Ένα φασματόμετρο είναι ένα επιστημονικό όργανο, που χρησιμοποιείται για την ανάλυση του φάσματος των ηλεκτρομαγνητικών ακτινοβολιών, μπορεί να εμφανίσει ένα φάσμα ακτινοβολιών ως φασματογράφος που αντιπροσωπεύει την κατανομή της έντασης φωτός σε σχέση με το μήκος κύματος (ο άξονας y είναι η ένταση, ο άξονας x είναι το μήκος κύματος /συχνότητα φωτός).Το φως διαχωρίζεται διαφορετικά στα μήκη κύματος του συστατικού του μέσα στο φασματόμετρο με διαχωριστές δέσμης, που είναι συνήθως διαθλαστικά πρίσματα ή πλέγματα περίθλασης Εικ. 1.
Εικ. 1 Φάσμα λαμπτήρα και ηλιακό φως (αριστερά), αρχή διαχωρισμού δέσμης πλέγματος και πρίσμα (δεξιά)
Τα φασματόμετρα διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη μέτρηση ενός ευρέος φάσματος οπτικής ακτινοβολίας, είτε εξετάζοντας απευθείας το φάσμα εκπομπής μιας φωτεινής πηγής είτε αναλύοντας την ανάκλαση, την απορρόφηση, τη μετάδοση ή τη σκέδαση του φωτός μετά την αλληλεπίδρασή του με ένα υλικό.Μετά την αλληλεπίδραση φωτός και ύλης, το φάσμα βιώνει την αλλαγή σε ένα συγκεκριμένο φασματικό εύρος ή ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος και οι ιδιότητες της ουσίας μπορούν να αναλυθούν ποιοτικά ή ποσοτικά σύμφωνα με την αλλαγή στο φάσμα, όπως η βιολογική και χημική ανάλυση του η σύνθεση και η συγκέντρωση του αίματος και των άγνωστων διαλυμάτων και η ανάλυση του μορίου, της ατομικής δομής και της στοιχειακής σύνθεσης των υλικών Εικ. 2.
Εικ. 2 Φάσματα απορρόφησης υπέρυθρων διαφορετικών τύπων ελαίων
Αρχικά εφευρέθηκε για τη μελέτη της φυσικής, της αστρονομίας, της χημείας, το φασματόμετρο είναι τώρα ένα από τα πιο σημαντικά όργανα σε πολλούς τομείς όπως η χημική μηχανική, η ανάλυση υλικών, η αστρονομική επιστήμη, η ιατρική διαγνωστική και η βιοαισθητήρια.Τον 17ο αιώνα, ο Ισαάκ Νεύτων μπόρεσε να χωρίσει το φως σε συνεχή έγχρωμη ζώνη περνώντας μια δέσμη λευκού φωτός μέσα από ένα πρίσμα και χρησιμοποίησε για πρώτη φορά τη λέξη «Spectrum» για να περιγράψει αυτό το αποτέλεσμα στο Σχ. 3.
Εικ. 3 Ο Ισαάκ Νεύτωνας μελετά το φάσμα του ηλιακού φωτός με ένα πρίσμα.
Στις αρχές του 19ου αιώνα, ο Γερμανός επιστήμονας Joseph von Fraunhofer (Franchofer), σε συνδυασμό με πρίσματα, σχισμές περίθλασης και τηλεσκόπια, κατασκεύασε ένα φασματόμετρο με υψηλή ακρίβεια και ακρίβεια, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση του φάσματος των ηλιακών εκπομπών Εικ. 4. Παρατήρησε για πρώτη φορά ότι το φάσμα του επτάχρωμου του ήλιου δεν είναι συνεχές, αλλά έχει έναν αριθμό σκοτεινών γραμμών (πάνω από 600 διακριτές γραμμές) πάνω του, γνωστό ως η περίφημη "γραμμή Frankenhofer".Ονόμασε τις πιο ευδιάκριτες από αυτές τις γραμμές A, B, C…H και μέτρησε περίπου 574 γραμμές μεταξύ B και H που αντιστοιχεί στην απορρόφηση διαφορετικών στοιχείων στο ηλιακό φάσμα Εικ. 5. Την ίδια στιγμή, ο Fraunhofer ήταν επίσης ο πρώτα να χρησιμοποιήσετε ένα πλέγμα περίθλασης για να λάβετε φάσματα γραμμής και να υπολογίσετε το μήκος κύματος των φασματικών γραμμών.
