A spektrométer egy tudományos műszer, az elektromágneses sugárzások spektrumának elemzésére szolgál, spektrográfként képes megjeleníteni a sugárzások spektrumát, amely a fényintenzitás hullámhossz szerinti eloszlását mutatja (y tengely az intenzitás, x tengely a hullámhossz /a fény frekvenciája).A fényt a spektrométeren belül sugárosztókkal külön-külön szétválasztják alkotóelemeinek hullámhosszaira, amelyek általában fénytörő prizmák vagy diffrakciós rácsok. 1. ábra.
1. ábra A villanykörte és a napfény spektruma (balra), a rács és a prizma sugárfelosztási elve (jobbra)
A spektrométerek fontos szerepet játszanak az optikai sugárzás széles tartományának mérésében, akár közvetlenül vizsgálják a fényforrás emissziós spektrumát, akár a fény visszaverődését, elnyelését, áteresztését vagy szóródását elemzik az anyaggal való kölcsönhatást követően.A fény és az anyag kölcsönhatása után a spektrum egy bizonyos spektrális tartományban vagy egy meghatározott hullámhosszon változást tapasztal, és a spektrum változásának megfelelően minőségileg vagy mennyiségileg elemezhetők az anyag tulajdonságai, mint például az anyag biológiai és kémiai elemzése. a vér és az ismeretlen oldatok összetétele és koncentrációja, valamint az anyagok molekulájának, atomszerkezetének és elemi összetételének elemzése 2. ábra.
2. ábra Különböző típusú olajok infravörös abszorpciós spektruma
Az eredetileg fizika, csillagászat és kémia tanulmányozására kitalált spektrométer ma az egyik legfontosabb műszer számos területen, mint például a vegyészmérnöki tudományban, az anyagelemzésben, a csillagászatban, az orvosi diagnosztikában és a bioérzékelésben.A 17. században Isaac Newton képes volt a fényt folytonos színes sávokra osztani úgy, hogy fehér fénysugarat engedett át egy prizmán, és először használta a „Spectrum” szót ennek leírására. 3. ábra.
3. ábra Isaac Newton prizmával vizsgálja a napfény spektrumát.
A 19. század elején Joseph von Fraunhofer (Franchofer) német tudós prizmákkal, diffrakciós résekkel és teleszkópokkal kombinálva nagy pontosságú és pontos spektrométert készített, amellyel a napsugárzás spektrumát elemezték 4. ábra. Először figyelték meg, hogy a nap hét színének spektruma nem folytonos, hanem számos sötét vonal van rajta (több mint 600 különálló vonal), amelyet a híres "Frankenhofer-vonalnak" neveznek.A legkülönbözőbb vonalakat nevezte el A, B, C…H vonalak közül, és mintegy 574 vonalat számolt meg B és H között, ami megfelel a napspektrum különböző elemeinek abszorpciójának. 5. ábra. Ugyanakkor Fraunhofer volt a először diffrakciós rácsot kell használni a vonalspektrumok meghatározásához és a spektrumvonalak hullámhosszának kiszámításához.
4. ábra Egy korai spektrométer, emberrel együtt nézve
5. ábra Fraun Whaffe vonal (sötét vonal a szalagban)
6. ábra Napspektrum, a homorú rész a Fraun Wolfel vonalnak felel meg
A 19. század közepén Kirchhoff és Bunsen német fizikusok együtt dolgoztak a Heidelbergi Egyetemen és Bunsen újonnan tervezett lángszerszámával (a Bunsen-égővel) és elvégezték az első spektrális elemzést a különböző vegyi anyagok specifikus spektrumvonalainak felvételével. (sók) Bunsen égő lángjába szórva ábra.7. Megvalósították az elemek minőségi vizsgálatát a spektrumok megfigyelésével, majd 1860-ban publikálták nyolc elem spektrumának felfedezését, és meghatározták ezen elemek létezését több természetes vegyületben.Eredményeik a spektroszkópiai analitikai kémia egy fontos ágának megalkotásához vezettek: a spektroszkópiai elemzéshez.
