Spektromeeter on teaduslik instrument, mida kasutatakse elektromagnetilise kiirguse spektri analüüsimiseks. See võib kuvada kiirguse spektrit spektrograafina, mis näitab valguse intensiivsuse jaotust lainepikkuse suhtes (y-telg on intensiivsus, x-telg on lainepikkus /valguse sagedus).Valgus jaotatakse spektromeetri sees oma koostisosade lainepikkusteks erinevalt kiirjaguritega, milleks on tavaliselt murdumisprismad või difraktsioonivõred. Joonis 1.
Joonis 1 Lambipirni ja päikesevalguse spekter (vasakul), võre ja prisma kiire jaotamise põhimõte (paremal)
Spektromeetrid mängivad olulist rolli optilise kiirguse laia ulatuse mõõtmisel, uurides otse valgusallika emissioonispektrit või analüüsides valguse peegeldust, neeldumist, läbimist või hajumist pärast selle interaktsiooni materjaliga.Pärast valguse ja aine vastastikmõju kogeb spekter muutust teatud spektrivahemikus või kindlas lainepikkuses ning aine omadusi saab kvalitatiivselt või kvantitatiivselt analüüsida vastavalt spektri muutusele, näiteks bioloogiline ja keemiline analüüs. vere ja tundmatute lahuste koostis ja kontsentratsioon ning materjalide molekuli, aatomistruktuuri ja elementaarkoostise analüüs Joon 2.
Joonis 2 Erinevat tüüpi õlide infrapuna neeldumisspektrid
Algselt füüsika, astronoomia ja keemia uurimiseks leiutatud spektromeeter on nüüdseks paljudes valdkondades, nagu keemiatehnika, materjalianalüüs, astronoomiateadus, meditsiinidiagnostika ja bioseire, üks olulisemaid instrumente.17. sajandil suutis Isaac Newton jagada valguse pidevaks värviliseks ribaks, lastes valge valguskiire läbi prisma, ja kasutas esimest korda selle tulemuste kirjeldamiseks sõna "spekter". Joonis 3.
Joonis 3 Isaac Newton uurib päikesevalguse spektrit prisma abil.
19. sajandi alguses valmistas saksa teadlane Joseph von Fraunhofer (Franchofer) koos prismade, difraktsioonipilude ja teleskoopidega ülitäpse ja täpsusega spektromeetri, mida kasutati päikesekiirguse spektri analüüsimiseks Joon 4. esimest korda täheldati, et päikese seitsmevärviline spekter ei ole pidev, vaid sellel on hulk tumedaid jooni (üle 600 diskreetse joone), mida tuntakse kuulsa "Frankenhoferi joonena".Ta nimetas neist joontest kõige eristuvamad A, B, C…H ja ta loendas umbes 574 joont B ja H vahel, mis vastab erinevate elementide neeldumisele päikesespektris. Joonis 5. Samal ajal oli Fraunhofer ka kõigepealt kasutada difraktsioonvõret joonspektrite saamiseks ja spektrijoonte lainepikkuste arvutamiseks.
Joonis 4. Varajane spektromeeter inimesega vaadatuna
Joonis 5 Fraun Whaffe joon (tume joon lindil)
Joonis 6 Päikese spekter, mille nõgus osa vastab Fraun Wolfeli joonele
19. sajandi keskel töötasid saksa füüsikud Kirchhoff ja Bunsen koos Heidelbergi ülikoolis ning Bunseni äsja disainitud leegitööriistaga (Bunseni põleti) ning viisid läbi esimese spektraalanalüüsi, märkides erinevate kemikaalide spetsiifilisi spektrijooni. (soolad) puistatakse Bunseni põleti leeki joon.7. Nad teostasid elementide kvalitatiivset uurimist spektrite vaatlemise teel ja avaldasid 1860. aastal kaheksa elemendi spektri avastamise ning määrasid kindlaks nende elementide olemasolu mitmes looduslikus ühendis.Nende avastused viisid spektroskoopia analüütilise keemia olulise haru loomiseni: spektroskoopiline analüüs
Joon.7 Leegi reaktsioon
20. sajandi 20. aastatel avastas India füüsik CV Raman spektromeetri abil valguse ja molekulide mitteelastset hajumist orgaanilistes lahustes.Ta täheldas, et langev valgus hajub pärast interaktsiooni valgusega suurema ja väiksema energiaga, mida hiljem nimetatakse Ramani hajumiseks joonis 8. Valguse energia muutumine iseloomustab molekulide mikrostruktuuri, seega kasutatakse Ramani hajuvusspektroskoopiat laialdaselt materjalides, meditsiinis, keemias. ja teistes tööstusharudes, et tuvastada ja analüüsida ainete molekulaarset tüüpi ja struktuuri.
