Spektrometer je vedecký prístroj, ktorý sa používa na analýzu spektra elektromagnetického žiarenia, dokáže zobraziť spektrum žiarenia ako spektrograf predstavujúci rozloženie intenzity svetla vzhľadom na vlnovú dĺžku (os y je intenzita, os x je vlnová dĺžka /frekvencia svetla).Svetlo je vo vnútri spektrometra rôzne rozdelené na vlnové dĺžky svojej zložky pomocou rozdeľovačov lúčov, ktorými sú zvyčajne refrakčné hranoly alebo difrakčné mriežky Obr.
Obr. 1 Spektrum žiarovky a slnečného svetla (vľavo), princíp rozdelenia lúča mriežky a hranola (vpravo) Obr.
Spektrometre hrajú dôležitú úlohu pri meraní širokého rozsahu optického žiarenia, či už priamym skúmaním emisného spektra svetelného zdroja alebo analýzou odrazu, absorpcie, prenosu alebo rozptylu svetla po jeho interakcii s materiálom.Po interakcii svetla a hmoty sa spektrum zmení v určitom spektrálnom rozsahu alebo špecifickej vlnovej dĺžke a vlastnosti látky môžu byť kvalitatívne alebo kvantitatívne analyzované podľa zmeny spektra, ako je biologická a chemická analýza zloženie a koncentrácia krvi a neznámych roztokov a analýza molekuly, atómovej štruktúry a elementárneho zloženia materiálov Obr.
Obr. 2 Infračervené absorpčné spektrá rôznych druhov olejov
Spektrometer, ktorý bol pôvodne vynájdený na štúdium fyziky, astronómie, chémie, je teraz jedným z najdôležitejších nástrojov v mnohých oblastiach, ako je chemické inžinierstvo, analýza materiálov, astronomická veda, lekárska diagnostika a biosnímanie.V 17. storočí Isaac Newton dokázal rozdeliť svetlo na súvislý farebný pás prechodom lúča bieleho svetla cez hranol a prvýkrát použil slovo „Spektrum“ na opis týchto výsledkov Obr.
Obr. 3 Isaac Newton študuje spektrum slnečného svetla pomocou hranola.
Na začiatku 19. storočia nemecký vedec Joseph von Fraunhofer (Franchofer) v kombinácii s hranolmi, difrakčnými štrbinami a ďalekohľadmi vyrobil spektrometer s vysokou presnosťou a presnosťou, ktorý sa používal na analýzu spektra slnečných emisií Obr. po prvýkrát pozorovali, že spektrum siedmich farieb slnka nie je spojité, ale má na sebe množstvo tmavých čiar (viac ako 600 samostatných čiar), známe ako slávnu „Frankenhoferovu čiaru“.Najvýraznejšiu z týchto čiar pomenoval A, B, C…H a medzi B a H napočítal asi 574 čiar, čo zodpovedá absorpcii rôznych prvkov v slnečnom spektre Obr. 5. najprv použiť difrakčnú mriežku na získanie čiarových spektier a na výpočet vlnovej dĺžky spektrálnych čiar.
Obr. 4. Včasný spektrometer pri pohľade na človeka
Obr. 5 Čiara Fraun Whaffe (tmavá čiara na páse)
Obr. 6 Slnečné spektrum s konkávnou časťou zodpovedajúcou línii Fraun Wolfel
V polovici 19. storočia nemeckí fyzici Kirchhoff a Bunsen spolupracovali na univerzite v Heidelbergu a s Bunsenovým novo navrhnutým plameňovým nástrojom (Bunsenov horák) a vykonali prvú spektrálnu analýzu zaznamenaním špecifických spektrálnych čiar rôznych chemikálií. (soli) nasypané do plameňa Bunsenovho horáka obr.7. Realizovali kvalitatívne skúmanie prvkov pozorovaním spektier av roku 1860 publikovali objav spektier ôsmich prvkov a určili existenciu týchto prvkov vo viacerých prírodných zlúčeninách.Ich zistenia viedli k vytvoreniu dôležitého odvetvia spektroskopickej analytickej chémie: spektroskopickej analýzy
Obr.7 Reakcia plameňa
V 20. rokoch 20. storočia indický fyzik CV Raman použil spektrometer na objavenie nepružného rozptylového efektu svetla a molekúl v organických roztokoch.Pozoroval, že dopadajúce svetlo sa po interakcii so svetlom rozptyľuje s vyššou a nižšou energiou, čo sa neskôr nazýva Ramanov rozptyl obr. 8. Zmena svetelnej energie charakterizuje mikroštruktúru molekúl, preto sa Ramanova rozptylová spektroskopia široko používa v materiáloch, medicíne, chemickom priemysle. a iné priemyselné odvetvia na identifikáciu a analýzu molekulárneho typu a štruktúry látok.
