Et spektrometer er et videnskabeligt instrument, der bruges til at analysere spektret af elektromagnetiske strålinger, det kan vise et spektrum af stråling som en spektrograf, der repræsenterer fordelingen af lysintensitet med hensyn til bølgelængde (y-aksen er intensiteten, x-aksen er bølgelængden /lysets frekvens).Lyset er forskelligt adskilt i dets bestanddeles bølgelængder inde i spektrometeret af stråledelere, som normalt er refraktive prismer eller diffraktionsgitre Fig. 1.
Fig. 1 Spektrum af pære og sollys (venstre), stråleopdelingsprincip for gitter og prisme (højre)
Spektrometre spiller en vigtig rolle ved måling af en bred vifte af optisk stråling, enten ved direkte at undersøge emissionsspektret fra en lyskilde eller ved at analysere refleksion, absorption, transmission eller spredning af lys efter dets interaktion med et materiale.Efter lys- og stofinteraktionen oplever spektret ændringen i et bestemt spektralområde eller en specifik bølgelængde, og stoffets egenskaber kan analyseres kvalitativt eller kvantitativt i henhold til ændringen i spektret, såsom den biologiske og kemiske analyse af sammensætningen og koncentrationen af blod og ukendte opløsninger, og analysen af materialers molekyle, atomare struktur og grundstofsammensætning Fig. 2.
Fig. 2 Infrarøde absorptionsspektre for forskellige typer olier
Oprindeligt opfundet til studiet af fysik, astronomi, kemi, er spektrometret nu et af de vigtigste instrumenter inden for mange områder, såsom kemiteknik, materialeanalyse, astronomisk videnskab, medicinsk diagnostik og bio-sensing.I det 17. århundrede var Isaac Newton i stand til at opdele lyset i kontinuerlige farvede bånd ved at sende en stråle af hvidt lys gennem et prisme og brugte ordet "Spektrum" for første gang til at beskrive dette resultat. Fig. 3.
Fig. 3 Isaac Newton studerer sollysspektret med et prisme.
I begyndelsen af det 19. århundrede lavede den tyske videnskabsmand Joseph von Fraunhofer (Franchofer), kombineret med prismer, diffraktionsspalter og teleskoper, et spektrometer med høj præcision og nøjagtighed, som blev brugt til at analysere spektret af solemissioner Fig 4. Han observerede for første gang, at spektret af solens syvfarvede ikke er kontinuerligt, men har et antal mørke linjer (over 600 diskrete linjer) på sig, kendt som den berømte "Frankenhofer-linje".Han navngav den mest distinkte af disse linjer A, B, C...H og han talte omkring 574 linjer mellem B og H, hvilket svarer til absorptionen af forskellige grundstoffer på solspektret Fig. 5. Samtidig var Fraunhofer også først at bruge et diffraktionsgitter til at opnå linjespektre og beregne spektrallinjernes bølgelængde.
Fig. 4. Et tidligt spektrometer, set med mennesket
Fig. 5 Fraun Whaffe linje (mørk linje i bånd)
Fig. 6 Solspektrum, med den konkave del svarende til Fraun Wolfel-linjen
I midten af det 19. århundrede arbejdede de tyske fysikere Kirchhoff og Bunsen sammen på universitetet i Heidelberg og med Bunsens nydesignede flammeværktøj (Bunsen-brænderen) og udførte den første spektralanalyse ved at notere de specifikke spektrallinjer for forskellige kemikalier (salte) drysset i Bunsenbrænder flamme fig.7. De realiserede den kvalitative undersøgelse af grundstoffer ved at observere spektrene og offentliggjorde i 1860 opdagelsen af spektrene af otte grundstoffer og bestemte eksistensen af disse grundstoffer i flere naturlige sammensætninger.Deres resultater førte til skabelsen af en vigtig gren af spektroskopi analytisk kemi: spektroskopisk analyse
Fig.7 Flammereaktion
I 20'erne af det 20. århundrede brugte den indiske fysiker CV Raman et spektrometer til at opdage den uelastiske spredningseffekt af lys og molekyler i organiske opløsninger.Han observerede, at det indfaldende lys spredte sig med højere og lavere energi efter at have interageret med lys, som senere kaldes Raman-spredning fig. 8. Ændringen af lysenergi karakteriserer mikrostrukturen af molekyler, så Raman-spredningsspektroskopi er meget udbredt i materialer, medicin, kemikalier og andre industrier til at identificere og analysere den molekylære type og struktur af stoffer.
