Čo je to spektrometer? Vysvetlenie UV, VIS a IR spektrometra

Autor: Ng Ci Xuan – stážista vo výskume a vývoji

Editor: Preethi – inžinier technickej podpory

Publikované: apríl 29 2020

1. Čo je to spektrometer?

Spektrometer je zastrešujúci pojem, ktorý opisuje prístroj, ktorý oddeľuje a meria spektrálne zložky fyzikálnej charakteristiky. Sú to zariadenia, ktoré merajú spojitú premennú, v ktorej sú zložky spektra oddelené od ich pôvodnej zmesi.

Existuje niekoľko variácií spektrometrov a niektoré z najbežnejších sú spektrometer nukleárnej magnetickej rezonancie (NMR), hmotnostný spektrometer a optický spektrometer.

1.1 NMR spektrometer

NMR spektrometer pozoruje a meria interakciu spinov jadier, keď je vzorka umiestnená v silnom, konštantnom magnetickom poli. NMR signál vzniká, keď jadrá interagujú s magnetickým poľom s frekvenciou, ktorá rezonuje s frekvenciou jadier.

Intramolekulárne magnetické pole obklopujúce atóm v molekule sa mení s rezonančnou frekvenciou, čím sa odhaľuje molekulárna štruktúra vzorky.

1.2 Hmotnostný spektrometer

Hmotnostný spektrometer meria pomer hmotnosti k náboju iónov a identifikuje zloženie prvkov prítomných vo vzorke. Funguje to tak, že sa vzorka ionizuje, čo spôsobí, že sa niektoré molekuly nabijú a oddelia podľa ich pomeru hmotnosti a náboja.

Tieto ióny potom deteguje zariadenie, ktoré dokáže detekovať nabité častice.

1.3 Optický spektrometer

Optický spektrometer meria vlastnosti svetla, zvyčajne v blízkosti optickej oblasti v elektromagnetickom spektre, tj ultrafialové, viditeľné a infračervené svetlo.

Zmena v absorpcii a emisii intenzity svetla s vlnovou dĺžkou umožňuje identifikáciu materiálov.

V tomto článku sa zameriame na optický spektrometer.

2. Princíp činnosti spektrometra

Spektrometer pozostáva z troch hlavných komponentov – vstupnej štrbiny, mriežky a detektora.

2.1 Vstupná štrbina

Svetlo zo zdroja vstupuje do vstupnej štrbiny a veľkosť štrbiny určuje množstvo svetla, ktoré je možné merať prístrojom. Veľkosť štrbiny ovplyvňuje aj optické rozlíšenie spektrometra, kde čím menšia veľkosť štrbiny, tým lepšie rozlíšenie.

Lúč sa po prechode štrbinou stáva divergentným a odrazom divergentného lúča na kolimačné zrkadlo sa lúč kolimuje. Kolimované lúče sú potom nasmerované na difrakčnú mriežku. Mriežka pôsobí ako disperzný prvok a rozdeľuje svetlo na jednotlivé vlnové dĺžky.

2.2 Mriežka

Monochromátor využíva jav optickej disperzie v hranole alebo difrakciu z difrakčných mriežok na výber konkrétnej vlnovej dĺžky svetla. V tradičných spektrometroch sa na rozptýlenie svetla používali hranoly.

S vynálezom difrakčnej mriežky sa však stal najpoužívanejším monochromátorom v moderných spektrometroch, pretože má viac výhod oproti hranolu.

Obidve zariadenia sú schopné rozdeliť svetlo na niekoľko farieb, ale dá sa vyrobiť difrakčná mriežka, ktorá rozloží farby pod väčší uhol ako hranol. Hranoly majú tiež vyššiu disperziu len v UV oblasti, zatiaľ čo difrakčné mriežky majú vysokú a konštantnú disperziu v UV, VIS a IR spektre.

Akonáhle svetlo dopadne na difrakčnú mriežku, každá vlnová dĺžka sa odráža pod iným uhlom. Na určenie rôznych rozsahov vlnových dĺžok sa používa aj difrakčná mriežka rôznych veľkostí.

Lúč sa po odraze od mriežky opäť rozbieha, takže narazí na druhé zrkadlo, aby ho zaostrilo a nasmerovalo na detektor.

2.3 Detektor

Detektor zachytáva svetelné spektrá a meria intenzitu svetla ako funkciu vlnovej dĺžky. Tieto údaje sú potom digitalizované a vynesené do softvéru ako graf.

