Što je spektrometar? Objašnjenje UV, VIS i IR spektrometra
Autor: Ng Ci Xuan – pripravnik za istraživanje i razvoj
Urednik: Bryan Ng – voditelj marketinga
Urednik: Preethi – inženjer tehničke podrške
Objavljeno: Travanj 29 2020
1. Što je spektrometar?
Spektrometar je krovni pojam koji opisuje instrument koji odvaja i mjeri spektralne komponente fizičke karakteristike. To su uređaji koji mjere kontinuiranu varijablu u kojoj su komponente spektra odvojene od svoje izvorne mješavine.
Postoji nekoliko varijanti spektrometara, a neki od najčešćih prisutnih su spektrometar nuklearne magnetske rezonancije (NMR), maseni spektrometar i optički spektrometar.
1.1 NMR spektrometar
NMR spektrometar promatra i mjeri interakciju spinova jezgri kada se uzorak stavi u jako, konstantno magnetsko polje. NMR signal nastaje kada jezgre djeluju u interakciji s magnetskim poljem na frekvenciji koja rezonira s frekvencijom jezgri.
Intramolekularno magnetsko polje koje okružuje atom u molekuli mijenja se s frekvencijom rezonancije, otkrivajući tako molekularnu strukturu uzorka.
1.2 Maseni spektrometar
Maseni spektrometar mjeri omjer mase i naboja iona i identificira sastav elemenata prisutnih u uzorku. Ovo funkcionira tako da ionizira uzorak, što uzrokuje da se neke od molekula naelektrišu i odvoje u skladu s njihovim omjerom mase i naboja.
Te ione zatim detektira uređaj koji može detektirati nabijene čestice.
1.3 Optički spektrometar
Optički spektrometar mjeri svojstva svjetlosti, obično u blizini optičkog područja u elektromagnetskom spektru, tj. ultraljubičastu, vidljivu i infracrvenu svjetlost.
Promjena u apsorpciji i emisiji intenziteta svjetlosti s valnom duljinom omogućuje identifikaciju materijala.
U ovom članku ćemo se usredotočiti na optički spektrometar.
2. Princip rada spektrometra
Spektrometar se sastoji od tri glavne komponente - ulaznog proreza, rešetke i detektora.
2.1 Ulazni prorez
Svjetlost iz izvora ulazi u ulazni prorez i veličina proreza određuje količinu svjetlosti koju instrument može izmjeriti. Veličina proreza također utječe na optičku razlučivost spektrometra, pri čemu što je manja veličina proreza, to je razlučivost bolja.
Zraka postaje divergentna nakon prolaska kroz prorez i odbijanjem divergentne zrake na kolimirajuće zrcalo, zraka postaje kolimirana. Kolimirane zrake se zatim usmjeravaju prema difrakcijskoj rešetki. Rešetka djeluje kao disperzivni element i dijeli svjetlost na njene sastavne valne duljine.
2.2 Rešetka
Monokromator koristi fenomen optičke disperzije u prizmi ili difrakciju od difrakcijskih rešetki za odabir određene valne duljine svjetlosti. U tradicionalnim spektrometrima, prizme su korištene za raspršivanje svjetlosti.
Međutim, izumom difrakcijske rešetke postao je najčešće korišteni monokromator u modernim spektrometrima jer ima više prednosti u odnosu na prizmu.
Oba uređaja mogu podijeliti svjetlost u nekoliko boja, ali se može napraviti difrakcijska rešetka za širenje boja pod većim kutom od prizme. Prizme također imaju veću disperziju samo u UV području, dok difrakcijske rešetke imaju visoku i konstantnu disperziju preko UV, VIS i IR spektra.
Jednom kada svjetlost udari u difrakcijsku rešetku, svaka se valna duljina reflektira pod različitim kutom. Difrakcijska rešetka različitih veličina također se koristi za određivanje različitih raspona valnih duljina.
Zraka ponovno postaje divergentna nakon što se reflektira od rešetke, tako da udara u drugo zrcalo kako bi se fokusirala i usmjerila prema detektoru.
