Какво е спектрометър? Обяснение на UV, VIS и IR спектрометър
Автор: Нг Ци Сюан – стажант в научноизследователска и развойна дейност
Редактор: Bryan Ng – маркетинг мениджър
Редактор: Preethi – инженер по техническа поддръжка
Публикувано: април 29 2020
1. Какво е спектрометър?
Спектрометърът е общ термин, който описва инструмент, който разделя и измерва спектралните компоненти на физическа характеристика. Това са устройства, които измерват непрекъсната променлива, при която компонентите на спектъра са отделени от първоначалната им смес.
Има няколко варианта на спектрометри и някои от най-често срещаните са спектрометър за ядрено-магнитен резонанс (NMR), масспектрометър и оптичен спектрометър.
1.1 ЯМР спектрометър
ЯМР спектрометърът наблюдава и измерва взаимодействието на завъртанията на ядрата, когато пробата е поставена в силно, постоянно магнитно поле. ЯМР сигналът се получава, когато ядрата взаимодействат с магнитното поле при честота, която резонира с честотата на ядрата.
Вътремолекулното магнитно поле, заобикалящо атома в молекулата, се променя с резонансната честота, следователно разкрива молекулярната структура на пробата.
1.2 Масов спектрометър
Масспектрометър измерва съотношението маса-заряд на йони и идентифицира състава на елементите, присъстващи в пробата. Това работи чрез йонизиране на проба, което кара някои от молекулите да се заредят и разделят според съотношението им маса-заряд.
След това тези йони се откриват от устройство, което може да открие заредени частици.
1.3 Оптичен спектрометър
Оптичен спектрометър измерва свойствата на светлината, обикновено близо до оптичната област в електромагнитния спектър, т.е. ултравиолетова, видима и инфрачервена светлина.
Промяната в абсорбцията и излъчването на интензитета на светлината с дължината на вълната позволява да се идентифицират материалите.
В тази статия ще се съсредоточим върху оптичния спектрометър.
2. Принцип на работа на спектрометър
Спектрометърът се състои от три основни компонента – входна цепка, решетка и детектор.
2.1 Входен процеп
Светлината от източника влиза във входния процеп и размерът на процепа определя количеството светлина, което може да бъде измерено от инструмента. Размерът на процепа също влияе върху оптичната разделителна способност на спектрометъра, където колкото по-малък е размерът на процепа, толкова по-добра е разделителната способност.
Лъчът става дивергентен след преминаване през процепа и чрез отразяване на дивергентния лъч върху колимиращо огледало, лъчът се колимира. След това колимираните лъчи се насочват към дифракционна решетка. Решетката действа като дисперсионен елемент и разделя светлината на съставните й дължини на вълната.
2.2 Решетка
Монохроматорът използва феномен на оптична дисперсия в призма или дифракция от дифракционни решетки, за да избере определена дължина на вълната на светлината. В традиционните спектрометри призмите се използват за разпръскване на светлина.
Въпреки това, с изобретяването на дифракционната решетка, тя се превърна в най-използвания монохроматор в съвременните спектрометри, тъй като има повече предимства пред призмата.
И двете устройства са в състояние да разделят светлината на няколко цвята, но може да се направи дифракционна решетка, за да разпръсне цветовете под по-голям ъгъл от призмата. Призмите също имат по-висока дисперсия само в UV областта, докато дифракционните решетки имат висока и постоянна дисперсия в UV, VIS и IR спектъра.
След като светлината удари дифракционната решетка, всяка дължина на вълната се отразява под различен ъгъл. Дифракционна решетка с различни размери също се използва за определяне на различни диапазони на дължина на вълната.
Лъчът отново става дивергентен, след като се отрази от решетката, като по този начин удря второ огледало, за да фокусира и да го насочи към детектора.
2.3 Детектор
Детекторът улавя спектрите на светлината и измерва интензитета на светлината като функция от дължината на вълната. След това тези данни се дигитализират и нанасят върху софтуера като графика.
3. Части на спектрометър
Разделът по-горе говори за това как работи спектрометърът. В този раздел ще бъдат разгледани компонентите на спектрометъра и разнообразието на всеки компонент.
3.1 Източници на светлина
Светлинните източници, които обикновено се срещат в спектрометъра, са направени от волфрамов халоген, деутерий, ксенонови дъги, светодиоди, живачен аргон, цинк или лазери.
3.2 Входен процеп
Прорезите се предлагат в различни размери, от 5 μm до 800 μm с височина от 1 mm до 2 mm. Размерът на прореза зависи от приложението и най-често използваните прорези са с ширина 10, 25, 50, 100 и 200 μm.