7. ábra Lángreakció
A 20. század 20-as éveiben CV Raman indiai fizikus egy spektrométer segítségével fedezte fel a fény és a molekulák rugalmatlan szóródását szerves oldatokban.Megfigyelte, hogy a beeső fény a fénnyel való kölcsönhatás után egyre kisebb energiával szóródik, amit később Raman-szórásnak neveznek 8. ábra. A fényenergia változása jellemzi a molekulák mikroszerkezetét, ezért a Raman-szórási spektroszkópiát széles körben alkalmazzák az anyagokban, az orvostudományban, a vegyiparban. és más iparágakban az anyagok molekuláris típusának és szerkezetének azonosítására és elemzésére.
8. ábra Az energia eltolódik, miután a fény kölcsönhatásba lép a molekulákkal
A 20. század 30-as éveiben Dr. Beckman amerikai tudós javasolta először az ultraibolya spektrumok abszorpciójának mérését minden hullámhosszon külön-külön, hogy feltérképezzék a teljes abszorpciós spektrumot, és ezáltal feltárják az oldatban lévő vegyi anyagok típusát és koncentrációját.Ez az átviteli abszorpciós fényút a fényforrásból, a spektrométerből és a mintából áll.A jelenlegi oldatösszetétel és koncentráció-detektálás nagy része ezen a transzmissziós abszorpciós spektrumon alapul.Itt a fényforrást felosztják a mintára, és a prizmát vagy a rácsot letapogatják, hogy különböző hullámhosszakat kapjanak. 9. ábra.
9. ábra Abszorbancia-észlelési elv –
A 20. század 40-es éveiben feltalálták az első direkt detektálású spektrométert, és első ízben váltották fel a fénysokszorozó csövek PMT-k és elektronikus eszközök a hagyományos emberi szem megfigyelést vagy fényképészeti filmet, amely közvetlenül le tudta olvasni a spektrális intenzitást a hullámhossz függvényében. 10. Így a spektrométer, mint tudományos műszer jelentősen javult a könnyű használat, a mennyiségi mérés és az érzékenység tekintetében az idők során.
10. ábra Fénysokszorozó cső
A 20. század közepén-végén a spektrométer technológia fejlődése elválaszthatatlan volt az optoelektronikai félvezető anyagok és eszközök fejlődésétől.1969-ben Willard Boyle és George Smith, a Bell Labs munkatársa feltalálta a CCD-t (Charge-Coupled Device), amelyet az 1970-es években Michael F. Tompsett továbbfejlesztett és képalkotó alkalmazásokká fejlesztett.Willard Boyle (balra), George Smith nyerte, aki Nobel-díjat kapott a CCD feltalálásáért (2009), amely a 11. ábrán látható. 1980-ban Nobukazu Teranishi, a NEC japán munkatársa feltalált egy rögzített fotodiódát, amely nagymértékben javította a képzaj arányt és felbontás.Később, 1995-ben a NASA Eric Fossum feltalálta a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) képérzékelőt, amely 100-szor kevesebb energiát fogyaszt, mint a hasonló CCD képérzékelők, és jóval alacsonyabb a gyártási költsége.
11. ábra Willard Boyle (balra), George Smith és CCD-jük (1974)
A 20. század végén a félvezető optoelektronikai chipek feldolgozási és gyártási technológiájának folyamatos fejlesztése, különösen a tömb CCD és CMOS spektrométerekben történő alkalmazásával 12. ábra lehetővé teszi, hogy egyetlen expozíció alatt teljes spektrumtartományt kapjunk.Az idők során a spektrométerek széles körben használatosak az alkalmazások széles körében, beleértve, de nem kizárólagosan a színérzékelést/mérést, a lézerhullámhossz-elemzést és a fluoreszcencia spektroszkópiát, a LED-válogatást, a képalkotó és világításérzékelő berendezéseket, a fluoreszcencia spektroszkópiát, a Raman-spektroszkópiát és még sok mást. .
12. ábra Különféle CCD chipek
A 21. században a különböző típusú spektrométerek tervezési és gyártási technológiája fokozatosan kiforrott és stabilizálódott.A spektrométerek iránti kereslet növekedésével az élet minden területén, a spektrométerek fejlesztése gyorsabbá és iparág-specifikusabbá vált.A hagyományos optikai paraméterindikátorok mellett a különböző iparágakban egyedi igények vannak a térfogat méretére, a szoftverfunkciókra, a kommunikációs interfészekre, a válaszsebességre, a stabilitásra, sőt a spektrométerek költségeire is, így a spektrométerek fejlesztése egyre változatosabbá válik.
Feladás időpontja: 2023.11.28