Un espectròmetre és un instrument científic, utilitzat per analitzar l'espectre de radiacions electromagnètiques, pot mostrar un espectre de radiacions com un espectrògraf que representa la distribució de la intensitat de la llum respecte a la longitud d'ona (l'eix y és la intensitat, l'eix x és la longitud d'ona). /freqüència de la llum).La llum és diferent separada en les longituds d'ona del seu constituent dins de l'espectròmetre mitjançant divisors de feix, que solen ser prismes de refracció o xarxes de difracció Fig. 1.
Fig. 1 Espectre de bombeta i llum solar (esquerra), principi de divisió del feix de reixeta i prisma (dreta)
Els espectròmetres tenen un paper important en la mesura d'una àmplia gamma de radiació òptica, ja sigui examinant directament l'espectre d'emissió d'una font de llum o analitzant la reflexió, absorció, transmissió o dispersió de la llum després de la seva interacció amb un material.Després de la interacció de la llum i la matèria, l'espectre experimenta el canvi en un determinat rang espectral o en una longitud d'ona específica, i les propietats de la substància es poden analitzar qualitativament o quantitativament segons el canvi en l'espectre, com ara l'anàlisi biològica i química de la composició i concentració de la sang i les solucions desconegudes, i l'anàlisi de la molècula, l'estructura atòmica i la composició elemental dels materials Fig. 2.
Fig. 2 Espectres d'absorció d'infrarojos de diferents tipus d'olis
Originalment inventat per a l'estudi de la física, l'astronomia, la química, l'espectròmetre és ara un dels instruments més importants en molts camps com l'enginyeria química, l'anàlisi de materials, la ciència astronòmica, el diagnòstic mèdic i la biodetecció.Al segle XVII, Isaac Newton va poder dividir la llum en una banda de colors contínua fent passar un feix de llum blanca a través d'un prisma i va utilitzar la paraula "espectre" per primera vegada per descriure aquests resultats. Fig. 3.
Fig. 3 Isaac Newton estudia l'espectre de la llum solar amb un prisma.
A principis del segle XIX, el científic alemany Joseph von Fraunhofer (Franchofer), combinat amb prismes, escletxes de difracció i telescopis, va fer un espectròmetre amb gran precisió i exactitud, que va ser utilitzat per analitzar l'espectre de les emissions solars Fig 4. Ell va observar per primera vegada que l'espectre dels set colors del sol no és continu, sinó que té una sèrie de línies fosques (més de 600 línies discretes) sobre ell, coneguda com la famosa "línia de Frankenhofer".Va anomenar la més diferent d'aquestes línies A, B, C...H i va comptar unes 574 línies entre B i H que corresponen a l'absorció de diferents elements de l'espectre solar Fig. 5. Al mateix temps, Fraunhofer també era el primer utilitzar una xarxa de difracció per obtenir espectres de línies i calcular la longitud d'ona de les línies espectrals.
Fig. 4. Un espectròmetre primerenc, vist amb l'ésser humà
Fig. 5 Línia Fraun Whaffe (línia fosca a la cinta)
Fig. 6 Espectre solar, amb la part còncava corresponent a la línia de Fraun Wolfel
A mitjans del segle XIX, els físics alemanys Kirchhoff i Bunsen, van treballar junts a la Universitat de Heidelberg, i amb l'eina de flama de nou disseny de Bunsen (el cremador Bunsen) i van realitzar la primera anàlisi espectral observant les línies espectrals específiques de diferents productes químics. (sals) ruixat a la flama del cremador Bunsen fig.7. Van realitzar l'examen qualitatiu dels elements mitjançant l'observació dels espectres, i el 1860 van publicar el descobriment dels espectres de vuit elements, i van determinar l'existència d'aquests elements en diversos compostos naturals.Les seves troballes van portar a la creació d'una branca important de la química analítica de l'espectroscòpia: l'anàlisi espectroscòpica
Fig.7 Reacció de la flama
Als anys 20 del segle XX, el físic indi CV Raman va utilitzar un espectròmetre per descobrir l'efecte de dispersió inelàstica de la llum i les molècules en solucions orgàniques.Va observar que la llum incident es dispersa amb una energia cada vegada més baixa després d'interaccionar amb la llum, que més tard s'anomena dispersió Raman fig 8. El canvi d'energia lluminosa caracteritza la microestructura de les molècules, de manera que l'espectroscòpia de dispersió Raman s'utilitza àmpliament en materials, medicina, productes químics. i altres indústries per identificar i analitzar el tipus molecular i l'estructura de les substàncies.
