Что такое спектрометр? Объяснение спектрометра UV, VIS и IR
Автор: Нг Ци Сюань – стажер отдела исследований и разработок.
Редактор: Брайан Нг – менеджер по маркетингу
Редактор: Прити – инженер технической поддержки
Опубликовано: Апрель 29 2020
1. Что такое спектрометр?
Спектрометр — это общий термин, описывающий прибор, который разделяет и измеряет спектральные компоненты физической характеристики. Это устройства, измеряющие непрерывную переменную, в которой компоненты спектра отделяются от их исходной смеси.
Существует несколько разновидностей спектрометров, и наиболее распространенными из них являются спектрометр ядерного магнитного резонанса (ЯМР), масс-спектрометр и оптический спектрометр.
1.1 ЯМР-спектрометр
Спектрометр ЯМР наблюдает и измеряет взаимодействие спинов ядер, когда образец помещается в сильное постоянное магнитное поле. Сигнал ЯМР возникает, когда ядра взаимодействуют с магнитным полем на частоте, резонирующей с частотой ядер.
Внутримолекулярное магнитное поле, окружающее атом в молекуле, изменяется в зависимости от резонансной частоты, таким образом раскрывая молекулярную структуру образца.
1.2 Масс-спектрометр
Масс-спектрометр измеряет отношение массы ионов к заряду и определяет состав элементов, присутствующих в образце. Это работает путем ионизации образца, в результате чего некоторые молекулы становятся заряженными и разделяются в соответствии с отношением их массы к заряду.
Эти ионы затем обнаруживаются устройством, которое может обнаруживать заряженные частицы.
1.3 Оптический спектрометр
Оптический спектрометр измеряет свойства света, обычно вблизи оптической области электромагнитного спектра, то есть ультрафиолетового, видимого и инфракрасного света.
Изменение поглощения и излучения интенсивности света в зависимости от длины волны позволяет идентифицировать материалы.
В этой статье мы сосредоточимся на оптическом спектрометре.
2. Принцип работы спектрометра.
Спектрометр состоит из трех основных компонентов – входной щели, решетки и детектора.
2.1 Входная щель
Свет от источника попадает во входную щель, и размер щели определяет количество света, которое может быть измерено прибором. Размер щели также влияет на оптическое разрешение спектрометра: чем меньше размер щели, тем лучше разрешение.
Луч становится расходящимся после прохождения через щель, и за счет отражения расходящегося пучка на коллимирующем зеркале пучок становится коллимированным. Затем коллимированные лучи направляются на дифракционную решетку. Решетка действует как рассеивающий элемент и разделяет свет на составляющие его длины волн.
2.2 Решетка
Монохроматор использует явление оптической дисперсии в призме или дифракции на дифракционных решетках для выбора определенной длины волны света. В традиционных спектрометрах для рассеивания света использовались призмы.
Однако с изобретением дифракционной решетки она стала наиболее часто используемым монохроматором в современных спектрометрах, поскольку имеет больше преимуществ перед призмой.
Оба устройства способны разделять свет на несколько цветов, но дифракционная решетка может распределять цвета под большим углом, чем призма. Призмы также имеют более высокую дисперсию только в УФ-диапазоне, тогда как дифракционные решетки имеют высокую и постоянную дисперсию в УФ-, видимом и ИК-спектре.
Как только свет попадает на дифракционную решетку, каждая длина волны отражается под другим углом. Дифракционная решетка разных размеров также используется для определения различных диапазонов длин волн.
Луч снова становится расходящимся после отражения от решетки, таким образом, он попадает во второе зеркало, чтобы сфокусироваться и направить его на детектор.
2.3 Детектор
Детектор улавливает световые спектры и измеряет интенсивность света как функцию длины волны. Затем эти данные оцифровываются и отображаются в программе в виде графика.
3. Части спектрометра.
В разделе выше говорилось о том, как работает спектрометр. В этом разделе будут рассмотрены компоненты спектрометра и разнообразие каждого компонента.
3.1 Источники света
Источники света, обычно встречающиеся в спектрометре, состоят из вольфрамово-галогенных, дейтериевых, ксеноновых дуг, светодиодов, ртутно-аргоновых, цинковых или лазеров.
3.2 Входная щель
Прорези бывают разных размеров, от 5 до 800 мкм и высотой от 1 до 2 мм. Размер щели зависит от приложения, и наиболее часто используемые щели имеют ширину 10, 25, 50, 100 и 200 мкм.
3.3 Зеркала
Самые распространенные типы зеркал вокруг - это обычно плоские и сферические зеркала. Сферические зеркала можно разделить на два типа - вогнутые и выпуклые сферические зеркала. Однако в спектрометре обычно используются вогнутые сферические зеркала.
