Hallo zusammen, im Rahmen eines Projekts soll bestimmt werden, ob ein Mikroorganismus in einem System vorhanden ist. Die Detektion soll über die Fluoreszenz eines Stoffwechselproduktes des Mikroorganismus erfolgen. D.h. es erfolgt eine Anregung mit UV-Licht und ist das Stoffwechselprodukt vorhanden wird über eine Photodiode die Fluoreszenz detektiert. Ich hab mir nun eine Transimpedanzverstärkerschaltung für die Photodiode ausgesucht. Als Bauteile dachte ich an eine Photodiode SFH203 und einen Operationsverstärker LM358. Ich bin in dem Bereich allerdings nicht so bewandert und wollte daher nun fragen, ob dies auch so funktioniert, wie ich mir das vorstelle. Und wie komme ich an meinen richtigen Widerstand R? Das ganze sollte so funktionieren, dass die Photodiode die Fluoreszenz detektiert und mithilfe eines Arduino dann eine grüne LED aufleuchtet, falls das Stoffwechselprodukt (und somit der Mikroorganismus)nicht vorhanden ist, oder eine rote LED aufleuchtet, wenn das Stoffwechselprodukt vorhanden ist. Hoffe ihr könnt mir weiterhelfen. Viele Grüße
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über wie viel oder wie wenig Licht sprechen wir hier? Das kann von einfach bis extrem knifflig werden.
Das funktioniert grundsätzlich. Wenn es empfindlich sein soll, dann benutze einen modernen, rauscharmen OPAmp mit niedrigem Rauschen und wenig Offset und eine grössere Fotodiode. Mit der BPW34 habe ich sehr gute Erfahrungen gemacht.
Ganz grob stimmt der Transimpedanz-verstärker. Allerdings braucht man oft zusätzlich einen Kondensator zum Widerstand, um ein Schwingen zu verhindern. Je größer die Kapazität des Detektor (und der Kabel dahin) desto eher braucht man den Kondensator. Der LM358 ist für eine empfindliche Messung nicht geeignet. Da sollte man OP auf JFET oder CMOS Basis nutzen. Als mindeste so etwas wie ein MCP6001, ggf. auch auch besser (z.B. OPA140). Gerade Flourszenzmessungen müssen ggf. mit sehr wenig Licht auskommen. Damit die Photodiode nicht auch auf das UV-licht reagiert braucht man vermutlich auch noch ein Filter. Die Größe der Widerstandes hängt von der Lichtmenge ab. Mit Photodioden und eher wenig Licht liegt man da oft im Bereich 1-10M Ohm und größer. Die Ausgangsspannung ist halt Strom mal dem Widerstand. Einen feinen Abgleich / größeren Bereich kann man ggf. noch durch eine Spannungsverstärkung hinter dem TIA erreichen. I.A. wird man da ein wenig probiere müssen. Wegen der ggf. sehr kleinen Ströme (ggf. nur Picoampere) sollte der Verstärker dicht am Detektor sein und ein sauberer Aufbau ist ggf. wichtig. Für eine empfindliche Messung sollte man auch nicht durchgängig messen, sondern eher nur die Änderung von ohne UV-Licht zu mit UV-Licht. Ideal würde man das UV Licht etwa in kHz Takt modulieren - in dem Frequenzbereich ist das Rauschen der OPs kleiner, und man kann einen Untergrund wie den Dunkelstrom der Photodiode unterdrücken. Der Verstärker hinter dem TIA kann dann AC gekoppelt sein.
Olaf F. schrieb: > die Fluoreszenz detektiert Gibt es keine geeigneten Fototransistoren für dieses Licht? Das könnte die Auswertung etwas erleichtern (da höherer Strom verfügbar).
Wenn es um wenig Licht und eine genaue Auswertung geht, sind Photodioden schon die bessere Wahl. Phototransistoren liefern zwar mehr Strom, aber die interne Verstärkung schwankt und auch das Rauschen und der Dunkelstrom sind höher. Außerdem haben Photodioden eine besser definierte und wenn man will größere Empfindliche Fläche. Schon die BPW34 ist z.B. etwa 50 mal größer von der empfindlichen Fläche als viele der Phototransistoren (z.B. BP103). Da ist dann der Strom vom Fototransistor gar nicht mehr so viel höher. Fototransistoren sind mehr etwas für einfache Lichtschranken, wenn man viel Licht hat und eine einfache Schaltung braucht. Vom Signal Rausch Verhältnis ist eine Photodiode mit passendem TIA meist deutlich besser.
