Ang spectrometer ay isang pang-agham na instrumento, na ginagamit upang pag-aralan ang spectrum ng electromagnetic radiations, maaari itong magpakita ng spectrum ng radiations bilang spectrograph na kumakatawan sa pamamahagi ng light intensity na may paggalang sa wavelength (y-axis ay ang intensity, x-axis ay ang wavelength / dalas ng liwanag).Ang ilaw ay naiiba na pinaghihiwalay sa mga wavelength ng nasasakupan nito sa loob ng spectrometer ng mga beam splitter, na kadalasang mga refractive prisms o diffraction gratings Fig. 1.
Fig. 1 Spectrum ng light bulb at sikat ng araw (kaliwa), beam splitting principle ng grating at prism (kanan)
May mahalagang papel ang mga spectrometer sa pagsukat ng malawak na hanay ng optical radiation, sa pamamagitan man ng direktang pagsusuri sa emission spectrum ng isang light source o sa pamamagitan ng pagsusuri sa reflection, absorption, transmission, o scattering ng liwanag kasunod ng pakikipag-ugnayan nito sa isang materyal.Pagkatapos ng interaksyon ng liwanag at bagay, nararanasan ng spectrum ang pagbabago sa isang tiyak na spectral range o isang tiyak na wavelength, at ang mga katangian ng substance ay maaaring qualitatively o quantitatively na masuri ayon sa pagbabago sa spectrum, tulad ng biological at chemical analysis ng ang komposisyon at konsentrasyon ng dugo at hindi kilalang mga solusyon, at ang pagsusuri ng molekula, atomic na istraktura at elementong komposisyon ng mga materyales Fig. 2.
Fig. 2 Infrared absorption spectra ng iba't ibang uri ng langis
Orihinal na naimbento para sa pag-aaral ng physics, astronomy, chemistry, ang spectrometer ay isa na ngayon sa pinakamahalagang instrumento sa maraming larangan tulad ng chemical engineering, materials analysis, astronomical science, medical diagnostics, at bio-sensing.Noong ika-17 siglo, nagawang hatiin ni Isaac Newton ang liwanag sa tuluy-tuloy na kulay na banda sa pamamagitan ng pagpasa ng sinag ng puting liwanag sa isang prisma at ginamit ang salitang "Spectrum" sa unang pagkakataon upang ilarawan ang mga resultang ito Fig. 3.
Fig. 3 Pinag-aaralan ni Isaac Newton ang spectrum ng sikat ng araw gamit ang isang prisma.
Sa simula ng ika-19 na siglo, ang Aleman na siyentipiko na si Joseph von Fraunhofer (Franchofer), na sinamahan ng mga prisms, diffraction slits at teleskopyo, ay gumawa ng spectrometer na may mataas na katumpakan at katumpakan, na ginamit upang pag-aralan ang spectrum ng solar emissions Fig 4. Siya naobserbahan sa unang pagkakataon na ang spectrum ng pitong kulay ng araw ay hindi tuloy-tuloy, ngunit may bilang ng mga madilim na linya (mahigit sa 600 discrete lines) dito, na kilala bilang sikat na "Frankenhofer line".Pinangalanan niya ang pinakanatatangi sa mga linyang ito na A, B, C…H at nagbilang siya ng mga 574 na linya sa pagitan ng B at H na tumutugma sa pagsipsip ng iba't ibang elemento sa solar spectrum Fig. 5. Kasabay nito, si Fraunhofer din ang unang gumamit ng diffraction grating para makakuha ng line spectra at para kalkulahin ang wavelength ng spectral lines.
Fig. 4. Isang maagang spectrometer, tiningnan kasama ng tao
Fig. 5 Fraun Whaffe line (madilim na linya sa ribbon)
Fig. 6 Solar spectrum, na may malukong bahagi na tumutugma sa linya ng Fraun Wolfel
Sa kalagitnaan ng ika-19 na siglo, ang German physicists na sina Kirchhoff at Bunsen, ay nagtulungan sa Unibersidad ng Heidelberg, at kasama ang bagong idinisenyong flame tool ni Bunsen (ang Bunsen burner) at nagsagawa ng unang spectral analysis sa pamamagitan ng pagpuna sa mga partikular na spectral lines ng iba't ibang kemikal. (mga asin) na binudburan sa apoy ng Bunsen burner fig.7. Napagtanto nila ang qualitative examination ng mga elemento sa pamamagitan ng pagmamasid sa spectra, at noong 1860 ay inilathala ang pagtuklas ng spectra ng walong elemento, at natukoy ang pagkakaroon ng mga elementong ito sa ilang natural na tambalan.Ang kanilang mga natuklasan ay humantong sa paglikha ng isang mahalagang sangay ng spectroscopy analytical chemistry: spectroscopic analysis
Fig.7 Reaksyon ng apoy
Noong 20s ng ika-20 siglo, gumamit ang Indian physicist na si CV Raman ng spectrometer upang matuklasan ang hindi nababanat na epekto ng scattering ng liwanag at mga molekula sa mga organikong solusyon.Napagmasdan niya na ang liwanag ng insidente ay nakakalat na may mas mataas at mas mababang enerhiya pagkatapos makipag-ugnay sa liwanag, na kalaunan ay tinatawag na Raman scattering fig 8. Ang pagbabago ng light energy ay nagpapakilala sa microstructure ng mga molekula, kaya ang Raman scattering spectroscopy ay malawakang ginagamit sa mga materyales, gamot, kemikal. at iba pang mga industriya upang matukoy at masuri ang molekular na uri at istraktura ng mga sangkap.
