼續希望讓台灣各處變成小實驗室的努力,也希望改變台灣的科學學習跟研究環境,歡迎更多對科學有興趣的朋友一起來參與完成~

光譜儀是很多科學研究跟探索自然的必備工具,凡舉分子特性的分辨,濃度的量測,物質的鑑定,天體光譜的量測等,很多精密的實驗也都需要光譜儀的協助。但是光譜儀是昂貴的儀器,最便宜的要數萬起跳,更別提高感度高精密度的研究光譜儀或是分光光度計。

以往有一些方式可以 DIY光譜儀,常用方式是在黑色的紙箱子中放進一片光碟做為光柵,設置一狹縫,然後在相對的角度上用眼睛觀測或是用相機拍攝,但是其中有不少問題,如光譜彎曲,雜訊高,不管是因為遮光不全,光徑設置不良,或是內部反射的多次傳播干擾,最後都造成對比不足,解析度不高,加上一般只能直接手持,使用上不穩定,讓這樣的工具僅止於初步對光源的觀察,難以進一步的使用。另一類的光譜儀使用網路攝影機的感光元件作為核心,以 USB連接電腦,只有解決觀測的不穩定,卻又造成光學鏡片不佳與感測器解析度低等問題,解析度有限。

下二圖為一般自製黑色紙筒光譜儀的觀察,左方為自製,右方為中研院物理所印行切割之設計。(感謝 科學Maker 社群 St Kao 黃奕杰 提供觀察結果。)

圖片1
一般自製黑色紙筒光譜儀的觀察,左方為自製,右方為中研院物理所印行切割之設計 。

為了實現讓手機變成光譜儀,讓更多人可以擁有及使用研究等級的光譜儀,科學Maker社群即將製作的手機光譜儀,在本體設計上,重新根據光學成像與繞射原理,規畫垂直式短光徑設計,可同時提升光強與解析度。在光柵的設計上,使用特殊製作之高效率光柵,與新光路*結合後不僅光效率提高為研究用等級,可以免除一般自製儀器光譜彎曲的問題。(*光路就是光學儀器中光學元件的排列擺放位置的總稱)

 

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SciView手機光譜儀。

為了達成專業儀器的效果,在改善噪訊比上,使用了所需最小傳播光徑設計,免除任何非預期的光線傳播,也使用全密封的黑色壓克力隔絕外部任何光線的干擾,另外在內部配合特殊的表面抗反射黑色微粒層,讓訊號之外的光幾乎完全都被吸收與遮蔽,來實現高對比與準確的強度顯示,免除耀光雜訊的影響。

以下為以手機螢光燈光譜的直接量測,可以看出對比與解析度皆大幅改進,不僅解析度可以提升,亮度也能準確呈現。

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為了驗證手機光譜儀的強度的正確性與光譜的解析性,將所獲得的螢光燈光譜圖以 ImageJ軟體 直接對強度做圖並與文獻比較,可以看出汞譜線與相對強度都能忠實呈現,表示非光譜噪訊已經被有效控制。上圖為文獻中飛利浦螢光燈的譜線,下圖為手機光譜儀的量測結果。

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手機光譜儀的量測結果,點擊看大圖。

在構件設計上,手機光譜儀的特點為可與手機顯微鏡鏡座結合,使用載物台直接調整固定,使得手機只要直接水平放置就可以穩定跟光譜儀結合,變成穩定的手機光譜儀,在光譜儀前端設計可換式狹縫的螺絲,可以依照所需的亮度與解析度,更換相對應的狹縫,在低光照下可以選擇較大的狹縫,而需要高解析度時可選擇較窄的狹縫,滿足不同需求。以下為與手機顯微鏡台結合後量測LED燈的量測構造圖,只要放下手機就能穩定量測。6

另外前端的螺絲擴充設計也可直接鎖上分光光度計模組中放置比色管的裝置,來完成分光光度計的量測功能。下方為分光光度計模中前端擴充的樣子,中間有一對狹縫保證光線的直進,左右兩個孔為螺絲孔,放置在中間的為與專業分光光度計相同的比色管,可以直接量測或是校正吸光度。

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分光光度計模中前端擴充。

在分光光量測上,需面臨強度的正確性與否,以下是測試手機光譜儀的分光光度計量測功能來直接獲得吸收光譜圖,結果符合,這表示在合理的亮度範圍內,手機可以勝任分光光度計,顏色與白平衡在相對量測值下無大影響。樣本是一片綠色的小壓克力。同時量測有穿(上方光譜)跟沒有穿過壓克力的光(下方光譜),然後直接做影像計算,亮度相減除以沒有濾片的亮度,然後算出穿透率 。

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經測試後,只要在合理的亮度範圍內,手機應該可以勝任分光光度計使用。

另外在研究上高效率的光譜儀也可以用來做螢光光譜儀的核心,可以用來檢測例如不同油品的添加,為了測試這可能性,以下圖片是Rodamine B 的稀薄溶液,跟用紫光LED激發,用手機光譜儀拍的螢光光譜。

圖片2

Rodamine B 的稀薄溶液跟用紫光LED激發的螢光光譜。

新設計的手機光譜儀我已取了名字,叫做 SciView,取這名字是希望可以從小小的觀景窗讓更多人看到動人的科學視野,非常輕巧簡潔的設計,除了喜歡這種質感,不論在科學上,使用上或是整體外觀結構上,也是我心中最好的設計了。

經由這工具,想像有一天在台灣的課堂,化學老師帶著學生邊看光譜,邊跟學生說明化學反應中分子怎麼重新組合,物理老師當著全班的面看著一條條光譜說明量子理論發展的由來,指著不同顏色的光跟出現的位置說明繞射跟光柵結構的關係,地科老師可以照著星體跟礦物,說很多關於地科的故事,生物老師可以培養細菌,用光度計量測生長曲線給學生看,說明生命最基本的動態,或是量著葉子說明能量怎麼被生命給擷取利用。

而在台灣對科學有興趣的同學,不用再去大學實驗室,就能在家還是在自己學校完成想做的科展,不僅能觀察顯微的世界,也能做定量定性的量測,不再是有關係的或有辦法去實驗室的人才能做。一些假東西還是汙染的東西一驗光譜就會原形畢露,投鼠忌器,或許黑心商人也會變少。

SciView手機光譜儀與分光光度計模組,即將要在科學Maker 社群登記製作,依照過去的科學儀器製作計畫,會讓參與的朋友一起做或是自由贊助來獲得,歡迎各位對科學有興趣的朋友加入科學Maker來一起完成!

本文經原作者同意後轉載自《科學影像 scimage/ 科學Maker

 

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