Un spectrometru este un instrument științific, folosit pentru a analiza spectrul radiațiilor electromagnetice, poate afișa un spectru de radiații ca un spectrograf reprezentând distribuția intensității luminii în raport cu lungimea de undă (axa y este intensitatea, axa x este lungimea de undă /frecvența luminii).Lumina este diferită separată în lungimile de undă ale constituenților ei în interiorul spectrometrului prin divizoare de fascicul, care sunt de obicei prisme de refracție sau rețele de difracție Fig. 1.
Fig. 1 Spectrul becului și al luminii solare (stânga), principiul divizării fasciculului al rețelei și prismei (dreapta)
Spectrometrele joacă un rol important în măsurarea unei game largi de radiații optice, fie prin examinarea directă a spectrului de emisie al unei surse de lumină, fie prin analizarea reflexiei, absorbției, transmisiei sau împrăștierii luminii în urma interacțiunii sale cu un material.După interacțiunea luminii cu materie, spectrul experimentează schimbarea într-un anumit interval spectral sau într-o anumită lungime de undă, iar proprietățile substanței pot fi analizate calitativ sau cantitativ în funcție de schimbarea spectrului, cum ar fi analiza biologică și chimică a compoziția și concentrația sângelui și a soluțiilor necunoscute și analiza moleculei, structurii atomice și compoziției elementare a materialelor Fig. 2.
Fig. 2 Spectrele de absorbție în infraroșu ale diferitelor tipuri de uleiuri
Inventat inițial pentru studiul fizicii, astronomiei, chimiei, spectrometrul este acum unul dintre cele mai importante instrumente în multe domenii, cum ar fi ingineria chimică, analiza materialelor, știința astronomică, diagnosticarea medicală și biodetecția.În secolul al XVII-lea, Isaac Newton a reușit să împartă lumina în bandă colorată continuă prin trecerea unui fascicul de lumină albă printr-o prismă și a folosit cuvântul „Spectrum” pentru prima dată pentru a descrie aceste rezultate Fig. 3.
Fig. 3 Isaac Newton studiază spectrul luminii solare cu o prismă.
La începutul secolului al XIX-lea, omul de știință german Joseph von Fraunhofer (Franchofer), combinat cu prisme, fante de difracție și telescoape, a realizat un spectrometru cu mare precizie și acuratețe, care a fost folosit pentru analiza spectrului de emisii solare Fig 4. El a observat pentru prima dată că spectrul de șapte culori al soarelui nu este continuu, ci are un număr de linii întunecate (peste 600 de linii discrete) pe el, cunoscut sub numele de celebra „linie Frankenhofer”.El a numit cea mai distinctă dintre aceste linii A, B, C…H și a numărat aproximativ 574 de linii între B și H, ceea ce corespunde absorbției diferitelor elemente din spectrul solar Fig. 5. În același timp, Fraunhofer a fost și mai întâi să folosești o rețea de difracție pentru a obține spectre de linii și pentru a calcula lungimea de undă a liniilor spectrale.
Fig. 4. Un spectrometru timpuriu, văzut cu un om
Fig. 5 Linia Fraun Whaffe (linie întunecată în panglică)
Fig. 6 Spectrul solar, cu porţiunea concavă corespunzătoare liniei Fraun Wolfel
La mijlocul secolului al XIX-lea, fizicienii germani Kirchhoff și Bunsen au lucrat împreună la Universitatea din Heidelberg și cu noul instrument de flacără al lui Bunsen (arzătorul Bunsen) și au efectuat prima analiză spectrală notând liniile spectrale specifice ale diferitelor substanțe chimice. (săruri) stropite în flacără arzător Bunsen fig.7. Ei au realizat examinarea calitativă a elementelor prin observarea spectrelor, iar în 1860 au publicat descoperirea spectrelor a opt elemente și au determinat existența acestor elemente în mai multe compuși naturali.Descoperirile lor au condus la crearea unei ramuri importante a chimiei analitice spectroscopice: analiza spectroscopică
Fig.7 Reacția la flacără
În anii 20 ai secolului XX, fizicianul indian CV Raman a folosit un spectrometru pentru a descoperi efectul de împrăștiere inelastic al luminii și al moleculelor din soluțiile organice.El a observat că lumina incidentă s-a împrăștiat cu energie din ce în ce mai mică după interacțiunea cu lumina, care mai târziu se numește împrăștiere Raman fig 8. Schimbarea energiei luminoase caracterizează microstructura moleculelor, astfel încât spectroscopia de împrăștiere Raman este utilizată pe scară largă în materiale, medicină, chimie. și alte industrii pentru a identifica și analiza tipul molecular și structura substanțelor.
