Un espectrómetro é un instrumento científico, usado para analizar o espectro de radiacións electromagnéticas, pode mostrar un espectro de radiacións como un espectrógrafo que representa a distribución da intensidade da luz con respecto á lonxitude de onda (o eixe y é a intensidade, o eixe x é a lonxitude de onda). /frecuencia da luz).A luz é diferente separada nas lonxitudes de onda dos seus constituíntes no interior do espectrómetro mediante divisores de feixe, que adoitan ser prismas refractivos ou redes de difracción. Fig. 1.
Fig. 1 Espectro da lámpada e da luz solar (esquerda), principio de división do feixe da reixa e do prisma (dereita)
Os espectrómetros xogan un papel importante na medición dunha ampla gama de radiación óptica, xa sexa examinando directamente o espectro de emisión dunha fonte de luz ou analizando a reflexión, absorción, transmisión ou dispersión da luz tras a súa interacción cun material.Despois da interacción da luz e da materia, o espectro experimenta o cambio nun determinado rango espectral ou nunha lonxitude de onda específica, e as propiedades da substancia pódense analizar cualitativa ou cuantitativamente segundo o cambio no espectro, como a análise biolóxica e química de a composición e concentración do sangue e das solucións descoñecidas, e a análise da molécula, a estrutura atómica e a composición elemental dos materiais Fig. 2.
Fig. 2 Espectros de absorción infravermello de diferentes tipos de aceites
Inventado orixinalmente para o estudo da física, a astronomía e a química, o espectrómetro é agora un dos instrumentos máis importantes en moitos campos como a enxeñaría química, a análise de materiais, a ciencia astronómica, o diagnóstico médico e a biodetección.No século XVII, Isaac Newton foi capaz de dividir a luz en bandas de cores continuas facendo pasar un feixe de luz branca a través dun prisma e utilizou a palabra "espectro" por primeira vez para describir estes resultados. Fig. 3.
Figura 3 Isaac Newton estuda o espectro da luz solar cun prisma.
A principios do século XIX, o científico alemán Joseph von Fraunhofer (Franchofer), combinado con prismas, fendas de difracción e telescopios, fabricou un espectrómetro con gran precisión e exactitude, que se utilizou para analizar o espectro das emisións solares Fig 4. El observou por primeira vez que o espectro das sete cores do sol non é continuo, senón que ten unha serie de liñas escuras (máis de 600 liñas discretas) sobre el, coñecida como a famosa "liña de Frankenhofer".Nomeou á máis distinta destas liñas A, B, C...H e contou unhas 574 liñas entre B e H que corresponden á absorción de diferentes elementos no espectro solar. Fig. 5. Ao mesmo tempo, Fraunhofer tamén foi o primeiro utilizar unha rede de difracción para obter espectros de liñas e calcular a lonxitude de onda das liñas espectrais.
Fig. 4. Un espectrómetro precoz, visto co ser humano
Fig. 5 Liña Fraun Whaffe (liña escura en cinta)
Fig. 6 Espectro solar, coa parte cóncava correspondente á liña de Fraun Wolfel
A mediados do século XIX, os físicos alemáns Kirchhoff e Bunsen, traballaron xuntos na Universidade de Heidelberg, e coa ferramenta de chama de novo deseño de Bunsen (o queimador Bunsen) e realizaron a primeira análise espectral observando as liñas espectrais específicas de diferentes produtos químicos. (sales) espolvoreado na chama do queimador Bunsen fig.7. Realizaron o exame cualitativo dos elementos observando os espectros, e en 1860 publicaron o descubrimento dos espectros de oito elementos, e determinaron a existencia destes elementos en varios compostos naturais.Os seus descubrimentos levaron á creación dunha rama importante da química analítica espectroscópica: a análise espectroscópica
Fig.7 Reacción da chama
Nos anos 20 do século XX, o físico indio CV Raman utilizou un espectrómetro para descubrir o efecto de dispersión inelástica da luz e das moléculas en solucións orgánicas.Observou que a luz incidente dispersouse con enerxía cada vez máis baixa despois de interactuar coa luz, que máis tarde se chamará dispersión Raman. Figura 8. O cambio de enerxía luminosa caracteriza a microestrutura das moléculas, polo que a espectroscopia de dispersión Raman utilízase amplamente en materiais, medicina, produtos químicos. e outras industrias para identificar e analizar o tipo molecular e a estrutura das substancias.
