Een spectrometer is een wetenschappelijk instrument dat wordt gebruikt om het spectrum van elektromagnetische straling te analyseren. Het kan een spectrum van straling weergeven als een spectrograaf die de verdeling van de lichtintensiteit ten opzichte van de golflengte weergeeft (y-as is de intensiteit, x-as is de golflengte /frequentie van het licht).Het licht wordt in de spectrometer gescheiden in de golflengten van zijn bestanddelen door bundelsplitsers, meestal refractieve prisma's of diffractieroosters (Fig. 1).
Fig. 1 Spectrum van gloeilamp en zonlicht (links), bundelsplitsingsprincipe van rooster en prisma (rechts)
Spectrometers spelen een belangrijke rol bij het meten van een breed scala aan optische straling, hetzij door rechtstreeks het emissiespectrum van een lichtbron te onderzoeken, hetzij door de reflectie, absorptie, transmissie of verstrooiing van licht na de interactie met een materiaal te analyseren.Na de interactie tussen licht en materie ervaart het spectrum de verandering in een bepaald spectraal bereik of een specifieke golflengte, en de eigenschappen van de stof kunnen kwalitatief of kwantitatief worden geanalyseerd op basis van de verandering in het spectrum, zoals de biologische en chemische analyse van de samenstelling en concentratie van bloed en onbekende oplossingen, en de analyse van het molecuul, de atomaire structuur en de elementaire samenstelling van materialen Fig. 2.
Fig. 2 Infraroodabsorptiespectra van verschillende soorten oliën
Oorspronkelijk uitgevonden voor de studie van natuurkunde, astronomie en scheikunde, is de spectrometer nu een van de belangrijkste instrumenten op veel gebieden, zoals chemische technologie, materiaalanalyse, astronomische wetenschappen, medische diagnostiek en biosensoren.In de 17e eeuw slaagde Isaac Newton erin het licht in een doorlopende gekleurde band te splitsen door een straal wit licht door een prisma te laten gaan en gebruikte hij voor het eerst het woord ‘Spectrum’ om deze resultaten te beschrijven (Fig. 3).
Afb. 3 Isaac Newton bestudeert het zonlichtspectrum met een prisma.
Aan het begin van de 19e eeuw maakte de Duitse wetenschapper Joseph von Fraunhofer (Franchofer), gecombineerd met prisma's, diffractiespleten en telescopen, een spectrometer met hoge precisie en nauwkeurigheid, die werd gebruikt om het spectrum van zonne-emissies te analyseren (Fig. 4). voor het eerst waargenomen dat het spectrum van de zeven kleuren van de zon niet continu is, maar een aantal donkere lijnen (meer dan 600 afzonderlijke lijnen) bevat, bekend als de beroemde "Frankenhofer-lijn".Hij noemde de meest opvallende van deze lijnen A, B, C...H en hij telde ongeveer 574 lijnen tussen B en H, wat overeenkomt met de absorptie van verschillende elementen op het zonnespectrum (Fig. 5). Tegelijkertijd was Fraunhofer ook de eerst een diffractierooster gebruiken om lijnspectra te verkrijgen en de golflengte van de spectraallijnen te berekenen.
Fig. 4. Een vroege spectrometer, bekeken met de mens
Afb. 5 Fraun Whaffe-lijn (donkere lijn in lint)
Fig. 6 Zonnespectrum, waarbij het concave gedeelte overeenkomt met de Fraun Wolfel-lijn
In het midden van de 19e eeuw werkten de Duitse natuurkundigen Kirchhoff en Bunsen samen aan de Universiteit van Heidelberg en met Bunsens nieuw ontworpen vlamgereedschap (de bunsenbrander) en voerden ze de eerste spectrale analyse uit door de specifieke spectraallijnen van verschillende chemicaliën te noteren. (zouten) gestrooid in de vlam van de bunsenbrander fig.7. Ze realiseerden het kwalitatieve onderzoek van elementen door de spectra te observeren, en publiceerden in 1860 de ontdekking van de spectra van acht elementen, en stelden het bestaan van deze elementen in verschillende natuurlijke verbindingen vast.Hun bevindingen leidden tot de oprichting van een belangrijke tak van de spectroscopie-analytische chemie: spectroscopische analyse
Afb.7 Vlamreactie
In de jaren twintig van de twintigste eeuw gebruikte de Indiase natuurkundige CV Raman een spectrometer om het inelastische verstrooiingseffect van licht en moleculen in organische oplossingen te ontdekken.Hij merkte op dat het invallende licht met hogere en lagere energie verstrooide na interactie met licht, wat later Raman-verstrooiing wordt genoemd (figuur 8). De verandering van lichtenergie karakteriseert de microstructuur van moleculen, dus Raman-verstrooiingsspectroscopie wordt veel gebruikt in materialen, medicijnen, chemicaliën en andere industrieën om het moleculaire type en de structuur van stoffen te identificeren en analyseren.
