Spektrometer je znanstveni instrument, ki se uporablja za analizo spektra elektromagnetnega sevanja, lahko prikaže spekter sevanja kot spektrograf, ki predstavlja porazdelitev svetlobne jakosti glede na valovno dolžino (y-os je intenziteta, x-os je valovna dolžina /frekvenca svetlobe).Svetloba je znotraj spektrometra ločena na valovne dolžine njenih sestavnih delov z razdelilniki žarkov, ki so običajno lomne prizme ali uklonske rešetke. Slika 1.
Sl. 1 Spekter žarnice in sončne svetlobe (levo), princip cepitve žarka rešetke in prizme (desno)
Spektrometri imajo pomembno vlogo pri merjenju širokega spektra optičnega sevanja, bodisi z neposrednim preučevanjem emisijskega spektra svetlobnega vira bodisi z analizo odboja, absorpcije, prenosa ali sipanja svetlobe po njeni interakciji z materialom.Po interakciji svetlobe in snovi se spekter spremeni v določenem spektralnem območju ali določeni valovni dolžini, lastnosti snovi pa je mogoče kvalitativno ali kvantitativno analizirati glede na spremembo spektra, kot je biološka in kemijska analiza sestava in koncentracija krvi in neznanih raztopin ter analiza molekulske, atomske zgradbe in elementarne sestave materialov sl. 2.
Slika 2 Infrardeči absorpcijski spektri različnih vrst olj
Spektrometer, ki je bil prvotno izumljen za preučevanje fizike, astronomije, kemije, je danes eden najpomembnejših instrumentov na številnih področjih, kot so kemijsko inženirstvo, analiza materialov, astronomska znanost, medicinska diagnostika in biološko zaznavanje.V 17. stoletju je Isaac Newton lahko razdelil svetlobo v neprekinjen barvni trak s prehodom žarka bele svetlobe skozi prizmo in za opis teh rezultatov prvič uporabil besedo "spekter", slika 3.
Slika 3 Isaac Newton proučuje spekter sončne svetlobe s prizmo.
V začetku 19. stoletja je nemški znanstvenik Joseph von Fraunhofer (Franchofer) v kombinaciji s prizmami, uklonskimi režami in teleskopi izdelal spektrometer z visoko natančnostjo in natančnostjo, ki je bil uporabljen za analizo spektra sončnih emisij Slika 4. prvič opazil, da spekter sončnih sedmih barv ni zvezen, ampak ima na sebi številne temne črte (več kot 600 diskretnih črt), znane kot znamenita "Frankenhoferjeva črta".Najbolj razločno od teh črt je poimenoval A, B, C…H in preštel približno 574 črt med B in H, kar ustreza absorpciji različnih elementov na sončnem spektru. Slika 5. Istočasno je bil Fraunhofer tudi Najprej uporabite difrakcijsko rešetko za pridobivanje linijskih spektrov in za izračun valovne dolžine spektralnih linij.
Slika 4. Zgodnji spektrometer, ki ga gledamo s človekom
Slika 5 Črta Fraun Whaffe (temna črta v traku)
Slika 6 Sončev spekter s konkavnim delom, ki ustreza Fraun Wolflovi črti
Sredi 19. stoletja sta nemška fizika Kirchhoff in Bunsen sodelovala na Univerzi v Heidelbergu in z Bunsenovim na novo zasnovanim plamenskim orodjem (Bunsenov gorilnik) opravila prvo spektralno analizo z opazovanjem specifičnih spektralnih linij različnih kemikalij (soli), potresene v plamen Bunsenovega gorilnika sl.7. Uresničili so kvalitativno preiskavo elementov z opazovanjem spektrov in leta 1860 objavili odkritje spektrov osmih elementov ter ugotovili obstoj teh elementov v več naravnih spojinah.Njihove ugotovitve so pripeljale do oblikovanja pomembne veje spektroskopske analitske kemije: spektroskopske analize
Slika 7 Reakcija plamena
V 20. letih 20. stoletja je indijski fizik CV Raman s spektrometrom odkril neelastični učinek sipanja svetlobe in molekul v organskih raztopinah.Opazil je, da se vpadna svetloba po interakciji s svetlobo razprši z višjo in nižjo energijo, kar se kasneje imenuje ramansko sipanje, slika 8. Sprememba svetlobne energije označuje mikrostrukturo molekul, zato se spektroskopija ramanskega sipanja pogosto uporablja v materialih, medicini, kemiji in druge industrije za identifikacijo in analizo molekularne vrste in strukture snovi.
