Спектрометърът е научен инструмент, използван за анализиране на спектъра на електромагнитните лъчения, той може да показва спектър от лъчения като спектрограф, представящ разпределението на интензитета на светлината по отношение на дължината на вълната (оста y е интензитетът, оста x е дължината на вълната /честота на светлината).Светлината се разделя по различни дължини на вълните на съставните й части вътре в спектрометъра чрез разделители на лъчи, които обикновено са пречупващи призми или дифракционни решетки Фиг. 1.
Фиг. 1 Спектър на електрическа крушка и слънчева светлина (вляво), принцип на разделяне на лъча на решетка и призма (вдясно)
Спектрометрите играят важна роля в измерването на широк диапазон от оптични лъчения, независимо дали чрез директно изследване на емисионния спектър на светлинен източник или чрез анализиране на отражението, абсорбцията, предаването или разсейването на светлината след нейното взаимодействие с материал.След взаимодействието на светлината и материята спектърът претърпява промяна в определен спектрален диапазон или специфична дължина на вълната и свойствата на веществото могат да бъдат качествено или количествено анализирани според промяната в спектъра, като биологичен и химичен анализ на съставът и концентрацията на кръвта и неизвестните разтвори и анализът на молекулата, атомната структура и елементния състав на материалите Фиг. 2.
Фиг. 2 Инфрачервени абсорбционни спектри на различни видове масла
Първоначално изобретен за изучаване на физика, астрономия, химия, спектрометърът сега е един от най-важните инструменти в много области като химическото инженерство, анализ на материалите, астрономическа наука, медицинска диагностика и биочувствителност.През 17-ти век Исак Нютон успява да раздели светлината на непрекъсната цветна лента, като прекарва лъч бяла светлина през призма и използва думата „Спектър“ за първи път, за да опише тези резултати Фиг. 3.
Фиг. 3 Исак Нютон изследва спектъра на слънчевата светлина с призма.
В началото на 19-ти век немският учен Йозеф фон Фраунхофер (Франхофер), съчетан с призми, дифракционни процепи и телескопи, прави спектрометър с висока прецизност и точност, който се използва за анализ на спектъра на слънчевите емисии Фигура 4. Той наблюдава за първи път, че спектърът на седемте цвята на слънцето не е непрекъснат, а има редица тъмни линии (над 600 отделни линии) върху него, известни като известната "линия на Франкенхофер".Той назова най-отчетливите от тези линии A, B, C…H и преброи около 574 линии между B и H, което съответства на абсорбцията на различни елементи в слънчевия спектър Фиг. 5. В същото време Фраунхофер също беше първо използва дифракционна решетка за получаване на линейни спектри и за изчисляване на дължината на вълната на спектралните линии.
Фиг. 4. Ранен спектрометър, наблюдаван от човек
Фиг. 5 Линия на Fraun Whaffe (тъмна линия в лентата)
Фиг. 6 Слънчев спектър, с вдлъбната част, съответстваща на линията на Fraun Wolfel
В средата на 19 век немските физици Кирхоф и Бунзен работят заедно в университета в Хайделберг и с новоразработения пламъчен инструмент на Бунзен (горелката на Бунзен) и извършват първия спектрален анализ, като отбелязват специфичните спектрални линии на различни химикали (соли), поръсени в пламъка на горелката Бунзен фиг.7. Те реализират качественото изследване на елементите чрез наблюдение на спектрите и през 1860 г. публикуват откритието на спектрите на осем елемента и определят съществуването на тези елементи в няколко природни съединения.Техните открития доведоха до създаването на важен клон на спектроскопската аналитична химия: спектроскопски анализ
Фиг.7 Пламъчна реакция
През 20-те години на 20 век индийският физик CV Raman използва спектрометър, за да открие ефекта на нееластично разсейване на светлината и молекулите в органични разтвори.Той забеляза, че падащата светлина се разсейва с по-висока и по-ниска енергия след взаимодействие със светлината, което по-късно се нарича Раманово разсейване (фиг. 8). Промяната на светлинната енергия характеризира микроструктурата на молекулите, така че спектроскопията на Раманово разсейване се използва широко в материалите, медицината, химията и други индустрии за идентифициране и анализ на молекулярния тип и структура на веществата.
