.

Rivista #230: Costruiamo uno spettrometro


Spettrometro-840x600-640x457 Rivista #230: Costruiamo uno spettrometro

Tra i contenuti del fascicolo 230 (Novembre 2018), attualmente in edicola, c’è anche il progetto di uno spettrometro basato su un chip di AMS che, in combinazione con una board Arduino, ci consentirà di analizzare, ad esempio, la risposta spettrografica di liquidi alimentari e altre sostanze. 

La spettrometria è una tecnica di analisi che permette di riconoscere i materiali o la composizione di una miscela liquida attraverso la conformazione della risposta spettrale a una luce non coerente che le viene puntata contro e parzialmente riflessa. È utilizzata in tutti i laboratori chimici e biologici e potrebbe tornare utile anche in ambito domestico e in generale nella vita di tutti i giorni: per esempio dalla spettrometria possiamo, attraverso lo spettro della luce che riflette, determinare la bontà e autenticità di un vino pregiato o di un olio di oliva.

In queste pagine vi proponiamo di realizzare proprio un sensore capace di emulare gli spettrometri da laboratorio (seppur con una precisione un poco minore) che vi permette di sperimentare l’analisi spettrale degli oggetti anche a casa vostra; pur basandosi su sensori di elevata tecnologia e qualità, lo strumento proposto è essenziale e non prevede un display per visualizzare la conformazione dello spettro: i risultati dell’analisi dello spettro della luce verranno “plottati” su Monitor Seriale di Arduino e potranno essere elaborati da un PC per essere mostrati in forma grafica.

LA SPETTROMETRIA

Prima di entrare nel vivo del progetto è opportuno spiegare in cosa consiste la spettrometria. Partiamo spiegando che la luce visibile dai nostri occhi (cioè quella che il nostro cervello interpreta) è in realtà una porzione di quella che il sole ci manda in ogni momento e viaggia insieme a molte altre onde elettromagnetiche che coprono un range di frequenze molto ampio. Questo insieme di frequenze è chiamato spettro. Il nostro occhio percepisce solo una parte dello spettro di radiazioni luminose che compone la luce del sole e tale parte è detta spettro del visibile, ovvero luce visibile. Il caso vuole che lo spettro del visibile corrisponda alle frequenze, nello spettro della luce del sole arrivata sulla Terra, che hanno la maggiore intensità; in realtà non è un caso, ma il risultato dell’evoluzione dell’occhio umano, che nei millenni si è abituato a vedere esattamente la parte più importante dello spettro di luce che investe il nostro pianeta.

Quando la luce colpisce un oggetto che non la assorbe completamente (in caso contrario avremmo a che fare con il cosiddetto corpo nero) una parte torna indietro: questo è un fenomeno ottico comunemente conosciuto come riflessione. Se questa luce riflessa colpisce il nostro occhio e porta con sé una frequenza contenuta nello spettro del visibile, allora vediamo quell’oggetto del colore corrispondente.

Quindi, quando vediamo una foglia verde, in realtà quella foglia ha assorbito tutti gli altri colori e ha riflesso solo la componente verde, quindi un’onda con una lunghezza d’onda attorno ai 520nm.

La luce riflessa porta con sé altre informazioni oltre al colore: se illuminiamo un materiale con una luce bianca (che è l’insieme di tutte le frequenze del visibile) e questo riflette solo la luce nel violetto, significa che ha assorbito tutte le altre frequenze. L’insieme di frequenze che un oggetto cattura prende il nome di spettro di assorbimento e, siccome ogni materiale ha uno spettro di assorbimento noto, questo diventa un codice identificativo del materiale stesso. Questo concetto è abbastanza importante da essersi guadagnato una branca della fisica che studia l’interazione tra luce e materia: la spettrometria, e lo strumento utilizzato per calcolare questa interazione prende il nome di spettrometro.

LA TECNOLOGIA

Per costruirci uno spettrometro abbiamo bisogno di qualcosa che proietti contro l’oggetto da analizzare un raggio di luce, il cui spettro sia noto, quindi catturare la luce riflessa dall’oggetto stesso; non dev’essere necessariamente un raggio collimato e stretto (come quello di un laser, per intenderci), ma un fascio anche con una certa apertura angolare. Produrre un fascio di luce è facile: basta accendere un LED; più difficile, invece, è registrare la luce che l’oggetto riflette; in questo caso ci può essere d’aiuto il fotodiodo, che pur lavorando in polarizzazione inversa si fa attraversare da una corrente quando viene colpito da dei fotoni, i quali sono i componenti elementari della luce. A riguardo va precisato che più intensa è la radiazione luminosa che investe il fotodiodo, più elevata è la corrente in polarizzazione inversa, naturalmente entro i limiti del componente.

