Spektrometras yra mokslinis instrumentas, naudojamas elektromagnetinės spinduliuotės spektrui analizuoti, jis gali rodyti spinduliuotės spektrą kaip spektrografas, rodantis šviesos intensyvumo pasiskirstymą bangos ilgio atžvilgiu (y ašis yra intensyvumas, x ašis yra bangos ilgis /šviesos dažnis).Spektrometro viduje šviesa skirstoma į jos sudedamųjų dalių bangos ilgius pluošto dalikliais, kurie dažniausiai yra lūžio prizmės arba difrakcijos gardelės. 1 pav.
1 pav. Lemputės ir saulės šviesos spektras (kairėje), grotelių ir prizmės pluošto padalijimo principas (dešinėje)
Spektrometrai atlieka svarbų vaidmenį matuojant platų optinės spinduliuotės diapazoną, tiesiogiai tiriant šviesos šaltinio emisijos spektrą arba analizuojant šviesos atspindį, sugertį, perdavimą ar sklaidą po jos sąveikos su medžiaga.Po šviesos ir medžiagos sąveikos spektras patiria tam tikro spektro diapazono arba tam tikro bangos ilgio pokytį, o medžiagos savybes galima kokybiškai arba kiekybiškai išanalizuoti pagal spektro pokytį, pavyzdžiui, atliekant biologinę ir cheminę analizę. kraujo ir nežinomų tirpalų sudėtis ir koncentracija bei medžiagų molekulės, atominės sandaros ir elementinės sudėties analizė 2 pav.
2 pav. Įvairių tipų alyvų infraraudonųjų spindulių sugerties spektrai
Spektrometras, iš pradžių sukurtas fizikos, astronomijos, chemijos studijoms, dabar yra vienas iš svarbiausių instrumentų daugelyje sričių, tokių kaip chemijos inžinerija, medžiagų analizė, astronomijos mokslas, medicinos diagnostika ir biologinis jutimas.XVII amžiuje Izaokas Niutonas sugebėjo padalyti šviesą į ištisinę spalvotą juostą, leisdamas baltos šviesos spindulį per prizmę, ir šiems rezultatams apibūdinti pirmą kartą panaudojo žodį „Spectrum“ 3 pav.
3 pav. Izaokas Niutonas tiria saulės šviesos spektrą prizme.
pradžioje vokiečių mokslininkas Josephas von Fraunhoferis (Franchoferis) kartu su prizmėmis, difrakcijos plyšiais ir teleskopais pagamino labai tiksliai ir tiksliai spektrometrą, kuriuo buvo analizuojamas saulės spindulių spektras 4 pav. pirmą kartą pastebėta, kad saulės septynių spalvų spektras nėra ištisinis, o jame yra daug tamsių linijų (daugiau nei 600 atskirų linijų), žinoma kaip garsioji "Frankenhoferio linija".Jis įvardijo ryškiausias iš šių linijų A, B, C...H ir suskaičiavo apie 574 linijas tarp B ir H, o tai atitinka skirtingų saulės spektro elementų sugertį. 5 pav. Tuo pat metu Fraunhoferis taip pat buvo pirmiausia panaudoti difrakcinę gardelę linijų spektrams gauti ir spektrinių linijų bangos ilgiui apskaičiuoti.
4 pav. Ankstyvasis spektrometras, žiūrint su žmogumi
5 pav. Fraun Whaffe linija (tamsi linija juostelėje)
6 pav. Saulės spektras, kurio įgaubta dalis atitinka Fraun Wolfel liniją
XIX amžiaus viduryje vokiečių fizikai Kirchhoffas ir Bunsenas kartu dirbo Heidelbergo universitete ir su naujai sukurtu Bunseno liepsnos įrankiu (Bunseno degikliu) ir atliko pirmąją spektrinę analizę, atkreipdami dėmesį į specifines skirtingų cheminių medžiagų spektrines linijas. (druskos) pabarstyti į Bunseno degiklio liepsną pav.7. Stebėdami spektrus jie įgyvendino kokybinį elementų tyrimą, o 1860 m. paskelbė aštuonių elementų spektrų atradimą ir nustatė šių elementų egzistavimą keliuose natūraliuose junginiuose.Jų išvados paskatino sukurti svarbią spektroskopijos analitinės chemijos šaką: spektroskopinę analizę.
