Spektrometri on tieteellinen instrumentti, jota käytetään sähkömagneettisen säteilyn spektrin analysointiin. Se voi näyttää säteilyspektrin spektrografina, joka edustaa valon intensiteetin jakautumista suhteessa aallonpituuteen (y-akseli on intensiteetti, x-akseli on aallonpituus /valon taajuus).Valo erotetaan eri osa-alueensa aallonpituuksiin spektrometrin sisällä säteenjakajilla, jotka ovat yleensä taiteprismoja tai diffraktiohiloja Kuva 1.
Kuva 1 Hehkulampun ja auringonvalon spektri (vasemmalla), säteen jakoperiaate hila ja prisma (oikealla)
Spektrometreillä on tärkeä rooli laajan optisen säteilyn mittaamisessa joko tarkastelemalla suoraan valonlähteen emissiospektriä tai analysoimalla valon heijastusta, absorptiota, läpäisyä tai sirontaa sen vuorovaikutuksen jälkeen materiaalin kanssa.Valon ja aineen vuorovaikutuksen jälkeen spektri kokee muutoksen tietyllä spektrialueella tai tietyllä aallonpituudella, ja aineen ominaisuuksia voidaan analysoida kvalitatiivisesti tai kvantitatiivisesti spektrin muutoksen mukaan, kuten aineen biologinen ja kemiallinen analyysi. veren ja tuntemattomien liuosten koostumus ja pitoisuus sekä materiaalien molekyylin, atomirakenteen ja alkuainekoostumuksen analyysi Kuva 2.
Kuva 2 Erityyppisten öljyjen infrapuna-absorptiospektrit
Alunperin fysiikan, tähtitieteen ja kemian tutkimiseen keksitty spektrometri on nykyään yksi tärkeimmistä instrumenteista monilla aloilla, kuten kemiantekniikassa, materiaalianalyysissä, tähtitiedeessä, lääketieteellisessä diagnostiikassa ja bioanturissa.1600-luvulla Isaac Newton pystyi jakamaan valon jatkuvaan värilliseen vyöhykkeeseen johtamalla valkoisen valonsäteen prisman läpi ja käytti ensimmäistä kertaa sanaa "Spectrum" kuvaamaan tätä tulosta.
Kuva 3 Isaac Newton tutkii auringonvalon spektriä prismalla.
1800-luvun alussa saksalainen tiedemies Joseph von Fraunhofer (Franchofer) valmisti prismojen, diffraktiorakojen ja kaukoputkien kanssa erittäin tarkan ja tarkan spektrometrin, jolla analysoitiin auringon päästöjen spektri Kuva 4. havaitsi ensimmäistä kertaa, että auringon seitsemän värin spektri ei ole jatkuva, vaan siinä on useita tummia viivoja (yli 600 erillistä viivaa), tunnetaan kuuluisana "Frankenhofer-linjana".Hän nimesi selkeimmät näistä viivoista A, B, C…H ja hän laski noin 574 viivaa B:n ja H:n väliin, mikä vastaa eri elementtien absorptiota aurinkospektrissä. Kuva 5. Samaan aikaan Fraunhofer oli myös Ensin käytetään diffraktiohilaa viivaspektrien saamiseksi ja spektriviivojen aallonpituuden laskemiseksi.
Kuva 4. Varhainen spektrometri ihmisen kanssa katsottuna
Kuva 5 Fraun Whaffe -viiva (tumma viiva nauhassa)
Kuva 6 Auringon spektri, jossa kovera osa vastaa Fraun Wolfelin linjaa
1800-luvun puolivälissä saksalaiset fyysikot Kirchhoff ja Bunsen työskentelivät yhdessä Heidelbergin yliopistossa ja Bunsenin äskettäin suunnitellulla liekkityökalulla (Bunsen-poltin) ja suorittivat ensimmäisen spektrianalyysin havaitsemalla eri kemikaalien erityiset spektriviivat. (suolat) ripotella Bunsen-polttimen liekkiin kuva.7. He toteuttivat alkuaineiden kvalitatiivisen tutkimuksen spektrejä tarkkailemalla ja julkaisivat vuonna 1860 kahdeksan alkuaineen spektrien löydön ja määrittelivät näiden alkuaineiden olemassaolon useissa luonnonyhdisteissä.Heidän havainnot johtivat tärkeän spektroskopian analyyttisen kemian haaran luomiseen: spektroskooppiseen analyysiin
Kuva 7 Liekin reaktio
1900-luvun 20-luvulla intialainen fyysikko CV Raman käytti spektrometriä löytääkseen valon ja molekyylien joustamattoman sirontavaikutuksen orgaanisissa liuoksissa.Hän havaitsi, että tuleva valo siroaa korkeammalla ja pienemmällä energialla vuorovaikutuksessa valon kanssa, jota myöhemmin kutsutaan Raman-sironnaksi kuva 8. Valon energian muutos luonnehtii molekyylien mikrorakennetta, joten Raman-sirontaspektroskopiaa käytetään laajalti materiaaleissa, lääketieteessä, kemiassa. ja muut teollisuudenalat tunnistamaan ja analysoimaan aineiden molekyylityyppiä ja rakennetta.