2.3 Detektor
Detektor hvata spektre svjetlosti i mjeri intenzitet svjetlosti kao funkciju valne duljine. Ti se podaci zatim digitaliziraju i ucrtavaju u softver kao grafikon.
3. Dijelovi spektrometra
Gornji dio govori o tome kako radi spektrometar. U ovom odjeljku će se pokriti komponente spektrometra i raznolikost svake komponente.
3.1 Izvori svjetlosti
Izvori svjetlosti koji se obično nalaze u spektrometrima izrađeni su od volfram halogena, deuterija, ksenonskih lukova, LED-a, živinog argona, cinka ili lasera.
3.2 Ulazni prorez
Prorezi dolaze u različitim veličinama, od 5 μm do 800 μm s visinom od 1 mm do 2 mm. Veličina proreza ovisi o primjeni, a najčešće se koriste prorezi širine 10, 25, 50, 100 i 200 μm.
3.3 Ogledala
Najčešći tipovi zrcala su obično ravna i sferna zrcala. Sferna zrcala mogu se podijeliti na dvije vrste - konkavna i konveksna sferna zrcala. Međutim, u spektrometru se obično koriste konkavna sferna zrcala.
3.4 Difrakcijske rešetke
Na tržištu su dostupne dvije vrste difrakcijskih rešetki – ravna rešetka i holografska rešetka.
Linijalna rešetka se proizvodi fizičkim urezivanjem žljebova na reflektirajuću površinu pomoću alata u obliku dijamanta na stroju za ravnanje, dok se holografska rešetka proizvodi postupkom poznatim kao interferencijska litografija, koji konstruira interferencijski uzorak pomoću dviju UV zraka.
Rešetke s ravnanjem mogu se zapaliti za određene valne duljine i obično imaju veću učinkovitost od holografskih rešetki.
Holografske rešetke obično imaju ujednačeniji oblik utora i razmak te generiraju manje zalutalog svjetla jer se proizvode optički.
3.5 Držači
Uzorci su obično tekućine, ali se mogu testirati i plinovi i krute tvari. Uzorci se obično stavljaju unutar prozirne ćelije koja se naziva kiveta. Epruvete se također mogu koristiti umjesto kiveta u nekoj opremi.
Materijal koji se koristi za proizvodnju kivete ovisi o spektralnom području koje spektrometar pokriva. Obično se koriste topljeni silicij ili kvarcno staklo jer su prozirni kroz UV do IR područja.
3.6 Detektori
Postoji veliki izbor detektora koji se koriste u različitim spektrometrima, a neki od najčešće korištenih detektora su fotomultiplikatorska cijev (PMT), fotodioda, niz fotodioda, uređaj s spregnutim nabojem (CCD), bolometar i višekanalni analizator (MCA).
3.7 Sučelje
Većina spektrometarskih sustava povezuje se s računalom putem USB-a, RS-232 ili Etherneta. Uz tehnološki napredak, noviji sustavi mogu bežično prenositi podatke koristeći Wi-Fi i Bluetooth.
3.8 Software
Mnogi softveri mogu se implementirati za korištenje sa spektrometrima za prikupljanje podataka. Većina tvrtki koje proizvode instrumente također bi pružila softver koji je kompatibilan sa spektrometrom koji proizvode. Na primjer, StellarNetovi spektrometri dolaze s njihovim softverom poznatim kao SpectraWiz.
Povrh takvog gotovog softvera, drugi vam omogućuju da kodirate i kreirate svoj program te ga prilagodite svojim potrebama, npr. LabVIEW, Visual C, C#, VB, VBA za MS Excel i MATLAB.
4. Korištenje spektrometara
Postoji nekoliko namjena spektrometra.
Jedan primjer je UV spektrometar koji koristi spektralni raspon od 200 – 400 nm, instaliran s ulaznim prorezom širine 200 μm, zajedno s holografskom rešetkom s veličinom utora od 2400 g/mm i s CCD detektorom od 2000 piksela, može detektirati nečistoće u organskim molekulama – kao što je benzen, to je uobičajena nečistoća koja se nalazi u cikloheksanu i njezina se prisutnost može lako detektirati njegovom apsorpcijom s vrhom na 255 nm u spektru.