3. Časti spektrometra

Vyššie uvedená časť hovorila o tom, ako funguje spektrometer. V tejto časti budú zahrnuté komponenty spektrometra a rozmanitosť každého komponentu.

3.1 Svetelné zdroje

Svetelné zdroje, ktoré sa bežne vyskytujú v spektrometri, sú vyrobené z volfrámového halogénu, deutéria, xenónových oblúkov, LED, ortuti, argónu, zinku alebo laserov.

3.2 Vstupná štrbina

Štrbiny sa dodávajú v rôznych veľkostiach, od 5 μm do 800 μm s výškou 1 mm až 2 mm. Veľkosť štrbiny závisí od aplikácie a najčastejšie používané štrbiny sú v šírkach 10, 25, 50, 100 a 200 μm.

3.3 Zrkadlá

Najbežnejšie typy zrkadiel v okolí sú zvyčajne rovinné a sférické zrkadlá. Sférické zrkadlá možno rozdeliť na dva typy – konkávne a konvexné sférické zrkadlá. V spektrometri sa však zvyčajne používajú konkávne sférické zrkadlá.

3.4 Difrakčné mriežky

Na trhu sú dostupné dva typy difrakčných mriežok – riadkovaná mriežka a holografická mriežka.

Pravidelná mriežka sa vyrába fyzickým leptaním drážok na odrazový povrch pomocou nástroja na tvarovanie diamantu na pravítko, zatiaľ čo holografická mriežka sa vyrába procesom známym ako interferenčná litografia, ktorá vytvára interferenčný obrazec pomocou dvoch UV lúčov.

Vrúbkované mriežky môžu byť vyžarované pre špecifické vlnové dĺžky a zvyčajne majú vyššiu účinnosť ako holografické mriežky.

Holografické mriežky majú tendenciu mať rovnomernejší tvar drážok a rozstupov a generujú menej rozptýleného svetla, pretože sa vytvárajú opticky.

3.5 Držiaky

Vzorky sú zvyčajne kvapaliny, ale môžu sa testovať aj plyny a pevné látky. Vzorky sú zvyčajne umiestnené vo vnútri priehľadnej bunky, ktorá sa nazýva kyveta. V niektorých zariadeniach sa namiesto kyviet môžu použiť aj skúmavky.

Materiál použitý na výrobu kyvety závisí od spektrálneho rozsahu, ktorý spektrometer pokrýva. Bežne sa používa tavený oxid kremičitý alebo kremenné sklo, pretože sú transparentné cez UV až IR oblasti.

3.6 Detektory

V rôznych spektrometroch sa používa široká škála detektorov a niektoré bežne používané detektory sú fotonásobič (PMT), fotodióda, pole fotodiód, nábojovo viazané zariadenie (CCD), bolometer a viackanálový analyzátor (MCA).

3.7 Rozhranie

Väčšina systémov spektrometrov sa pripája k počítaču cez USB, RS-232 alebo Ethernet. S technologickým pokrokom sú novšie systémy schopné prenášať dáta bezdrôtovo pomocou Wi-Fi a Bluetooth.

3.8 Softvér

Na zber údajov so spektrometrami je možné implementovať mnoho softvéru. Väčšina spoločností vyrábajúcich tieto prístroje poskytuje aj softvér, ktorý je kompatibilný so spektrometrom, ktorý vyrábajú. Napríklad spektrometre StellarNet sa dodávajú so softvérom známym ako SpectraWiz.

Okrem takéhoto hotového softvéru vám ďalšie umožňujú kódovať a vytvárať váš program a upravovať ho podľa vašich potrieb, tj LabVIEW, Visual C, C#, VB, VBA pre MS Excel a MATLAB.

4. Použitie spektrometrov

Existuje niekoľko spôsobov použitia spektrometra.

Jedným príkladom je UV spektrometer, ktorý využíva spektrálny rozsah 200 – 400 nm, inštalovaný so vstupnou štrbinou šírky 200 μm, spolu s holografickou mriežkou s veľkosťou drážky 2400 2000 g/mm a s CCD detektorom 255 XNUMX pixelov, dokáže detekovať nečistoty v organických molekulách – ako je benzén, čo je bežná nečistota nachádzajúca sa v cyklohexáne a jeho prítomnosť sa dá ľahko zistiť jeho absorpciou s vrcholom pri XNUMX nm v spektre.

