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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Fluoreszenzmessung über Photodiode


Autor: Kevin K. (kevin_ko)
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Hallo zusammen,

ich arbeite zurzeit an einem Projekt und bräuchte eure Hilfe. In einem 
kleinen, nahezu komplett lichtfreiem "Raum", soll gemessen werden ob 
Mikroorganismen vorhanden sind. Hierzu will man sich die Fluoreszenz 
eines in Mikroorganismen vorkommenden Stoffwechselprodukts zu nutze 
machen: Die Stelle, die untersucht werden soll, wird mit einem UV-Licht 
mit etwa 360 nm angestrahlt, und das Stoffwechselprodukt wird, falls 
vorhanden, mit etwa 460 nm fluoreszieren.

Nun wollte ich das Ganze mit einer Photodiode als Detektor versuchen. 
Hierzu habe ich mir eine einfache Transimpedanzschaltung ausgesucht, die 
ihr im Anhang seht. Als OP habe ich den TL072 gewählt. 
(https://www.conrad.de/de/linear-ic-operationsverst...)

Die Photodiode is die SFH203 
(https://www.conrad.de/de/fotodiode-5-mm-1100-nm-20...)

und als Widerstand habe ich es zunächst mit einem 1 Mega Ohm Widerstand 
versucht.

Das Ganze habe ich nun zusammen gelötet und bei dem ganz "normalem" 
Licht mit dem Multimeter gemessen. Allerdings funktioniert es nicht, die 
Ausgangsspannung ist immer 0V. Als Versorgungsspannung habe ich eine 
9V-Blockbatterie genommen.

Hat jemand Ideen, was nicht stimmen könnte, oder irgendwelche Tipps ?? 
Wäre euch sehr dankbar.

Autor: ArnoR (Gast)
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Kevin K. schrieb:
> Hat jemand Ideen, was nicht stimmen könnte, oder irgendwelche Tipps ??

Komplette konkrete Schaltung mit Stromversorgung zeigen. Der TL072 ist 
kein Single-Supply-OPV, mit nur 9V (ohne künstliche Masse) geht der so 
nicht.

Autor: Kevin K. (kevin_ko)
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ArnoR schrieb:
> Kevin K. schrieb:
>> Hat jemand Ideen, was nicht stimmen könnte, oder irgendwelche Tipps ??
>
> Komplette konkrete Schaltung mit Stromversorgung zeigen. Der TL072 ist
> kein Single-Supply-OPV, mit nur 9V (ohne künstliche Masse) geht der so
> nicht.


Sorry, kenne mich mit OPVs usw. leider nicht wirklich aus. Was genau 
bedeutet dies?

Autor: Werner H. (werner45)
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1 MOhm Gegenkopplung ist zu wenig. Bei 1 V Ausgangsspannung müsste die 
Diode
1 µA liefern können, und das kann sie an der Empfindlichkeitsgrenze 
nicht.

Du brauchst eine empfindliche großflächige Diode, mindestens 10 MOhm 
Gegenkopplung (evtl. an einen Spannungsteiler 10:1 am Ausgang) und einen 
besseren OpV.
Eventuell ist auch ein UV-Sperrfilter nötig.

Versuche erst mal, die Gegenkopplung (1 oder 10 MOhm) an den 
Spannungsteiler zu legen und dann  was im mV-Bereich am Ausgang zu 
messen.

Vermutlich geht aber bei dem schwachen Fluoreszenzlicht doch nur ein 
Photomultiplier.

Gruß   -   Werner

Autor: ArnoR (Gast)
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Der +Pol der Versorgung muss an Pin7, nicht Pin8.

Der TL072 kann nicht mit Eingangsspannungen von 0... ca.+3V über der 
Versorgungsspannung an Pin4 betrieben werden. Die Spannungen an den 
Eingängen müssen größer als 3V und kleiner als 9V sein, sonst 
funktioniert der nicht. Das kann man mit einer künstlichen Masse 
erreichen, die die Versorgung z.B. in der Mitte teilt und so 2x4,5V 
erzeugt. Die Mitte ist dann das Bezugspotential (Masse).

Autor: Ohmar (Gast)
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>Vermutlich geht aber bei dem schwachen Fluoreszenzlicht doch nur ein
>Photomultiplier.
Oder vielleicht so was wie eine "Lichtmühle" davor?

Autor: ArnoR (Gast)
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ArnoR schrieb:
> Der +Pol der Versorgung muss an Pin7, nicht Pin8.