5. Vrste optičkih spektrometara
Optički spektrometri se mogu klasificirati na dva načina. Prvi način je po njihovoj valnoj duljini, dok je drugi način po svojstvima interakcije svjetlosti.
5.1 Valna duljina
5.1.1 Ultraljubičasto (UV)
UV spektroskopija koristi svjetlost u UV rasponu valnih duljina između 200 i 400 nm za mjerenje količine svjetlosti koju uzorak apsorbira ili reflektira i za određivanje koncentracija elemenata u uzorku.
Elektroni u uzorku se pobuđuju iz osnovnog stanja u stanje više energije jer molekule apsorbiraju energiju koju daje UV svjetlo. Količina energije koju elektroni imaju proporcionalna je duljini valne duljine koju mogu apsorbirati.
Identifikacija uzorka vrši se usporedbom spektra koji nastaje kad uzorak apsorbira UV svjetlo sa spektrima poznatih spojeva.
UV spektrometar obično koristi deuterijeve lučne, ksenonske lučne ili volframove halogene žarulje. Vrsta rešetke koja se koristi obično je holografska rešetka, a korišteni detektor je obično PMT, fotodioda, niz fotodioda ili CCD. Detektori obično dolaze s veličinom piksela od 14 μm x 200 μm.
UV spektrometar se obično koristi u industrijama kao što su znanost o materijalima, kontrola kvalitete, petrokemija, hrana i poljoprivreda, znanost o životu, optičke komponente itd.
Također se obično koristi u primjenama kao što su detekcija nečistoća, prisutnost ili odsutnost bilo koje funkcionalne skupine u spoju, identifikacija spojeva, strukturno razjašnjavanje organskih spojeva itd.
5.1.2 Vidljivo (VIS)
VIS spektrometar radi na isti način kao i UV spektrometar, osim što koristi svjetlost u vidljivom području elektromagnetskog spektra, tj. valnu duljinu od 400 nm do 700 nm, za identifikaciju spojeva koji ne stupaju u interakciju s UV svjetlom.
Ovaj instrument također može odrediti koncentraciju tvari u uzorku mjerenjem njegove propusnosti ili intenziteta apsorpcije.
Volfram halogene, ksenonske žarulje i LED diode obično se koriste kao izvori svjetlosti u VIS spektrometru.
Koristi istu vrstu difrakcijske rešetke i detektora kao UV spektrometar. VIS spektrometar se također uglavnom koristi u istim industrijama i aplikacijama kao i UV spektrometar.
5.1.3 Infracrveno (IR)
IR spektrometar koristi vibracijske prijelaze organske molekule s IR svjetlom za identifikaciju materijala u IR spektrima.
IR svjetlo može se podijeliti u tri dijela između 700nm do 1mm – bliski, srednji i daleki infracrveni, što je u odnosu na vidljivi spektar.
Fotoni od srednjeg IR-a nadalje mogu samo inducirati vibracijska pobuđenja u kovalentno vezanim atomima i ne mogu pobuditi elektrone jer energije nisu dovoljno velike.
Uzorak apsorbira IC zračenje i po energiji odgovara tim vibracijama. To omogućuje snimanje apsorpcijskih spektara spojeva, a spektri su jedinstveni za svaki spoj.
IR (FTIR) spektrometar s Fourierovom transformacijom, koji prikuplja podatke u širokom rasponu, koristi Fourierovu transformaciju za pretvaranje sirovih podataka u spektar.
Bliska, srednja i daleka IR koriste volfram-halogene žarulje, odnosno globarne i živine žarulje. Vrsta ugrađene rešetke obično je rešetkasta rešetka. NIR spektrometri obično koriste InGaAs fotodiode s veličinom piksela od 25 μm x 500 μm dok MIR spektrometri koriste piroelektrične detektore s veličinom piksela od 48.5 μm x 48.5 μm, a FIR spektrometri koriste a-Si ili VOx bolometre veličine piksela 75 μm x 75 μm.