3.4 Дифракционные решетки
На рынке доступны два типа дифракционных решеток - линейчатая решетка и голографическая решетка.
Линейчатая решетка создается путем физического вытравливания канавок на отражающей поверхности с использованием инструмента в форме алмаза на линовочной машине, в то время как голографическая решетка создается с помощью процесса, известного как интерференционная литография, который создает интерференционный узор с использованием двух УФ-лучей.
Линейчатые решетки могут светиться для определенных длин волн и обычно имеют более высокую эффективность, чем голографические решетки.
Голографические решетки, как правило, имеют более однородную форму канавок и расстояние между ними и генерируют меньше рассеянного света, поскольку они производятся оптическим способом.
3.5 держателей
Образцы обычно представляют собой жидкости, но также можно тестировать газы и твердые вещества. Образцы обычно помещают внутрь прозрачной ячейки, называемой кюветой. Пробирки также можно использовать вместо кювет в некотором оборудовании.
Материал, из которого изготовлена кювета, зависит от спектрального диапазона, который покрывает спектрометр. Обычно используются плавленый кремнезем или кварцевое стекло, поскольку они прозрачны в УФ- и ИК-диапазонах.
3.6 Детекторы
В различных спектрометрах используется большое количество детекторов, и наиболее часто используемыми детекторами являются фотоумножитель (ФЭУ), фотодиод, фотодиодная матрица, устройство с зарядовой связью (ПЗС), болометр и многоканальный анализатор (МКА).
3.7 Интерфейс
Большинство спектрометрических систем взаимодействуют с компьютером через USB, RS-232 или Ethernet. Благодаря технологическим достижениям новые системы могут передавать данные по беспроводной связи с использованием Wi-Fi и Bluetooth.
3.8 Программное обеспечение
Для использования со спектрометрами в целях сбора данных можно разработать множество программ. Большинство компаний, производящих приборы, также предоставляют программное обеспечение, совместимое с выпускаемыми ими спектрометрами. Например, спектрометры StellarNet поставляются с программным обеспечением SpectraWiz.
Помимо такого готового программного обеспечения, другие позволяют вам кодировать и создавать свою программу, а также настраивать ее в соответствии с вашими потребностями, например LabVIEW, Visual C, C#, VB, VBA для MS Excel и MATLAB.
4. Использование спектрометров
Есть несколько применений спектрометра.
Одним из примеров является УФ-спектрометр, использующий спектральный диапазон 200–400 нм, установленный с входной щелью шириной 200 мкм, вместе с голографической решеткой с размером канавки 2400 г/мм и с ПЗС-детектором на 2000 пикселей. примеси в органических молекулах, такие как бензол, это обычная примесь, обнаруженная в циклогексане, и ее присутствие можно легко обнаружить по поглощению с пиком при 255 нм в спектре.
5. Типы оптических спектрометров.
Оптические спектрометры можно разделить на две группы. Первый способ - по длине волны, а второй - по их свойствам светового взаимодействия.
5.1 Длина волны
5.1.1 Ультрафиолет (УФ)
УФ-спектроскопия использует свет в УФ-диапазоне длин волн от 200 до 400 нм для измерения количества света, поглощаемого или отражаемого образцом, и для определения концентрации элементов в образце.
Электроны в образце переходят из основного состояния в состояние с более высокой энергией, поскольку молекулы поглощают энергию, испускаемую УФ-светом. Количество энергии, которой обладают электроны, пропорционально длине волны, которую они могут поглотить.
Идентификация образца осуществляется путем сравнения спектра, полученного при поглощении образцом УФ-света, со спектрами известных соединений.
УФ-спектрометр обычно использует дейтериевую дугу, ксеноновую дугу или вольфрамово-галогенные лампы. Обычно используется голографическая решетка, а в качестве детектора обычно используется ФЭУ, фотодиод, фотодиодная матрица или ПЗС. Детекторы обычно имеют размер пикселя 14 мкм на 200 мкм.
УФ-спектрометр обычно используется в таких отраслях, как материаловедение, контроль качества, нефтехимия, пищевая промышленность и сельское хозяйство, медико-биологические науки, оптические компоненты и т. д.
Он также обычно используется в таких приложениях, как обнаружение примесей, наличие или отсутствие какой-либо функциональной группы в соединении, идентификация соединений, выяснение структуры органических соединений и т. д.
5.1.2 Видимый (ВИД)
Визуальный спектрометр работает аналогично УФ-спектрометру, за исключением того, что он использует свет в видимой области электромагнитного спектра, то есть с длиной волны от 400 до 700 нм, для идентификации соединений, которые не взаимодействуют с УФ-светом.