5. Typy optických spektrometrov

Optické spektrometre možno klasifikovať dvoma spôsobmi. Prvý spôsob je podľa ich vlnovej dĺžky, zatiaľ čo druhý spôsob je podľa ich vlastností interakcie svetla.

5.1 Vlnová dĺžka

5.1.1 Ultrafialové (UV)

UV spektroskopia využíva svetlo v UV rozsahu vlnových dĺžok medzi 200 – 400 nm na meranie množstva svetla, ktoré vzorka absorbuje alebo odráža, a na určenie koncentrácií prvkov vo vzorke.

Elektróny vo vzorke sú excitované zo základného stavu do stavu s vyššou energiou, pretože molekuly absorbujú energiu vydanú UV svetlom. Množstvo energie, ktorú majú elektróny, je úmerné dĺžke vlnovej dĺžky, ktorú môžu absorbovať.

Identifikácia vzorky sa vykonáva porovnaním spektra vytvoreného, keď vzorka absorbuje UV svetlo, so spektrami známych zlúčenín.

UV spektrometer zvyčajne používa deutériový oblúk, xenónový oblúk alebo volfrámové halogénové žiarovky. Typ použitej mriežky je zvyčajne holografická mriežka a použitým detektorom je zvyčajne PMT, fotodióda, pole fotodiód alebo CCD. Detektory sa zvyčajne dodávajú s veľkosťou pixelov 14 μm x 200 μm.

UV spektrometer sa bežne používa v odvetviach, ako sú veda o materiáloch, kontrola kvality, petrochémia, potravinárstvo a poľnohospodárstvo, veda o živej prírode, optické komponenty atď.

Zvyčajne sa používa aj v aplikáciách, ako je detekcia nečistôt, prítomnosť alebo neprítomnosť akejkoľvek funkčnej skupiny v zlúčenine, identifikácia zlúčenín, objasnenie štruktúry organických zlúčenín atď.

5.1.2 Viditeľné (VIS)

VIS spektrometer funguje rovnakým spôsobom ako UV spektrometer, s tým rozdielom, že na identifikáciu zlúčenín, ktoré neinteragujú s UV svetlom, využíva svetlo vo viditeľnej oblasti elektromagnetického spektra, t. j. vlnovú dĺžku 400 nm až 700 nm.

Tento prístroj môže tiež určiť koncentráciu látok vo vzorke meraním intenzity priepustnosti alebo absorbancie.

Ako zdroje svetla v spektrometri VIS sa zvyčajne používajú volfrámové halogény, xenónové výbojky a LED diódy.

Využíva rovnaký typ difrakčnej mriežky a detektora ako UV spektrometer. VIS spektrometer sa tiež používa hlavne v rovnakých odvetviach a aplikáciách ako UV spektrometer.

5.1.3 Infračervené (IR)

IR spektrometer využíva vibračné prechody organickej molekuly pomocou IR svetla na identifikáciu materiálov v IR spektrách.

IR svetlo možno rozdeliť na tri časti od 700 nm do 1 mm – blízke, stredné a vzdialené infračervené, čo je vo vzťahu k viditeľnému spektru.

Fotóny od strednej IR sú schopné indukovať vibračné excitácie iba v kovalentne viazaných atómoch a nie sú schopné excitovať elektróny, pretože energie nie sú dostatočne veľké.

Vzorka absorbuje IR žiarenie a energeticky zodpovedá týmto vibráciám. To umožňuje zaznamenávať absorpčné spektrá zlúčenín a spektrá sú jedinečné pre každú zlúčeninu.

IR spektrometer s Fourierovou transformáciou (FTIR), ktorý zhromažďuje údaje v širokom rozsahu, využíva Fourierovu transformáciu na konverziu nespracovaných údajov na spektrum.

Blízke, stredné a vzdialené infračervené žiarenie používajú volfrámovo-halogénové výbojky, guľové a ortuťové výbojky. Typ inštalovanej mriežky je zvyčajne riadkovaná mriežka. NIR spektrometre zvyčajne používajú InGaAs fotodiódy s veľkosťou pixelov 25 μm x 500 μm, zatiaľ čo MIR spektrometre používajú pyroelektrické detektory s veľkosťou pixelov 48.5 μm x 48.5 μm a FIR spektrometre používajú a-Si alebo VOx bolometre s veľkosťou pixelov 75 μm x 75 μm.