To se obično može pronaći u industrijama kao što su farmaceutska industrija, zaštita okoliša, hrana i materijali. Prijave koje koriste IR spektrometar uključuju karakterizaciju proteina, istraživanje svemira, identifikaciju spojeva, analizu poluvodiča u nanoskali, itd.
5.2 Interakcije
5.2.1 Apsorpcija
Kao što joj ime govori, apsorpcijska spektroskopija mjeri apsorpciju zračenja, kao funkciju valne duljine ili frekvencije, uzorka s izvorom.
Uzorak apsorbira energiju iz izvora i intenzitet apsorpcije varira s frekvencijom, a ta varijacija zatim proizvodi apsorpcijski spektar. Ova metoda spektroskopije radi se u cijelom elektromagnetskom spektru.
Apsorpcijska spektroskopija koristi se za određivanje spojeva prisutnih u uzorku i mjerenje njihove koncentracije. Gore spomenuta UV, VIS i IR spektroskopija primjeri su apsorpcijske spektroskopije.
Najčešći izvor svjetlosti koji se koristi u apsorpcijskoj spektrometriji je šuplja katoda, a PMT se koristi kao detektor. Ovo se često koristi u daljinskom senzoriku, astronomiji i atomskoj i molekularnoj fizici.
5.2.2 Refleksija
Spektroskopija refleksije mjeri količinu svjetlosti koja se reflektirala ili raspršila od uzorka.
Za fotone iz izvora koji se reflektiraju od uzorka ili lome kroz uzorak kaže se da su raspršeni.
Ti raspršeni fotoni se zatim detektiraju i snimaju. To rezultira dijagramom refleksije u odnosu na valne duljine.
Sustavi spektroskopije refleksije obično koriste lasere, superluminiscentne diode, LED ili halogene žarulje kao izvor svjetlosti i CCD, fotodiode ili MCA kao detektor.
Spektrometar refleksije koristi se u medicinskoj industriji za pružanje informacija o koncentraciji u tkivu, a također se može koristiti u industrijama poput znanosti o okolišu i geologije.
5.2.3 Prijenos
Transmisiona spektroskopija se odnosi na mjerenje količine svjetlosti koja nepromijenjena prolazi kroz uzorak.
Ona je jako povezana s apsorpcijskom spektroskopijom, stoga dijele sličnu postavku.
Spektar prijenosa imat će najveće vrhove na valnim duljinama gdje je apsorpcija najslabija kako više svjetlosti prolazi kroz uzorak.
Ovisno o spektralnom rasponu koriste se različiti izvori svjetlosti. Često se koriste LED, volfram halogene ili deuterijske žarulje. Tipični odabrani detektori su fotodiode i CCD. To se često koristi u farmaceutskoj analizi.
5.2.4 Fluorescencija
Kao što je spomenuto u UV spektroskopiji, elektroni u uzorku postaju pobuđeni kada apsorbiraju svjetlost i prijeđu iz osnovnog stanja u više elektronsko stanje koje se sastoji od različitih vibracijskih stanja.
Pobuđeni elektroni mogu prijeći u svoje osnovno stanje emitiranjem fotona i taj je proces poznat kao fluorescencija.
Kako elektroni mogu pasti u bilo koju od različitih vibracijskih razina u osnovnom stanju, emitirani fotoni sadržavat će različite količine energije, a time i različite intenzitete i valne duljine.
Fluorescencijska spektroskopija se stoga definira kao mjerenje količine fluorescencije iz uzorka. Obično koristi svjetlost u UV ili VIS rasponu za pobuđivanje elektrona.
Fluorescencija se mjeri fluorescentnim spektrometrima i njime se mjere različite karakteristike fluorescencije, kao što su intenzitet i raspodjela valne duljine emisije. Emisioni spektar tada otkriva koje valne duljine uzorci emitiraju.
Instrumenti koji mjere fluorescenciju poznati su kao fluorometri. Fluorometri obično koriste lasere, LED, ksenonske žarulje ili žarulje sa živinom parom kao izvor svjetlosti. Fotodiode ili PMT obično se biraju kao detektori u fluorescentnoj spektroskopiji.
