Що таке спектрометр? Пояснення до УФ, ВІС та ІЧ спектрометра
Автор: Нг Ці Сюань – стажер з досліджень та розробок
Редактор: Bryan Ng – менеджер з маркетингу
Редактор: Preethi – інженер технічної підтримки
Опубліковано: Квітень 29 2020
1. Що таке спектрометр?
Спектрометр – це загальний термін, що описує прилад, який розділяє та вимірює спектральні компоненти фізичної характеристики. Це пристрої, що вимірюють безперервну змінну, в якій компоненти спектру відокремлені від їхньої початкової суміші.
Існує кілька різновидів спектрометрів, і найпоширенішими з них є спектрометр ядерного магнітного резонансу (ЯМР), мас-спектрометр і оптичний спектрометр.
1.1 ЯМР-спектрометр
ЯМР-спектрометр спостерігає та вимірює взаємодію обертів ядер, коли зразок поміщають у сильне постійне магнітне поле. Сигнал ЯМР утворюється, коли ядра взаємодіють з магнітним полем на частоті, яка резонує з частотою ядер.
Внутрішньомолекулярне магнітне поле, що оточує атом у молекулі, змінюється з резонансною частотою, таким чином розкриваючи молекулярну структуру зразка.
1.2 Мас-спектрометр
Мас-спектрометр вимірює відношення маси до заряду іонів і визначає склад елементів, присутніх у зразку. Це працює шляхом іонізації зразка, що змушує деякі молекули заряджатися та розділятися відповідно до співвідношення маси до заряду.
Ці іони потім виявляються пристроєм, який може виявляти заряджені частинки.
1.3 Оптичний спектрометр
Оптичний спектрометр вимірює властивості світла, зазвичай поблизу оптичної області в електромагнітному спектрі, тобто ультрафіолетове, видиме та інфрачервоне світло.
Зміна поглинання та випромінювання інтенсивності світла з довжиною хвилі дозволяє ідентифікувати матеріали.
У цій статті ми зосередимося на оптичному спектрометрі.
2. Принцип роботи спектрометра
Спектрометр складається з трьох основних компонентів – вхідної щілини, решітки та детектора.
2.1 Вхідна щілина
Світло від джерела потрапляє у вхідну щілину, і розмір щілини визначає кількість світла, яку можна виміряти приладом. Розмір щілини також впливає на оптичну роздільну здатність спектрометра, де чим менший розмір щілини, тим краща роздільна здатність.
Промінь стає розбіжним після проходження через щілину і, відбиваючи розбіжний промінь на колімуючому дзеркалі, промінь стає колімованим. Потім колімовані промені спрямовуються на дифракційну решітку. Решітка діє як дисперсійний елемент і розділяє світло на складові довжини хвиль.
2.2 Решітка
Монохроматор використовує явище оптичної дисперсії в призмі або дифракції від дифракційних решіток для вибору певної довжини хвилі світла. У традиційних спектрометрах для розсіювання світла використовували призми.
Однак з винаходом дифракційної решітки він став найбільш використовуваним монохроматором у сучасних спектрометрах, оскільки має більше переваг перед призмою.
Обидва пристрої здатні розділяти світло на кілька кольорів, але дифракційну решітку можна зробити для розподілу кольорів під більшим кутом, ніж призма. Призми також мають вищу дисперсію лише в УФ-діапазоні, тоді як дифракційні решітки мають високу та постійну дисперсію в УФ-, VIS- та ІЧ-спектрах.
Коли світло потрапляє на дифракційну решітку, кожна довжина хвилі відбивається під різним кутом. Для визначення різних діапазонів довжин хвиль також використовують дифракційну решітку різного розміру.
Промінь знову стає розбіжним після відбиття від решітки, таким чином він потрапляє на друге дзеркало, щоб сфокусувати і направити його на детектор.
2.3 Детектор
Детектор фіксує спектри світла та вимірює інтенсивність світла як функцію довжини хвилі. Потім ці дані оцифровуються та наносяться на програмне забезпечення у вигляді графіка.