3.3 огледала
Най-често срещаните видове огледала наоколо обикновено са равни и сферични огледала. Сферичните огледала могат да бъдат разделени на два вида – вдлъбнати и изпъкнали сферични огледала. Въпреки това, в спектрометъра обикновено се използват вдлъбнати сферични огледала.
3.4 Дифракционни решетки
Има два вида дифракционни решетки, налични на пазара – линейна решетка и холографска решетка.
Линейната решетка се произвежда чрез физическо ецване на канали върху отразяваща повърхност с помощта на инструмент с форма на диамант на машина за линеи, докато холографската решетка се произвежда чрез процес, известен като интерференционна литография, който изгражда интерференционен модел с помощта на два UV лъча.
Линейните решетки могат да бъдат изрязани за специфични дължини на вълната и обикновено имат по-висока ефективност от холографските решетки.
Холографските решетки са склонни да имат по-равномерна форма на канали и разстояние и генерират по-малко разсеяна светлина, тъй като се произвеждат оптично.
3.5 Държачи
Пробите обикновено са течности, но газове и твърди вещества също могат да бъдат тествани. Пробите обикновено се поставят в прозрачна клетка, наречена кювета. Епруветките могат да се използват и вместо кювети в някои съоръжения.
Материалът, използван за производството на кюветата, зависи от спектралния диапазон, който спектрометърът покрива. Обикновено се използват стопени силициев диоксид или кварцово стъкло, тъй като са прозрачни през UV до IR области.
3.6 Детектори
Има голямо разнообразие от детектори, които се използват в различни спектрометри и някои често използвани детектори са фотоумножителната тръба (PMT), фотодиод, фотодиодна матрица, устройство със зарядна връзка (CCD), болометър и многоканален анализатор (MCA).
3.7 интерфейс
Повечето спектрометрични системи се свързват с компютъра чрез USB, RS-232 или Ethernet. С технологичния напредък по-новите системи могат да прехвърлят данни безжично чрез Wi-Fi и Bluetooth.
Софтуер 3.8
Много софтуер може да бъде имплементиран за използване със спектрометри за събиране на данни. Повечето компании, произвеждащи инструмента, биха предоставили и софтуер, съвместим със спектрометъра, който произвеждат. Например, спектрометрите на StellarNet се предлагат със софтуер, известен като SpectraWiz.
В допълнение към такъв готов софтуер, други ви позволяват да кодирате и създавате своя програма и да я персонализирате според вашите нужди, т.е. LabVIEW, Visual C, C#, VB, VBA за MS Excel и MATLAB.
4. Използване на спектрометри
Има няколко приложения за спектрометър.
Един пример е UV спектрометър, който използва спектрален обхват от 200 – 400 nm, инсталиран с входен процеп с ширина 200 μm, заедно с холографска решетка с размер на канала 2400 g/mm и с CCD детектор от 2000 пиксела, може да открие примеси в органични молекули – като бензен, който е често срещан примес в циклохексан и неговото присъствие може лесно да бъде открито чрез неговата абсорбция с пик при 255nm в спектъра.
5. Видове оптични спектрометри
Оптичните спектрометри могат да бъдат класифицирани по два начина. Първият начин е по тяхната дължина на вълната, докато вторият начин е по техните свойства на взаимодействие със светлина.
5.1 Дължина на вълната
5.1.1 Ултравиолетово (UV)
UV спектроскопията използва светлина в UV диапазона с дължина на вълната между 200 – 400 nm, за да измери колко светлина пробата абсорбира или отразява и да определи концентрациите на елементи в пробата.
Електроните в пробата се възбуждат от основно състояние към по-високо енергийно състояние, тъй като молекулите абсорбират енергията, отделена от UV светлината. Количеството енергия, което притежават електроните, е пропорционално на дължината на вълната, която могат да абсорбират.
Идентифицирането на пробата се извършва чрез сравняване на спектъра, получен, когато пробата абсорбира ултравиолетовата светлина със спектрите на известни съединения.
UV спектрометърът обикновено използва деутериеви дъгови, ксенонови дъгови или волфрамови халогенни лампи. Типът използвана решетка обикновено е холографска решетка и използваният детектор обикновено е PMT, фотодиод, фотодиодна матрица или CCD. Детекторите обикновено идват с размер на пиксела от 14 μm на 200 μm.
UV спектрометърът обикновено се използва в индустрии като наука за материалите, контрол на качеството, нефтохимия, храни и селско стопанство, науки за живота, оптични компоненти и др.
Обикновено се използва и в приложения като откриване на примеси, присъствие или отсъствие на функционална група в съединение, идентифициране на съединения, структурно изясняване на органични съединения и др.
5.1.2 Видим (VIS)
VIS спектрометърът работи по същия начин като UV спектрометъра, с изключение на това, че използва светлина във видимата област на електромагнитния спектър, т.е. дължина на вълната от 400 nm до 700 nm, за да идентифицира съединения, които не взаимодействат с UV светлина.