Ova spektroskopska metoda može se često naći u medicini, biokemiji i industriji praćenja okoliša. Primjene uključuju dijagnostiku raka u ljudskim tkivima, otkrivanje nečistoća ili identifikaciju i mjerenje koncentracija tvari te otkrivanje raznih bakterija, virusa i parazita koji uzrokuju infekciju
5.2.5 Raspršenje
Kada svjetlost prolazi kroz materiju, većina se nastavlja u svom izvornom smjeru, međutim, mali dio se raspršuje u drugim smjerovima.
Ova tehnika temelji se na teoriji Ramanovog raspršenja. Efekt raspršenja je neelastično raspršenje fotona na materiji, što znači da dolazi do promjene smjera svjetlosti i da fotoni gube energiju nakon interakcije s uzorkom.
Obično će molekule dobiti vibracijsku energiju od upadnih fotona.
Većina svjetlosti koja se rasprši je nepromijenjena u energiji, a ovo je Rayleighovo raspršenje. Ramanovo raspršenje sastoji se od iznimno malenog dijela raspršenih fotona (otprilike 1 od 10 milijuna).
Analizom vibracijske promjene u uzorku mogu se odrediti svojstva kao što su kemijski sastav, kristalnost i molekularne interakcije. Kao što je gore spomenuto, Ramanovo raspršenje je vrlo slabo, stoga je za ispitivanje svjetlosti potreban vrlo osjetljiv spektrometar.
Ovaj instrument se obično koristi u industrijama kao što su kemija, fizika, farmacija, umjetnost i medicina. Pomaže u identificiranju molekula i ispitivanju kemijskih veza, karakterizaciji i proučavanju strukture materijala, otkrivanju krivotvorenih lijekova u pakiranjima, proučavanju biominerala itd.
6. Ramanov spektrometar
Ramanova spektroskopija temelji se na interakciji svjetlosti (obično lasera) s kemijskim vezama materijala.
Svjetlost se raspršuje izravno s uzorka i prolazi kroz filter kako bi se uklonile čestice Rayleighovog raspršenja.
Preostalo svjetlo od Ramanovog raspršenja se zatim usmjerava na difrakcijsku rešetku prije nego što krene prema detektoru.
Na kraju proizvodi Ramanov spektar gdje svaki vrh i intenzitet mogu dati neke informacije o uzorku.
Ramanov spektrometar kao izvor svjetlosti koristi samo kontinuirani valni laser.
Obično se koriste laseri u spektralnom rasponu od crvene do NIR, međutim, posljednjih godina sve je veća upotreba vidljivih lasera u plavoj i zelenoj boji.
Također koristi holografsku rešetku kao svoj monokromator i CCD-ove kao detektor.
7. Spektrometar vs. Spektrofotometar
Ljudi često brkaju spektrometre sa spektrofotometrima. Spektrofotometar je instrument koji mjeri svojstva prijenosa i apsorpcije svjetlosti kao funkciju valne duljine materijala.
Obično se bavi svjetlom u rasponu od skoro ultraljubičastog do vidljivog do blizu infracrvenog. Sam spektrofotometar sadrži spektrometar kao i izvor svjetlosti za bolje osvjetljavanje uzorka.
Princip rada sličan je spektrometru, gdje se monokromator koristi za odabir valne duljine svjetlosti koja će doći do uzorka. Ovisno o neprozirnosti uzorka, svjetlost se reflektira ili prenosi. Detektor zatim bilježi intenzitet reflektirane ili propuštene svjetlosti.
To se ponavlja s monokromatorom na različitim valnim duljinama kako bi detektor izmjerio promjenu intenziteta svjetlosti. Konačni izlaz bio bi apsorpcijski spektar kao funkcija valne duljine.
8. Gdje kupiti pouzdan spektrometar?
Sada kada znate što je spektrometar i njegove primjene, trebali biste znati gdje kupiti pouzdan. Možete kupiti pouzdane spektrometre Wavelength Opto-Electronic.
Distributer smo StellarNet spektrometara, nudimo optičke spektrometre za mjerenja u UV, VIS i NIR, od valnih duljina od 190 – 2300nm. StellarNet spektrometri dizajnirani su da budu prijenosni i kompaktni bez pokretnih dijelova.
