En spektrometer är ett vetenskapligt instrument som används för att analysera spektrumet av elektromagnetisk strålning, den kan visa ett spektrum av strålningar som en spektrograf som representerar fördelningen av ljusintensiteten med avseende på våglängden (y-axeln är intensiteten, x-axeln är våglängden /ljusets frekvens).Ljuset är olika separerat i dess beståndsdels våglängder inuti spektrometern av stråldelare, som vanligtvis är brytningsprismor eller diffraktionsgitter Fig. 1.
Fig. 1 Spektrum av glödlampa och solljus (vänster), stråldelningsprincip för gitter och prisma (höger)
Spektrometrar spelar en viktig roll för att mäta ett brett spektrum av optisk strålning, antingen genom att direkt undersöka emissionsspektrumet från en ljuskälla eller genom att analysera reflektion, absorption, transmission eller spridning av ljus efter dess interaktion med ett material.Efter ljus- och materiainteraktionen upplever spektrumet förändringen i ett visst spektralområde eller en specifik våglängd, och ämnets egenskaper kan analyseras kvalitativt eller kvantitativt beroende på förändringen i spektrumet, såsom den biologiska och kemiska analysen av sammansättningen och koncentrationen av blod och okända lösningar, och analysen av molekyl, atomstruktur och elementär sammansättning av material Fig. 2.
Fig. 2 Infrarödabsorptionsspektra för olika typer av oljor
Spektrometern, som ursprungligen uppfanns för studier av fysik, astronomi, kemi, är nu ett av de viktigaste instrumenten inom många områden som kemiteknik, materialanalys, astronomisk vetenskap, medicinsk diagnostik och biosensing.På 1600-talet kunde Isaac Newton dela upp ljuset i ett kontinuerligt färgat band genom att skicka en stråle av vitt ljus genom ett prisma och använde ordet "Spektrum" för första gången för att beskriva detta resultat. Fig. 3.
Fig. 3 Isaac Newton studerar solljusspektrat med ett prisma.
I början av 1800-talet gjorde den tyske vetenskapsmannen Joseph von Fraunhofer (Franchofer), i kombination med prismor, diffraktionsslitsar och teleskop, en spektrometer med hög precision och noggrannhet, som användes för att analysera spektrumet av solemissioner Fig 4. Han observerade för första gången att spektrumet av solens sjufärger inte är kontinuerligt, utan har ett antal mörka linjer (över 600 diskreta linjer) på sig, känt som den berömda "Frankenhofer-linjen".Han namngav de mest distinkta av dessa linjer A, B, C...H och han räknade cirka 574 linjer mellan B och H vilket motsvarar absorptionen av olika element i solspektrumet Fig. 5. Samtidigt var Fraunhofer också först att använda ett diffraktionsgitter för att erhålla linjespektra och för att beräkna våglängden för spektrallinjerna.
Fig. 4. En tidig spektrometer, sedd med människan
Fig. 5 Fraun Whaffe linje (mörk linje i bandet)
Fig. 6 Solspektrum, med den konkava delen som motsvarar Fraun Wolfel-linjen
I mitten av 1800-talet arbetade de tyska fysikerna Kirchhoff och Bunsen, tillsammans vid universitetet i Heidelberg, och med Bunsens nydesignade flamverktyg (Bunsen-brännaren) och utförde den första spektralanalysen genom att notera de specifika spektrallinjerna för olika kemikalier (salter) strös i Bunsenbrännarens låga fig.7. De insåg den kvalitativa undersökningen av element genom att observera spektra, och publicerade 1860 upptäckten av spektra av åtta element, och bestämde förekomsten av dessa element i flera naturliga sammansättningar.Deras resultat ledde till skapandet av en viktig gren av spektroskopisk analytisk kemi: spektroskopisk analys
Fig.7 Flamreaktion
På 20-talet av 1900-talet använde den indiska fysikern CV Raman en spektrometer för att upptäcka den oelastiska spridningseffekten av ljus och molekyler i organiska lösningar.Han observerade att det infallande ljuset spreds med högre och lägre energi efter att ha interagerat med ljus, vilket senare kallas Raman-spridning fig 8. Förändringen av ljusenergi kännetecknar mikrostrukturen hos molekyler, så Raman-spridningsspektroskopi används i stor utsträckning inom material, medicin, kemi. och andra industrier för att identifiera och analysera ämnens molekylära typ och struktur.