Fig. 8 Energia se schimbă după ce lumina interacționează cu moleculele
În anii 30 ai secolului XX, omul de știință american Dr. Beckman a propus pentru prima dată să măsoare absorbția spectrelor ultraviolete la fiecare lungime de undă separat pentru a mapa spectrul complet de absorbție, dezvăluind astfel tipul și concentrația de substanțe chimice în soluție.Această cale de transmisie a luminii de absorbție constă din sursa de lumină, spectrometru și probă.Cea mai mare parte a compoziției actuale a soluției și detectarea concentrației se bazează pe acest spectru de absorbție de transmisie.Aici, sursa de lumină este împărțită pe probă și prisma sau rețeaua este scanată pentru a obține diferite lungimi de undă Fig. 9.
Fig.9 Principiul de detectare a absorbanței –
În anii 40 ai secolului al XX-lea, a fost inventat primul spectrometru cu detecție directă și, pentru prima dată, tuburile fotomultiplicatoare PMT-urile și dispozitivele electronice au înlocuit tradiționalul film de observare a ochiului uman sau filmul fotografic, care putea citi direct intensitatea spectrală față de lungimea de undă Fig. 10. Astfel, spectrometrul ca instrument științific a fost îmbunătățit semnificativ în ceea ce privește ușurința în utilizare, măsurarea cantitativă și sensibilitatea de-a lungul perioadei de timp.
Fig. 10 Tub fotomultiplicator
La mijlocul până la sfârșitul secolului al XX-lea, dezvoltarea tehnologiei spectrometrului a fost inseparabilă de dezvoltarea materialelor și dispozitivelor semiconductoare optoelectronice.În 1969, Willard Boyle și George Smith de la Bell Labs au inventat CCD (Charge-Coupled Device), care a fost apoi îmbunătățit și dezvoltat în aplicații de imagistică de Michael F. Tompsett în anii 1970.Willard Boyle (stânga), a câștigat George Smith, cel care a câștigat premiul Nobel pentru inventarea CCD (2009), prezentată în Fig. 11. În 1980, Nobukazu Teranishi de la NEC din Japonia a inventat o fotodiodă fixă, care a îmbunătățit foarte mult raportul de zgomot al imaginii și rezoluţie.Mai târziu, în 1995, Eric Fossum de la NASA a inventat senzorul de imagine CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), care consumă de 100 de ori mai puțină energie decât senzorii de imagine CCD similari și are un cost de producție mult mai mic.
Fig. 11 Willard Boyle (stânga), George Smith și CCD-ul lor (1974)
La sfârșitul secolului al XX-lea, îmbunătățirea continuă a tehnologiei de procesare și fabricare a cipurilor optoelectronice semiconductoare, în special prin aplicarea matricei CCD și CMOS în spectrometre Fig. 12, devine posibilă obținerea unei game complete de spectre sub o singură expunere.De-a lungul timpului, spectrometrele au găsit o utilizare extinsă într-o gamă largă de aplicații, inclusiv, dar fără a se limita la, detectarea/măsurarea culorilor, analiza lungimii de undă cu laser și spectroscopie de fluorescență, sortare LED, echipamente de imagistică și de detectare a luminii, spectroscopie de fluorescență, spectroscopie Raman și multe altele .
Fig. 12 Diverse cipuri CCD
În secolul 21, tehnologia de proiectare și fabricare a diferitelor tipuri de spectrometre s-a maturizat și stabilizat treptat.Odată cu cererea tot mai mare de spectrometre în toate categoriile sociale, dezvoltarea spectrometrelor a devenit mai rapidă și specifică industriei.Pe lângă indicatorii convenționali ai parametrilor optici, diferite industrii au cerințe personalizate de dimensiunea volumului, funcții software, interfețe de comunicare, viteza de răspuns, stabilitate și chiar costurile spectrometrelor, ceea ce face ca dezvoltarea spectrometrului să devină mai diversificată.
Ora postării: 28-nov-2023