Spektrometar je naučni instrument koji se koristi za analizu spektra elektromagnetnog zračenja, može prikazati spektar zračenja kao spektrograf koji predstavlja raspodjelu intenziteta svjetlosti u odnosu na talasnu dužinu (y-osa je intenzitet, x-osa je talasna dužina /frekvencija svjetlosti).Svjetlost je različito podijeljena na valne dužine svojih sastavnih dijelova unutar spektrometra pomoću razdjelnika snopa, koji su obično refrakcijske prizme ili difrakcijske rešetke Slika 1.
Slika 1 Spektar sijalice i sunčeve svetlosti (levo), princip cepanja snopa rešetke i prizme (desno)
Spektrometri igraju važnu ulogu u mjerenju širokog raspona optičkog zračenja, bilo direktnim ispitivanjem spektra emisije izvora svjetlosti ili analizom refleksije, apsorpcije, transmisije ili raspršenja svjetlosti nakon njene interakcije s materijalom.Nakon interakcije svjetlosti i materije, spektar doživljava promjenu u određenom spektralnom opsegu ili određenoj talasnoj dužini, a svojstva supstance se mogu kvalitativno ili kvantitativno analizirati prema promjeni spektra, kao što je biološka i hemijska analiza sastav i koncentracija krvi i nepoznatih rastvora, te analiza molekula, atomske strukture i elementarnog sastava materijala Sl. 2.
Slika 2 Infracrveni apsorpcioni spektri različitih vrsta ulja
Prvobitno izmišljen za proučavanje fizike, astronomije, hemije, spektrometar je danas jedan od najvažnijih instrumenata u mnogim oblastima kao što su hemijsko inženjerstvo, analiza materijala, astronomska nauka, medicinska dijagnostika i biosensing.U 17. veku, Isak Njutn je mogao da podeli svetlost na neprekidnu obojenu traku propuštanjem snopa bele svetlosti kroz prizmu i prvi put upotrebio reč „Spektar“ da opiše ove rezultate. Slika 3.
Slika 3 Isaac Newton proučava spektar sunčeve svjetlosti pomoću prizme.
Početkom 19. vijeka, njemački naučnik Joseph von Fraunhofer (Franchofer), u kombinaciji sa prizmama, difrakcijskim prorezima i teleskopima, napravio je spektrometar visoke preciznosti i preciznosti, koji je korišten za analizu spektra sunčevih emisija Slika 4. prvi put uočio da spektar sunčevih sedam boja nije kontinuiran, već ima niz tamnih linija (preko 600 diskretnih linija) na sebi, poznatih kao poznata "Frankenhoferova linija".On je nazvao najrazličitije od ovih linija A, B, C…H i izbrojao je oko 574 linije između B i H što odgovara apsorpciji različitih elemenata na Sunčevom spektru Slika 5. U isto vrijeme, Fraunhofer je bio i prvo da koristi difrakcionu rešetku za dobijanje linijskih spektra i izračunavanje talasne dužine spektralnih linija.
Slika 4. Rani spektrometar, posmatran sa čovekom
Slika 5 Fraun Whaffe linija (tamna linija u vrpci)
Slika 6 Solarni spektar, sa konkavnim dijelom koji odgovara liniji Fraun Wolfel
Sredinom 19. vijeka, njemački fizičari Kirchhoff i Bunsen, zajedno su radili na Univerzitetu u Hajdelbergu, i sa Bunsenovim novodizajniranim plamenim alatom (Bunsenov plamenik) i izvršili prvu spektralnu analizu uočavajući specifične spektralne linije različitih hemikalija. (soli) posipane u plamen Bunsenovog plamenika sl.7. Ostvarili su kvalitativno ispitivanje elemenata posmatranjem spektra, a 1860. objavili otkriće spektra osam elemenata i utvrdili postojanje ovih elemenata u nekoliko prirodnih spojeva.Njihovi nalazi doveli su do stvaranja važne grane spektroskopske analitičke hemije: spektroskopske analize
Slika 7 Reakcija plamena
Dvadesetih godina 20. vijeka, indijski fizičar CV Raman koristio je spektrometar da otkrije efekat neelastičnog raspršenja svjetlosti i molekula u organskim otopinama.On je primijetio da se upadna svjetlost raspršuje s višom i manjom energijom nakon interakcije sa svjetlom, što je kasnije nazvano Ramanovo raspršenje slika 8. Promjena svjetlosne energije karakterizira mikrostrukturu molekula, tako da se spektroskopija Ramanskog raspršenja široko koristi u materijalima, medicini, kemiji. i druge industrije za identifikaciju i analizu molekularnog tipa i strukture supstanci.
