Et spektrometer er et vitenskapelig instrument som brukes til å analysere spekteret av elektromagnetiske strålinger, det kan vise et spekter av stråling som en spektrograf som representerer fordelingen av lysintensitet med hensyn til bølgelengde (y-aksen er intensiteten, x-aksen er bølgelengden /lysets frekvens).Lyset er forskjellig atskilt i dets bestanddelers bølgelengder inne i spektrometeret ved hjelp av stråledelere, som vanligvis er refraktive prismer eller diffraksjonsgitter Fig. 1.
Fig. 1 Spektrum av lyspære og sollys (venstre), stråledelingsprinsipp for gitter og prisme (høyre)
Spektrometre spiller en viktig rolle i å måle et bredt spekter av optisk stråling, enten ved direkte å undersøke emisjonsspekteret til en lyskilde eller ved å analysere refleksjon, absorpsjon, transmisjon eller spredning av lys etter dets interaksjon med et materiale.Etter lys- og materieinteraksjonen opplever spekteret endringen i et bestemt spektralområde eller en spesifikk bølgelengde, og egenskapene til stoffet kan analyseres kvalitativt eller kvantitativt i henhold til endringen i spekteret, for eksempel biologisk og kjemisk analyse av sammensetningen og konsentrasjonen av blod og ukjente løsninger, og analysen av molekyl, atomstruktur og grunnstoffsammensetning av materialer Fig. 2.
Fig. 2 Infrarøde absorpsjonsspektra for ulike typer oljer
Spektrometeret ble opprinnelig oppfunnet for studiet av fysikk, astronomi, kjemi, og er nå et av de viktigste instrumentene på mange felt som kjemiteknikk, materialanalyse, astronomisk vitenskap, medisinsk diagnostikk og bio-sensing.På 1600-tallet var Isaac Newton i stand til å dele opp lyset i kontinuerlige fargede bånd ved å sende en stråle av hvitt lys gjennom et prisme og brukte ordet "Spektrum" for første gang for å beskrive dette resultatet. Fig. 3.
Fig. 3 Isaac Newton studerer sollysspekteret med et prisme.
På begynnelsen av 1800-tallet laget den tyske vitenskapsmannen Joseph von Fraunhofer (Franchofer), kombinert med prismer, diffraksjonsspalter og teleskoper, et spektrometer med høy presisjon og nøyaktighet, som ble brukt til å analysere spekteret av solutslipp Fig 4. Han observerte for første gang at spekteret til solens syvfarge ikke er kontinuerlig, men har en rekke mørke linjer (over 600 diskrete linjer) på seg, kjent som den berømte "Frankenhofer-linjen".Han kalte de mest distinkte av disse linjene A, B, C...H og han telte rundt 574 linjer mellom B og H som tilsvarer absorpsjonen av forskjellige elementer på solspekteret Fig. 5. Samtidig var Fraunhofer også først å bruke et diffraksjonsgitter for å få linjespektre og beregne bølgelengden til spektrallinjene.
Fig. 4. Et tidlig spektrometer, sett med mennesket
Fig. 5 Fraun Whaffe linje (mørk linje i bånd)
Fig. 6 Solspektrum, med den konkave delen som tilsvarer Fraun Wolfel-linjen
På midten av 1800-tallet jobbet de tyske fysikerne Kirchhoff og Bunsen, sammen ved Universitetet i Heidelberg, og med Bunsens nydesignede flammeverktøy (Bunsen-brenneren) og utførte den første spektralanalysen ved å notere de spesifikke spektrallinjene til forskjellige kjemikalier (salter) drysset i Bunsenbrenner flamme fig.7. De innså den kvalitative undersøkelsen av elementer ved å observere spektrene, og publiserte i 1860 oppdagelsen av spektra av åtte elementer, og bestemte eksistensen av disse elementene i flere naturlige sammensetninger.Funnene deres førte til opprettelsen av en viktig gren av spektroskopi analytisk kjemi: spektroskopisk analyse
Fig.7 Flammereaksjon
På 20-tallet av 1900-tallet brukte den indiske fysikeren CV Raman et spektrometer for å oppdage den uelastiske spredningseffekten av lys og molekyler i organiske løsninger.Han observerte at det innfallende lyset spredte seg med høyere og lavere energi etter å ha interagert med lys, som senere kalles Raman-spredning fig 8. Endringen av lysenergi karakteriserer mikrostrukturen til molekyler, så Raman-spredningsspektroskopi er mye brukt i materialer, medisin, kjemisk og andre industrier for å identifisere og analysere den molekylære typen og strukturen til stoffer.
