Spektrometrs ir zinātnisks instruments, ko izmanto, lai analizētu elektromagnētiskā starojuma spektru, un tas var attēlot starojuma spektru kā spektrogrāfu, kas attēlo gaismas intensitātes sadalījumu attiecībā pret viļņa garumu (y ass ir intensitāte, x ass ir viļņa garums /gaismas frekvence).Gaisma ir dažādi sadalīta tās sastāvdaļu viļņu garumos spektrometra iekšpusē ar staru sadalītājiem, kas parasti ir refrakcijas prizmas vai difrakcijas režģi 1. att.
1. att. Spuldzes un saules gaismas spektrs (pa kreisi), režģa staru sadalīšanas princips un prizma (pa labi)
Spektrometriem ir svarīga loma plaša optiskā starojuma diapazona mērīšanā, vai nu tieši pārbaudot gaismas avota emisijas spektru, vai analizējot gaismas atstarošanu, absorbciju, caurlaidību vai izkliedi pēc tās mijiedarbības ar materiālu.Pēc gaismas un vielas mijiedarbības spektrs piedzīvo izmaiņas noteiktā spektra diapazonā vai noteiktā viļņa garumā, un vielas īpašības var kvalitatīvi vai kvantitatīvi analizēt atbilstoši spektra izmaiņām, piemēram, bioloģisko un ķīmisko analīzi. asiņu un nezināmu šķīdumu sastāvs un koncentrācija, kā arī materiālu molekulu, atomu struktūras un elementu sastāva analīze 2. att.
2. att. Dažādu veidu eļļu infrasarkanās absorbcijas spektri
Sākotnēji izgudrots fizikas, astronomijas, ķīmijas izpētei, spektrometrs tagad ir viens no svarīgākajiem instrumentiem daudzās jomās, piemēram, ķīmiskajā inženierijā, materiālu analīzē, astronomijas zinātnē, medicīniskajā diagnostikā un biosensorē.17. gadsimtā Īzaks Ņūtons spēja sadalīt gaismu nepārtrauktā krāsainā joslā, izlaižot baltas gaismas staru cauri prizmai, un pirmo reizi izmantoja vārdu “Spectrum”, lai aprakstītu šos rezultātus.
3. attēls Īzaks Ņūtons pēta saules gaismas spektru ar prizmu.
19. gadsimta sākumā vācu zinātnieks Jozefs fon Fraunhofers (Franchofer) kopā ar prizmām, difrakcijas spraugām un teleskopiem izgatavoja augstas precizitātes un precizitātes spektrometru, ar kuru analizēja saules emisiju spektru 4. att. pirmo reizi novēroja, ka saules septiņu krāsu spektrs nav nepārtraukts, bet tajā ir vairākas tumšas līnijas (vairāk nekā 600 diskrētas līnijas), kas pazīstama kā slavenā "Frankenhofera līnija".Viņš nosauca visizteiktākās no šīm līnijām A, B, C…H un viņš saskaitīja aptuveni 574 līnijas starp B un H, kas atbilst dažādu saules spektra elementu absorbcijai 5. attēlā. Tajā pašā laikā Fraunhofers bija arī vispirms izmantot difrakcijas režģi, lai iegūtu līniju spektrus un aprēķinātu spektrālo līniju viļņa garumu.
4. attēls. Agrīnais spektrometrs, skatoties kopā ar cilvēku
5. att. Fraun Whaffe līnija (tumša līnija lentē)
6. attēls Saules spektrs ar ieliekto daļu, kas atbilst Fraun Wolfel līnijai
19. gadsimta vidū vācu fiziķi Kirhhofs un Bunsens strādāja kopā Heidelbergas Universitātē un ar Bunsena jaunizveidoto liesmas instrumentu (Bunsena degli) un veica pirmo spektrālo analīzi, atzīmējot dažādu ķīmisko vielu specifiskās spektrālās līnijas. (sāļi) pārkaisa Bunsena degļa liesmā att.7. Viņi realizēja elementu kvalitatīvo izpēti, novērojot spektrus, un 1860. gadā publicēja astoņu elementu spektru atklāšanu un noteica šo elementu eksistenci vairākos dabas savienojumos.Viņu atklājumi ļāva izveidot svarīgu spektroskopijas analītiskās ķīmijas nozari: spektroskopisko analīzi
7. att. Liesmas reakcija
20. gadsimta 20. gados indiešu fiziķis CV Ramans izmantoja spektrometru, lai atklātu gaismas un molekulu neelastīgo izkliedes efektu organiskos šķīdumos.Viņš novēroja, ka krītošā gaisma pēc mijiedarbības ar gaismu izkliedējas ar lielāku un mazāku enerģiju, ko vēlāk sauc par Ramana izkliedi 8. att. Gaismas enerģijas maiņa raksturo molekulu mikrostruktūru, tāpēc Ramana izkliedes spektroskopija tiek plaši izmantota materiālos, medicīnā, ķīmijā. un citām nozarēm, lai identificētu un analizētu vielu molekulāro tipu un struktūru.