Ähh, falsch, war von einen einfachen OPV (TL071) ausgegangen. Pin8 ist 
richtig.

Autor: Wolfgang (Gast)
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Kevin K. schrieb:
> Die Stelle, die untersucht werden soll, wird mit einem UV-Licht
> mit etwa 360 nm angestrahlt, und das Stoffwechselprodukt wird, falls
> vorhanden, mit etwa 460 nm fluoreszieren.

Falls du es vermeiden möchtest, dich mit irgendwelchen Driftereien des 
Verstärkers rumzuärgern, verwendest du moduliertes Licht. Dann kannst du 
notfalls sogar eine Lock-In-Verstärker verwenden.

Es stellt sich natürlich die Frage, was du für eine Lichtquelle 
verwendest und ob sich damit eine Modulation problemlos realisieren 
läßt.

Außerdem musst du für eine gute optische Trennung von Anregungs- und 
Fluoreszenlicht sorgen, also bspw. ein Interferenzfilter für deinen 
Detektionsbereich. Meist ist das mit einem Kantenfilter kombiniert, 
sonst zusätzlich ein GG435 o.ä.
http://www.sydor.com/wp-content/uploads/SCHOTT-GG4...

Autor: Kevin K. (kevin_ko)
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Erstmal vielen Dank für eure Antworten. Da dies aber wie gesagt nicht 
ganz mein Fachgebiet ist, hätte ich noch ein paar Fragen:

Werner H. schrieb:
> 1 MOhm Gegenkopplung ist zu wenig. Bei 1 V Ausgangsspannung müsste
> die
> Diode
> 1 µA liefern können, und das kann sie an der Empfindlichkeitsgrenze
> nicht.
>
> Du brauchst eine empfindliche großflächige Diode, mindestens 10 MOhm
> Gegenkopplung (evtl. an einen Spannungsteiler 10:1 am Ausgang) und einen
> besseren OpV.
> Eventuell ist auch ein UV-Sperrfilter nötig.
>
> Versuche erst mal, die Gegenkopplung (1 oder 10 MOhm) an den
> Spannungsteiler zu legen und dann  was im mV-Bereich am Ausgang zu
> messen.
>
> Vermutlich geht aber bei dem schwachen Fluoreszenzlicht doch nur ein
> Photomultiplier.
>
> Gruß   -   Werner

was genau meinst du mit Gegenkopplung an den Spannungsteiler legen?? 
Noch einen zusätzlichen Widerstand bei der Photodiode??

Und wie genau erkenn ich wie empfindlich eine Diode ist?

ArnoR schrieb:
> Der +Pol der Versorgung muss an Pin7, nicht Pin8.
>
> Der TL072 kann nicht mit Eingangsspannungen von 0... ca.+3V über der
> Versorgungsspannung an Pin4 betrieben werden. Die Spannungen an den
> Eingängen müssen größer als 3V und kleiner als 9V sein, sonst
> funktioniert der nicht. Das kann man mit einer künstlichen Masse
> erreichen, die die Versorgung z.B. in der Mitte teilt und so 2x4,5V
> erzeugt. Die Mitte ist dann das Bezugspotential (Masse).

was genau bedeutet eine künstliche Masse und wie funktioniert das 
genau??

Viele Dank für eure Hilfe!

Autor: Kevin K. (kevin_ko)
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Kann mir da niemand kurz weiterhelfen?

Viele Grüße

Autor: Isar58 (Gast)
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Kevin K. schrieb:
> was genau meinst du mit Gegenkopplung an den Spannungsteiler legen??
> Noch einen zusätzlichen Widerstand bei der Photodiode??

Wenn du vom Ausgang des OPV z.B. einen 10:1 Spannungsteiler gegen Masse 
schaltest und an den Verbindungspunkt der beiden 
Spannungsteilerwiderstände den 1M Widerstand schaltest, dann wirkt 
dieser wie ein 10M Widerstand. D. h. die Verstärkung der Schaltung wird 
10 mal größer. Ob das hier tatsächlich nötig ist, kann ich so nicht 
sagen.

> was genau bedeutet eine künstliche Masse und wie funktioniert das
> genau??

Nur kurz. Eine künstliche Masse wird benötigt, wenn du einen OPV, der 
eine symmetrische Spannungsversorgung braucht, mit einer einzelnen 
Spannungsquelle betreiben willst. Da du aber eine 2. 9V Batterie 
verwenden kannst, ist die künstliche Masse hier irrelevant. Die 2. 
Batterie muss an Pin4 des TL072 und an Masse angeschlossen werden. Achte 
dabei auf die Polarität.