Per ricalcolare uno spettro, però, non basta sapere che al sensore è ritornata una luce con una determinata intensità, ma bisogna sapere che lunghezza d’onda ha; quindi la luce riflessa dall’oggetto di cui vogliamo calcolare lo spettro, prima di colpire un fotodiodo deve essere filtrata, così da essere certi che quando rileviamo una radiazione luminosa, non sia una qualsiasi ma uno spettro ben definito, ovvero che l’aumento della corrente nel fotodiodo sia determinata dalla lunghezza d’onda o dal gruppo di lunghezze d’onda che ci interessa.

In elettronica esistono vari filtri per le onde elettromagnetiche: nel nostro progetto viene utilizzato il filtro passa-banda gaussiano. Per spiegarvi a cosa ci stiamo riferendo, partiamo da un esempio: uno dei canali del nostro progetto, come vedremo, corrisponde alla lunghezza d’onda di 610 nm; i canali sono le radiazioni luminose di riferimento per l’analisi spettrale che facciamo. Per calcolare quanta luce di quella determinata lunghezza d’onda è contenuta nello spettro dell’oggetto che stiamo valutando, dobbiamo captarne tutto lo spettro, filtrarlo attorno ai 610 nm e poi far arrivare la luce risultante sul fotodiodo. Per filtrare attorno ai 610 nm, il filtro passabanda gaussiano restituisce il 100% esattamente a quella lunghezza d’onda e una percentuale decrescente delle lunghezze d’onda attorno a quella centrale, che possiamo considerare frequenze spurie.

Ogni sensore di quelli utilizzati nel nostro progetto misura l’intensità della luce per sei lunghezze d’onda (ogni lunghezza d’onda è quindi un canale) e siccome nel circuito i sensori utilizzati sono tre, contiamo su un totale di ben 18 canali. Alla fine, grazie all’integrazione di tre sensori della AMS, si riesce a ricostruire lo spettro da circa i 350 nm (il violetto) fino ai 1.000 nm, quindi si copre lo spettro della luce visibile più parte del NIR (Near Infrared Range), ovvero il vicino infrarosso.

Questo spettro ci permette di identificare l’impronta spettroscopica univoca di ogni materiale.

Clessidra_Arduino-640x644 Rivista #230: Costruiamo uno spettrometro

….

Il progetto prosegue con:

  • IL SENSORE AMS AS7265X E IL SISTEMA MOONLIGHT
  • SCHEMA ELETTRICO
  • REALIZZAZIONE PRATICA
  • LA LIBRERIA PER ARDUINO

…….

UILIZZO DELLO SPETTROMETRO

Grazie ai sensori AMS della famiglia AS7265x possiamo autocostruirci una versione semplificata di uno spettrometro; sicuramente non ci fornirà lo spettro di assorbimento sotto forma di grafico, dato che non prevede un display, però riuscirà a farci  distinguere un materiale da un altro grazie all’insieme dei valori risultanti dai 18 canali. A questo livello di strutturazione, e soprattutto senza un database già compilato, uno spettrometro portatile torna utile ad esempio come colorimetro (esistono dei siti Internet che convertono le lunghezze d’onda dello spettro nei codici RAL, che sono lo standard per i colori) oppure per il “branding”. Con quest’ultimo termine si intende quell’operazione che permette di identificare con certezza un prodotto distinguendolo da un altro: per esempio gli inchiostri per tipografia, dove per distinguere l’originale basta avere lo spettro di un campione noto e confrontarlo con lo spettro di altri inchiostri, che alla vista risultano tutti uguali.

Lo spettro fa da impronta riuscendo a identificare con oggettivitá l’inchiostro originale. Ma questa operazione si puó fare con qualsiasi genere di prodotto, che sia esso solido, liquido o gassoso, trovando applicazioni in agricoltura, allevamento, edilizia, industria manufatturiera, farmacologia, terziario, e moltissime altre. Pensate a un’impresa edile che vuole mantenere uno standard di  calcestruzzo, grazie allo spettrometro può identificare il cemento del fornitore come ideale per i suoi usi; inoltre può calcolare la percentuale di ingredienti nella miscela.

