Spektrometr je vědecký přístroj, který se používá k analýze spektra elektromagnetického záření, dokáže zobrazit spektrum záření jako spektrograf představující rozložení intenzity světla vzhledem k vlnové délce (osa y je intenzita, osa x je vlnová délka /frekvence světla).Světlo je uvnitř spektrometru různě rozděleno na vlnové délky své složky pomocí děličů paprsků, což jsou obvykle refrakční hranoly nebo difrakční mřížky Obr.
1 Spektrum žárovky a slunečního světla (vlevo), princip dělení paprsku mřížky a hranolu (vpravo) Obr.
Spektrometry hrají důležitou roli při měření širokého rozsahu optického záření, ať už přímým zkoumáním emisního spektra světelného zdroje nebo analýzou odrazu, absorpce, prostupu nebo rozptylu světla po jeho interakci s materiálem.Po interakci světla a hmoty dochází ke změně spektra v určitém spektrálním rozsahu nebo specifické vlnové délce a vlastnosti látky mohou být kvalitativně nebo kvantitativně analyzovány podle změny spektra, jako je biologická a chemická analýza složení a koncentrace krve a neznámých roztoků a analýza molekuly, atomové struktury a elementárního složení materiálů Obr.
Obr. 2 Infračervená absorpční spektra různých typů olejů
Spektrometr, původně vynalezený pro studium fyziky, astronomie, chemie, je nyní jedním z nejdůležitějších nástrojů v mnoha oblastech, jako je chemické inženýrství, analýza materiálů, astronomická věda, lékařská diagnostika a bio-snímání.V 17. století byl Isaac Newton schopen rozdělit světlo na souvislý barevný pás průchodem paprsku bílého světla hranolem a poprvé použil slovo „Spektrum“ k popisu těchto výsledků Obr.
Obr. 3 Isaac Newton studuje spektrum slunečního světla pomocí hranolu.
Na začátku 19. století německý vědec Joseph von Fraunhofer (Franchofer) v kombinaci s hranoly, difrakčními štěrbinami a dalekohledy vyrobil spektrometr s vysokou přesností a přesností, který se používal k analýze spektra slunečních emisí obr. 4. poprvé pozorovali, že spektrum sedmi barev slunce není spojité, ale má na sobě množství tmavých čar (přes 600 samostatných čar), známé jako slavná „Frankenhoferova čára“.Nejvýraznější z těchto čar pojmenoval A, B, C…H a mezi B a H napočítal asi 574 čar, což odpovídá absorpci různých prvků ve slunečním spektru Obr. 5. Současně byl Fraunhofer také nejprve použít difrakční mřížku k získání čarového spektra a k výpočtu vlnové délky spektrálních čar.
Obr. 4. Raný spektrometr, pozorovaný člověkem
Obr. 5 Linka Fraun Whaffe (tmavá linka na pásu karet)
Obr. 6 Sluneční spektrum, s konkávní částí odpovídající linii Fraun Wolfel
V polovině 19. století němečtí fyzici Kirchhoff a Bunsen spolupracovali na univerzitě v Heidelbergu a s Bunsenovým nově navrženým plamenovým nástrojem (Bunsenův hořák) a provedli první spektrální analýzu tím, že zaznamenali specifické spektrální čáry různých chemikálií. (soli) nasypané do plamene Bunsenova hořáku Obr.7. Realizovali kvalitativní zkoumání prvků pozorováním spekter a v roce 1860 publikovali objev spekter osmi prvků a určili existenci těchto prvků v několika přírodních sloučeninách.Jejich poznatky vedly k vytvoření důležitého odvětví spektroskopické analytické chemie: spektroskopické analýzy
Obr.7 Reakce plamene
Ve 20. letech 20. století indický fyzik CV Raman použil spektrometr, aby objevil nepružný rozptylový efekt světla a molekul v organických roztocích.Pozoroval, že dopadající světlo se po interakci se světlem rozptyluje s vyšší a nižší energií, což se později nazývá Ramanův rozptyl obr. 8. Změna světelné energie charakterizuje mikrostrukturu molekul, proto je Ramanova rozptylová spektroskopie široce používána v materiálech, medicíně, chemickém průmyslu. a další průmyslová odvětví k identifikaci a analýze molekulárního typu a struktury látek.
