Спектрометар е научен инструмент, кој се користи за анализа на спектарот на електромагнетни зрачења, може да прикаже спектар на зрачења како спектрограф што ја претставува дистрибуцијата на интензитетот на светлината во однос на брановата должина (y-оската е интензитетот, оската x е брановата должина /фреквенција на светлината).Светлината е различна поделена на брановите должини на нејзиниот состав внатре во спектрометарот со разделувачи на зрак, кои обично се рефрактивни призми или дифракциони решетки Сл. 1.
Сл. 1 Спектар на сијалица и сончева светлина (лево), принцип на разделување на снопот на решетка и призма (десно)
Спектрометрите играат важна улога во мерењето на широк опсег на оптичко зрачење, без разлика дали со директно испитување на емисиониот спектар на извор на светлина или со анализа на рефлексијата, апсорпцијата, преносот или расејувањето на светлината по нејзината интеракција со материјалот.По интеракцијата на светлината и материјата, спектарот доживува промена во одреден спектрален опсег или одредена бранова должина, а својствата на супстанцијата можат квалитативно или квантитативно да се анализираат според промената на спектарот, како што е биолошката и хемиската анализа на составот и концентрацијата на крвта и непознатите раствори и анализата на молекулата, атомската структура и елементарниот состав на материјалите Сл. 2.
Сл. 2 Инфрацрвени спектри на апсорпција на различни видови масла
Првично измислен за проучување на физиката, астрономијата, хемијата, спектрометарот сега е еден од најважните инструменти во многу области како што се хемиски инженеринг, анализа на материјали, астрономска наука, медицинска дијагностика и био-сензор.Во 17 век, Исак Њутн можеше да ја подели светлината на непрекината обоена лента со поминување на зрак од бела светлина низ призма и за прв пат го употреби зборот „Спектар“ за да ги опише овие резултати на Сл. 3.
Сл. 3 Исак Њутн го проучува спектарот на сончевата светлина со призма.
На почетокот на 19 век, германскиот научник Џозеф фон Фраунхофер (Франхофер), комбиниран со призми, дифракциони процепи и телескопи, направил спектрометар со голема прецизност и точност, кој се користел за анализа на спектарот на сончеви емисии Сл. 4. Тој За прв пат забележано е дека спектарот на сончевите седум бои не е континуиран, туку има голем број темни линии (над 600 дискретни линии) на него, позната како познатата „линија на Франкенхофер“.Тој ги нарекол најпрепознатливите од овие линии A, B, C…H и изброил околу 574 линии помеѓу B и H што одговара на апсорпцијата на различни елементи на сончевиот спектар Сл. 5. Во исто време, Фраунхофер бил и прво да се користи дифракциона решетка за да се добијат линиски спектри и да се пресмета брановата должина на спектралните линии.
Сл. 4. Ран спектрометар, гледан со човекот
Сл. 5 Fraun Whaffe линија (темна линија во лента)
Сл. 6 Сончев спектар, со конкавниот дел што одговара на линијата Фраун Волфел
Во средината на 19 век, германските физичари Кирхоф и Бунсен, работеа заедно на Универзитетот во Хајделберг и со новодизајнираната алатка за пламен на Бунсен (Бунзен горилникот) и ја извршија првата спектрална анализа забележувајќи ги специфичните спектрални линии на различни хемикалии. (соли) посипани во пламен од Бунзен горилник сл.7. Тие го реализираа квалитативното испитување на елементите со набљудување на спектрите, а во 1860 година го објавија откривањето на спектрите од осум елементи и го утврдија постоењето на овие елементи во неколку природни соединенија.Нивните наоди доведоа до создавање на важна гранка на спектроскопската аналитичка хемија: спектроскопска анализа
Сл.7 Реакција на пламен
Во 20-тите години на 20 век, индискиот физичар CV Раман користел спектрометар за да го открие нееластичниот ефект на расејување на светлината и молекулите во органските раствори.Тој забележал дека упадната светлина се расејува со поголема и пониска енергија по интеракција со светлината, што подоцна се нарекува Раманско расејување сл 8. Промената на светлосната енергија ја карактеризира микроструктурата на молекулите, така што Рамановата спектроскопија на расејување е широко користена во материјали, медицина, хемиски и други индустрии за идентификување и анализа на молекуларниот тип и структура на супстанциите.
