Spektrometar je znanstveni instrument koji se koristi za analizu spektra elektromagnetskih zračenja, može prikazati spektar zračenja kao spektrograf koji predstavlja distribuciju intenziteta svjetlosti s obzirom na valnu duljinu (y-os je intenzitet, x-os je valna duljina /frekvencija svjetla).Svjetlo se unutar spektrometra dijeli na valne duljine svojih sastavnih dijelova pomoću razdjelnika snopa, koji su obično lomne prizme ili difrakcijske rešetke Slika 1.
Slika 1. Spektar žarulje i sunčeve svjetlosti (lijevo), princip cijepanja snopa rešetke i prizme (desno)
Spektrometri igraju važnu ulogu u mjerenju širokog raspona optičkog zračenja, bilo izravnim ispitivanjem spektra emisije izvora svjetlosti ili analizom refleksije, apsorpcije, prijenosa ili raspršenja svjetlosti nakon njezine interakcije s materijalom.Nakon interakcije svjetlosti i materije, spektar doživljava promjenu u određenom spektralnom rasponu ili određenoj valnoj duljini, a svojstva tvari mogu se kvalitativno ili kvantitativno analizirati prema promjeni spektra, kao što je biološka i kemijska analiza sastav i koncentracija krvi i nepoznatih otopina, te analiza molekulske, atomske strukture i elementarnog sastava materijala sl. 2.
Slika 2 Infracrveni apsorpcijski spektri različitih vrsta ulja
Izvorno izumljen za proučavanje fizike, astronomije, kemije, spektrometar je danas jedan od najvažnijih instrumenata u mnogim područjima kao što su kemijsko inženjerstvo, analiza materijala, astronomska znanost, medicinska dijagnostika i biosenzor.U 17. stoljeću, Isaac Newton uspio je podijeliti svjetlost u neprekinutu obojenu traku prolaskom snopa bijele svjetlosti kroz prizmu i prvi put upotrijebio riječ "Spektar" da opiše te rezultate Slika 3.
Slika 3. Isaac Newton proučava spektar sunčeve svjetlosti pomoću prizme.
Početkom 19. stoljeća njemački znanstvenik Joseph von Fraunhofer (Franchofer) u kombinaciji s prizmama, difrakcijskim prorezima i teleskopima napravio je spektrometar visoke preciznosti i točnosti koji je korišten za analizu spektra sunčevih emisija. prvi put primijetio da spektar sunčevih sedam boja nije kontinuiran, već ima niz tamnih linija (preko 600 diskretnih linija) na sebi, poznatih kao poznata "Frankenhoferova linija".Nazvao je najrazličitije od ovih linija A, B, C…H i izbrojao je oko 574 linije između B i H što odgovara apsorpciji različitih elemenata na sunčevom spektru Slika 5. U isto vrijeme, Fraunhofer je također bio prvo upotrijebiti difrakcijsku rešetku za dobivanje linijskih spektra i izračunati valne duljine spektralnih linija.
Slika 4. Rani spektrometar, promatran s čovjeka
Slika 5 Fraun Whaffe linija (tamna linija na vrpci)
Slika 6 Sunčev spektar, s konkavnim dijelom koji odgovara Fraun Wolfelovoj liniji
Sredinom 19. stoljeća, njemački fizičari Kirchhoff i Bunsen, radili su zajedno na Sveučilištu u Heidelbergu, i s Bunsenovim novo dizajniranim plamenim alatom (Bunsenov plamenik) i izveli prvu spektralnu analizu bilježeći specifične spektralne linije različitih kemikalija (soli) posuti u plamen Bunsenovog plamenika sl.7. Ostvarili su kvalitativno ispitivanje elemenata promatranjem spektara, a 1860. godine objavili su otkriće spektra osam elemenata, te utvrdili postojanje tih elemenata u nekoliko prirodnih spojeva.Njihova su otkrića dovela do stvaranja važne grane spektroskopske analitičke kemije: spektroskopske analize
Sl.7 Reakcija plamena
Dvadesetih godina 20. stoljeća indijski fizičar CV Raman pomoću spektrometra je otkrio neelastično raspršenje svjetlosti i molekula u organskim otopinama.Primijetio je da se upadno svjetlo raspršilo s višom i nižom energijom nakon interakcije sa svjetlom, što je kasnije nazvano Ramanovo raspršenje, slika 8. Promjena svjetlosne energije karakterizira mikrostrukturu molekula, pa se spektroskopija Ramanova raspršenja široko koristi u materijalima, medicini, kemiji i druge industrije za identifikaciju i analizu molekularne vrste i strukture tvari.