Slika 8 Energija se pomera nakon što svetlost stupi u interakciju sa molekulima
30-ih godina 20. vijeka, američki naučnik dr. Beckman prvi je predložio mjerenje apsorpcije ultraljubičastih spektra na svakoj talasnoj dužini posebno kako bi se mapirao kompletan apsorpcioni spektar, otkrivajući na taj način vrstu i koncentraciju hemikalija u rastvoru.Ova transmisiona apsorpciona svjetlosna ruta sastoji se od izvora svjetlosti, spektrometra i uzorka.Većina trenutnog sastava otopine i detekcije koncentracije temelji se na ovom spektru apsorpcije prijenosa.Ovdje se izvor svjetlosti dijeli na uzorak i prizma ili rešetka se skenira kako bi se dobile različite valne dužine Slika 9.
Slika 9 Princip detekcije apsorpcije –
40-ih godina 20. stoljeća izumljen je prvi spektrometar s direktnom detekcijom, a po prvi put fotomultiplikatorske cijevi PMT i elektronski uređaji zamijenili su tradicionalno ljudsko oko posmatranje ili fotografski film, koji je mogao direktno očitati spektralni intenzitet u odnosu na valnu dužinu. 10. Stoga je spektrometar kao naučni instrument značajno poboljšan u smislu lakoće upotrebe, kvantitativnog mjerenja i osjetljivosti tokom vremena.
Slika 10 Fotoumnožač cijevi
Sredinom do kasnog 20. stoljeća razvoj spektrometarske tehnologije bio je neodvojiv od razvoja optoelektronskih poluvodičkih materijala i uređaja.Godine 1969. Willard Boyle i George Smith iz Bell Labs-a izumili su CCD (Uređaj sa spojenim punjenjem), koji je Michael F. Tompsett potom poboljšao i razvio u aplikacije za snimanje 1970-ih.Willard Boyle (lijevo), dobio je George Smith koji je dobio Nobelovu nagradu za izum CCD-a (2009) prikazan na slici 11. Godine 1980. Nobukazu Teranishi iz NEC-a u Japanu izumio je fiksnu fotodiodu, koja je znatno poboljšala omjer šuma slike i rezoluciju.Kasnije, 1995. godine, NASA-in Eric Fossum izumio je CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) senzor slike, koji troši 100 puta manje energije od sličnih CCD senzora slike i ima mnogo nižu cijenu proizvodnje.
11. Willard Boyle (lijevo), George Smith i njihov CCD (1974.)
Krajem 20. vijeka, kontinuiranim unapređenjem tehnologije obrade i proizvodnje poluvodičkih optoelektronskih čipova, posebno primjenom niza CCD i CMOS u spektrometrima Slika 12, postaje moguće dobiti cijeli raspon spektra pod jednom ekspozicijom.S vremenom su spektrometri našli široku upotrebu u širokom spektru primjena, uključujući, ali ne ograničavajući se na detekciju/mjerenje boje, analizu talasne dužine lasera i fluorescentnu spektroskopiju, LED sortiranje, opremu za snimanje i osvjetljenje, fluorescentnu spektroskopiju, Ramanovu spektroskopiju i još mnogo toga .
Slika 12 Različiti CCD čipovi
U 21. vijeku tehnologija dizajna i proizvodnje različitih tipova spektrometara postepeno je sazrevala i stabilizirala se.Sa rastućom potražnjom za spektrometrima u svim sferama života, razvoj spektrometara je postao brži i specifičniji za industriju.Pored konvencionalnih indikatora optičkih parametara, različite industrije imaju prilagođene zahtjeve za veličinu volumena, softverske funkcije, komunikacijska sučelja, brzinu odziva, stabilnost, pa čak i troškove spektrometara, čineći razvoj spektrometara raznovrsnijim.
Vrijeme objave: 28.11.2023