Hast du eventuell Zugang zu einem Fluoreszenzspektrometer? Das verwenden 
die Biophysiker, die ich kenne, für derlei Aufgaben ganz gerne.

Gruß, Isar

Autor: Falk B. (falk)
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@Kevin Kont (kevin_ko)

>Kann mir da niemand kurz weiterhelfen?

Kann man, wird dir aber nur bedingt helfen.

Zuerst braucht du mal eine Vorstellung von der Lichtleitung deiner 
Mikroben. Da wirst du GANZ schnell blaß werden, wie gering die sind.
Wie hier schon mehrfach bemerkt, wirst du mindestens eine SEHR 
großflächige Photodiode benötigen, BPW34 wäre so ein Kandidat und einen 
SEHR empfindlichen Verstärker.
Aber selbst dann bleibt es zweifelhaft, ob du damit das Licht 
detektieren kannst. Wahrscheinlich wird es auf einen Photomultiplier 
hinauslaufen, der kann einzelne Photonen detektieren.
Eine Photodiode kann das im Normalfall nicht.

Aber sei's drum, probier es mit einer Diode aus. Nimm die BPW34. Den + 
Eingang vom OPV legst du auf einen Spannungsteiler von 10K + 10k 
zwischen +9V und GND, das ist die virtuelle Masse.
Dann muss man aber aufpassen! Denn der OPV gibt dann eine Spannung 
relativ zu dieser virtuellen Masse aus, nicht zum -Anschluß des OPVs! 
D.h. Du musst dein Multimeter zur Spannungsmessung zwischen OPV-Ausgang 
und virtuelle Masse anklemmen.
Bei 1MOhm Rückkopplung am OPV hat man eine Empfindlichkeit von 1V/uA. Du 
wirst aber eher Ströme im Bereich von 1-10nA haben, sprich, den OPV wird 
nur 1-10mV ausspucken! Das liegt schon im Bereich der Offsetspannung!

Autor: Jan (Gast)
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Ansonsten kann man solche Detektoren mit Verstärker auch kaufen:
https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectg...

Kosten halt "nur" kannpe 400€.

Autor: M.A. S. (mse2)
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Kevin K. schrieb:
> Und wie genau erkenn ich wie empfindlich eine Diode ist?
Durch Blick ins Datenblatt:

http://www.osram-os.com/Graphics/XPic9/00101656_0....

Autor: Jan (Gast)
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Falk B. schrieb:

> Zuerst braucht du mal eine Vorstellung von der Lichtleitung deiner
> Mikroben. Da wirst du GANZ schnell blaß werden, wie gering die sind.
> Wie hier schon mehrfach bemerkt, wirst du mindestens eine SEHR
> großflächige Photodiode benötigen, ...
> Wahrscheinlich wird es auf einen Photomultiplier
> hinauslaufen, der kann einzelne Photonen detektieren.
> Eine Photodiode kann das im Normalfall nicht.

http://www.hamamatsu.com/eu/en/product/category/31...

Das wäre auch mein Vorschlag.
Ggf. solltest du dir auch überlegen die ganze Detektion mit einem 
Lock-in Verstärker zu machen. Bei Phosporeszenz-Messungen kann man über 
die Phasenlage schon viel berechnen. Bei Fluoreszenz ist das Signal 
nochmal Größenordnungen kürzer. Dann hättest du jedoch immernoch den 
Vorteil der Rauschunterdrückung durch den schmalbandigen Filter

Autor: Kevin K. (kevin_ko)
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Werner H. schrieb:
> 1 MOhm Gegenkopplung ist zu wenig. Bei 1 V Ausgangsspannung müsste
> die
> Diode
> 1 µA liefern können, und das kann sie an der Empfindlichkeitsgrenze
> nicht.
>
> Du brauchst eine empfindliche großflächige Diode, mindestens 10 MOhm
> Gegenkopplung (evtl. an einen Spannungsteiler 10:1 am Ausgang) und einen
> besseren OpV.
> Eventuell ist auch ein UV-Sperrfilter nötig.
>
> Versuche erst mal, die Gegenkopplung (1 oder 10 MOhm) an den
> Spannungsteiler zu legen und dann  was im mV-Bereich am Ausgang zu
> messen.
>
> Vermutlich geht aber bei dem schwachen Fluoreszenzlicht doch nur ein
> Photomultiplier.
>
> Gruß   -   Werner

Es könnte aber auch funktionieren, wenn ich den 1 MOhm Widerstand durch 
einen 10 MOhm Widerstand ersetze und die aktuelle Photodiode z.B. durch 
die BPW21 tausche, oder??