Този инструмент може също да определи концентрацията на вещества в пробата чрез измерване на нейната пропускливост или интензитет на абсорбция.
Волфрамови халогенни, ксенонови лампи и светодиоди обикновено се използват като източници на светлина във VIS спектрометър.
Той използва същия тип дифракционна решетка и детектор като UV спектрометър. Спектрометърът VIS също се използва главно в същите индустрии и приложения като UV спектрометъра.
5.1.3 Инфрачервен (IR)
Инфрачервеният спектрометър използва вибрационните преходи на органична молекула с инфрачервена светлина, за да идентифицира материали в инфрачервените спектри.
IR светлината може да бъде разделена на три части между 700nm до 1mm – близка, средна и далечна инфрачервена, което е във връзка с видимия спектър.
Фотоните от средата на IR нататък са способни само да индуцират вибрационни възбуждания в ковалентно свързани атоми и не са в състояние да възбудят електрони, тъй като енергиите не са достатъчно големи.
Пробата абсорбира инфрачервеното лъчение и съответства по енергия на тези вибрации. Това позволява абсорбционните спектри на съединенията да бъдат записани и спектрите са уникални за всяко съединение.
IR (FTIR) спектрометър с трансформация на Фурие, който събира данни в широк диапазон, използва трансформация на Фурие за преобразуване на необработените данни в спектър.
Близкият, средният и далечният IR използват съответно волфрамови халогенни лампи, глобарни и живачни лампи. Типът монтирана решетка обикновено е решетка. NIR спектрометрите обикновено използват InGaAs фотодиоди с размер на пиксела 25 μm на 500 μm, докато MIR спектрометрите използват пироелектрични детектори с размер на пиксела 48.5 μm на 48.5 μm, а FIR спектрометрите използват a-Si или VOx болометри с размер на пиксела 75 μm на 75 μm.
Това обикновено може да се намери в индустрии като фармацевтични продукти, екологична безопасност, храни и материали. Приложенията, които използват IR спектрометър, включват характеризиране на протеини, изследване на космоса, идентифициране на съединения, наномащабен анализ на полупроводници и др.
5.2 Взаимодействия
5.2.1 Абсорбция
Както подсказва името й, абсорбционната спектроскопия измерва поглъщането на радиация, като функция на дължината на вълната или честотата, на проба с източника.
Пробата поглъща енергия от източника и интензитетът на абсорбция варира с честотата, след това тази вариация произвежда абсорбционния спектър. Този метод на спектроскопия се извършва в електромагнитния спектър.
Абсорбционната спектроскопия се използва за определяне на съединения, присъстващи в проба, и за измерване на нейната концентрация в нея. UV, VIS и IR спектроскопията, споменати по-горе, са примери за абсорбционна спектроскопия.
Най-често срещаният източник на светлина, използван в абсорбционната спектрометрия, е лампа с кух катод и PMT се използва като детектор. Това често се използва в дистанционното наблюдение, астрономията и атомната и молекулярната физика.
5.2.2 Отражение
Отражателната спектроскопия измерва количеството светлина, което е отразено или разпръснато от пробата.
Фотоните от източника, които са отразени от пробата или пречупени през пробата, се казва, че са разпръснати.
След това тези разпръснати фотони се откриват и записват. Това води до графика на отражението спрямо дължината на вълната.
Системите за спектроскопия на отражение обикновено използват лазери, суперлуминесцентни диоди, светодиоди или халогенни лампи като източник на светлина и CCD, фотодиоди или MCA като детектор.
Спектрометърът за отразяване се използва в медицинската индустрия за предоставяне на информация за тъканната концентрация и може да се използва и в индустрии като науката за околната среда и геологията.
5.2.3 Пропускливост
Трансмисионната спектроскопия се отнася до измерването на количеството светлина, което преминава през пробата непроменено.
Тя е много взаимосвързана с абсорбционната спектроскопия, следователно те споделят подобна настройка.
Спектърът на предаване ще има най-високите си пикове при дължини на вълната, където абсорбцията е най-слаба, тъй като повече светлина преминава през пробата.
В зависимост от спектралния диапазон се използват различни източници на светлина. Често се използват светодиоди, волфрамови халогенни или деутериеви лампи. Типичните избрани детектори са фотодиоди и CCD. Това често се използва във фармацевтичния анализ.
5.2.4 Флуоресценция
Както се споменава в UV спектроскопията, електроните в проба се възбуждат, когато тя абсорбира светлина и преминава от основно състояние към по-високо електронно състояние, което се състои от различни вибрационни състояния.
Възбудените електрони могат да преминат в основното си състояние чрез излъчване на фотон и този процес е известен като флуоресценция.