Obr. 8 Energie se po interakci světla s molekulami posune
Ve 30. letech 20. století americký vědec Dr. Beckman poprvé navrhl měřit absorpci ultrafialových spekter na každé vlnové délce zvlášť, aby zmapoval kompletní absorpční spektrum, a tím odhalil typ a koncentraci chemikálií v roztoku.Tato transmisní absorpční světelná cesta se skládá ze světelného zdroje, spektrometru a vzorku.Většina současné detekce složení roztoku a koncentrace je založena na tomto transmisním absorpčním spektru.Zde se zdroj světla rozdělí na vzorek a hranol nebo mřížka se snímá pro získání různých vlnových délek Obr.
Obr.9 Princip detekce absorbance –
Ve 40. letech 20. století byl vynalezen první spektrometr s přímou detekcí a poprvé fotonásobiče PMT a elektronická zařízení nahradily tradiční pozorování lidského oka nebo fotografický film, který dokázal přímo odečítat spektrální intenzitu vůči vlnové délce Obr. 10. Spektrometr jako vědecký přístroj se tedy v průběhu času výrazně zlepšil z hlediska snadnosti použití, kvantitativního měření a citlivosti.
Obr. 10 Fotonásobič
Od poloviny do konce 20. století byl vývoj technologie spektrometrů neoddělitelný od vývoje optoelektronických polovodičových materiálů a zařízení.V roce 1969 Willard Boyle a George Smith z Bellových laboratoří vynalezli CCD (Charge-Coupled Device), které pak v 70. letech Michael F. Tompsett vylepšil a vyvinul do zobrazovacích aplikací.Willard Boyle (vlevo), vyhrál George Smith, který získal Nobelovu cenu za svůj vynález CCD (2009) na obr. 11. V roce 1980 vynalezl Nobukazu Teranishi z NEC v Japonsku pevnou fotodiodu, která výrazně zlepšila poměr obrazového šumu a rozlišení.Později, v roce 1995, Eric Fossum z NASA vynalezl obrazový snímač CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), který spotřebuje 100krát méně energie než podobné obrazové snímače CCD a má mnohem nižší výrobní náklady.
11 Willard Boyle (vlevo), George Smith a jejich CCD (1974) Obr.
Na konci 20. století, pokračující zlepšování technologie zpracování a výroby polovodičových optoelektronických čipů, zejména s aplikací pole CCD a CMOS ve spektrometrech obr. 12, je možné získat plný rozsah spekter při jediné expozici.Postupem času našly spektrometry široké použití v široké řadě aplikací, včetně, ale bez omezení, detekce/měření barev, laserové analýzy vlnových délek a fluorescenční spektroskopie, LED třídění, zobrazovacích a světelných snímacích zařízení, fluorescenční spektroskopie, Ramanovy spektroskopie a dalších .
Obr. 12 Různé CCD čipy
V 21. století konstrukce a technologie výroby různých typů spektrometrů postupně dozrály a ustálily se.S rostoucí poptávkou po spektrometrech ve všech oblastech života se vývoj spektrometrů stal rychlejším a průmyslově specifickým.Kromě konvenčních indikátorů optických parametrů mají různá průmyslová odvětví přizpůsobené požadavky na velikost objemu, softwarové funkce, komunikační rozhraní, rychlost odezvy, stabilitu a dokonce i náklady na spektrometry, díky čemuž se vývoj spektrometrů stává diverzifikovanějším.
Čas odeslání: 28. listopadu 2023