Fig. 8 De energie verschuift nadat licht interageert met de moleculen
In de jaren dertig van de twintigste eeuw stelde de Amerikaanse wetenschapper Dr. Beckman voor het eerst voor om de absorptie van ultraviolette spectra bij elke golflengte afzonderlijk te meten om het volledige absorptiespectrum in kaart te brengen, waardoor het type en de concentratie van chemicaliën in oplossing zichtbaar worden.Deze transmissie-absorptielichtroute bestaat uit de lichtbron, spectrometer en monster.Het grootste deel van de huidige oplossingssamenstelling en concentratiedetectie is gebaseerd op dit transmissie-absorptiespectrum.Hier wordt de lichtbron op het monster gesplitst en wordt het prisma of rooster gescand om verschillende golflengten te verkrijgen (Fig. 9).
Afb.9 Principe van absorptiedetectie –
In de jaren ’40 van de 20e eeuw werd de eerste spectrometer met directe detectie uitgevonden, en voor het eerst vervingen fotomultiplicatorbuizen (PMT’s) en elektronische apparaten de traditionele menselijke oogobservatie of fotografische film, die de spectrale intensiteit direct tegen de golflengte kon uitlezen. 10. De spectrometer als wetenschappelijk instrument is in de loop van de tijd dus aanzienlijk verbeterd in termen van gebruiksgemak, kwantitatieve metingen en gevoeligheid.
Afb. 10 Fotomultiplicatorbuis
Halverwege de 20e eeuw was de ontwikkeling van de spectrometertechnologie onlosmakelijk verbonden met de ontwikkeling van opto-elektronische halfgeleidermaterialen en -apparaten.In 1969 vonden Willard Boyle en George Smith van Bell Labs CCD (Charge-Coupled Device) uit, dat vervolgens in de jaren zeventig door Michael F. Tompsett werd verbeterd en ontwikkeld tot beeldtoepassingen.Willard Boyle (links), George Smith won de Nobelprijs voor hun uitvinding van de CCD (2009), weergegeven in figuur 11. In 1980 vond Nobukazu Teranishi van NEC in Japan een vaste fotodiode uit, die de beeldruisverhouding aanzienlijk verbeterde en oplossing.Later, in 1995, vond Eric Fossum van NASA de CMOS-beeldsensor (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) uit, die 100 keer minder stroom verbruikt dan vergelijkbare CCD-beeldsensoren en veel lagere productiekosten heeft.
Afb. 11 Willard Boyle (links), George Smith en hun CCD (1974)
Aan het einde van de 20e eeuw werd het dankzij de voortdurende verbetering van de verwerkings- en productietechnologie van opto-elektronische halfgeleiderchips, vooral met de toepassing van array-CCD en CMOS in spectrometers (Fig. 12), mogelijk om een volledig spectrum aan spectra te verkrijgen onder een enkele belichting.In de loop van de tijd zijn spectrometers uitgebreid gebruikt in een breed scala aan toepassingen, waaronder maar niet beperkt tot kleurdetectie/meting, lasergolflengteanalyse en fluorescentiespectroscopie, LED-sortering, beeld- en lichtdetectieapparatuur, fluorescentiespectroscopie, Raman-spectroscopie en meer. .
Afb. 12 Diverse CCD-chips
In de 21e eeuw is de ontwerp- en productietechnologie van verschillende soorten spectrometers geleidelijk volwassen geworden en gestabiliseerd.Met de groeiende vraag naar spectrometers in alle lagen van de bevolking is de ontwikkeling van spectrometers sneller en sectorspecifiek geworden.Naast de conventionele optische parameterindicatoren hebben verschillende industrieën aangepaste vereisten op het gebied van volumegrootte, softwarefuncties, communicatie-interfaces, responssnelheid, stabiliteit en zelfs kosten van spectrometers, waardoor de ontwikkeling van spectrometers meer gediversifieerd wordt.
Posttijd: 28 november 2023