'n Spektrometer is 'n wetenskaplike instrument wat gebruik word om die spektrum van elektromagnetiese straling te ontleed, dit kan 'n spektrum van bestraling vertoon as 'n spektrograaf wat die verspreiding van ligintensiteit met betrekking tot golflengte voorstel (y-as is die intensiteit, x-as is die golflengte /frekwensie van die lig).Die lig is verskillend geskei in sy bestanddele se golflengtes binne die spektrometer deur straalverdelers, wat gewoonlik refraktiewe prismas of diffraksieroosters is Fig. 1.
Fig. 1 Spektrum van gloeilamp en sonlig (links), straalverdelingsbeginsel van rooster en prisma (regs)
Spektrometers speel 'n belangrike rol in die meting van 'n wye reeks optiese straling, hetsy deur die emissiespektrum van 'n ligbron direk te ondersoek of deur die weerkaatsing, absorpsie, transmissie of verstrooiing van lig na die interaksie daarvan met 'n materiaal te ontleed.Na die lig- en materieinteraksie ervaar die spektrum die verandering in 'n sekere spektrale reeks of 'n spesifieke golflengte, en die eienskappe van die stof kan kwalitatief of kwantitatief ontleed word volgens die verandering in die spektrum, soos die biologiese en chemiese ontleding van die samestelling en konsentrasie van bloed en onbekende oplossings, en die ontleding van die molekule, atoomstruktuur en elementêre samestelling van materiale Fig.
Fig. 2 Infrarooi absorpsiespektra van verskillende tipes olies
Oorspronklik uitgevind vir die studie van fisika, sterrekunde, chemie, is die spektrometer nou een van die belangrikste instrumente in baie velde soos chemiese ingenieurswese, materiaalanalise, sterrekundige wetenskap, mediese diagnostiek en bio-sensing.In die 17de eeu was Isaac Newton in staat om die lig in aaneenlopende gekleurde band te verdeel deur 'n straal wit lig deur 'n prisma te stuur en het die woord "Spektrum" vir die eerste keer gebruik om hierdie resultate te beskryf Fig. 3.
Fig. 3 Isaac Newton bestudeer die sonligspektrum met 'n prisma.
Aan die begin van die 19de eeu het die Duitse wetenskaplike Joseph von Fraunhofer (Franchofer), gekombineer met prismas, diffraksiegleuwe en teleskope, 'n spektrometer met hoë presisie en akkuraatheid gemaak, wat gebruik is om die spektrum van sonvrystellings te ontleed Fig 4. Hy vir die eerste keer waargeneem dat die spektrum van die son se sewekleur nie aaneenlopend is nie, maar 'n aantal donker lyne (meer as 600 diskrete lyne) daarop het, bekend as die bekende "Frankenhofer-lyn".Hy het die mees duidelike van hierdie lyne A, B, C...H genoem en hy het sowat 574 lyne tussen B en H getel wat ooreenstem met die absorpsie van verskillende elemente op die sonspektrum Fig. 5. Terselfdertyd was Fraunhofer ook die om eers 'n diffraksierooster te gebruik om lynspektra te verkry en om die golflengte van die spektrale lyne te bereken.
Fig. 4. 'n Vroeë spektrometer, saam met die mens gesien
Fig. 5 Fraun Whaffe-lyn (donker lyn in lint)
Fig. 6 Sonspektrum, met die konkawe gedeelte wat ooreenstem met die Fraun Wolfel-lyn
In die middel van die 19de eeu het die Duitse fisici Kirchhoff en Bunsen saam aan die Universiteit van Heidelberg gewerk en met Bunsen se nuut ontwerpte vlamwerktuig (die Bunsen-brander) en die eerste spektrale analise uitgevoer deur die spesifieke spektrale lyne van verskillende chemikalieë te let (soute) gestrooi in Bunsenbrander vlam vy.7. Hulle het die kwalitatiewe ondersoek van elemente besef deur die spektra waar te neem, en in 1860 die ontdekking van die spektra van agt elemente gepubliseer, en die bestaan van hierdie elemente in verskeie natuurlike samestelling bepaal.Hul bevindinge het gelei tot die skepping van 'n belangrike tak van spektroskopie analitiese chemie: spektroskopiese analise
Fig.7 Vlamreaksie
In die 20's van die 20ste eeu het die Indiese fisikus CV Raman 'n spektrometer gebruik om die onelastiese verstrooiingseffek van lig en molekules in organiese oplossings te ontdek.Hy het opgemerk dat die invallende lig met hoër en laer energie verstrooi het na interaksie met lig, wat later Raman-verstrooiing genoem word fig 8. Die verandering van ligenergie kenmerk die mikrostruktuur van molekules, dus word Raman-verstrooiingspektroskopie wyd gebruik in materiale, medisyne, chemiese en ander industrieë om die molekulêre tipe en struktuur van stowwe te identifiseer en te ontleed.