Slika 8 Energija se premakne po interakciji svetlobe z molekulami
V 30. letih 20. stoletja je ameriški znanstvenik dr. Beckman prvi predlagal merjenje absorpcije ultravijoličnih spektrov pri vsaki valovni dolžini posebej, da bi izrisal celoten absorpcijski spekter in s tem razkril vrsto in koncentracijo kemikalij v raztopini.Ta pot svetlobne absorpcije je sestavljena iz vira svetlobe, spektrometra in vzorca.Večina trenutnega zaznavanja sestave raztopine in koncentracije temelji na tem transmisijskem absorpcijskem spektru.Tu se svetlobni vir razdeli na vzorec in prizma ali rešetka se skenira, da se dobijo različne valovne dolžine. Slika 9.
Slika 9 Načelo zaznavanja absorpcije –
V 40. letih 20. stoletja je bil izumljen prvi spektrometer z neposrednim zaznavanjem in prvič so fotopomnoževalne cevi PMT in elektronske naprave nadomestile tradicionalno opazovanje s človeškim očesom ali fotografski film, ki je lahko neposredno odčital spektralno intenziteto glede na valovno dolžino. 10. Tako je bil spektrometer kot znanstveni instrument skozi čas bistveno izboljšan v smislu enostavnosti uporabe, kvantitativnega merjenja in občutljivosti.
Slika 10 Fotopomnoževalna cev
Sredi do poznega 20. stoletja je bil razvoj tehnologije spektrometra neločljivo povezan z razvojem optoelektronskih polprevodniških materialov in naprav.Leta 1969 sta Willard Boyle in George Smith iz Bell Labs izumila CCD (Charge-Coupled Device), ki ga je nato v sedemdesetih letih 20. stoletja izboljšal in razvil v slikovne aplikacije Michael F. Tompsett.Willard Boyle (levo), George Smith je zmagal, ki je prejel Nobelovo nagrado za svoj izum CCD (2009), prikazano na sliki 11. Leta 1980 je Nobukazu Teranishi iz NEC na Japonskem izumil fiksno fotodiodo, ki je močno izboljšala razmerje med šumom slike in resolucija.Kasneje, leta 1995, je Nasin Eric Fossum izumil slikovni senzor CMOS (komplementarni kovinsko-oksidni polprevodnik), ki porabi 100-krat manj energije kot podobni slikovni senzorji CCD in ima veliko nižje proizvodne stroške.
Slika 11 Willard Boyle (levo), George Smith in njihov CCD (1974)
Konec 20. stoletja, nenehno izboljševanje polprevodniških optoelektronskih čipov za obdelavo in tehnologijo izdelave, zlasti z uporabo nizov CCD in CMOS v spektrometrih, slika 12, postane mogoče pridobiti celoten obseg spektrov pri eni sami osvetlitvi.Sčasoma so spektrometri našli široko uporabo v številnih aplikacijah, vključno z zaznavanjem/merjenjem barv, analizo laserske valovne dolžine in fluorescenčno spektroskopijo, razvrščanjem LED, opremo za zaznavanje slik in osvetlitve, fluorescenčno spektroskopijo, ramansko spektroskopijo in še več. .
Slika 12 Različni čipi CCD
V 21. stoletju je zasnova in tehnologija izdelave različnih vrst spektrometrov postopoma dozorela in se ustalila.Z naraščajočim povpraševanjem po spektrometrih na vseh področjih življenja je razvoj spektrometrov postal hitrejši in specifičen za industrijo.Poleg običajnih indikatorjev optičnih parametrov so različne industrije prilagodile zahteve glede velikosti volumna, funkcij programske opreme, komunikacijskih vmesnikov, odzivne hitrosti, stabilnosti in celo stroškov spektrometrov, zaradi česar je razvoj spektrometrov postal bolj raznolik.
Čas objave: 28. nov. 2023