Hallo, das Thema gab es hier schon häufiger. Beitrag "Photodiode + Transimpedanzverstärker" Beitrag "Transimpedanzverstärker für Photodiode" Beitrag "Transimpedanzverstärkerschaltung mit Photodiode zur Lichtmessung" und noch mehr.
Lurchi schrieb: > Ganz grob stimmt der Transimpedanz-verstärker. Allerdings braucht man > oft zusätzlich einen Kondensator zum Widerstand, um ein Schwingen zu > verhindern. Je größer die Kapazität des Detektor (und der Kabel dahin) > desto eher braucht man den Kondensator. > > Der LM358 ist für eine empfindliche Messung nicht geeignet. Da sollte > man OP auf JFET oder CMOS Basis nutzen. Als mindeste so etwas wie ein > MCP6001, ggf. auch auch besser (z.B. OPA140). Gerade Flourszenzmessungen > müssen ggf. mit sehr wenig Licht auskommen. Damit die Photodiode nicht > auch auf das UV-licht reagiert braucht man vermutlich auch noch ein > Filter. > > Die Größe der Widerstandes hängt von der Lichtmenge ab. Mit Photodioden > und eher wenig Licht liegt man da oft im Bereich 1-10M Ohm und größer. > Die Ausgangsspannung ist halt Strom mal dem Widerstand. Einen feinen > Abgleich / größeren Bereich kann man ggf. noch durch eine > Spannungsverstärkung hinter dem TIA erreichen. I.A. wird man da ein > wenig probiere müssen. Wegen der ggf. sehr kleinen Ströme (ggf. nur > Picoampere) sollte der Verstärker dicht am Detektor sein und ein > sauberer Aufbau ist ggf. wichtig. > > Für eine empfindliche Messung sollte man auch nicht durchgängig messen, > sondern eher nur die Änderung von ohne UV-Licht zu mit UV-Licht. Ideal > würde man das UV Licht etwa in kHz Takt modulieren - in dem > Frequenzbereich ist das Rauschen der OPs kleiner, und man kann einen > Untergrund wie den Dunkelstrom der Photodiode unterdrücken. Der > Verstärker hinter dem TIA kann dann AC gekoppelt sein. Also ich werde vermutlich einen Widerstand von mindestens 1MΩ brauchen?? Wie funktioniert das denn mit der Spannungsverstärkung? Da ich wie gesagt in dem Bereich nicht so bewandert bin und ich mit Schaltungen aufbauen kaum Erfahrung habe, noch die Frage: Wie bau ich das dann bei Ua gemäß dem Schaltplan auf? Also mit den zwei Punkten? Und die Erdungen? Vielen Dank für eure Hilfe!
Olaf F. schrieb: > Kann mir keiner mehr weiterhelfen?? Transimpedanzverstärker findet man massenhaft im Netz und in den Datenblättern von Operationsverstärkern. Etwas besser erklärt u.a. im Tietze/Schenk. Eine fertige Bauanleitung samt Stückliste mit Endpreis wirst Du hier nicht bekommen.
Olaf F. schrieb: > Kann mir keiner mehr weiterhelfen?? Dazu müsste man Daten haben oder einige Experimente durchführen: Wieviel Licht geben die Organismen denn ab - wie ein Glühbirnchen, wie Mondlicht oder eher wie eine dunkle Nacht mit Sternenlicht? Welches Spektrum, falls man Filter braucht? Mit welcher Art und Menge Fremdlicht ist zu rechnen? Ich habe schon Lichtmesser nach diesem Prinzip gebaut, die Vollausschlag hatten, wenn man im gleichen Zimmer eine Zigarette raucht - aber das eben nur in sonst perfekter Dunkelheit. Ist das nicht möglich, muss man nach meinem Bauchgefühl die Messung auf einen ganz schmalen Spektralbereich durch Filter beschränken. Wenn deine Organismen nicht gerade wie Scheinwerfer blenden ist die Messtechnik lange nicht so trivial wie du dir das vorstellst. Ich denke da eher an ein vorbeifliegendes Glühwürmchen. Georg
Wie viel Licht da ankommt muss man vermutlich am Experiment nachmessen. Viel wird es jedenfalls nicht sein, denn mehr als das Licht der UV Quelle kann es nicht werden. Ggf. wird man auch eine größere Photodiode benötigen. Bei der Auslegung des Widerstandes wäre es von Vorteil, wenn die Amplitude hinter dem TIA 100 mV erreicht. Dann ist das Rauschen des Widerstandes und oft auch des OPs geringer als das unvermeidliche Quantisierungsrauschen / Schrotrauschen. In Grenzen kann man auch einfach die Spannung hinter dem TIA verstärken, vor allem falls der Widerstand bereits an der oberen sinnvollen Grenze (ca. 100 M) ist.