Fig. 8 Die energie verskuif nadat lig met die molekules in wisselwerking verkeer
In die 30's van die 20ste eeu het die Amerikaanse wetenskaplike Dr. Beckman die eerste keer voorgestel om die absorpsie van ultravioletspektra by elke golflengte afsonderlik te meet om die volledige absorpsiespektrum uit te beeld, en sodoende die tipe en konsentrasie van chemikalieë in oplossing te openbaar.Hierdie transmissie-absorpsie-ligroete bestaan uit die ligbron, spektrometer en monster.Die meeste van die huidige oplossing samestelling en konsentrasie opsporing is gebaseer op hierdie transmissie absorpsie spektrum.Hier word die ligbron op die monster verdeel en die prisma of rooster word geskandeer om verskillende golflengtes te verkry Fig. 9.
Fig.9 Absorbansie-opsporingsbeginsel –
In die 40's van die 20ste eeu is die eerste direkte detectiespektrometer uitgevind, en vir die eerste keer het fotovermenigvuldigerbuise PMT's en elektroniese toestelle die tradisionele menslike oogwaarneming of fotografiese film vervang, wat die spektrale intensiteit direk teen golflengte kon uitlees. 10. Dus, die spektrometer as 'n wetenskaplike instrument is aansienlik verbeter in terme van gemak van gebruik, kwantitatiewe meting en sensitiwiteit oor die tydperk van tyd.
Fig. 10 Fotovermenigvuldigerbuis
In die middel tot laat 20ste eeu was die ontwikkeling van spektrometertegnologie onafskeidbaar van die ontwikkeling van opto-elektroniese halfgeleiermateriale en -toestelle.In 1969 het Willard Boyle en George Smith van Bell Labs CCD (Charge-Coupled Device) uitgevind, wat toe in die 1970's deur Michael F. Tompsett verbeter en in beeldtoepassings ontwikkel is.Willard Boyle (links), George Smith het gewen wie die Nobelprys gewen het vir hul uitvinding van die CCD (2009) getoon Fig. 11. In 1980 het Nobukazu Teranishi van NEC in Japan 'n vaste fotodiode uitgevind, wat die beeldgeraasverhouding aansienlik verbeter het en resolusie.Later, in 1995, het NASA se Eric Fossum die CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) beeldsensor uitgevind, wat 100 keer minder krag as soortgelyke CCD-beeldsensors verbruik en 'n baie laer produksiekoste het.
Fig. 11 Willard Boyle (links), George Smith en hul CCD (1974)
Aan die einde van die 20ste eeu, die voortdurende verbetering van halfgeleier opto-elektroniese chip verwerking en vervaardigingstegnologie, veral met die toepassing van skikking CCD en CMOS in spektrometers Fig. 12, word dit moontlik om 'n volle reeks spektra onder 'n enkele blootstelling te verkry.Met verloop van tyd het spektrometers uitgebreide gebruik gevind in 'n wye reeks toepassings, insluitend maar nie beperk nie tot kleuropsporing/meting, lasergolflengte-analise en fluoressensiespektroskopie, LED-sortering, beeld- en beligtingswaarnemingstoerusting, fluoressensiespektroskopie, Raman-spektroskopie, en meer .
Fig. 12 Verskeie CCD-skyfies
In die 21ste eeu het die ontwerp- en vervaardigingstegnologie van verskeie soorte spektrometers geleidelik verouder en gestabiliseer.Met die groeiende vraag na spektrometers in alle vlakke van die lewe, het die ontwikkeling van spektrometers vinniger en industrie-spesifiek geword.Benewens die konvensionele optiese parameter-aanwysers, het verskillende nywerhede persoonlike vereistes van volumegrootte, sagtewarefunksies, kommunikasie-koppelvlakke, reaksiespoed, stabiliteit en selfs koste van spektrometers, wat die spektrometerontwikkeling meer gediversifiseerd maak.
Pos tyd: Nov-28-2023