Fig. 8 Energien skifter efter lys interagerer med molekylerne
I 30'erne af det 20. århundrede foreslog den amerikanske videnskabsmand Dr. Beckman først at måle absorptionen af ultraviolette spektre ved hver bølgelængde separat for at kortlægge det komplette absorptionsspektrum og derved afsløre typen og koncentrationen af kemikalier i opløsning.Denne transmissionsabsorptionslysrute består af lyskilden, spektrometeret og prøven.Det meste af den nuværende opløsningssammensætning og koncentrationsdetektion er baseret på dette transmissionsabsorptionsspektrum.Her opdeles lyskilden på prøven, og prismet eller gitteret scannes for at opnå forskellige bølgelængder Fig. 9.
Fig.9 Absorbansdetektionsprincip –
I 40'erne af det 20. århundrede blev det første direkte detektionsspektrometer opfundet, og for første gang erstattede fotomultiplikatorrør PMT'er og elektroniske enheder den traditionelle menneskelige øjeobservation eller fotografiske film, som direkte kunne aflæse spektralintensiteten mod bølgelængden Fig. 10. Således er spektrometeret som et videnskabeligt instrument blevet væsentligt forbedret med hensyn til brugervenlighed, kvantitativ måling og følsomhed over tidsperioden.
Fig. 10 Fotomultiplikatorrør
I midten til slutningen af det 20. århundrede var udviklingen af spektrometerteknologi uadskillelig fra udviklingen af optoelektroniske halvledermaterialer og -enheder.I 1969 opfandt Willard Boyle og George Smith fra Bell Labs CCD (Charge-Coupled Device), som derefter blev forbedret og udviklet til billedbehandlingsapplikationer af Michael F. Tompsett i 1970'erne.Willard Boyle (til venstre), George Smith vandt, som vandt Nobelprisen for deres opfindelse af CCD (2009) vist Fig. 11. I 1980 opfandt Nobukazu Teranishi fra NEC i Japan en fast fotodiode, som i høj grad forbedrede billedstøjforholdet og løsning.Senere, i 1995, opfandt NASAs Eric Fossum billedsensoren CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), som bruger 100 gange mindre strøm end tilsvarende CCD-billedsensorer og har en meget lavere produktionsomkostning.
Fig. 11 Willard Boyle (til venstre), George Smith og deres CCD (1974)
I slutningen af det 20. århundrede, den igangværende forbedring af halvlederoptoelektroniske chipbehandlings- og fremstillingsteknologi, især med anvendelsen af array CCD og CMOS i spektrometre Fig. 12, bliver det muligt at opnå et komplet udvalg af spektre under en enkelt eksponering.Over tid har spektrometre fundet omfattende anvendelse i en lang række applikationer, herunder men ikke begrænset til farvedetektering/-måling, laserbølgelængdeanalyse og fluorescensspektroskopi, LED-sortering, billed- og lyssensorudstyr, fluorescensspektroskopi, Raman-spektroskopi og mere .
Fig. 12 Forskellige CCD-chips
I det 21. århundrede er design- og fremstillingsteknologien for forskellige typer spektrometre gradvist modnet og stabiliseret.Med den voksende efterspørgsel efter spektrometre på tværs af alle samfundslag er udviklingen af spektrometre blevet hurtigere og mere branchespecifik.Ud over de konventionelle optiske parameterindikatorer har forskellige industrier tilpasset krav til volumenstørrelse, softwarefunktioner, kommunikationsgrænseflader, responshastighed, stabilitet og endda omkostninger ved spektrometre, hvilket gør spektrometerudviklingen mere diversificeret.
Indlægstid: 28. november 2023