Spektrometer ialah instrumen saintifik, digunakan untuk menganalisis spektrum sinaran elektromagnet, ia boleh memaparkan spektrum sinaran sebagai spektrograf yang mewakili taburan keamatan cahaya berkenaan dengan panjang gelombang (paksi-y ialah keamatan, paksi-x ialah panjang gelombang / frekuensi cahaya).Cahaya berbeza dipisahkan kepada panjang gelombang konstituennya di dalam spektrometer oleh pembahagi rasuk, yang biasanya prisma biasan atau jeriji pembelauan Rajah 1.
Rajah 1 Spektrum mentol lampu dan cahaya matahari (kiri), prinsip pembelahan rasuk parut dan prisma (kanan)
Spektrometer memainkan peranan penting dalam mengukur julat luas sinaran optik, sama ada dengan memeriksa secara langsung spektrum pancaran sumber cahaya atau dengan menganalisis pantulan, penyerapan, penghantaran atau penyerakan cahaya berikutan interaksinya dengan bahan.Selepas interaksi cahaya dan jirim, spektrum mengalami perubahan dalam julat spektrum tertentu atau panjang gelombang tertentu, dan sifat bahan boleh dianalisis secara kualitatif atau kuantitatif mengikut perubahan dalam spektrum, seperti analisis biologi dan kimia komposisi dan kepekatan darah dan larutan yang tidak diketahui, dan analisis molekul, struktur atom dan komposisi unsur bahan Rajah 2.
Rajah 2 Spektrum penyerapan inframerah pelbagai jenis minyak
Pada asalnya dicipta untuk kajian fizik, astronomi, kimia, spektrometer kini merupakan salah satu instrumen terpenting dalam banyak bidang seperti kejuruteraan kimia, analisis bahan, sains astronomi, diagnostik perubatan, dan penderiaan bio.Pada abad ke-17, Isaac Newton dapat membahagikan cahaya kepada jalur berwarna berterusan dengan menghantar pancaran cahaya putih melalui prisma dan menggunakan perkataan "Spectrum" buat kali pertama untuk menerangkan keputusan ini Rajah 3.
Rajah 3 Isaac Newton mengkaji spektrum cahaya matahari dengan prisma.
Pada awal abad ke-19, saintis Jerman Joseph von Fraunhofer (Franchofer), digabungkan dengan prisma, celah pembelauan dan teleskop, membuat spektrometer dengan ketepatan dan ketepatan tinggi, yang digunakan untuk menganalisis spektrum pelepasan suria Rajah 4. Dia diperhatikan buat kali pertama bahawa spektrum tujuh warna matahari tidak berterusan, tetapi mempunyai beberapa garis gelap (lebih 600 garis diskret) di atasnya, dikenali sebagai "garisan Frankenhofer" yang terkenal.Dia menamakan garis yang paling jelas ini A, B, C…H dan dia mengira kira-kira 574 baris antara B dan H yang sepadan dengan penyerapan unsur-unsur yang berbeza pada spektrum suria Rajah 5. Pada masa yang sama, Fraunhofer juga merupakan pertama menggunakan parut pembelauan untuk mendapatkan spektrum garis dan untuk mengira panjang gelombang garis spektrum.
Rajah 4. Spektrometer awal, dilihat dengan manusia
Rajah 5 Garisan Fraun Whaffe (garisan gelap dalam reben)
Rajah 6 Spektrum suria, dengan bahagian cekung sepadan dengan garis Fraun Wolfel
Pada pertengahan abad ke-19, ahli fizik Jerman Kirchhoff dan Bunsen, bekerja bersama di Universiti Heidelberg, dan dengan alat nyalaan Bunsen yang baru direka (penunu Bunsen) dan melakukan analisis spektrum pertama dengan mencatat garis spektrum khusus bahan kimia yang berbeza. (garam) ditaburkan ke dalam api penunu Bunsen ara.7. Mereka menyedari pemeriksaan kualitatif unsur-unsur dengan memerhatikan spektrum, dan pada tahun 1860 menerbitkan penemuan spektrum lapan unsur, dan menentukan kewujudan unsur-unsur ini dalam beberapa sebatian semula jadi.Penemuan mereka membawa kepada penciptaan satu cabang penting kimia analitikal spektroskopi: analisis spektroskopi
Rajah 7 Tindak balas nyalaan
Pada 20-an abad ke-20, ahli fizik India CV Raman menggunakan spektrometer untuk menemui kesan serakan tak anjal cahaya dan molekul dalam larutan organik.Dia memerhatikan bahawa cahaya kejadian bertaburan dengan tenaga yang lebih tinggi dan lebih rendah selepas berinteraksi dengan cahaya, yang kemudiannya dipanggil hamburan Raman rajah 8. Perubahan tenaga cahaya mencirikan struktur mikro molekul, jadi spektroskopi hamburan Raman digunakan secara meluas dalam bahan, perubatan, kimia. dan industri lain untuk mengenal pasti dan menganalisis jenis molekul dan struktur bahan.
