Spektrometr to instrument naukowy służący do analizy widma promieniowania elektromagnetycznego. Może wyświetlać widmo promieniowania w postaci spektrografu przedstawiającego rozkład natężenia światła w zależności od długości fali (oś y to natężenie, oś x to długość fali /częstotliwość światła).Światło jest różnie rozdzielane na długości fal składowych wewnątrz spektrometru za pomocą rozdzielaczy wiązki, którymi są zwykle pryzmaty refrakcyjne lub siatki dyfrakcyjne. Rys. 1.
Rys. 1 Widmo żarówki i światła słonecznego (po lewej), zasada rozszczepiania wiązki przez siatkę i pryzmat (po prawej)
Spektrometry odgrywają ważną rolę w pomiarach szerokiego zakresu promieniowania optycznego, czy to poprzez bezpośrednie badanie widma emisyjnego źródła światła, czy poprzez analizę odbicia, absorpcji, transmisji lub rozpraszania światła po jego interakcji z materiałem.Po interakcji światła i materii widmo ulega zmianie w pewnym zakresie widmowym lub określonej długości fali, a właściwości substancji można analizować jakościowo lub ilościowo zgodnie ze zmianą widma, np. skład i stężenie krwi i nieznanych roztworów oraz analiza cząsteczki, struktury atomowej i składu pierwiastkowego materiałów Ryc. 2.
Rys. 2 Widma absorpcji w podczerwieni różnych rodzajów olejów
Spektrometr, pierwotnie wynaleziony do badań fizyki, astronomii i chemii, jest obecnie jednym z najważniejszych instrumentów w wielu dziedzinach, takich jak inżynieria chemiczna, analiza materiałów, astronomia, diagnostyka medyczna i biodetekcja.W XVII wieku Izaak Newton był w stanie rozszczepić światło na ciągłe kolorowe pasmo, przepuszczając wiązkę białego światła przez pryzmat i po raz pierwszy użył słowa „widmo” do opisania tego wyniku. Rys. 3.
Ryc. 3 Izaak Newton bada widmo światła słonecznego za pomocą pryzmatu.
Na początku XIX wieku niemiecki naukowiec Joseph von Fraunhofer (Franchofer) w połączeniu z pryzmatami, szczelinami dyfrakcyjnymi i teleskopami wykonał z dużą precyzją i dokładnością spektrometr, który służył do analizy widma emisji Słońca Ryc. 4. po raz pierwszy zaobserwował, że widmo siedmiobarwnego słońca nie jest ciągłe, ale zawiera szereg ciemnych linii (ponad 600 odrębnych linii), znanych jako słynna „linia Frankenhofera”.Najbardziej wyraźną z tych linii nazwał A, B, C…H i naliczył około 574 linii pomiędzy B i H, co odpowiada absorpcji różnych pierwiastków w widmie słonecznym. Rys. 5. W tym samym czasie Fraunhofer był także głównym najpierw użył siatki dyfrakcyjnej do uzyskania widm liniowych i obliczenia długości fali linii widmowych.
Ryc. 4. Wczesny spektrometr widziany z perspektywy człowieka
Ryc. 5 Linia Fraun Whaffe (ciemna linia na wstążce)
Ryc. 6 Widmo Słońca z częścią wklęsłą odpowiadającą linii Frauna Wolfela
W połowie XIX wieku niemieccy fizycy Kirchhoff i Bunsen współpracowali na Uniwersytecie w Heidelbergu przy użyciu nowo zaprojektowanego narzędzia płomieniowego Bunsena (palnika Bunsena) i przeprowadzili pierwszą analizę widmową, odnotowując specyficzne linie widmowe różnych substancji chemicznych (sole) wsypane do płomienia palnika Bunsena rys.7. Przeprowadzili jakościowe badanie pierwiastków poprzez obserwację widm, a w 1860 r. opublikowali odkrycie widm ośmiu pierwiastków i ustalili istnienie tych pierwiastków w kilku naturalnych związkach.Ich odkrycia doprowadziły do powstania ważnej gałęzi chemii analitycznej spektroskopii: analizy spektroskopowej
Ryc.7 Reakcja płomienia
W latach dwudziestych XX wieku indyjski fizyk CV Raman za pomocą spektrometru odkrył nieelastyczny efekt rozpraszania światła i cząsteczek w roztworach organicznych.Zaobserwował, że padające światło rozprasza się z coraz większą energią po interakcji ze światłem, co później nazwano rozpraszaniem Ramana rys. 8. Zmiana energii światła charakteryzuje mikrostrukturę cząsteczek, dlatego spektroskopia rozpraszania Ramana jest szeroko stosowana w materiałach, medycynie, chemii i innych gałęziach przemysłu w celu identyfikacji i analizy typu molekularnego i struktury substancji.