Figura 8 A enerxía desprázase despois de que a luz interactúa coas moléculas
Na década dos 30 do século XX, o científico estadounidense Dr. Beckman propuxo por primeira vez medir a absorción dos espectros ultravioleta en cada lonxitude de onda por separado para trazar o espectro de absorción completo, revelando así o tipo e concentración de produtos químicos en solución.Esta vía de absorción de luz de transmisión consiste na fonte de luz, o espectrómetro e a mostra.A maior parte da detección de concentración e composición da solución actual baséase neste espectro de absorción de transmisión.Aquí, a fonte de luz divídese na mostra e o prisma ou a reixa son escaneados para obter diferentes lonxitudes de onda. Fig. 9.
Fig.9 Principio de detección de absorbancia
Nos anos 40 do século XX, inventouse o primeiro espectrómetro de detección directa e, por primeira vez, os tubos fotomultiplicadores PMT e os dispositivos electrónicos substituíron a tradicional película fotográfica ou de observación do ollo humano, que podía ler directamente a intensidade espectral fronte á lonxitude de onda Fig. 10. Así, o espectrómetro como instrumento científico mellorouse significativamente en termos de facilidade de uso, medición cuantitativa e sensibilidade ao longo do período de tempo.
Fig. 10 Tubo fotomultiplicador
A mediados e finais do século XX, o desenvolvemento da tecnoloxía do espectrómetro era inseparable do desenvolvemento de materiais e dispositivos semicondutores optoelectrónicos.En 1969, Willard Boyle e George Smith dos Bell Labs inventaron o CCD (Charge-Coupled Device), que despois foi mellorado e desenvolvido en aplicacións de imaxe por Michael F. Tompsett na década de 1970.Willard Boyle (esquerda), George Smith que gañou o Premio Nobel pola súa invención do CCD (2009) mostrada na figura 11. En 1980, Nobukazu Teranishi de NEC en Xapón inventou un fotodiodo fixo, que mellorou moito a relación de ruído da imaxe e resolución.Máis tarde, en 1995, Eric Fossum da NASA inventou o sensor de imaxe CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), que consome 100 veces menos enerxía que os sensores de imaxe CCD similares e ten un custo de produción moito menor.
Fig. 11 Willard Boyle (esquerda), George Smith e o seu CCD (1974)
A finais do século XX, a mellora continua da tecnoloxía de procesamento e fabricación de chips optoelectrónicos de semicondutores, especialmente coa aplicación de array CCD e CMOS en espectrómetros Fig. 12, faise posible obter unha gama completa de espectros baixo unha única exposición.Co paso do tempo, os espectrómetros atoparon un uso extensivo nunha ampla gama de aplicacións, incluíndo, entre outras, a detección/medición de cores, a análise de lonxitude de onda láser e espectroscopia de fluorescencia, clasificación de LED, equipos de detección de imaxes e iluminación, espectroscopia de fluorescencia, espectroscopia Raman e moito máis. .
Fig. 12 Varios chips CCD
No século XXI, a tecnoloxía de deseño e fabricación de varios tipos de espectrómetros foi madurando e estabilizando gradualmente.Coa crecente demanda de espectrómetros en todos os ámbitos da vida, o desenvolvemento dos espectrómetros tornouse máis rápido e específico da industria.Ademais dos indicadores de parámetros ópticos convencionais, as diferentes industrias teñen requisitos personalizados de tamaño de volume, funcións de software, interfaces de comunicación, velocidade de resposta, estabilidade e mesmo custos dos espectrómetros, o que fai que o desenvolvemento do espectrómetro sexa máis diversificado.
Hora de publicación: 28-nov-2023