Этот прибор также может определять концентрацию веществ в образце, измеряя его коэффициент пропускания или оптическую плотность.
В качестве источников света в спектрометре VIS обычно используются вольфрамово-галогенные, ксеноновые лампы и светодиоды.
В нем используется тот же тип дифракционной решетки и детектора, что и в УФ-спектрометре. Спектрометр VIS также в основном используется в тех же отраслях и приложениях, что и УФ-спектрометр.
5.1.3 Инфракрасный (ИК)
ИК-спектрометр использует колебательные переходы органической молекулы под воздействием ИК-излучения для идентификации веществ в ИК-спектре.
ИК-свет можно разделить на три части от 700 нм до 1 мм - ближний, средний и дальний инфракрасный свет, что соответствует видимому спектру.
Фотоны из среднего ИК-диапазона и далее способны вызывать колебательные возбуждения только в ковалентно связанных атомах и не могут возбуждать электроны, поскольку энергии недостаточно велики.
Образец поглощает ИК-излучение и соответствует по энергии этим колебаниям. Это позволяет регистрировать спектры поглощения соединений, причем спектры уникальны для каждого соединения.
ИК-спектрометр с преобразованием Фурье (FTIR), который собирает данные в широком диапазоне, использует преобразование Фурье для преобразования необработанных данных в спектр.
В ближнем, среднем и дальнем ИК-диапазоне используются вольфрамово-галогенные лампы, глобарные и ртутные лампы соответственно. Тип устанавливаемой решетки обычно представляет собой линейчатую решетку. В БИК-спектрометрах обычно используются фотодиоды InGaAs с размером пикселя 25 мкм на 500 мкм, в то время как в спектрометрах MIR используются пироэлектрические детекторы с размером пикселя 48.5 мкм на 48.5 мкм, а в спектрометрах FIR используются болометры a-Si или VOx с размером пикселя 75 мкм на 75 мкм.
Обычно это можно найти в таких отраслях, как фармацевтика, экологическая безопасность, продукты питания и материалы. Приложения, в которых используется ИК-спектрометр, включают определение характеристик белков, исследование космоса, идентификацию соединений, анализ наноразмерных полупроводников и т. д.
5.2 Взаимодействие
5.2.1 Поглощение
Как следует из названия, абсорбционная спектроскопия измеряет поглощение излучения в зависимости от длины волны или частоты образца с источником.
Образец поглощает энергию от источника, и интенсивность поглощения изменяется в зависимости от частоты, это изменение затем дает спектр поглощения. Этот метод спектроскопии выполняется по электромагнитному спектру.
Абсорбционная спектроскопия используется для определения соединений, присутствующих в образце, и для измерения его концентрации в нем. Упомянутые выше УФ, видимая и ИК спектроскопия являются примерами абсорбционной спектроскопии.
Наиболее распространенным источником света, используемым в абсорбционной спектрометрии, является лампа с полым катодом, а в качестве детектора используется ФЭУ. Это часто используется в дистанционном зондировании, астрономии, атомной и молекулярной физике.
5.2.2 Отражательная способность
Спектроскопия отражения измеряет количество света, отраженного или рассеянного от образца.
Фотоны от источника, которые отражаются от образца или преломляются через образец, называются рассеянными.
Затем эти рассеянные фотоны обнаруживаются и записываются. Это приводит к графику зависимости коэффициента отражения от длины волны.
Системы отражательной спектроскопии обычно используют лазеры, суперлюминесцентные диоды, светодиоды или галогенные лампы в качестве источников света и ПЗС, фотодиоды или МКА в качестве детекторов.
Спектрометр отражения используется в медицинской промышленности для получения информации о концентрации в тканях, а также может использоваться в таких отраслях, как наука об окружающей среде и геология.
5.2.3 Коэффициент пропускания
Спектроскопия пропускания - это измерение количества света, проходящего через образец без изменений.
Это очень тесно связано с абсорбционной спектроскопией, поэтому они имеют схожую установку.
Спектр пропускания будет иметь самые высокие пики на длинах волн, где поглощение является самым слабым по мере прохождения большего количества света через образец.
В зависимости от спектрального диапазона используются разные источники света. Часто используются светодиоды, вольфрамово-галогенные или дейтериевые лампы. Типичными выбранными детекторами являются фотодиоды и ПЗС. Это часто используется в фармацевтическом анализе.
5.2.4 Флуоресценция
Как упоминалось в УФ-спектроскопии, электроны в образце возбуждаются, когда он поглощает свет и переходит из основного состояния в более высокое электронное состояние, состоящее из различных колебательных состояний.
Возбужденные электроны могут переходить в свое основное состояние, испуская фотон, и этот процесс известен как флуоресценция.