Сл. 8 Енергијата се поместува по интеракција на светлината со молекулите
Во 30-тите години на 20 век, американскиот научник д-р Бекман за првпат предложи да се измери апсорпцијата на ултравиолетовите спектри на секоја бранова должина посебно за да се мапира целосниот спектар на апсорпција, со што се открива видот и концентрацијата на хемикалиите во растворот.Овој пат на апсорпција на светлината се состои од извор на светлина, спектрометар и примерок.Најголемиот дел од тековниот состав на растворот и откривањето на концентрацијата се засноваат на овој преносен спектар на апсорпција.Овде, изворот на светлина се дели на примерокот и призмата или решетката се скенираат за да се добијат различни бранови должини Сл. 9.
Сл.9 Принцип за откривање на апсорпција -
Во 40-тите години на 20 век, беше измислен првиот спектрометар за директно откривање и за прв пат, фотомултипликаторските цевки PMT и електронските уреди го заменија традиционалното набљудување на човечкото око или фотографскиот филм, кој директно можеше да го прочита спектралниот интензитет наспроти брановата должина Сл. 10. Така, спектрометарот како научен инструмент е значително подобрен во однос на леснотијата на користење, квантитативното мерење и чувствителноста во одреден временски период.
Сл. 10 Цевка за фотомултипликатор
Во средината до крајот на 20 век, развојот на технологијата на спектрометар беше неразделен од развојот на оптоелектронските полупроводнички материјали и уреди.Во 1969 година, Вилард Бојл и Џорџ Смит од Bell Labs го измислија CCD (Charge-Coupled Device), кој потоа беше подобрен и развиен во апликации за сликање од Мајкл Ф. Томпсет во 1970-тите.Вилард Бојл (лево), Џорџ Смит победи кој ја доби Нобеловата награда за нивниот изум на CCD (2009) прикажан на слика 11. Во 1980 година, Нобуказу Тераниши од NEC во Јапонија измисли фиксна фотодиода, која значително го подобри односот на бучавата на сликата и резолуција.Подоцна, во 1995 година, Ерик Фосум од НАСА го измислил сензорот за слика CMOS (комплементарен метал-оксид полупроводник), кој троши 100 пати помалку енергија од сличните CCD сензори за слика и има многу пониски трошоци за производство.
Сл. 11 Вилард Бојл (лево), Џорџ Смит и нивниот CCD (1974)
На крајот на 20 век, тековното подобрување на технологијата за обработка и производство на полупроводнички оптоелектронски чипови, особено со примената на низата CCD и CMOS во спектрометрите Сл. 12, станува возможно да се добие целосен опсег на спектри под една експозиција.Со текот на времето, спектрометрите најдоа широка употреба во широк опсег на апликации, вклучително, но не ограничувајќи се на откривање/мерење на бои, ласерска анализа на бранова должина и флуоресцентна спектроскопија, LED сортирање, опрема за сензори за слики и осветлување, флуоресцентна спектроскопија, Раман спектроскопија и повеќе .
Сл. 12 Различни CCD чипови
Во 21 век, технологијата за дизајн и производство на различни видови спектрометри постепено созрева и се стабилизира.Со зголемената побарувачка за спектрометри во сите сфери на животот, развојот на спектрометрите стана побрз и специфичен за индустријата.Покрај конвенционалните индикатори за оптички параметри, различни индустрии имаат приспособено барање за големина на волумен, софтверски функции, комуникациски интерфејси, брзина на одговор, стабилност, па дури и трошоци за спектрометрите, со што развојот на спектрометарот станува поразновиден.
Време на објавување: 28-11-2023 година