Rajah 8 Tenaga beralih selepas cahaya berinteraksi dengan molekul
Pada 30-an abad ke-20, saintis Amerika Dr. Beckman mula-mula mencadangkan untuk mengukur penyerapan spektrum ultraviolet pada setiap panjang gelombang secara berasingan untuk memetakan spektrum penyerapan lengkap, dengan itu mendedahkan jenis dan kepekatan bahan kimia dalam larutan.Laluan cahaya penyerapan penghantaran ini terdiri daripada sumber cahaya, spektrometer, dan sampel.Kebanyakan komposisi penyelesaian semasa dan pengesanan kepekatan adalah berdasarkan spektrum penyerapan penghantaran ini.Di sini, sumber cahaya dibelah pada sampel dan prisma atau parut diimbas untuk mendapatkan panjang gelombang yang berbeza Rajah 9.
Rajah.9 Prinsip Pengesanan Serapan –
Pada 40-an abad ke-20, spektrometer pengesanan langsung pertama telah dicipta, dan buat pertama kalinya, tiub photomultiplier PMT dan peranti elektronik menggantikan pemerhatian mata manusia tradisional atau filem fotografi, yang boleh membaca secara langsung intensiti spektrum terhadap panjang gelombang Rajah. 10. Oleh itu, spektrometer sebagai instrumen saintifik telah dipertingkatkan dengan ketara dari segi kemudahan penggunaan, pengukuran kuantitatif, dan kepekaan sepanjang tempoh masa.
Rajah 10 Tiub pengganda foto
Pada pertengahan hingga akhir abad ke-20, pembangunan teknologi spektrometer tidak dapat dipisahkan daripada pembangunan bahan dan peranti semikonduktor optoelektronik.Pada tahun 1969, Willard Boyle dan George Smith dari Bell Labs mencipta CCD (Charge-Coupled Device), yang kemudiannya diperbaiki dan dikembangkan menjadi aplikasi pengimejan oleh Michael F. Tompsett pada tahun 1970-an.Willard Boyle (kiri), George Smith menang yang memenangi Hadiah Nobel untuk ciptaan CCD (2009) yang ditunjukkan dalam Rajah 11. Pada tahun 1980, Nobukazu Teranishi dari NEC di Jepun mencipta fotodiod tetap, yang meningkatkan nisbah hingar imej dan resolusi.Kemudian, pada tahun 1995, Eric Fossum dari NASA mencipta penderia imej CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), yang menggunakan kuasa 100 kali kurang daripada penderia imej CCD yang serupa dan mempunyai kos pengeluaran yang jauh lebih rendah.
Rajah 11 Willard Boyle (kiri), George Smith dan CCD mereka (1974)
Pada penghujung abad ke-20, penambahbaikan berterusan teknologi pemprosesan dan pembuatan cip optoelektronik semikonduktor, terutamanya dengan penggunaan array CCD dan CMOS dalam spektrometer Rajah 12, ia menjadi mungkin untuk mendapatkan rangkaian penuh spektrum di bawah satu pendedahan.Dari masa ke masa, spektrometer telah menemui penggunaan yang meluas dalam pelbagai aplikasi, termasuk tetapi tidak terhad kepada pengesanan/pengukuran warna, analisis panjang gelombang laser dan spektroskopi pendarfluor, pengisihan LED, pengimejan dan peralatan pengesan pencahayaan, spektroskopi pendarfluor, spektroskopi Raman dan banyak lagi. .
Rajah 12 Pelbagai cip CCD
Pada abad ke-21, reka bentuk dan teknologi pembuatan pelbagai jenis spektrometer telah beransur-ansur matang dan stabil.Dengan permintaan yang semakin meningkat untuk spektrometer dalam semua lapisan masyarakat, pembangunan spektrometer telah menjadi lebih pesat dan khusus industri.Sebagai tambahan kepada penunjuk parameter optik konvensional, industri yang berbeza telah menyesuaikan keperluan saiz volum, fungsi perisian, antara muka komunikasi, kelajuan tindak balas, kestabilan, dan juga kos spektrometer, menjadikan pembangunan spektrometer menjadi lebih pelbagai.
Masa siaran: Nov-28-2023