Поскольку электроны могут падать на любой из различных колебательных уровней в основном состоянии, испускаемые фотоны будут содержать различное количество энергии и, следовательно, различные интенсивности и длины волн.
Таким образом, флуоресцентная спектроскопия определяется как измерение количества флуоресценции образца. Обычно он использует свет в УФ или видимом диапазоне для возбуждения электронов.
Флуоресценция измеряется флуоресцентными спектрометрами и измеряет различные характеристики флуоресценции, такие как интенсивность и распределение длины волны излучения. Затем спектр излучения показывает, какие длины волн излучают образцы.
Приборы для измерения флуоресценции известны как флуорометры. Флуорометры обычно используют лазеры, светодиоды, ксеноновые дуговые или ртутные лампы в качестве источников света. Фотодиоды или ФЭУ обычно выбирают в качестве детекторов в флуоресцентной спектроскопии.
Этот метод спектроскопии обычно используется в медицинской, биохимической и экологической промышленности. Приложения включают диагностику рака в тканях человека, обнаружение примесей или идентификацию и измерение концентраций веществ, а также обнаружение различных бактерий, вирусов и паразитов, вызывающих инфекции.
5.2.5 Рассеяние
Когда свет проходит через вещество, большая его часть продолжает движение в своем первоначальном направлении, однако небольшая его часть рассеивается в других направлениях.
Этот метод основан на теории комбинационного рассеяния. Эффект рассеяния представляет собой неупругое рассеяние фотонов веществом, что означает изменение направления света и потерю энергии фотонами после взаимодействия с образцом.
Обычно молекулы получают колебательную энергию от падающих фотонов.
Большая часть рассеиваемого света имеет неизменную энергию, и это рассеяние Рэлея. Рамановское рассеяние состоит из очень незначительной доли рассеянных фотонов (примерно 1 из 10 миллионов).
Анализируя колебательные изменения в образце, можно определить такие свойства, как химический состав, кристалличность и молекулярные взаимодействия. Как упоминалось выше, рамановское рассеяние очень слабое, поэтому для исследования света необходим высокочувствительный спектрометр.
Этот инструмент обычно используется в таких отраслях, как химия, физика, фармацевтика, искусство и медицина. Он помогает идентифицировать молекулы и исследовать химическую связь, характеризовать и изучать структуру материалов, обнаруживать поддельные лекарства в упаковках, изучать биоминералы и т. д.
6. Рамановский спектрометр.
Рамановская спектроскопия основана на взаимодействии света (обычно лазера) с химическими связями материала.
Свет рассеивается непосредственно от образца и проходит через фильтр, чтобы удалить частицы из рэлеевского рассеяния.
Оставшийся свет от комбинационного рассеяния затем направляется на дифракционную решетку, прежде чем направиться к детектору.
В конечном итоге он создает рамановский спектр, где каждый пик и интенсивность могут предоставить некоторую информацию об образце.
Рамановский спектрометр использует только непрерывный лазер в качестве источника света.
Обычно используются лазеры в спектральном диапазоне от красного до ближнего ИК диапазона, однако в последние годы все шире используются лазеры видимого диапазона с синим и зеленым цветами.
Он также использует голографическую решетку в качестве монохроматора и ПЗС-матрицу в качестве детектора.
7. Spectrometer Vs. Спектрофотометр
Часто люди путают спектрометры со спектрофотометрами. Спектрофотометр — это прибор, измеряющий свойства пропускания и поглощения света в зависимости от длины волны материала.
Обычно он работает со светом в диапазоне от ближнего ультрафиолета до видимого света и до ближнего инфракрасного диапазона. Сам спектрофотометр содержит спектрометр, а также источник света для лучшего освещения образца.
Принцип работы аналогичен спектрометру, где монохроматор используется для выбора длины волны света для достижения образца. В зависимости от непрозрачности образца свет либо отражается, либо проходит. Затем детектор регистрирует интенсивность отраженного или прошедшего света.
Это повторяется с монохроматором на разных длинах волн, чтобы детектор мог измерить изменение интенсивности света. Конечным результатом будет спектр поглощения как функция длины волны.
8. Где купить надежный спектрометр?
Теперь, когда вы знаете, что такое спектрометр и его применение, вы должны знать, где купить надежный. Вы можете купить надежные спектрометры в Wavelength Opto-Electronic.
Мы являемся дистрибьютором спектрометров StellarNet, предлагая оптические спектрометры для измерений в УФ, видимой и ближней ИК областях в диапазоне длин волн 190–2300 нм. Спектрометры StellarNet спроектированы так, чтобы быть портативными и компактными без движущихся частей.