Тъй като електроните могат да паднат в някое от различните вибрационни нива в основното състояние, излъчените фотони ще съдържат различни количества енергия и следователно различни интензитети и дължини на вълните.
Следователно флуоресцентната спектроскопия се определя като измерване на количеството флуоресценция от проба. Обикновено използва светлина в UV или VIS диапазона за възбуждане на електрони.
Флуоресценцията се измерва с флуоресцентни спектрометри и измерва различни характеристики на флуоресценцията, като интензитет и разпределение на дължината на вълната на излъчването. След това спектърът на излъчване разкрива кои дължини на вълната излъчват пробите.
Инструментите, които измерват флуоресценцията, са известни като флуорометри. Флуорометрите обикновено използват лазери, LED, ксенонови дъгови лампи или лампи с живачни пари като източник на светлина. Фотодиодите или PMT обикновено се избират като детектори във флуоресцентната спектроскопия.
Този метод на спектроскопия може да се намери често в медицинската, биохимичната и индустриите за мониторинг на околната среда. Приложенията включват диагностика на рак в човешки тъкани, за откриване на примеси или идентифициране и измерване на концентрации на вещества, както и за откриване на различни бактерии, вируси и паразити, които причиняват инфекция
5.2.5 Разсейване
Когато светлината преминава през материята, по-голямата част от нея продължава в първоначалната си посока, но малка част се разпръсква в други посоки.
Тази техника се основава на теорията на рамановото разсейване. Ефектът на разсейване е нееластичното разсейване на фотони от материята, което означава, че има промяна в посоката на светлината и енергията се губи от фотоните след взаимодействие с пробата.
Обикновено молекулите ще получат вибрационна енергия от падащите фотони.
Повечето от светлината, която се разсейва, е непроменена в енергията и това е разсейването на Рейли. Рамановото разсейване се състои от изключително малка част от разпръснати фотони (приблизително 1 на 10 милиона).
Чрез анализиране на вибрационната промяна в пробата могат да се определят свойства като химичен състав, кристалност и молекулярни взаимодействия. Както бе споменато по-горе, рамановото разсейване е много слабо, следователно е необходим високочувствителен спектрометър за изследване на светлината.
Този инструмент обикновено се използва в индустрии като химия, физика, фармацевтика, изкуства и медицина. Помага за идентифициране на молекули и изследване на химическото свързване, характеризиране и изследване на структурите на материалите, откриване на фалшиви лекарства в опаковки, изследване на биоминерали и др.
6. Раманов спектрометър
Рамановата спектроскопия се основава на взаимодействието на светлината (обикновено лазер) с химическите връзки на материала.
Светлината се разсейва директно от пробата и преминава през филтър за отстраняване на частиците от разсейването на Релей.
Останалата светлина от Раманово разсейване след това се насочва към дифракционна решетка, преди да се насочи към детектора.
В крайна сметка той произвежда раманов спектър, където всеки пик и интензитет могат да предоставят известна информация за пробата.
Рамановият спектрометър използва само лазер с непрекъсната вълна като източник на светлина.
Обикновено се използват лазери в спектралния диапазон от червено до NIR, но използването на видими лазери в синьо и зелено се увеличава през последните години.
Той също така използва холографска решетка като свой монохроматор и CCD като детектор.
7. Спектрометър срещу Спектрофотометър
Хората често бъркат спектрометрите със спектрофотометрите. Спектрофотометърът е инструмент, който измерва свойствата на пропускане и абсорбция на светлината като функция на дължината на вълната на материала.
Обикновено се занимава със светлина в диапазона от почти ултравиолетова до видима светлина до близка до инфрачервена. Самият спектрофотометър съдържа спектрометър, както и източник на светлина за по-добро осветяване на пробата.
Принципът на работа е подобен на спектрометъра, където се използва монохроматор за избор на дължина на вълната на светлината, за да достигне пробата. В зависимост от непрозрачността на пробата, светлината се отразява или предава. След това детекторът записва интензитета на отразената или пропусната светлина.
Това се повтаря с монохроматора при различни дължини на вълната, за да може детекторът да измери промяната в интензитета на светлината. Крайният изход би бил абсорбционен спектър като функция от дължината на вълната.
8. Къде да купя надежден спектрометър?
Сега, когато знаете какво е спектрометър и неговите приложения, трябва да знаете къде да закупите надежден. Можете да закупите надеждни спектрометри от Wavelength Opto-Electronic.
Ние сме дистрибутор на спектрометри StellarNet, предлагащи оптични спектрометри за измервания в UV, VIS и NIR, от дължини на вълните от 190 – 2300nm. Спектрометрите StellarNet са проектирани да бъдат преносими и компактни без движещи се части.
