Спектрометр — это научный прибор, используемый для анализа спектра электромагнитного излучения. Он может отображать спектр излучений в виде спектрографа, представляющего распределение интенсивности света по длине волны (ось Y — интенсивность, ось X — длина волны). /частота света).Свет по-разному разделяется на составляющие его длины волн внутри спектрометра светоделителями, которые обычно представляют собой преломляющие призмы или дифракционные решетки (рис. 1).
Рис. 1 Спектр лампочки и солнечного света (слева), принцип светоделения решетки и призмы (справа)
Спектрометры играют важную роль в измерении широкого диапазона оптического излучения, будь то путем непосредственного исследования спектра излучения источника света или путем анализа отражения, поглощения, пропускания или рассеяния света после его взаимодействия с материалом.После взаимодействия света и материи спектр претерпевает изменение в определенном спектральном диапазоне или определенной длине волны, и свойства вещества могут быть качественно или количественно проанализированы в соответствии с изменением спектра, например, биологический и химический анализ состав и концентрация крови и неизвестных растворов, а также анализ молекулы, атомного строения и элементного состава материалов Рис. 2.
Рис. 2. Инфракрасные спектры поглощения различных типов масел.
Первоначально изобретенный для изучения физики, астрономии и химии, спектрометр сегодня является одним из важнейших инструментов во многих областях, таких как химическая технология, анализ материалов, астрономическая наука, медицинская диагностика и биосенсорство.В 17 веке Исаак Ньютон смог разделить свет на непрерывные цветные полосы, пропустив луч белого света через призму, и впервые использовал слово «Спектр» для описания этого результата. Рис. 3.
Рис. 3 Исаак Ньютон изучает спектр солнечного света с помощью призмы.
В начале 19 века немецкий учёный Йозеф фон Фраунгофер (Франхофер) в сочетании с призмами, дифракционными щелями и телескопами изготовил спектрометр высокой точности и точности, который использовался для анализа спектра солнечного излучения Рис 4. Он впервые заметил, что спектр семицветности Солнца не является непрерывным, а имеет на нем ряд темных линий (более 600 дискретных линий), известных как знаменитая «линия Франкенгофера».Он назвал наиболее отчетливые из этих линий A, B, C…H и насчитал около 574 линий между B и H, что соответствует поглощению различных элементов в солнечном спектре (рис. 5). В то же время Фраунгофер был также первым использовал дифракционную решетку для получения линейчатых спектров и расчета длин волн спектральных линий.
Рис. 4. Ранний спектрометр, вид с человека
Рис. 5 Линия Фраун Ваффе (темная линия на ленте)
Рис. 6. Солнечный спектр, вогнутая часть которого соответствует линии Фраун Вольфеля.
В середине XIX века немецкие физики Кирхгоф и Бунзен вместе работали в Гейдельбергском университете и с помощью недавно разработанного Бунзена огневого инструмента (бунзоновской горелки) провели первый спектральный анализ, отметив определенные спектральные линии различных химических веществ. (соли), посыпанные в пламя горелки Бунзена рис.7. Они осуществили качественное исследование элементов путем наблюдения за спектрами, а в 1860 году опубликовали открытие спектров восьми элементов и определили существование этих элементов в нескольких природных соединениях.Их открытия привели к созданию важной отрасли спектроскопии, аналитической химии: спектроскопического анализа.
Рис.7 Реакция пламени
В 20-х годах 20 века индийский физик К. В. Раман с помощью спектрометра обнаружил эффект неупругого рассеяния света и молекул в органических растворах.Он заметил, что падающий свет после взаимодействия со светом рассеивается с большей и меньшей энергией, что позже назвали комбинационным рассеянием (рис. 8). Изменение энергии света характеризует микроструктуру молекул, поэтому спектроскопия комбинационного рассеяния широко используется в материалах, медицине, химии. и других отраслях промышленности для выявления и анализа молекулярного типа и структуры веществ.
Рис. 8. Энергия меняется после взаимодействия света с молекулами.
В 30-х годах 20 века американский учёный доктор Бекман впервые предложил измерять спектры поглощения ультрафиолета на каждой длине волны отдельно, чтобы составить карту полного спектра поглощения, тем самым выявляя тип и концентрацию химических веществ в растворе.Этот путь передачи и поглощения света состоит из источника света, спектрометра и образца.Большая часть текущего определения состава и концентрации растворов основана на этом спектре поглощения пропускания.Здесь источник света разделяется на образец, а призма или решетка сканируется для получения различных длин волн (рис. 9).
Рис.9 Принцип определения поглощения –
В 40-х годах 20-го века был изобретен первый спектрометр прямого детектирования, и впервые фотоумножители, ФЭУ и электронные устройства заменили традиционные наблюдения человеческим глазом или фотографическую пленку, которые могли напрямую считывать спектральную интенсивность в зависимости от длины волны. 10. Таким образом, с течением времени спектрометр как научный инструмент был значительно улучшен с точки зрения простоты использования, количественных измерений и чувствительности.
Рис. 10 Фотоумножитель
В середине-конце 20 в. развитие спектрометрической техники было неотделимо от разработки оптоэлектронных полупроводниковых материалов и приборов.В 1969 году Уиллард Бойл и Джордж Смит из Bell Labs изобрели ПЗС (устройство с зарядовой связью), которое затем было улучшено и развито в приложениях для обработки изображений Майклом Ф. Томпсеттом в 1970-х годах.Уиллард Бойл (слева), Джордж Смит, получивший Нобелевскую премию за изобретение ПЗС (2009), показан на рис. 11. В 1980 году Нобуказу Тераниши из NEC в Японии изобрел фиксированный фотодиод, который значительно улучшил коэффициент шума изображения и разрешение.Позже, в 1995 году, Эрик Фоссум из НАСА изобрел датчик изображения CMOS (дополнительный металл-оксид-полупроводник), который потребляет в 100 раз меньше энергии, чем аналогичные датчики изображения CCD, и имеет гораздо более низкую себестоимость производства.
Рис. 11 Уиллард Бойл (слева), Джордж Смит и их ПЗС (1974 г.)
В конце 20-го века постоянное совершенствование технологий обработки и производства полупроводниковых оптоэлектронных чипов, особенно с применением матричных ПЗС- и КМОП-матриц в спектрометрах (рис. 12), становится возможным получать полный спектр спектров за одну экспозицию.Со временем спектрометры нашли широкое применение в широком спектре приложений, включая, помимо прочего, обнаружение/измерение цвета, анализ длины волны лазера и флуоресцентную спектроскопию, сортировку светодиодов, оборудование для визуализации и светочувствительного оборудования, флуоресцентную спектроскопию, рамановскую спектроскопию и многое другое. .
Рис. 12 Различные ПЗС-чипы
В XXI веке конструкция и технология изготовления различных типов спектрометров постепенно созрели и стабилизировались.С ростом спроса на спектрометры во всех сферах жизни разработка спектрометров стала более быстрой и отраслевой.В дополнение к традиционным индикаторам оптических параметров различные отрасли промышленности предъявляют индивидуальные требования к размеру объема, функциям программного обеспечения, интерфейсам связи, скорости отклика, стабильности и даже стоимости спектрометров, что делает разработку спектрометров более диверсифицированной.
Время публикации: 28 ноября 2023 г.