Спектрометар је научни инструмент, који се користи за анализу спектра електромагнетног зрачења, може приказати спектар зрачења као спектрограф који представља расподелу интензитета светлости у односу на таласну дужину (и-оса је интензитет, к-оса је таласна дужина /фреквенција светлости).Светлост је различито подељена на таласне дужине својих саставних делова унутар спектрометра помоћу разделника снопа, који су обично рефрактивне призме или дифракционе решетке. Слика 1.
Слика 1 Спектар сијалице и сунчеве светлости (лево), принцип цепања снопа решетке и призме (десно)
Спектрометри играју важну улогу у мерењу широког опсега оптичког зрачења, било директним испитивањем емисионог спектра извора светлости или анализом рефлексије, апсорпције, трансмисије или расејања светлости након њене интеракције са материјалом.Након интеракције светлости и материје, спектар доживљава промену у одређеном спектралном опсегу или одређеној таласној дужини, а својства супстанце се могу квалитативно или квантитативно анализирати према промени спектра, као што је биолошка и хемијска анализа састав и концентрација крви и непознатих раствора и анализа молекула, атомске структуре и елементарног састава материјала Сл.2.
Слика 2 Инфрацрвени апсорпциони спектри различитих типова уља
Првобитно измишљен за проучавање физике, астрономије, хемије, спектрометар је данас један од најважнијих инструмената у многим областима као што су хемијско инжењерство, анализа материјала, астрономска наука, медицинска дијагностика и биосенсинг.У 17. веку, Исак Њутн је успео да подели светлост на непрекидну обојену траку пропуштањем снопа беле светлости кроз призму и први пут употребио реч „Спектар“ да опише ове резултате. Слика 3.
Слика 3 Исак Њутн проучава спектар сунчеве светлости помоћу призме.
Почетком 19. века, немачки научник Јозеф фон Фраунхофер (Франхофер), у комбинацији са призмама, дифракционим прорезима и телескопима, направио је спектрометар високе прецизности и тачности, који је коришћен за анализу спектра сунчевих емисија Фиг 4. приметио је по први пут да спектар сунчевих седам боја није непрекидан, већ има низ тамних линија (преко 600 дискретних линија) на себи, познатих као чувена „Франкенхоферова линија“.Он је назвао најразличитије од ових линија А, Б, Ц…Х и избројао је око 574 линије између Б и Х што одговара апсорпцији различитих елемената на соларном спектру Слика 5. У исто време, Фраунхофер је такође био и прво да користи дифракциону решетку за добијање линијских спектра и за израчунавање таласне дужине спектралних линија.
Слика 4. Рани спектрометар, посматран са човеком
Слика 5 линија Фраун Вхаффе (тамна линија у траци)
Слика 6 Соларни спектар, са конкавним делом који одговара линији Фраун Волфел
Средином 19. века, немачки физичари Кирхоф и Бунзен, радили су заједно на Универзитету у Хајделбергу и са Бунзеновим новодизајнираним пламеним алатом (Бунзенов горионик) и извршили прву спектралну анализу бележећи специфичне спектралне линије различитих хемикалија. (соли) посипане у пламен Бунзеновог горионика сл.7. Остварили су квалитативно испитивање елемената посматрањем спектра, а 1860. објавили откриће спектра осам елемената и утврдили постојање ових елемената у неколико природних једињења.Њихови налази довели су до стварања важне гране спектроскопске аналитичке хемије: спектроскопске анализе
Сл.7 Реакција пламена
Двадесетих година 20. века индијски физичар ЦВ Раман је помоћу спектрометра открио ефекат нееластичног расејања светлости и молекула у органским растворима.Он је приметио да се упадна светлост распршује са већом и мањом енергијом након интеракције са светлошћу, што је касније названо Раманово расејање слика 8. Промена светлосне енергије карактерише микроструктуру молекула, тако да се спектроскопија Раманског расејања широко користи у материјалима, медицини, хемикалијама. и друге индустрије да идентификују и анализирају молекуларни тип и структуру супстанци.
Слика 8 Енергија се помера након што светлост ступи у интеракцију са молекулима
Тридесетих година 20. века амерички научник др Бекман је први предложио да се мери апсорпција ултраљубичастог спектра на свакој таласној дужини посебно да би се мапирао комплетан апсорпциони спектар, чиме се открива врста и концентрација хемикалија у раствору.Овај пут апсорпције преноса светлости се састоји од извора светлости, спектрометра и узорка.Већина тренутног састава раствора и детекције концентрације заснива се на овом спектру апсорпције преноса.Овде се извор светлости дели на узорак и призма или решетка се скенира да би се добиле различите таласне дужине Слика 9.
Слика 9 Принцип детекције апсорпције –
40-их година 20. века изумљен је први спектрометар са директном детекцијом, а по први пут су фотомултипликаторске цеви ПМТ и електронски уређаји заменили традиционално посматрање људског ока или фотографски филм, који је могао директно да очитава интензитет спектра у односу на таласну дужину. 10. Тако је спектрометар као научни инструмент значајно побољшан у смислу лакоће употребе, квантитативног мерења и осетљивости током временског периода.
Слика 10 Фотоумножачка цев
Средином и крајем 20. века развој спектрометарске технологије био је неодвојив од развоја оптоелектронских полупроводничких материјала и уређаја.Године 1969. Вилард Бојл и Џорџ Смит из Белл Лабс изумили су ЦЦД (Уређај са наелектрисањем), који је потом побољшао и развио у апликације за снимање слика Мајкл Ф. Томсет 1970-их.Виллард Боиле (лево), добио је Џорџ Смит који је добио Нобелову награду за њихов проналазак ЦЦД-а (2009) приказан на слици 11. Године 1980. Нобуказу Теранисхи из НЕЦ-а у Јапану је изумео фиксну фотодиоду, која је знатно побољшала однос шума и резолуција.Касније, 1995. године, Ерик Фосум из НАСА-е је изумео ЦМОС (комплементарни метал-оксидни полупроводник) сензор слике, који троши 100 пута мање енергије од сличних ЦЦД сензора слике и има много нижу цену производње.
11 Вилард Бојл (лево), Џорџ Смит и њихов ЦЦД (1974)
Крајем 20. века, континуираним унапређењем технологије обраде и производње полупроводничких оптоелектронских чипова, посебно применом низа ЦЦД и ЦМОС у спектрометрима Слика 12, постаје могуће добити цео опсег спектра под једном експозицијом.Временом су спектрометри нашли широку примену у широком спектру примена, укључујући, али не ограничавајући се на детекцију/мерење боје, анализу таласне дужине ласера и флуоресцентну спектроскопију, ЛЕД сортирање, опрему за снимање и детекцију осветљења, флуоресцентну спектроскопију, Раманову спектроскопију и још много тога .
Слика 12 Различити ЦЦД чипови
У 21. веку, технологија пројектовања и производње различитих типова спектрометара постепено је сазревала и стабилизовала се.Са растућом потражњом за спектрометрима у свим сферама живота, развој спектрометара је постао бржи и специфичнији за индустрију.Поред конвенционалних индикатора оптичких параметара, различите индустрије имају прилагођене захтеве за величином волумена, софтверским функцијама, комуникационим интерфејсима, брзином одзива, стабилности, па чак и трошковима спектрометара, чинећи развој спектрометара разноврснијим.
Време поста: 28.11.2023