Oppure in cucina, si possono analizzare i vari tipi di oli, distinguendo quello extravergine di oliva da quello di oliva, fino a smascherare oli diciamo pure “additivati”come quelli arricchiti di clorofilla per mascherarne l’ossidazione o di betacarotene ed altre sostanze in grado di mascherare il sapore di oli di oliva scadenti che non dovrebbero finire sulla tavola. Creandosi un proprio database di rilevazioni le possibilità aumentano: per esempio al supermercato si potrebbe identificare la frutta e verdura veramente bio controllando che sulla buccia non siano presenti diserbanti o insetticidi. Anche per identificare una pietra preziosa dalle sue versioni di plastica. Un altro utilizzo dello spettrometro rientra nell’analisi della luce ambiente. Alcune piante, per crescere bene, è noto che hanno bisogno di determinate lunghezze d’onda nella luce che le investe; quindi se si intende creare una serra di piante non autoctone é bene conoscerne le proprietà e soprattutto le esigenze. Allo scopo, per determinare se la luce è adatta alla loro crescita basta utilizzare lo spettrometro; nello specifico, con il nostro tris di sensori, spegnendo i LED e aumentando il guadagno e il tempo di d’integrazione (proprio come se si trattasse di gestire l’otturatore di una macchina fotografica digitale) si riesce a misurare la lunghezza d’onda della luce ambiente.

Tutte le funzioni del caso sono presenti nella libreria che abbiamo descritto, compresa quella di gestione dei tempi di “esposizione” (illuminamento da parte del LED e osservazione dello spettro riflesso).

GESTIONE DIRETTA DA PC

Fin qui vi abbiamo proposto di gestire il sistema spettrometro con Arduino e acquisire con esso i dati sullo spettro passandoli ad un computer tramite Serial Monitor dell’IDE di Arduino; notate, tuttavia, che la breakout board contenente il sistema con i tre sensori spettrali della AMS può essere interfacciata direttamente a un PC mediante un converter TTL/USB come l’FT782M della Futura Elettronica (on-line su www.futurashop.it) basato sull’integrato FT232 della FTDI, quindi gestita con i classici comandi AT, che questa volta impartiremo da un emulatore di terminale tipo Hyper Terminal. Quindi si può lavorare con il nostro spettrometro anche solo con il PC, direttamente e senza utilizzare Arduino.

Inoltre chi ha un po’ di esperienza con le applicazioni Windows potrebbe sviluppare un software in Visual Basic per tracciare la curva spettrale rilevata dalla breakout board, integrando così il dispositivo in una propria applicazione software. Naturalmente il discorso vale anche per gli altri sistemi operativi, primo fra tutti Linux, che è open per definizione e che quindi si presta allo sviluppo di progetti personalizzati.

La connessione al PC si esegue molto semplicemente connettendo la linea TX della breakout board alla RX dell’FT782M e la RX di quest’ultimo convertitore con la TX della breakout board. Notate che il connettore a 4 poli (un semplice pin-strip montabile o meno) dell’FT782M fornisce anche l’alimentazione, purché la corrente richiesta non ecceda i 500 mA complessivi prelevati dall’USB, quindi collegheremo anche il + al 3V3 della breakout board e il contatto GND di quest’ultima al – dell’FT782M, così da far funzionare tutto quanto con l’alimentazione fornita dal Personal Computer.

CONCLUSIONI

Il dispositivo descritto in queste pagine è una soluzione low-cost e molto compatta per l’analisi spettrale della luce o della superficie di vari oggetti, cibi ecc., grazie alla quale possiamo identificare la composizione o la loro autenticità con una precisione più che sufficiente in molti ambiti che sconfinano anche da quello prettamente didattico o amatoriale, per approdare al professionale.

I componenti utilizzati in questo progetto sono disponibili presso Futura Elettronica. La breakout board spettrometro (cod. BREAKOUT021) è in vendita a Euro 27,00, il modulo convertitore USB/SERIALE (cod. FT782M) è disponibile a Euro 13,00 e la board Arduino UNO REV3 con ATmega328 (cod. ARDUINOUNOREV3) è in vendita a Euro 24,50.

L’articolo completo è pubblicato sul numero 230, Novembre 2018, acquistabile in tutte le edicole.

 

 

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *

Questo sito usa Akismet per ridurre lo spam. Scopri come i tuoi dati vengono elaborati.