Fig. 8 Energien skifter etter at lys vekselvirker med molekylene
På 30-tallet av det 20. århundre foreslo den amerikanske forskeren Dr. Beckman først å måle absorpsjonen av ultrafiolette spektre ved hver bølgelengde separat for å kartlegge hele absorpsjonsspekteret, og dermed avsløre typen og konsentrasjonen av kjemikalier i løsning.Denne transmisjonsabsorpsjonslysveien består av lyskilden, spektrometeret og prøven.Det meste av dagens løsningssammensetning og konsentrasjonsdeteksjon er basert på dette transmisjonsabsorpsjonsspekteret.Her deles lyskilden på prøven og prismet eller gitteret skannes for å oppnå forskjellige bølgelengder Fig. 9.
Fig.9 Absorbansdeteksjonsprinsipp –
På 40-tallet av 1900-tallet ble det første direktedeteksjonsspektrometeret oppfunnet, og for første gang erstattet fotomultiplikatorrør PMT-er og elektroniske enheter den tradisjonelle menneskelige øyeobservasjonen eller fotografiske filmen, som direkte kunne lese ut spektralintensiteten mot bølgelengden Fig. 10. Dermed har spektrometeret som et vitenskapelig instrument blitt betydelig forbedret når det gjelder brukervennlighet, kvantitativ måling og følsomhet over tid.
Fig. 10 Fotomultiplikatorrør
På midten til slutten av 1900-tallet var utviklingen av spektrometerteknologi uatskillelig fra utviklingen av optoelektroniske halvledermaterialer og -enheter.I 1969 oppfant Willard Boyle og George Smith fra Bell Labs CCD (Charge-Coupled Device), som deretter ble forbedret og utviklet til bildebehandlingsapplikasjoner av Michael F. Tompsett på 1970-tallet.Willard Boyle (til venstre), George Smith vant som vant Nobelprisen for sin oppfinnelse av CCD (2009) vist Fig. 11. I 1980 oppfant Nobukazu Teranishi fra NEC i Japan en fast fotodiode, som i stor grad forbedret bildestøyforholdet og Vedtak.Senere, i 1995, oppfant NASAs Eric Fossum bildesensoren CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), som bruker 100 ganger mindre strøm enn tilsvarende CCD-bildesensorer og har en mye lavere produksjonskostnad.
Fig. 11 Willard Boyle (til venstre), George Smith og deres CCD (1974)
På slutten av 1900-tallet, den pågående forbedringen av halvlederoptoelektronisk brikkebehandling og produksjonsteknologi, spesielt med bruk av array CCD og CMOS i spektrometre Fig. 12, blir det mulig å oppnå et fullt spekter av spektre under en enkelt eksponering.Over tid har spektrometre funnet utstrakt bruk i et bredt spekter av bruksområder, inkludert men ikke begrenset til fargedeteksjon/måling, laserbølgelengdeanalyse og fluorescensspektroskopi, LED-sortering, bildebehandlings- og lyssensorutstyr, fluorescensspektroskopi, Raman-spektroskopi og mer .
Fig. 12 Ulike CCD-brikker
I det 21. århundre har design- og produksjonsteknologien til ulike typer spektrometre gradvis modnet og stabilisert seg.Med den økende etterspørselen etter spektrometre i alle samfunnslag, har utviklingen av spektrometre blitt raskere og bransjespesifikk.I tillegg til de konvensjonelle optiske parameterindikatorene, har forskjellige bransjer tilpasset krav til volumstørrelse, programvarefunksjoner, kommunikasjonsgrensesnitt, responshastighet, stabilitet og til og med kostnadene for spektrometre, noe som gjør spektrometerutviklingen mer diversifisert.
Innleggstid: 28. november 2023