Fig. 8 Ang enerhiya ay nagbabago pagkatapos makipag-ugnayan ang liwanag sa mga molekula
Noong 30s ng ika-20 siglo, unang iminungkahi ng Amerikanong siyentipiko na si Dr. Beckman na sukatin ang pagsipsip ng ultraviolet spectra sa bawat wavelength nang hiwalay upang i-map out ang kumpletong spectrum ng pagsipsip, at sa gayon ay inilalantad ang uri at konsentrasyon ng mga kemikal sa solusyon.Ang transmission absorption light route na ito ay binubuo ng light source, spectrometer, at sample.Ang karamihan sa kasalukuyang komposisyon ng solusyon at pagtuklas ng konsentrasyon ay batay sa spectrum ng pagsipsip ng paghahatid na ito.Dito, ang pinagmumulan ng liwanag ay nahahati sa sample at ang prism o grating ay ini-scan upang makakuha ng iba't ibang wavelength Fig. 9.
Fig.9 Prinsipyo ng Absorbance Detection –
Noong 40s ng ika-20 siglo, naimbento ang unang direct detection spectrometer, at sa unang pagkakataon, pinalitan ng mga photomultiplier tube na PMT at mga elektronikong device ang tradisyonal na pagmamasid sa mata ng tao o photographic film, na maaaring direktang basahin ang spectral intensity laban sa wavelength Fig. 10. Kaya, ang spectrometer bilang isang siyentipikong instrumento ay makabuluhang napabuti sa mga tuntunin ng kadalian ng paggamit, dami ng pagsukat, at pagiging sensitibo sa paglipas ng panahon.
Fig. 10 Photomultiplier tube
Sa kalagitnaan hanggang sa huling bahagi ng ika-20 siglo, ang pag-unlad ng teknolohiya ng spectrometer ay hindi mapaghihiwalay mula sa pag-unlad ng optoelectronic semiconductor na materyales at aparato.Noong 1969, naimbento nina Willard Boyle at George Smith ng Bell Labs ang CCD (Charge-Coupled Device), na noon ay pinahusay at ginawang mga aplikasyon ng imaging ni Michael F. Tompsett noong 1970s.Si Willard Boyle (kaliwa), si George Smith ay nanalo na nanalo ng Nobel Prize para sa kanilang pag-imbento ng CCD (2009) na ipinakita sa Fig. 11. Noong 1980, si Nobukazu Teranishi ng NEC sa Japan ay nag-imbento ng isang nakapirming photodiode, na lubos na nagpabuti sa ratio ng ingay ng imahe at resolusyon.Nang maglaon, noong 1995, naimbento ni Eric Fossum ng NASA ang sensor ng imahe ng CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), na kumukonsumo ng 100 beses na mas kaunting kapangyarihan kaysa sa mga katulad na sensor ng imahe ng CCD at may mas mababang gastos sa produksyon.
Fig. 11 Willard Boyle (kaliwa), George Smith at ang kanilang CCD (1974)
Sa pagtatapos ng ika-20 siglo, ang patuloy na pagpapabuti ng semiconductor optoelectronic chip processing at manufacturing technology, lalo na sa paggamit ng array CCD at CMOS sa spectrometers Fig. 12, nagiging posible na makakuha ng buong hanay ng spectra sa ilalim ng iisang exposure.Sa paglipas ng panahon, nakita ng mga spectrometer ang malawak na paggamit sa isang malawak na hanay ng mga application, kabilang ang ngunit hindi limitado sa pagtuklas/pagsukat ng kulay, pagsusuri ng wavelength ng laser, at fluorescence spectroscopy, pag-uuri ng LED, kagamitan sa pag-imaging at lighting sensing, fluorescence spectroscopy, Raman spectroscopy, at higit pa .
Fig. 12 Iba't ibang CCD chips
Sa ika-21 siglo, ang disenyo at teknolohiya ng pagmamanupaktura ng iba't ibang uri ng spectrometers ay unti-unting nag-mature at nagpapatatag.Sa lumalaking pangangailangan para sa mga spectrometer sa lahat ng antas ng pamumuhay, ang pagbuo ng mga spectrometer ay naging mas mabilis at partikular sa industriya.Bilang karagdagan sa mga maginoo na optical parameter indicator, ang iba't ibang mga industriya ay may customized na pangangailangan ng laki ng volume, mga function ng software, mga interface ng komunikasyon, bilis ng pagtugon, katatagan, at maging ang mga gastos ng spectrometers, na ginagawang mas sari-sari ang pagbuo ng spectrometer.
Oras ng post: Nob-28-2023