Cos'è uno spettrometro? Spiegazione dello spettrometro UV, VIS e IR
Autore: Ng Ci Xuan – Tirocinante in Ricerca e Sviluppo
Redattore: Bryan Ng – Responsabile marketing
Redattore: Preethi – Ingegnere del supporto tecnico
Pubblicato il: aprile 29 2020
1. Che cos'è uno spettrometro?
Il termine spettrometro è un termine generico che descrive uno strumento in grado di separare e misurare le componenti spettrali di una caratteristica fisica. Si tratta di dispositivi che misurano una variabile continua, separando le componenti dello spettro dalla loro miscela originale.
Esistono diverse varianti di spettrometri in circolazione e alcuni dei più comuni presenti sono lo spettrometro di risonanza magnetica nucleare (NMR), lo spettrometro di massa e lo spettrometro ottico.
1.1 Spettrometro NMR
Lo spettrometro NMR osserva e misura l'interazione degli spin dei nuclei quando il campione viene posto in un campo magnetico forte e costante. Il segnale NMR viene prodotto quando i nuclei interagiscono con il campo magnetico ad una frequenza che risuona con la frequenza dei nuclei.
Il campo magnetico intramolecolare che circonda l'atomo in una molecola cambia con la frequenza di risonanza, rivelando quindi la struttura molecolare del campione.
1.2 Spettrometro di massa
Uno spettrometro di massa misura il rapporto massa/carica degli ioni e identifica la composizione degli elementi presenti in un campione. Funziona ionizzando un campione, che fa sì che alcune delle molecole si carichino e si separino in base al loro rapporto massa-carica.
Questi ioni vengono quindi rilevati da un dispositivo in grado di rilevare particelle cariche.
1.3 Spettrometro ottico
Uno spettrometro ottico misura le proprietà della luce, solitamente vicino alla regione ottica dello spettro elettromagnetico, cioè la luce ultravioletta, visibile e infrarossa.
La variazione dell'assorbimento e dell'emissione dell'intensità luminosa con la lunghezza d'onda consente di identificare i materiali.
In questo articolo, ci concentreremo sullo spettrometro ottico.
2. Principio di funzionamento di uno spettrometro
Uno spettrometro è costituito da tre componenti principali: fessura d'ingresso, reticolo e rivelatore.
2.1 Fessura d'ingresso
La luce proveniente dalla sorgente entra nella fessura di ingresso e la dimensione della fessura determina la quantità di luce che può essere misurata dallo strumento. La dimensione della fessura influisce anche sulla risoluzione ottica dello spettrometro, dove minore è la dimensione della fessura, migliore è la risoluzione.
Il fascio diventa divergente dopo aver attraversato la fenditura e riflettendo il fascio divergente su uno specchio collimatore, il fascio viene collimato. I raggi collimati vengono quindi diretti verso un reticolo di diffrazione. Il reticolo funge da elemento dispersivo e divide la luce nelle sue lunghezze d'onda costituenti.
2.2 Grata
Un monocromatore utilizza un fenomeno di dispersione ottica in un prisma o diffrazione da reticoli di diffrazione per selezionare una particolare lunghezza d'onda della luce. Negli spettrometri tradizionali, i prismi venivano usati per disperdere la luce.
Tuttavia, con l'invenzione del reticolo di diffrazione, è diventato il monocromatore più utilizzato negli spettrometri moderni in quanto presenta più vantaggi rispetto al prisma.
Entrambi i dispositivi sono in grado di dividere la luce in diversi colori, ma è possibile realizzare un reticolo di diffrazione per diffondere i colori su un angolo maggiore rispetto a un prisma. I prismi inoltre hanno una dispersione maggiore solo nella regione UV mentre i reticoli di diffrazione hanno una dispersione elevata e costante nello spettro UV, VIS e IR.
Una volta che la luce colpisce il reticolo di diffrazione, ogni lunghezza d'onda viene riflessa con un angolo diverso. Reticoli di diffrazione di diverse dimensioni vengono utilizzati anche per determinare diversi intervalli di lunghezze d'onda.
Il raggio ridiventa divergente dopo essere stato riflesso dal reticolo, quindi colpisce un secondo specchio per focalizzarlo e dirigerlo verso il rivelatore.