Isar58 schrieb:
> Kevin K. schrieb:
>> was genau meinst du mit Gegenkopplung an den Spannungsteiler legen??
>> Noch einen zusätzlichen Widerstand bei der Photodiode??
>
> Wenn du vom Ausgang des OPV z.B. einen 10:1 Spannungsteiler gegen Masse
> schaltest und an den Verbindungspunkt der beiden
> Spannungsteilerwiderstände den 1M Widerstand schaltest, dann wirkt
> dieser wie ein 10M Widerstand. D. h. die Verstärkung der Schaltung wird
> 10 mal größer. Ob das hier tatsächlich nötig ist, kann ich so nicht
> sagen.

ich verstehe nur leider nicht was ein 10:1 Spannungsteiler ist. Also 
besonders dieses "10:1" irritiert mich.

Isar58 schrieb:
>> was genau bedeutet eine künstliche Masse und wie funktioniert das
>> genau??
>
> Nur kurz. Eine künstliche Masse wird benötigt, wenn du einen OPV, der
> eine symmetrische Spannungsversorgung braucht, mit einer einzelnen
> Spannungsquelle betreiben willst. Da du aber eine 2. 9V Batterie
> verwenden kannst, ist die künstliche Masse hier irrelevant. Die 2.
> Batterie muss an Pin4 des TL072 und an Masse angeschlossen werden. Achte
> dabei auf die Polarität.

Also das würde bedeuten der +Pol der zweiten 9V-Batterie wird auch an 
Pin 4 angeschlossen und der -Pol an meinen Strang "unten" (GND)??

M.A. S. schrieb:
> Kevin K. schrieb:
>> Und wie genau erkenn ich wie empfindlich eine Diode ist?
> Durch Blick ins Datenblatt:
>
> 
http://www.osram-os.com/Graphics/XPic9/00101656_0....


ich meinte eher welcher Wert da entscheidend ist. Die 
Bestrahlungsempfindliche Fläche??


Viele Grüße

Autor: Kevin K. (kevin_ko)
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Werner H. schrieb:
> Du brauchst eine empfindliche großflächige Diode, mindestens 10 MOhm
> Gegenkopplung (evtl. an einen Spannungsteiler 10:1 am Ausgang) und einen
> besseren OpV.

und inwiefern einen besseren OpV??

Autor: Johannes S. (jojos)
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hier ist ein Plan für einen empfindlichen Fotodioden Verstärker: 
https://github.com/devttys0/IRis
Da gibt es auch ein ausführliches Erklärvideo zu. Der Ausgang ist zwar 
digital, aber für deinen Zweck müssen doch auch nur Blitze gezählt 
werden? Und die Diode muss für UV evtl. anders gewählt werden.

: Bearbeitet durch User
Autor: Christoph db1uq K. (christoph_kessler)
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Der hat aber Wechselspannungskopplung, die Schaltung kann nur Impulse 
anzeigen. Was machen die drei FET hintereinander parallel zum 10 
MOhm-Widerstand?
Noch ein Vorschlag, die negative Spannung könnte man einfach mit drei 
Bauteilen erzeugen, ein ICL7660 und zwei Elkos.

Autor: Isar58 (Gast)
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Kevin K. schrieb:
> ich verstehe nur leider nicht was ein 10:1 Spannungsteiler ist. Also
> besonders dieses "10:1" irritiert mich.

> Also das würde bedeuten der +Pol der zweiten 9V-Batterie wird auch an
> Pin 4 angeschlossen und der -Pol an meinen Strang "unten" (GND)??

Mit Verlaub Kevin, so wird das nichts. Lass die Finger vom Selbstbau, 
kaufe bei Thorlabs einen PDA 100 A und das dazu gehörige Netzteil 
LDS1212 und konzentriere dich auf die Messungen, die du machen willst. 
Der PDA 100 A verfügt über einen großflächigen Detektor (100mm²), der im 
gewünschten Wellenlängen Bereich empfindlich ist. Die Verstärkung läßt 
sich in gewissen Grenzen einstellen, damit du die notwendige 
Empfindlichkeit erhältst. Zusätzlich brauchst du noch einen optischen 
Tiefpass, der die Anregewellenlänge unterdrückt.

Gruß, Isar

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