Fig. 8 L'energia es desplaça després que la llum interacciona amb les molècules
Als anys 30 del segle XX, el científic nord-americà Dr. Beckman va proposar per primera vegada mesurar l'absorció dels espectres ultraviolats a cada longitud d'ona per separat per traçar l'espectre d'absorció complet, revelant així el tipus i la concentració de productes químics en solució.Aquesta ruta de llum d'absorció de transmissió consta de la font de llum, l'espectròmetre i la mostra.La major part de la composició actual de la solució i la detecció de concentració es basa en aquest espectre d'absorció de transmissió.Aquí, la font de llum es divideix a la mostra i el prisma o la reixa s'escaneja per obtenir diferents longituds d'ona Fig. 9.
Fig.9 Principi de detecció d'absorbància –
Als anys 40 del segle XX, es va inventar el primer espectròmetre de detecció directa i, per primera vegada, els tubs fotomultiplicadors PMT i els dispositius electrònics van substituir l'observació o pel·lícula fotogràfica tradicional de l'ull humà, que podia llegir directament la intensitat espectral en funció de la longitud d'ona Fig. 10. Així, l'espectròmetre com a instrument científic s'ha millorat significativament en termes de facilitat d'ús, mesura quantitativa i sensibilitat durant el període de temps.
Fig. 10 Tub fotomultiplicador
A mitjans i finals del segle XX, el desenvolupament de la tecnologia de l'espectròmetre era inseparable del desenvolupament de materials i dispositius semiconductors optoelectrònics.El 1969, Willard Boyle i George Smith de Bell Labs van inventar el CCD (Charge-Coupled Device), que després va ser millorat i desenvolupat en aplicacions d'imatge per Michael F. Tompsett als anys setanta.Willard Boyle (esquerra), va guanyar George Smith, qui va guanyar el premi Nobel per la seva invenció del CCD (2009) mostrada a la figura 11. El 1980, Nobukazu Teranishi de NEC al Japó va inventar un fotodíode fix, que va millorar molt la relació de soroll de la imatge i resolució.Més tard, l'any 1995, Eric Fossum de la NASA va inventar el sensor d'imatge CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), que consumeix 100 vegades menys energia que els sensors d'imatge CCD similars i té un cost de producció molt més baix.
Fig. 11 Willard Boyle (esquerra), George Smith i el seu CCD (1974)
A finals del segle XX, la millora contínua de la tecnologia de processament i fabricació de xips optoelectrònics de semiconductors, especialment amb l'aplicació de matrius CCD i CMOS als espectròmetres Fig. 12, es fa possible obtenir una gamma completa d'espectres sota una sola exposició.Amb el pas del temps, els espectròmetres han trobat un ús extens en una àmplia gamma d'aplicacions, que inclouen, entre d'altres, la detecció/mesura de color, l'anàlisi de longitud d'ona làser i l'espectroscòpia de fluorescència, classificació de LED, equips de detecció d'imatges i il·luminació, espectroscòpia de fluorescència, espectroscòpia Raman i molt més. .
Fig. 12 Diversos xips CCD
Al segle XXI, la tecnologia de disseny i fabricació de diversos tipus d'espectròmetres ha anat madurant i estabilitzat gradualment.Amb la creixent demanda d'espectròmetres en tots els àmbits de la vida, el desenvolupament d'espectròmetres s'ha tornat més ràpid i específic de la indústria.A més dels indicadors de paràmetres òptics convencionals, diferents indústries tenen requisits personalitzats de mida de volum, funcions de programari, interfícies de comunicació, velocitat de resposta, estabilitat i fins i tot costos dels espectròmetres, fent que el desenvolupament de l'espectròmetre sigui més diversificat.
Hora de publicació: 28-nov-2023