2.3 Rivelatore
Il rilevatore cattura gli spettri luminosi e misura l'intensità della luce in funzione della lunghezza d'onda. Questi dati vengono quindi digitalizzati e tracciati su un software sotto forma di grafico.
3. Parti di uno spettrometro
La sezione sopra ha parlato di come funziona uno spettrometro. In questa sezione verranno trattati i componenti di uno spettrometro e la varietà di ciascun componente.
3.1 Sorgenti luminose
Le sorgenti luminose che si trovano comunemente in uno spettrometro sono costituite da alogeno al tungsteno, deuterio, archi allo xeno, LED, argon al mercurio, zinco o laser.
3.2 Fessura d'ingresso
Le fessure sono disponibili in una varietà di dimensioni, da 5 μm a 800 μm con un'altezza da 1 mm a 2 mm. La dimensione della fessura dipende dall'applicazione e le fenditure più comuni utilizzate sono larghe 10, 25, 50, 100 e 200 μm.
3.3 Specchi
I tipi più comuni di specchi intorno sono solitamente specchi piani e sferici. Gli specchi sferici possono essere suddivisi in due tipi: specchi sferici concavi e convessi. Tuttavia, in uno spettrometro, vengono solitamente utilizzati specchi sferici concavi.
3.4 Reticoli di diffrazione
Esistono due tipi di reticoli di diffrazione disponibili sul mercato: reticolo rigato e reticolo olografico.
Un reticolo rigato viene prodotto incidendo fisicamente delle scanalature su una superficie riflettente utilizzando uno strumento a forma di diamante su una macchina rigata, mentre un reticolo olografico viene prodotto mediante un processo noto come litografia ad interferenza, che costruisce uno schema di interferenza utilizzando due raggi UV.
I reticoli rigati possono essere illuminati per lunghezze d'onda specifiche e di solito hanno un'efficienza maggiore rispetto ai reticoli olografici.
I reticoli olografici tendono ad avere una forma e una spaziatura delle scanalature più uniformi e generano meno luce diffusa poiché vengono prodotti otticamente.
3.5 Supporti
I campioni sono solitamente liquidi, ma possono essere testati anche gas e solidi. I campioni sono solitamente posti all'interno di una cella trasparente, chiamata cuvetta. Le provette possono anche essere utilizzate al posto delle cuvette in alcune apparecchiature.
Il materiale utilizzato per produrre la cuvetta dipende dall'intervallo spettrale coperto dallo spettrometro. La silice fusa o il vetro di quarzo sono comunemente usati in quanto sono trasparenti attraverso le regioni dai raggi UV a IR.
3.6 Rivelatori
Esiste un'ampia varietà di rilevatori utilizzati in diversi spettrometri e alcuni rilevatori comunemente utilizzati sono il tubo fotomoltiplicatore (PMT), il fotodiodo, la serie di fotodiodi, il dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD), il bolometro e l'analizzatore multicanale (MCA).
3.7 Interfaccia
La maggior parte dei sistemi spettrometrici si interfaccia con il computer tramite USB, RS-232 o Ethernet. Con i progressi tecnologici, i sistemi più recenti sono in grado di trasferire i dati in modalità wireless tramite Wi-Fi e Bluetooth.
3.8 Software
Esistono numerosi software che possono essere utilizzati con gli spettrometri per l'acquisizione dei dati. La maggior parte delle aziende produttrici di questi strumenti fornisce anche un software compatibile con lo spettrometro che producono. Ad esempio, gli spettrometri di StellarNet sono forniti con il loro software chiamato SpectraWiz.
Oltre a questi software già pronti, altri ti consentono di codificare e creare il tuo programma e personalizzarlo in base alle tue esigenze, ad esempio LabVIEW, Visual C, C#, VB, VBA per MS Excel e MATLAB.
4. Uso di spettrometri
Ci sono diversi usi per uno spettrometro.
Un esempio è uno spettrometro UV che utilizza un intervallo spettrale di 200 – 400 nm, installato con una fenditura di ingresso di larghezza 200 μm, insieme a un reticolo olografico con una dimensione della scanalatura di 2400 g/mm e con un rivelatore CCD di 2000 pixel, in grado di rilevare impurità nelle molecole organiche – come il benzene, che è un'impurità comune presente nel cicloesano e la sua presenza può essere facilmente rilevata dal suo assorbimento con un picco a 255 nm nello spettro.