Slika 8 Energija se pomiče nakon interakcije svjetlosti s molekulama
U 30-im godinama 20. stoljeća američki znanstvenik dr. Beckman prvi je predložio mjerenje apsorpcije ultraljubičastog spektra na svakoj valnoj duljini zasebno kako bi se mapirao kompletan apsorpcijski spektar, otkrivajući tako vrstu i koncentraciju kemikalija u otopini.Ovaj prijenosni apsorpcijski put svjetlosti sastoji se od izvora svjetlosti, spektrometra i uzorka.Većina trenutne detekcije sastava otopine i koncentracije temelji se na ovom transmisijskom apsorpcijskom spektru.Ovdje se izvor svjetlosti dijeli na uzorak, a prizma ili rešetka se skeniraju kako bi se dobile različite valne duljine Slika 9.
Sl.9 Princip detekcije apsorpcije –
U 40-im godinama 20. stoljeća izumljen je prvi spektrometar s izravnom detekcijom, a po prvi su put fotomultiplikatorske cijevi PMT i elektronički uređaji zamijenili tradicionalno promatranje ljudskim okom ili fotografski film, koji je mogao izravno očitati spektralni intenzitet u odnosu na valnu duljinu. 10. Dakle, spektrometar kao znanstveni instrument značajno je poboljšan u smislu jednostavnosti korištenja, kvantitativnog mjerenja i osjetljivosti tijekom vremenskog razdoblja.
Slika 10 Fotomultiplikatorska cijev
Sredinom do kraja 20. stoljeća razvoj tehnologije spektrometra bio je neodvojiv od razvoja optoelektroničkih poluvodičkih materijala i uređaja.Godine 1969. Willard Boyle i George Smith iz Bell Labsa izumili su CCD (Charge-Coupled Device), koji je zatim poboljšao i razvio u aplikacije za slikanje Michael F. Tompsett 1970-ih.Willard Boyle (lijevo), pobjednik George Smith koji je dobio Nobelovu nagradu za svoj izum CCD-a (2009.) prikazan na slici 11. Godine 1980. Nobukazu Teranishi iz NEC-a u Japanu izumio je fiksnu fotodiodu, koja je znatno poboljšala omjer šuma slike i rezolucija.Kasnije, 1995., NASA-in Eric Fossum izumio je CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) senzor slike, koji troši 100 puta manje energije od sličnih CCD senzora slike i ima puno nižu proizvodnu cijenu.
Slika 11 Willard Boyle (lijevo), George Smith i njihov CCD (1974.)
Krajem 20. stoljeća, stalnim poboljšanjem tehnologije obrade i proizvodnje poluvodičkih optoelektroničkih čipova, posebno s primjenom CCD i CMOS nizova u spektrometrima Slika 12, postaje moguće dobiti puni raspon spektara pod jednom ekspozicijom.S vremenom su spektrometri pronašli široku primjenu u širokom rasponu primjena, uključujući, ali ne ograničavajući se na detekciju/mjerenje boja, lasersku analizu valne duljine i fluorescentnu spektroskopiju, LED sortiranje, opremu za osjet slike i osvjetljenja, fluorescentnu spektroskopiju, Ramanovu spektroskopiju i još mnogo toga .
Slika 12 Razni CCD čipovi
U 21. stoljeću, dizajn i tehnologija proizvodnje različitih vrsta spektrometara postupno je sazrijevala i stabilizirala se.S rastućom potražnjom za spektrometrima u svim segmentima života, razvoj spektrometara postao je brži i specifičan za industriju.Uz konvencionalne indikatore optičkih parametara, različite industrije prilagodile su zahtjeve za veličinom volumena, funkcijama softvera, komunikacijskim sučeljima, brzinom odziva, stabilnosti, pa čak i troškovima spektrometara, čineći razvoj spektrometra raznolikijim.
Vrijeme objave: 28. studenoga 2023