7 pav. Liepsnos reakcija
XX amžiaus 20-ajame dešimtmetyje indų fizikas CV Ramanas panaudojo spektrometrą, kad atrastų neelastingą šviesos ir molekulių sklaidos efektą organiniuose tirpaluose.Jis pastebėjo, kad krintanti šviesa po sąveikos su šviesa išsisklaido su didesne ir mažesne energija, kuri vėliau vadinama Ramano sklaida 8 pav. Šviesos energijos kitimas apibūdina molekulių mikrostruktūrą, todėl Ramano sklaidos spektroskopija plačiai naudojama medžiagoje, medicinoje, chemijoje. ir kitose pramonės šakose, siekiant nustatyti ir analizuoti medžiagų molekulinį tipą ir struktūrą.
8 pav. Energija pasislenka po to, kai šviesa sąveikauja su molekulėmis
XX amžiaus 30-aisiais amerikiečių mokslininkas Dr. Beckmanas pirmą kartą pasiūlė išmatuoti ultravioletinių spektrų sugertį kiekviename bangos ilgyje atskirai, kad būtų galima nustatyti visą absorbcijos spektrą ir taip atskleisti cheminių medžiagų tipą ir koncentraciją tirpale.Šį perdavimo sugerties šviesos kelią sudaro šviesos šaltinis, spektrometras ir mėginys.Dauguma dabartinės tirpalo sudėties ir koncentracijos nustatymo yra pagrįsti šiuo perdavimo sugerties spektru.Čia šviesos šaltinis padalijamas į pavyzdį ir nuskaitoma prizmė arba gardelė, kad būtų gauti skirtingi bangos ilgiai. 9 pav.
9 pav. Absorbcijos aptikimo principas –
XX amžiaus 40-ajame dešimtmetyje buvo išrastas pirmasis tiesioginio aptikimo spektrometras, o fotodaugintuvai PMT ir elektroniniai prietaisai pirmą kartą pakeitė tradicinį žmogaus akies stebėjimą arba fotografijos filmą, galintį tiesiogiai nuskaityti spektro intensyvumą pagal bangos ilgį. 10. Taigi spektrometras, kaip mokslinis instrumentas, per tam tikrą laikotarpį buvo žymiai patobulintas naudojimo paprastumo, kiekybinio matavimo ir jautrumo požiūriu.
10 pav. Fotodaugintuvo vamzdelis
XX amžiaus viduryje ir pabaigoje spektrometro technologijos raida buvo neatsiejama nuo optoelektroninių puslaidininkinių medžiagų ir prietaisų kūrimo.1969 m. Willardas Boyle'as ir George'as Smithas iš Bell Labs išrado CCD (Charge-Coupled Device), kurį aštuntajame dešimtmetyje Michaelas F. Tompsettas patobulino ir išplėtojo į vaizdo gavimo programas.Willardas Boyle'as (kairėje), George'as Smithas laimėjo Nobelio premiją už CCD išradimą (2009 m.), parodytą 11 pav. 1980 m. Nobukazu Teranishi iš NEC Japonijoje išrado fiksuotą fotodiodą, kuris labai pagerino vaizdo triukšmo santykį ir rezoliucija.Vėliau, 1995 m., NASA Eric Fossum išrado CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) vaizdo jutiklį, kuris sunaudoja 100 kartų mažiau energijos nei panašūs CCD vaizdo jutikliai ir turi daug mažesnes gamybos sąnaudas.
11 pav. Willardas Boyle'as (kairėje), George'as Smithas ir jų CCD (1974 m.)
XX amžiaus pabaigoje nuolat tobulėjant puslaidininkinių optoelektroninių lustų apdorojimo ir gamybos technologijoms, ypač spektrometruose pritaikius masyvo CCD ir CMOS 12 pav., atsiranda galimybė gauti visą spektrų diapazoną po vienos ekspozicijos.Laikui bėgant spektrometrai buvo plačiai naudojami įvairiose srityse, įskaitant, bet tuo neapsiribojant, spalvų aptikimą / matavimą, lazerio bangos ilgio analizę ir fluorescencinę spektroskopiją, LED rūšiavimą, vaizdo gavimo ir apšvietimo jutimo įrangą, fluorescencinę spektroskopiją, Ramano spektroskopiją ir kt. .
12 pav. Įvairūs CCD lustai
XXI amžiuje įvairių tipų spektrometrų projektavimo ir gamybos technologija pamažu brendo ir stabilizavosi.Didėjant spektrometrų paklausai visose gyvenimo srityse, spektrometrų kūrimas tapo spartesnis ir labiau būdingas pramonės šakai.Be įprastų optinių parametrų indikatorių, įvairios pramonės šakos turi pritaikytus tūrio dydžio, programinės įrangos funkcijų, ryšio sąsajų, atsako greičio, stabilumo ir netgi spektrometrų sąnaudų reikalavimus, todėl spektrometro kūrimas tampa įvairesnis.
Paskelbimo laikas: 2023-11-28