5. Tipi di spettrometri ottici
Gli spettrometri ottici possono essere classificati in due modi. Il primo modo è per la loro lunghezza d'onda mentre il secondo è per le loro proprietà di interazione con la luce.
5.1 Lunghezza d'onda
5.1.1 Ultravioletto (UV)
La spettroscopia UV utilizza la luce nella gamma UV, con lunghezze d'onda comprese tra 200 e 400 nm, per misurare la quantità di luce assorbita o riflessa da un campione e per determinare le concentrazioni degli elementi presenti nel campione.
Gli elettroni nel campione vengono eccitati dallo stato fondamentale a uno stato energetico più elevato mentre le molecole assorbono l'energia emessa dalla luce UV. La quantità di energia che gli elettroni hanno è proporzionale alla lunghezza della lunghezza d'onda che possono assorbire.
L'identificazione del campione viene effettuata confrontando lo spettro prodotto quando il campione assorbe la luce UV con gli spettri di composti noti.
Uno spettrometro UV utilizza tipicamente lampade alogene ad arco al deuterio, allo xeno o al tungsteno. Il tipo di reticolo utilizzato è solitamente reticolo olografico e il rilevatore utilizzato è solitamente un PMT, fotodiodo, matrice di fotodiodi o CCD. I rilevatori di solito hanno una dimensione in pixel di 14 μm per 200 μm.
Uno spettrometro UV è comunemente usato in settori come scienza dei materiali, controllo qualità, petrolchimica, alimentazione e agricoltura, scienze biologiche, componenti ottici, ecc.
Viene anche solitamente utilizzato in applicazioni come il rilevamento di impurità, la presenza o l'assenza di qualsiasi gruppo funzionale in un composto, l'identificazione di composti, la delucidazione strutturale di composti organici, ecc.
5.1.2 Visibile (VIS)
Uno spettrometro VIS funziona allo stesso modo di uno spettrometro UV, con la differenza che utilizza la luce nella regione visibile dello spettro elettromagnetico, ovvero con lunghezze d'onda comprese tra 400 nm e 700 nm, per identificare i composti che non interagiscono con la luce UV.
Questo strumento può anche determinare la concentrazione di sostanze in un campione misurandone l'intensità di trasmittanza o assorbanza.
Le lampade alogene al tungsteno, allo xeno e i LED vengono generalmente utilizzati come sorgenti luminose in uno spettrometro VIS.
Utilizza lo stesso tipo di reticolo di diffrazione e rivelatore di uno spettrometro UV. Lo spettrometro VIS è utilizzato principalmente nelle stesse industrie e applicazioni dello spettrometro UV.
5.1.3 Infrarossi (IR)
Lo spettrometro IR utilizza le transizioni vibrazionali di una molecola organica con luce infrarossa per identificare i materiali negli spettri IR.
La luce IR può essere divisa in tre porzioni comprese tra 700 nm e 1 mm: vicino, medio e lontano infrarosso, che è in relazione allo spettro visibile.
I fotoni dal medio IR in poi sono in grado di indurre eccitazioni vibrazionali solo in atomi legati in modo covalente e non sono in grado di eccitare elettroni poiché le energie non sono abbastanza grandi.
Il campione assorbe la radiazione IR e corrisponde in energia a queste vibrazioni. Ciò consente di registrare gli spettri di assorbimento dei composti e gli spettri sono unici per ciascun composto.
Lo spettrometro IR a trasformata di Fourier (FTIR), che raccoglie dati su un'ampia gamma, utilizza la trasformata di Fourier per convertire i dati grezzi in uno spettro.
Vicino, medio e lontano IR utilizzano rispettivamente lampade alogene al tungsteno, globar e lampade al mercurio. Il tipo di grigliato installato è solitamente grigliato rigato. Gli spettrometri NIR utilizzano tipicamente fotodiodi InGaAs con una dimensione in pixel di 25 μm per 500 μm mentre gli spettrometri MIR utilizzano rivelatori piroelettrici con una dimensione in pixel di 48.5 μm per 48.5 μm e gli spettrometri FIR utilizzano bolometri a-Si o VOx di 75 μm per 75 μm in pixel.