Fig. 8 Energin skiftar efter att ljus interagerar med molekylerna
På 30-talet av 1900-talet föreslog den amerikanske vetenskapsmannen Dr. Beckman först att mäta absorptionen av ultravioletta spektra vid varje våglängd separat för att kartlägga hela absorptionsspektrumet, och därigenom avslöja typen och koncentrationen av kemikalier i lösning.Denna transmissionsabsorptionsljusväg består av ljuskällan, spektrometern och provet.Det mesta av den nuvarande lösningens sammansättning och koncentrationsdetektion baseras på detta transmissionsabsorptionsspektrum.Här delas ljuskällan på provet och prismat eller gittret skannas för att erhålla olika våglängder Fig. 9.
Fig.9 Absorbansdetekteringsprincip –
På 40-talet av 1900-talet uppfanns den första direktdetekteringsspektrometern, och för första gången ersatte fotomultiplikatorrör PMT:er och elektroniska enheter den traditionella mänskliga ögonobservationen eller fotografiska filmen, som direkt kunde läsa ut den spektrala intensiteten mot våglängden Fig. 10. Således har spektrometern som ett vetenskapligt instrument förbättrats avsevärt vad gäller användarvänlighet, kvantitativ mätning och känslighet under tidsperioden.
Fig. 10 Fotomultiplikatorrör
I mitten till slutet av 1900-talet var utvecklingen av spektrometerteknologi oskiljaktig från utvecklingen av optoelektroniska halvledarmaterial och -enheter.1969 uppfann Willard Boyle och George Smith från Bell Labs CCD (Charge-Coupled Device), som sedan förbättrades och utvecklades till bildbehandlingstillämpningar av Michael F. Tompsett på 1970-talet.Willard Boyle (till vänster), George Smith vann som vann Nobelpriset för sin uppfinning av CCD (2009) som visas i fig. 11. 1980 uppfann Nobukazu Teranishi från NEC i Japan en fast fotodiod, vilket avsevärt förbättrade bildbrusförhållandet och upplösning.Senare, 1995, uppfann NASA:s Eric Fossum bildsensorn CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), som förbrukar 100 gånger mindre ström än liknande CCD-bildsensorer och har en mycket lägre produktionskostnad.
Fig. 11 Willard Boyle (vänster), George Smith och deras CCD (1974)
I slutet av 1900-talet, den pågående förbättringen av halvledaroptoelektroniska chipbearbetnings- och tillverkningsteknologi, speciellt med tillämpningen av array CCD och CMOS i spektrometrar Fig. 12, blir det möjligt att erhålla ett helt spektrum av spektra under en enda exponering.Med tiden har spektrometrar funnit omfattande användning i ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive men inte begränsat till färgdetektering/mätning, laservåglängdsanalys och fluorescensspektroskopi, LED-sortering, bild- och ljusavkänningsutrustning, fluorescensspektroskopi, Raman-spektroskopi och mer .
Fig. 12 Olika CCD-chips
Under 2000-talet har design- och tillverkningstekniken för olika typer av spektrometrar gradvis mognat och stabiliserats.Med den växande efterfrågan på spektrometrar inom alla samhällsskikt har utvecklingen av spektrometrar blivit snabbare och branschspecifik.Utöver de konventionella optiska parameterindikatorerna har olika branscher anpassat krav på volymstorlek, mjukvarufunktioner, kommunikationsgränssnitt, svarshastighet, stabilitet och till och med kostnader för spektrometrar, vilket gör att spektrometerutvecklingen blir mer diversifierad.
Posttid: 2023-nov-28