8. attēls Enerģija mainās pēc gaismas mijiedarbības ar molekulām
20. gadsimta 30. gados amerikāņu zinātnieks Dr. Bekmens pirmo reizi ierosināja izmērīt ultravioletā spektra absorbciju katrā viļņa garumā atsevišķi, lai noteiktu pilnu absorbcijas spektru, tādējādi atklājot ķīmisko vielu veidu un koncentrāciju šķīdumā.Šis pārraides absorbcijas gaismas ceļš sastāv no gaismas avota, spektrometra un parauga.Lielākā daļa pašreizējā šķīduma sastāva un koncentrācijas noteikšanas ir balstīta uz šo pārraides absorbcijas spektru.Šeit gaismas avots tiek sadalīts uz parauga un tiek skenēta prizma vai režģis, lai iegūtu dažādus viļņu garumus 9. att.
9. att. Absorbcijas noteikšanas princips –
20. gadsimta 40. gados tika izgudrots pirmais tiešās noteikšanas spektrometrs, un pirmo reizi fotopavairotāja lampas PMT un elektroniskās ierīces aizstāja tradicionālo cilvēka acu novērošanas jeb fotofilmu, kas varēja tieši nolasīt spektrālo intensitāti pret viļņa garumu. 10. Tādējādi spektrometrs kā zinātnisks instruments laika gaitā ir ievērojami uzlabots lietošanas vienkāršības, kvantitatīvo mērījumu un jutības ziņā.
10. att. Fotopavairotāja caurule
20. gadsimta vidū un beigās spektrometru tehnoloģiju attīstība nebija atdalāma no optoelektronisko pusvadītāju materiālu un ierīču attīstības.1969. gadā Vilards Boils un Džordžs Smits no Bell Labs izgudroja CCD (Charge-Coupled Device), ko pēc tam 70. gados uzlaboja un attīstīja attēlveidošanas lietojumprogrammās Maikls F. Tompsets.Vilards Boils (pa kreisi), Džordžs Smits ieguva Nobela prēmiju par CCD izgudrojumu (2009), kas parādīts 11. attēlā. 1980. gadā Nobukazu Teraniši no NEC Japānā izgudroja fiksētu fotodiodi, kas ievērojami uzlaboja attēla trokšņu attiecību un izšķirtspēju.Vēlāk, 1995. gadā, NASA Ēriks Fosums izgudroja CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) attēla sensoru, kas patērē 100 reizes mazāk enerģijas nekā līdzīgi CCD attēla sensori un tam ir daudz zemākas ražošanas izmaksas.
11. attēls Vilards Boils (pa kreisi), Džordžs Smits un viņu CCD (1974)
20. gadsimta beigās, nepārtraukti pilnveidojot pusvadītāju optoelektronisko mikroshēmu apstrādes un ražošanas tehnoloģiju, īpaši izmantojot masīvu CCD un CMOS spektrometros 12. att., kļūst iespējams iegūt pilnu spektru diapazonu ar vienu ekspozīciju.Laika gaitā spektrometri ir atraduši plašu pielietojumu plašā lietojumu klāstā, tostarp, bet neaprobežojoties ar krāsu noteikšanu/mērīšanu, lāzera viļņu garuma analīzi un fluorescences spektroskopiju, LED šķirošanu, attēlveidošanas un apgaismojuma sensoru aprīkojumu, fluorescences spektroskopiju, Ramana spektroskopiju un citiem. .
12. att. Dažādas CCD mikroshēmas
21. gadsimtā dažāda veida spektrometru projektēšanas un ražošanas tehnoloģija ir pakāpeniski nobriedusi un stabilizējusies.Pieaugot pieprasījumam pēc spektrometriem visās dzīves jomās, spektrometru attīstība ir kļuvusi straujāka un nozarei specifiskāka.Papildus parastajiem optisko parametru indikatoriem dažādās nozarēs ir pielāgotas prasības attiecībā uz skaļuma lielumu, programmatūras funkcijām, sakaru saskarnēm, reakcijas ātrumu, stabilitāti un pat spektrometru izmaksām, padarot spektrometru attīstību daudzveidīgāku.
Izlikšanas laiks: 28. novembris 2023