Kuva 8 Energia siirtyy sen jälkeen, kun valo on vuorovaikutuksessa molekyylien kanssa
1900-luvun 30-luvulla amerikkalainen tiedemies tohtori Beckman ehdotti ensimmäisen kerran ultraviolettispektrien absorption mittaamista kullakin aallonpituudella erikseen, jotta voidaan kartoittaa täydellinen absorptiospektri, mikä paljastaa liuoksessa olevien kemikaalien tyypin ja pitoisuuden.Tämä läpäisyn absorptiovalon reitti koostuu valonlähteestä, spektrometristä ja näytteestä.Suurin osa nykyisestä liuoskoostumuksesta ja pitoisuuden havaitsemisesta perustuu tähän transmissioabsorptiospektriin.Tässä valonlähde jaetaan näytteelle ja skannataan prisma tai hila eri aallonpituuksien saamiseksi.
Kuva 9 Absorbanssin havaitsemisperiaate –
1900-luvun 40-luvulla keksittiin ensimmäinen suorailmaisuspektrometri, ja ensimmäistä kertaa valomonistinputket PMT:t ja elektroniset laitteet korvasivat perinteisen ihmissilmän havainnoinnin tai valokuvafilmin, joka pystyi suoraan lukemaan spektrin intensiteetin aallonpituutta vastaan. 10. Näin ollen spektrometriä tieteellisenä instrumenttina on parannettu huomattavasti käytön helppouden, kvantitatiivisen mittauksen ja herkkyyden suhteen ajan kuluessa.
Kuva 10 Valonmonistinputki
1900-luvun puolivälissä ja loppupuolella spektrometritekniikan kehitys oli erottamaton optoelektronisten puolijohdemateriaalien ja -laitteiden kehityksestä.Vuonna 1969 Willard Boyle ja George Smith Bell Labsista keksivät CCD:n (Charge-Coupled Device), jota Michael F. Tompsett paransi ja kehitti kuvantamissovelluksiksi 1970-luvulla.Willard Boyle (vas.), George Smith voitti, joka voitti Nobelin keksinnöstään CCD:stä (2009), joka näkyy kuvassa 11. Vuonna 1980 Japanin NEC:n Nobukazu Teranishi keksi kiinteän valodiodin, joka paransi huomattavasti kuvan kohinasuhdetta ja resoluutio.Myöhemmin, vuonna 1995, NASAn Eric Fossum keksi CMOS-kuvakennon (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), joka kuluttaa 100 kertaa vähemmän virtaa kuin vastaavat CCD-kuvaanturit ja jonka tuotantokustannukset ovat paljon alhaisemmat.
Kuva 11 Willard Boyle (vas.), George Smith ja heidän CCD:nsä (1974)
1900-luvun lopulla puolijohteiden optoelektronisten sirujen käsittely- ja valmistusteknologian jatkuva parantaminen, erityisesti käyttämällä matriisin CCD- ja CMOS-spektrometreissä Kuva 12, mahdollistaa täyden spektrien saamisen yhdellä valotuksella.Spektrometrit ovat ajan mittaan löytäneet laajaa käyttöä monissa sovelluksissa, mukaan lukien, mutta niihin rajoittumatta, värin ilmaisu/mittaus, laseraallonpituusanalyysi ja fluoresenssispektroskopia, LED-lajittelu, kuvantamis- ja valaistuslaitteet, fluoresenssispektroskopia, Raman-spektroskopia ja paljon muuta. .
Kuva 12 Erilaisia CCD-siruja
2000-luvulla erityyppisten spektrometrien suunnittelu- ja valmistustekniikka on vähitellen kypsynyt ja vakiintunut.Spektrometrien kysynnän kasvaessa kaikilla elämänaloilla spektrometrien kehitys on nopeutunut ja toimialakohtaisempi.Perinteisten optisten parametri-indikaattoreiden lisäksi eri toimialoilla on räätälöityjä volyymin kokoa, ohjelmistotoimintoja, tietoliikennerajapintoja, vastenopeutta, vakautta ja jopa spektrometrien kustannuksia koskevia vaatimuksia, mikä tekee spektrometrien kehittämisestä monipuolistuneen.
Postitusaika: 28.11.2023