Joonis 8 Energia nihkub pärast seda, kui valgus interakteerub molekulidega
20. sajandi 30. aastatel tegi Ameerika teadlane dr Beckman esmakordselt ettepaneku mõõta ultraviolettkiirguse spektrite neeldumist igal lainepikkusel eraldi, et kaardistada täielik neeldumisspekter, paljastades seeläbi lahuses olevate kemikaalide tüübi ja kontsentratsiooni.See läbilaskva neeldumisvalgustee koosneb valgusallikast, spektromeetrist ja proovist.Enamik praegusest lahuse koostisest ja kontsentratsiooni tuvastamisest põhineb sellel ülekande neeldumisspektril.Siin jagatakse valgusallikas proovile ja skaneeritakse prisma või võre erinevate lainepikkuste saamiseks. Joonis 9.
Joonis 9 Neeldumise tuvastamise põhimõte –
20. sajandi 40ndatel leiutati esimene otsetuvastusega spektromeeter ning esimest korda asendasid fotokordisti torud PMT-d ja elektroonilised seadmed traditsioonilist inimsilma vaatlust või fotofilmi, mis võis otse välja lugeda spektri intensiivsust lainepikkuse suhtes. 10. Seega on spektromeetrit kui teaduslikku instrumenti aja jooksul oluliselt täiustatud nii kasutuslihtsuse, kvantitatiivse mõõtmise kui ka tundlikkuse osas.
Joonis 10 Fotokordisti toru
20. sajandi keskpaigas ja lõpus oli spektromeetritehnoloogia areng lahutamatu optoelektrooniliste pooljuhtmaterjalide ja -seadmete arengust.1969. aastal leiutasid Willard Boyle ja George Smith Bell Labsist CCD (Charge-Coupled Device), mida seejärel täiustas ja arendas 1970. aastatel Michael F. Tompsett pildirakendusteks.Willard Boyle (vasakul), George Smith võitis Nobeli preemia CCD (2009) leiutamise eest, mis on näidatud joonisel 11. 1980. aastal leiutas Nobukazu Teranishi Jaapanist NEC fikseeritud fotodioodi, mis parandas oluliselt pildi müra suhet ja resolutsioon.Hiljem, 1995. aastal, leiutas NASA Eric Fossum CMOS-pildianduri (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), mis tarbib 100 korda vähem energiat kui sarnased CCD-pildiandurid ja mille tootmiskulud on palju madalamad.
Joonis 11 Willard Boyle (vasakul), George Smith ja nende CCD (1974)
20. sajandi lõpus on pooljuhtide optoelektroonilise kiibi töötlemise ja valmistamise tehnoloogia jätkuv täiustamine, eriti spektromeetrites CCD ja CMOS-i massiivi rakendamisel Joon. 12 võimalik saada ühe säritusega kogu spektrivahemik.Aja jooksul on spektromeetrid leidnud laialdast kasutust paljudes rakendustes, sealhulgas, kuid mitte ainult, värvide tuvastamine/mõõtmine, laserlainepikkuse analüüs ja fluorestsentsspektroskoopia, LED-sorteerimine, kujutise ja valguse sensorseadmed, fluorestsentsspektroskoopia, Ramani spektroskoopia ja palju muud. .
Joonis 12 Erinevad CCD-kiibid
21. sajandil on eri tüüpi spektromeetrite disaini- ja tootmistehnoloogia järk-järgult küpsenud ja stabiliseerunud.Kuna nõudlus spektromeetrite järele kõigil elualadel kasvab, on spektromeetrite areng muutunud kiiremaks ja tööstusharuspetsiifilisemaks.Lisaks tavapärastele optiliste parameetrite indikaatoritele on erinevates tööstusharudes kohandatud nõuded mahu suuruse, tarkvara funktsioonide, sideliideste, reageerimiskiiruse, stabiilsuse ja isegi spektromeetrite kulude osas, muutes spektromeetrite arendamise mitmekesisemaks.
Postitusaeg: 28.11.2023