Zvyčajne to možno nájsť v odvetviach, ako je farmaceutický priemysel, bezpečnosť životného prostredia, potraviny a materiály. Aplikácie, ktoré využívajú IR spektrometer, zahŕňajú charakterizáciu proteínov, prieskum vesmíru, identifikáciu zlúčenín, analýzu polovodičov nanometrov atď.

5.2 Interakcie

5.2.1 Absorpcia

Ako už názov napovedá, absorpčná spektroskopia meria absorpciu žiarenia ako funkciu vlnovej dĺžky alebo frekvencie vzorky so zdrojom.

Vzorka absorbuje energiu zo zdroja a intenzita absorpcie sa mení s frekvenciou, táto zmena potom vytvára absorpčné spektrum. Táto metóda spektroskopie sa vykonáva v celom elektromagnetickom spektre.

Absorpčná spektroskopia sa používa na stanovenie zlúčenín prítomných vo vzorke a na meranie ich koncentrácie. UV, VIS a IR spektroskopia uvedené vyššie sú príklady absorpčnej spektroskopie.

Najbežnejším zdrojom svetla používaným v absorpčnej spektrometrii je lampa s dutou katódou a ako detektor sa používa PMT. Toto sa často používa v diaľkovom prieskume Zeme, astronómii a atómovej a molekulárnej fyzike.

5.2.2 Odrazivosť

Reflexná spektroskopia meria množstvo svetla, ktoré sa odrazilo alebo rozptýlilo zo vzorky.

Fotóny zo zdroja, ktoré sa odrážajú od vzorky alebo sa lámu cez vzorku, sa nazývajú rozptýlené.

Tieto rozptýlené fotóny sú potom detekované a zaznamenané. To má za následok závislosť odrazivosti od vlnovej dĺžky.

Systémy odrazovej spektroskopie zvyčajne používajú ako zdroj svetla lasery, superluminiscenčné diódy, LED alebo halogénové žiarovky a ako detektor CCD, fotodiódy alebo MCA.

Reflektačný spektrometer sa používa v lekárskom priemysle na poskytovanie informácií o koncentrácii tkaniva a môže sa použiť aj v odvetviach, ako je environmentálna veda a geológia.

5.2.3 Prenos

Transmisná spektroskopia sa týka merania množstva svetla, ktoré prejde nezmenenou vzorkou.

Je to veľmi prepojené s absorpčnou spektroskopiou, a preto zdieľajú podobné nastavenie.

Transmisné spektrum bude mať najvyššie vrcholy pri vlnových dĺžkach, kde je absorpcia najslabšia, keď cez vzorku prechádza viac svetla.

V závislosti od spektrálneho rozsahu sa používajú rôzne zdroje svetla. Často sa používajú LED, volfrámové halogénové alebo deutériové výbojky. Typickými vybranými detektormi sú fotodiódy a CCD. Toto sa často používa vo farmaceutickej analýze.

5.2.4 Fluorescencia

Ako je uvedené v UV spektroskopii, elektróny vo vzorke sa excitujú, keď absorbuje svetlo a presunie sa zo základného stavu do vyššieho elektronického stavu, ktorý pozostáva z rôznych vibračných stavov.

Excitované elektróny môžu prechádzať do svojho základného stavu emitovaním fotónu a tento proces je známy ako fluorescencia.

Keďže elektróny môžu v základnom stave spadnúť do ktorejkoľvek z rôznych vibračných úrovní, emitované fotóny budú obsahovať rôzne množstvá energie, a teda aj rôzne intenzity a vlnové dĺžky.

Fluorescenčná spektroskopia je preto definovaná ako meranie množstva fluorescencie zo vzorky. Na excitáciu elektrónov zvyčajne používa svetlo v oblasti UV alebo VIS.

Fluorescencia sa meria fluorescenčnými spektrometrami a meria rôzne charakteristiky fluorescencie, ako je intenzita a distribúcia vlnových dĺžok emisie. Emisné spektrum potom odhalí, aké vlnové dĺžky vzorky vyžarujú.

Prístroje, ktoré merajú fluorescenciu, sú známe ako fluorometre. Fluorometre zvyčajne používajú ako zdroj svetla lasery, LED, xenónové oblúkové alebo ortuťové výbojky. Fotodiódy alebo PMT sa zvyčajne vyberajú ako detektory vo fluorescenčnej spektroskopii.