Εικ. 4. Ένα πρώιμο φασματόμετρο, που παρατηρείται με τον άνθρωπο
Εικ. 5 Γραμμή Fraun Whaffe (σκούρα γραμμή σε κορδέλα)
Εικ. 6 Ηλιακό φάσμα, με το κοίλο τμήμα να αντιστοιχεί στη γραμμή Fraun Wolfel
Στα μέσα του 19ου αιώνα, οι Γερμανοί φυσικοί Kirchhoff και Bunsen εργάστηκαν μαζί στο Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης και με το πρόσφατα σχεδιασμένο εργαλείο φλόγας του Bunsen (ο καυστήρας Bunsen) και πραγματοποίησαν την πρώτη φασματική ανάλυση σημειώνοντας τις συγκεκριμένες φασματικές γραμμές διαφορετικών χημικών ουσιών. (άλατα) πασπαλισμένα στη φλόγα του καυστήρα Bunsen σύκο.7. Συνειδητοποίησαν την ποιοτική εξέταση των στοιχείων παρατηρώντας τα φάσματα και το 1860 δημοσίευσαν την ανακάλυψη των φασμάτων των οκτώ στοιχείων και προσδιόρισαν την ύπαρξη αυτών των στοιχείων σε αρκετές φυσικές ενώσεις.Τα ευρήματά τους οδήγησαν στη δημιουργία ενός σημαντικού κλάδου της φασματοσκοπικής αναλυτικής χημείας: φασματοσκοπική ανάλυση
Εικ.7 Αντίδραση φλόγας
Στη δεκαετία του 20 του 20ου αιώνα, ο Ινδός φυσικός CV Raman χρησιμοποίησε ένα φασματόμετρο για να ανακαλύψει την ανελαστική επίδραση σκέδασης του φωτός και των μορίων σε οργανικά διαλύματα.Παρατήρησε ότι το προσπίπτον φως διασκορπίστηκε με υψηλότερη και χαμηλότερη ενέργεια μετά την αλληλεπίδραση με το φως, το οποίο αργότερα ονομάστηκε Raman scattering Fig 8. Η αλλαγή της φωτεινής ενέργειας χαρακτηρίζει τη μικροδομή των μορίων, έτσι η φασματοσκοπία σκέδασης Raman χρησιμοποιείται ευρέως σε υλικά, ιατρική, χημικά και άλλες βιομηχανίες για τον εντοπισμό και την ανάλυση του μοριακού τύπου και της δομής των ουσιών.
Εικ. 8 Η ενέργεια μετατοπίζεται μετά την αλληλεπίδραση του φωτός με τα μόρια
Στη δεκαετία του '30 του 20ου αιώνα, ο Αμερικανός επιστήμονας Dr. Beckman πρότεινε για πρώτη φορά να μετρηθεί η απορρόφηση των υπεριωδών φασμάτων σε κάθε μήκος κύματος χωριστά για να χαρτογραφηθεί το πλήρες φάσμα απορρόφησης, αποκαλύπτοντας έτσι τον τύπο και τη συγκέντρωση των χημικών ουσιών στο διάλυμα.Αυτή η διαδρομή φωτός απορρόφησης μετάδοσης αποτελείται από την πηγή φωτός, το φασματόμετρο και το δείγμα.Το μεγαλύτερο μέρος της τρέχουσας ανίχνευσης σύνθεσης και συγκέντρωσης διαλύματος βασίζεται σε αυτό το φάσμα απορρόφησης μετάδοσης.Εδώ, η πηγή φωτός χωρίζεται στο δείγμα και το πρίσμα ή το πλέγμα σαρώνεται για να ληφθούν διαφορετικά μήκη κύματος Εικ. 9.