Questo di solito può essere trovato in settori come quello farmaceutico, della sicurezza ambientale, alimentare e dei materiali. Le applicazioni che utilizzano lo spettrometro IR includono la caratterizzazione delle proteine, l'esplorazione dello spazio, l'identificazione di composti, l'analisi dei semiconduttori su scala nanometrica, ecc.
5.2 Interazioni
5.2.1 Assorbimento
Come suggerisce il nome, la spettroscopia di assorbimento misura l'assorbimento della radiazione, in funzione della lunghezza d'onda o della frequenza, di un campione con la sorgente.
Il campione assorbe energia dalla sorgente e l'intensità di assorbimento varia con la frequenza, questa variazione produce quindi lo spettro di assorbimento. Questo metodo di spettroscopia viene eseguito attraverso lo spettro elettromagnetico.
La spettroscopia di assorbimento viene utilizzata per determinare i composti presenti in un campione e per misurarne la concentrazione. Le spettroscopie UV, VIS e IR menzionate sopra sono esempi di spettroscopia di assorbimento.
La sorgente luminosa più comune utilizzata nella spettrometria di assorbimento è una lampada a catodo cavo e come rivelatore viene utilizzato un PMT. Questo è spesso usato nel telerilevamento, nell'astronomia e nella fisica atomica e molecolare.
5.2.2 Riflettanza
La spettroscopia di riflettanza misura la quantità di luce che è stata riflessa o dispersa da un campione.
Si dice che i fotoni della sorgente che vengono riflessi dal campione o rifratti attraverso il campione sono dispersi.
Questi fotoni sparsi vengono quindi rilevati e registrati. Ciò si traduce in un grafico della riflettanza rispetto alla lunghezza d'onda.
I sistemi di spettroscopia di riflettanza di solito utilizzano laser, diodi superluminescenti, LED o lampade alogene come sorgente luminosa e CCD, fotodiodi o MCA come rilevatore.
Lo spettrometro di riflettanza viene utilizzato nell'industria medica per fornire informazioni sulla concentrazione dei tessuti e può essere utilizzato anche in settori come le scienze ambientali e la geologia.
5.2.3 Trasmittanza
La spettroscopia di trasmissione si riferisce alla misurazione della quantità di luce che passa attraverso un campione invariato.
È molto correlato alla spettroscopia di assorbimento, quindi condividono una configurazione simile.
Uno spettro di trasmissione avrà i suoi picchi più alti alle lunghezze d'onda in cui l'assorbimento è più debole poiché più luce passa attraverso il campione.
A seconda della gamma spettrale, vengono utilizzate diverse sorgenti luminose. Vengono spesso utilizzati LED, lampade alogene al tungsteno o al deuterio. Tipici rivelatori scelti sono fotodiodi e CCD. Questo è spesso usato nelle analisi farmaceutiche.
5.2.4 Fluorescenza
Come accennato nella spettroscopia UV, gli elettroni in un campione si eccitano quando assorbe la luce e si sposta dallo stato fondamentale a uno stato elettronico superiore che consiste in vari stati vibrazionali.
Gli elettroni eccitati possono transitare al loro stato fondamentale emettendo un fotone e questo processo è noto come fluorescenza.
Poiché gli elettroni possono cadere in uno qualsiasi dei vari livelli vibrazionali nello stato fondamentale, i fotoni emessi conterranno diverse quantità di energia, e quindi intensità e lunghezze d'onda variabili.
La spettroscopia di fluorescenza è quindi definita come la misurazione della quantità di fluorescenza da un campione. Di solito utilizza la luce nella gamma UV o VIS per l'eccitazione degli elettroni.
La fluorescenza viene misurata da spettrometri a fluorescenza e misura varie caratteristiche della fluorescenza, come l'intensità e la distribuzione della lunghezza d'onda dell'emissione. Lo spettro di emissione rivela quindi quali lunghezze d'onda emettono i campioni.
Gli strumenti che misurano la fluorescenza sono noti come fluorimetri. I fluorometri utilizzano tipicamente laser, LED, lampade ad arco allo xeno o ai vapori di mercurio come fonte di luce. I fotodiodi o PMT sono solitamente selezionati come rivelatori nella spettroscopia di fluorescenza.