Túto metódu spektroskopie možno bežne nájsť v medicínskom, biochemickom a environmentálnom monitorovacom priemysle. Aplikácie zahŕňajú diagnostiku rakoviny v ľudských tkanivách, detekciu nečistôt alebo identifikáciu a meranie koncentrácií látok a detekciu rôznych baktérií, vírusov a parazitov, ktoré spôsobujú infekciu.

5.2.5 Rozptyl

Keď svetlo prechádza hmotou, väčšina z neho pokračuje vo svojom pôvodnom smere, avšak malá časť je rozptýlená v iných smeroch.

Táto technika je založená na teórii Ramanovho rozptylu. Rozptylový efekt je nepružný rozptyl fotónov hmotou, čo znamená, že dochádza k zmene smeru svetla a po interakcii so vzorkou fotóny strácajú energiu.

Molekuly zvyčajne získajú vibračnú energiu z dopadajúcich fotónov.

Väčšina svetla, ktoré sa rozptýli, má nezmenenú energiu a toto je Rayleighov rozptyl. Ramanov rozptyl sa skladá z extrémne malého zlomku rozptýlených fotónov (približne 1 z 10 miliónov).

Analýzou zmeny vibrácií vo vzorke možno určiť vlastnosti, ako je chemické zloženie, kryštalinita a molekulárne interakcie. Ako bolo uvedené vyššie, Ramanov rozptyl je veľmi slabý, preto je na skúmanie svetla potrebný vysoko citlivý spektrometer.

Tento nástroj sa bežne používa v odvetviach ako je chémia, fyzika, farmácia, umenie a medicína. Pomáha identifikovať molekuly a skúmať chemické väzby, charakterizovať a študovať štruktúry materiálov, objavovať falošné lieky v baleniach, študovať biominerály atď.

6. Ramanov spektrometer

Ramanova spektroskopia je založená na interakcii svetla (zvyčajne lasera) s chemickými väzbami materiálu.

Svetlo je rozptýlené priamo zo vzorky a prechádza cez filter, aby sa odstránili častice z Rayleighovho rozptylu.

Zostávajúce svetlo z Ramanovho rozptylu je potom nasmerované na difrakčnú mriežku a potom smeruje k detektoru.

Nakoniec vytvorí Ramanovo spektrum, kde každý vrchol a intenzita môžu poskytnúť nejaké informácie o vzorke.

Ramanov spektrometer používa ako zdroj svetla iba laser s kontinuálnou vlnou.

Zvyčajne sa používajú lasery v spektrálnom rozsahu od červenej po NIR, avšak v posledných rokoch narastá použitie viditeľných laserov v modrej a zelenej farbe.

Používa tiež holografickú mriežku ako svoj monochromátor a CCD ako svoj detektor.

7. Spektrometer vs. Spektrofotometer

Ľudia si často mýlia spektrometre so spektrofotometrami. Spektrofotometer je prístroj, ktorý meria prenosové a absorpčné vlastnosti svetla ako funkciu vlnovej dĺžky materiálu.

Zvyčajne sa zaoberá svetlom v rozsahu od blízkeho ultrafialového svetla cez viditeľné svetlo až po blízke infračervené svetlo. Samotný spektrofotometer obsahuje spektrometer ako aj zdroj svetla pre lepšie osvetlenie vzorky.

Princíp činnosti je podobný ako pri spektrometri, kde sa na výber vlnovej dĺžky svetla na dosiahnutie vzorky používa monochromátor. V závislosti od opacity vzorky sa svetlo buď odráža alebo prenáša. Detektor potom zaznamenáva intenzitu odrazeného alebo prepusteného svetla.

Toto sa opakuje s monochromátorom pri rôznych vlnových dĺžkach, aby detektor zmeral zmenu intenzity svetla. Konečným výstupom by bolo absorpčné spektrum ako funkcia vlnovej dĺžky.

8. Kde kúpiť spoľahlivý spektrometer?

Teraz, keď viete, čo je spektrometer a jeho aplikácie, mali by ste vedieť, kde kúpiť spoľahlivý. Môžete si kúpiť spoľahlivé spektrometre od Wavelength Opto-Electronic.

Sme distribútorom spektrometrov StellarNet, ponúkame optické spektrometre pre merania v UV, VIS a NIR, od vlnových dĺžok 190 – 2300nm. Spektrometre StellarNet sú navrhnuté tak, aby boli prenosné a kompaktné bez pohyblivých častí.