Εικ. 9 Αρχή ανίχνευσης απορρόφησης –
Στη δεκαετία του '40 του 20ου αιώνα, εφευρέθηκε το πρώτο φασματόμετρο άμεσης ανίχνευσης και για πρώτη φορά, οι σωλήνες φωτοπολλαπλασιαστή PMT και οι ηλεκτρονικές συσκευές αντικατέστησαν την παραδοσιακή παρατήρηση ανθρώπινου ματιού ή το φωτογραφικό φιλμ, το οποίο μπορούσε να διαβάσει άμεσα την φασματική ένταση έναντι του μήκους κύματος. 10. Έτσι, το φασματόμετρο ως επιστημονικό όργανο έχει βελτιωθεί σημαντικά όσον αφορά την ευκολία χρήσης, την ποσοτική μέτρηση και την ευαισθησία με την πάροδο του χρόνου.
Εικ. 10 Σωλήνας φωτοπολλαπλασιαστή
Στα μέσα έως τα τέλη του 20ου αιώνα, η ανάπτυξη της τεχνολογίας φασματόμετρου ήταν αδιαχώριστη από την ανάπτυξη υλικών και συσκευών οπτοηλεκτρονικών ημιαγωγών.Το 1969, ο Willard Boyle και ο George Smith των Bell Labs ανακάλυψαν την CCD (Charge-Coupled Device), η οποία στη συνέχεια βελτιώθηκε και εξελίχθηκε σε εφαρμογές απεικόνισης από τον Michael F. Tompsett τη δεκαετία του 1970.Ο Willard Boyle (αριστερά), ο George Smith κέρδισε το βραβείο Νόμπελ για την εφεύρεση του CCD (2009) που φαίνεται στην Εικ. 11. Το 1980, ο Nobukazu Teranishi της NEC στην Ιαπωνία εφηύρε μια σταθερή φωτοδίοδο, η οποία βελτίωσε σημαντικά την αναλογία θορύβου εικόνας και ανάλυση.Αργότερα, το 1995, ο Eric Fossum της NASA εφηύρε τον αισθητήρα εικόνας CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), ο οποίος καταναλώνει 100 φορές λιγότερη ενέργεια από παρόμοιους αισθητήρες εικόνας CCD και έχει πολύ χαμηλότερο κόστος παραγωγής.
Εικ. 11 Willard Boyle (αριστερά), George Smith and their CCD (1974)
Στα τέλη του 20ου αιώνα, η συνεχής βελτίωση της τεχνολογίας επεξεργασίας και κατασκευής οπτοηλεκτρονικών τσιπ ημιαγωγών, ειδικά με την εφαρμογή συστοιχιών CCD και CMOS στα φασματόμετρα Εικ. 12, καθίσταται δυνατή η απόκτηση πλήρους εύρους φασμάτων κάτω από μία μόνο έκθεση.Με την πάροδο του χρόνου, τα φασματόμετρα βρήκαν εκτεταμένη χρήση σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, όπως, ενδεικτικά, η ανίχνευση/μέτρηση χρώματος, η ανάλυση μήκους κύματος λέιζερ και η φασματοσκοπία φθορισμού, η ταξινόμηση LED, ο εξοπλισμός απεικόνισης και ανίχνευσης φωτός, η φασματοσκοπία φθορισμού, η φασματοσκοπία Raman και άλλα .
Εικ. 12 Διάφορα τσιπ CCD
Στον 21ο αιώνα, η τεχνολογία σχεδιασμού και κατασκευής διαφόρων τύπων φασματόμετρων έχει σταδιακά ωριμάσει και σταθεροποιηθεί.Με την αυξανόμενη ζήτηση για φασματόμετρα σε όλα τα κοινωνικά στρώματα, η ανάπτυξη των φασματόμετρων έχει γίνει πιο γρήγορη και ειδική για τη βιομηχανία.Εκτός από τους συμβατικούς δείκτες οπτικών παραμέτρων, διαφορετικές βιομηχανίες έχουν εξατομικευμένη απαίτηση μεγέθους όγκου, λειτουργιών λογισμικού, διεπαφών επικοινωνίας, ταχύτητας απόκρισης, σταθερότητας, ακόμη και κόστους των φασματόμετρων, κάνοντας την ανάπτυξη του φασματόμετρου να γίνει πιο διαφοροποιημένη.
Ώρα δημοσίευσης: Νοε-28-2023