Georg schrieb: > Olaf F. schrieb: >> Kann mir keiner mehr weiterhelfen?? > > Dazu müsste man Daten haben oder einige Experimente durchführen: Wieviel > Licht geben die Organismen denn ab - wie ein Glühbirnchen, wie Mondlicht > oder eher wie eine dunkle Nacht mit Sternenlicht? Welches Spektrum, > falls man Filter braucht? Mit welcher Art und Menge Fremdlicht ist zu > rechnen? > > Ich habe schon Lichtmesser nach diesem Prinzip gebaut, die Vollausschlag > hatten, wenn man im gleichen Zimmer eine Zigarette raucht - aber das > eben nur in sonst perfekter Dunkelheit. Ist das nicht möglich, muss man > nach meinem Bauchgefühl die Messung auf einen ganz schmalen > Spektralbereich durch Filter beschränken. > > Wenn deine Organismen nicht gerade wie Scheinwerfer blenden ist die > Messtechnik lange nicht so trivial wie du dir das vorstellst. Ich denke > da eher an ein vorbeifliegendes Glühwürmchen. > > Georg Hallo Georg, ich habe mir vorgenommen demnächst auch mal einen Lichtmesser, der sehr empfindlich ist und auch in Dunkelheit arbeiten soll, zu bauen. Könntest du evtl. näher beschreiben wie dein Aufbau aussah, bei dem Lichtmesser, welcher bereits bei einer Zigarette Vollausschlag hatte? Mfg
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Olaf F. schrieb: > Kann mir keiner mehr weiterhelfen?? Wie schon gesagt wurde und du schon selbst herausgefunden hast: Ein Transimpedanz-Verstärker ist deine Wahl. Als OPV würde ich hier auch nicht den LM358 benutzen sondern einen OPA340 oder OPA380 von TI oder einen AD820 von Analog Devices. Die sind wesentlich besser geeignet. Wie groß der Feedbackwiderstand sein muss kann von uns keiner sagen da keiner von uns weiß wieviel Licht zu erwarten ist. Hier können wir alle nur schätzen. Mein Schaltungsvorschlag im Anhang mit R11 = 1 MΩ, R12 = 100 kΩ und R13 = 1 kΩ, macht eine Verstärkung von ca. 10 nA/V bzw. 0,1 V/nA. Das entspricht einem effektiven Feedbackwiderstand von 100 MΩ. Damit kann man schon sehr empfindlich messen. Aber wie gesagt, ob das für dich ausreichend ist kannst du nur durch Versuche herausfinden.
Für die Detektion von blauem Licht aus der Luminolemission in einer 0.1 mm dicken Flüssigkeitsschicht verwenden wir ein Array aus 2x3 BPW34. Der Transimpendanzverstärker verfügt über einen 4 MOhm-Widerstand mit parallelem 22 pF Kondensator. Am Ausgang des Op-Amps hängt ein Tiefpass und von dort geht's direkt in den ADC eines µC. Klappt sehr gut (auch mit LM357, wenn auch bessere Optionen da sind). Wichtig ist die gute Abschirmung gegen Umgebungslicht. Auch ist eine vernünftige Mittelwertbildung sinnvoll. Bei bekanntem Lumineszenzverlauf kann auch noch mittels Vorwärts-Rückwärtsfilter gefiltert werden (in Python z.B. das Filter scipy.signal.filtfilt) Gruß Jiri
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