Obr. 8 Energia sa posúva po interakcii svetla s molekulami
V 30. rokoch 20. storočia americký vedec Dr. Beckman prvýkrát navrhol merať absorpciu ultrafialových spektier pri každej vlnovej dĺžke oddelene, aby zmapoval kompletné absorpčné spektrum, a tým odhalil typ a koncentráciu chemikálií v roztoku.Táto transmisná absorpčná svetelná trasa pozostáva zo svetelného zdroja, spektrometra a vzorky.Väčšina súčasného zloženia roztoku a detekcie koncentrácie je založená na tomto transmisnom absorpčnom spektre.Tu sa zdroj svetla rozdelí na vzorku a hranol alebo mriežka sa naskenuje, aby sa získali rôzne vlnové dĺžky Obr.
Obr.9 Princíp detekcie absorbancie –
V 40-tych rokoch 20. storočia bol vynájdený prvý spektrometer s priamou detekciou a prvýkrát fotonásobiče PMT a elektronické zariadenia nahradili tradičné pozorovanie ľudského oka alebo fotografický film, ktorý dokázal priamo odčítať spektrálnu intenzitu voči vlnovej dĺžke Obr. 10. Spektrometer ako vedecký nástroj sa teda v priebehu času výrazne zlepšil z hľadiska jednoduchosti použitia, kvantitatívneho merania a citlivosti.
Obr. 10 Fotonásobič
V polovici až koncom 20. storočia bol vývoj technológie spektrometrov neoddeliteľný od vývoja optoelektronických polovodičových materiálov a zariadení.V roku 1969 Willard Boyle a George Smith z Bell Labs vynašli CCD (Charge-Coupled Device), ktoré potom v 70. rokoch Michael F. Tompsett vylepšil a vyvinul do zobrazovacích aplikácií.Willard Boyle (vľavo), vyhral George Smith, ktorý získal Nobelovu cenu za vynález CCD (2009), ako je znázornené na obr. rozhodnutie.Neskôr, v roku 1995, Eric Fossum z NASA vynašiel obrazový snímač CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), ktorý spotrebuje 100-krát menej energie ako podobné obrazové snímače CCD a má oveľa nižšie výrobné náklady.
Obr. 11 Willard Boyle (vľavo), George Smith a ich CCD (1974) Obr.
Koncom 20. storočia, neustálym zdokonaľovaním technológie spracovania a výroby polovodičových optoelektronických čipov, najmä s použitím poľa CCD a CMOS v spektrometroch Obr. 12, je možné získať celý rozsah spektier pri jedinej expozícii.Postupom času našli spektrometre široké využitie v širokej škále aplikácií, vrátane, ale nie výlučne, detekcie/merania farieb, laserovej analýzy vlnových dĺžok a fluorescenčnej spektroskopie, triedenia LED, zobrazovacích a svetelných snímacích zariadení, fluorescenčnej spektroskopie, Ramanovej spektroskopie a ďalších. .
Obr. 12 Rôzne CCD čipy
V 21. storočí dizajn a technológia výroby rôznych typov spektrometrov postupne dozrela a ustálila sa.S rastúcim dopytom po spektrometroch vo všetkých oblastiach života sa vývoj spektrometrov stal rýchlejším a špecifickým pre daný priemysel.Okrem konvenčných indikátorov optických parametrov majú rôzne priemyselné odvetvia prispôsobené požiadavky na veľkosť objemu, softvérové funkcie, komunikačné rozhrania, rýchlosť odozvy, stabilitu a dokonca aj náklady na spektrometre, čím sa vývoj spektrometrov stáva diverzifikovanejším.
Čas odoslania: 28. novembra 2023