Фиг. 8 Енергията се измества, след като светлината взаимодейства с молекулите
През 30-те години на 20-ти век американският учен д-р Бекман за първи път предложи да се измери абсорбцията на ултравиолетовите спектри за всяка дължина на вълната поотделно, за да се начертае пълният спектър на абсорбция, като по този начин се разкрие вида и концентрацията на химикалите в разтвора.Този светлинен път на абсорбция на предаване се състои от източник на светлина, спектрометър и проба.По-голямата част от текущия състав на разтвора и откриването на концентрация се основават на този спектър на пропускане на абсорбция.Тук източникът на светлина се разделя върху пробата и призмата или решетката се сканират, за да се получат различни дължини на вълната Фиг. 9.
Фиг.9 Принцип на откриване на абсорбция –
През 40-те години на 20-ти век е изобретен първият спектрометър с директно откриване и за първи път фотоумножителните тръби PMT и електронните устройства заменят традиционното наблюдение с човешко око или фотографски филм, който може директно да разчете спектралния интензитет спрямо дължината на вълната Фиг. 10. По този начин спектрометърът като научен инструмент е значително подобрен по отношение на лекота на използване, количествено измерване и чувствителност през периода от време.
Фиг. 10 Фотоумножителна тръба
В средата до края на 20-ти век развитието на спектрометърната технология е неотделимо от развитието на оптоелектронни полупроводникови материали и устройства.През 1969 г. Уилард Бойл и Джордж Смит от Bell Labs изобретяват CCD (Charge-Coupled Device), което след това е подобрено и разработено в приложения за изображения от Майкъл Ф. Томпсет през 70-те години.Уилард Бойл (вляво), спечели Джордж Смит, който спечели Нобелова награда за изобретяването на CCD (2009), показано на Фиг. 11. През 1980 г. Нобуказу Тераниши от NEC в Япония изобрети фиксиран фотодиод, който значително подобри съотношението на шума в изображението и резолюция.По-късно, през 1995 г., Ерик Фосъм от НАСА изобрети сензора за изображения CMOS (допълнителен металооксиден полупроводник), който консумира 100 пъти по-малко енергия от подобни сензори за изображения CCD и има много по-ниска производствена цена.
Фиг. 11 Уилард Бойл (вляво), Джордж Смит и техният CCD (1974)
В края на 20-ти век, продължаващото усъвършенстване на технологията за обработка и производство на полупроводникови оптоелектронни чипове, особено с прилагането на матрица CCD и CMOS в спектрометри Фиг. 12, става възможно да се получи пълен набор от спектри при едно излагане.С течение на времето спектрометрите са намерили широка употреба в широк спектър от приложения, включително, но не само, откриване/измерване на цветовете, лазерен анализ на дължината на вълната и флуоресцентна спектроскопия, LED сортиране, оборудване за изображения и осветление, флуоресцентна спектроскопия, раманова спектроскопия и др. .
Фиг. 12 Различни CCD чипове
През 21-ви век технологията на проектиране и производство на различни видове спектрометри постепенно се развива и стабилизира.С нарастващото търсене на спектрометри във всички сфери на живота, развитието на спектрометрите става по-бързо и специфично за индустрията.В допълнение към конвенционалните индикатори за оптични параметри, различните индустрии имат персонализирани изисквания за размер на обема, софтуерни функции, комуникационни интерфейси, скорост на реакция, стабилност и дори разходи за спектрометри, което прави разработката на спектрометъра по-разнообразна.
Време на публикуване: 28 ноември 2023 г