Questo metodo di spettroscopia può essere comunemente trovato nei settori medico, biochimico e di monitoraggio ambientale. Le applicazioni includono la diagnosi del cancro nei tessuti umani, per rilevare impurità o identificazione e misurazione delle concentrazioni di sostanze e per rilevare vari batteri, virus e parassiti che causano infezioni
5.2.5 Dispersione
Quando la luce attraversa la materia, la maggior parte di essa continua nella sua direzione originaria, tuttavia, una piccola parte viene diffusa in altre direzioni.
Questa tecnica si basa sulla teoria dello scattering Raman. L'effetto di scattering è lo scattering anelastico dei fotoni da parte della materia, il che significa che c'è un cambiamento nella direzione della luce e l'energia viene persa dai fotoni dopo aver interagito con il campione.
Di solito, le molecole guadagneranno energia vibrazionale dai fotoni incidenti.
La maggior parte della luce che viene dispersa è invariata in energia e questa è la diffusione di Rayleigh. Lo scattering Raman è costituito da una frazione estremamente piccola di fotoni sparsi (circa 1 su 10 milioni).
Analizzando il cambiamento vibrazionale nel campione, è possibile determinare proprietà come la composizione chimica, la cristallinità e le interazioni molecolari. Come accennato in precedenza, lo scattering Raman è molto debole, quindi è necessario uno spettrometro altamente sensibile per esaminare la luce.
Questo strumento è comunemente usato in industrie come la chimica, la fisica, la farmaceutica, le arti e la medicina. Aiuta a identificare le molecole ed esaminare il legame chimico, caratterizzare e studiare le strutture dei materiali, scoprire farmaci contraffatti nelle confezioni, studiare i biominerali, ecc.
6. Spettrometro Raman
La spettroscopia Raman si basa sull'interazione della luce (tipicamente un laser) con i legami chimici di un materiale.
La luce viene dispersa direttamente dal campione e fatta passare attraverso un filtro per rimuovere le particelle dallo scattering di Rayleigh.
La luce rimanente della diffusione Raman viene quindi diretta a un reticolo di diffrazione prima di dirigersi verso il rivelatore.
Alla fine produce uno spettro Raman in cui ogni picco e intensità possono fornire alcune informazioni sul campione.
Lo spettrometro Raman utilizza solo il laser a onda continua come fonte di luce.
Di solito vengono utilizzati laser nella gamma spettrale dal rosso al NIR, tuttavia l'uso di laser visibili in blu e verde è in aumento negli ultimi anni.
Impiega anche un reticolo olografico come monocromatore e CCD come rivelatore.
7. Spettrometro vs. Spettrofotometro
Spesso si confondono gli spettrometri con gli spettrofotometri. Uno spettrofotometro è uno strumento che misura le proprietà di trasmissione e assorbimento della luce in funzione della lunghezza d'onda di un materiale.
In genere si occupa della luce nell'intervallo dal vicino ultravioletto alla luce visibile al vicino infrarosso. Lo spettrofotometro stesso contiene uno spettrometro e una fonte di luce per illuminare meglio il campione.
Il principio di funzionamento è simile allo spettrometro, in cui viene utilizzato un monocromatore per selezionare una lunghezza d'onda della luce per raggiungere il campione. A seconda dell'opacità del campione, la luce viene riflessa o trasmessa. Il rilevatore registra quindi l'intensità della luce riflessa o trasmessa.
Questo viene ripetuto con il monocromatore a diverse lunghezze d'onda affinché il rivelatore misuri la variazione dell'intensità della luce. L'output finale sarebbe uno spettro di assorbimento in funzione della lunghezza d'onda.
8. Dove acquistare uno spettrometro affidabile?
Ora che sai cos'è uno spettrometro e le sue applicazioni, dovresti sapere dove acquistarne uno affidabile. È possibile acquistare spettrometri affidabili da Wavelength Opto-Electronic.
Siamo il distributore degli spettrometri StellarNet, offrendo spettrometri ottici per misure in UV, VIS e NIR, da lunghezze d'onda di 190 – 2300nm. Gli spettrometri StellarNet sono progettati per essere portatili e compatti senza parti mobili.