Ryc. 8 Zmiana energii po interakcji światła z cząsteczkami
W latach 30. XX wieku amerykański naukowiec dr Beckman po raz pierwszy zaproponował pomiar absorpcji widm ultrafioletu przy każdej długości fali oddzielnie, aby wyznaczyć pełne widmo absorpcji, ujawniając w ten sposób rodzaj i stężenie substancji chemicznych w roztworze.Ta droga światła absorpcyjnego w transmisji składa się ze źródła światła, spektrometru i próbki.Większość obecnego składu roztworów i wykrywania stężenia opiera się na tym widmie absorpcji transmisyjnej.W tym przypadku źródło światła rozdziela się na próbkę, a pryzmat lub siatka jest skanowana w celu uzyskania różnych długości fal. Rys. 9.
Rys. 9 Zasada wykrywania absorbancji –
XX wieku wynaleziono pierwszy spektrometr z detekcją bezpośrednią i po raz pierwszy fotopowielacze PMT i urządzenia elektroniczne zastąpiły tradycyjną kliszę obserwacyjną oka ludzkiego lub kliszę fotograficzną, która mogła bezpośrednio odczytywać natężenie widma w funkcji długości fali Rys. 10. W ten sposób spektrometr jako instrument naukowy uległ znacznemu udoskonaleniu pod względem łatwości użycia, pomiarów ilościowych i czułości na przestrzeni czasu.
Rys. 10 Lampa fotopowielacza
Od połowy do końca XX wieku rozwój technologii spektrometrów był nierozerwalnie związany z rozwojem optoelektronicznych materiałów i urządzeń półprzewodnikowych.W 1969 roku Willard Boyle i George Smith z Bell Labs wynaleźli CCD (urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym), które w latach 70. XX wieku zostało udoskonalone i rozwinięte do zastosowań w obrazowaniu przez Michaela F. Tompsetta.Willard Boyle (po lewej), laureat George'a Smitha, zdobywca Nagrody Nobla za wynalezienie przetwornika CCD (2009) pokazanego na ryc. 11. W 1980 roku Nobukazu Teranishi z NEC w Japonii wynalazł stałą fotodiodę, która znacznie poprawiła współczynnik szumów obrazu i rezolucja.Później, w 1995 roku, Eric Fossum z NASA wynalazł czujnik obrazu CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), który zużywa 100 razy mniej energii niż podobne czujniki obrazu CCD i ma znacznie niższe koszty produkcji.
Ryc. 11 Willard Boyle (po lewej), George Smith i ich CCD (1974)
Pod koniec XX wieku, w wyniku ciągłego doskonalenia technologii przetwarzania i wytwarzania półprzewodnikowych chipów optoelektronicznych, zwłaszcza dzięki zastosowaniu matryc CCD i CMOS w spektrometrach Rys. 12, możliwe stało się uzyskanie pełnego zakresu widm w ramach pojedynczej ekspozycji.Z biegiem czasu spektrometry znalazły szerokie zastosowanie w szerokim zakresie zastosowań, w tym między innymi do wykrywania/pomiaru kolorów, analizy długości fali lasera i spektroskopii fluorescencyjnej, sortowania diod LED, sprzętu do obrazowania i wykrywania oświetlenia, spektroskopii fluorescencyjnej, spektroskopii Ramana i innych .
Ryc. 12 Różne chipy CCD
W XXI wieku konstrukcja i technologia wytwarzania różnego rodzaju spektrometrów stopniowo dojrzewała i ustabilizowała się.Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na spektrometry we wszystkich dziedzinach życia, rozwój spektrometrów stał się szybszy i dostosowany do branży.Oprócz konwencjonalnych wskaźników parametrów optycznych, różne gałęzie przemysłu dostosowały wymagania dotyczące wielkości objętości, funkcji oprogramowania, interfejsów komunikacyjnych, szybkości reakcji, stabilności, a nawet kosztów spektrometrów, dzięki czemu rozwój spektrometrów staje się bardziej zróżnicowany.
Czas publikacji: 28 listopada 2023 r