3. Частини спектрометра
У розділі вище говорилося про те, як працює спектрометр. У цьому розділі будуть розглянуті компоненти спектрометра та різноманітність кожного компонента.
3.1 Джерела світла
Джерела світла, які зазвичай зустрічаються в спектрометрі, складаються з вольфрамового галогену, дейтерію, ксенонових дуг, світлодіодів, ртуті, аргону, цинку або лазерів.
3.2 Вхідна щілина
Щілини бувають різних розмірів, від 5 мкм до 800 мкм з висотою від 1 мм до 2 мм. Розмір щілини залежить від застосування, і найчастіше використовуються щілини шириною 10, 25, 50, 100 і 200 мкм.
3.3 Дзеркала
Найпоширенішими типами дзеркал навколо, як правило, є плоскі та сферичні дзеркала. Сферичні дзеркала можна розділити на два типи – увігнуті та опуклі сферичні дзеркала. Однак у спектрометрі зазвичай використовуються увігнуті сферичні дзеркала.
3.4. Дифракційні решітки
На ринку доступні два типи дифракційних решіток – лінійчаті та голографічні.
Лінійна решітка створюється шляхом фізичного травлення канавок на поверхні, що відбиває, за допомогою інструменту у формі ромба на лінійці, тоді як голографічна решітка створюється за допомогою процесу, відомого як інтерференційна літографія, яка створює інтерференційну картину за допомогою двох УФ-променів.
Лінійні решітки можуть бути розпалені для певних довжин хвиль і зазвичай мають вищу ефективність, ніж голографічні решітки.
Голографічні решітки, як правило, мають більш рівномірну форму канавок і відстань і генерують менше розсіяного світла, оскільки вони створюються оптично.
3.5 XNUMX власників
Зразки зазвичай являють собою рідини, але гази та тверді речовини також можуть бути перевірені. Зразки зазвичай поміщають у прозору комірку, яка називається кюветою. Пробірки також можна використовувати замість кювет у деякому обладнанні.
Матеріал, який використовується для виготовлення кювети, залежить від спектрального діапазону, який охоплює спектрометр. Зазвичай використовується кремнезем або кварцове скло, оскільки вони прозорі від ультрафіолету до ІЧ-областей.
3.6 Детектори
Існує велика різноманітність детекторів, які використовуються в різних спектрометрах, і деякі з найпоширеніших детекторів – це фотопомножувач (ФЕУ), фотодіод, матриця фотодіодів, пристрій із зарядовим зв’язком (ПЗЗ), болометр і багатоканальний аналізатор (МКА).
3.7 Інтерфейс
Більшість спектрометричних систем взаємодіють із комп’ютером через USB, RS-232 або Ethernet. З технологічним прогресом нові системи можуть передавати дані бездротовим способом за допомогою Wi-Fi і Bluetooth.
Програмне забезпечення 3.8
Багато програмного забезпечення можна використовувати зі спектрометрами для збору даних. Більшість компаній, що виробляють цей прилад, також надають програмне забезпечення, сумісне зі спектрометром, який вони виробляють. Наприклад, спектрометри StellarNet постачаються з програмним забезпеченням під назвою SpectraWiz.
Крім такого готового програмного забезпечення, інші дозволяють кодувати та створювати вашу програму, а також налаштовувати її відповідно до ваших потреб, тобто LabVIEW, Visual C, C#, VB, VBA для MS Excel і MATLAB.
4. Використання спектрометрів
Існує кілька варіантів використання спектрометра.
Одним із прикладів є УФ-спектрометр, який використовує спектральний діапазон 200–400 нм, встановлений із вхідною щілиною шириною 200 мкм, разом із голографічною решіткою з розміром канавки 2400 г/мм і з ПЗЗ-детектором на 2000 пікселів, може виявляти домішки в органічних молекулах, такі як бензол, який є звичайною домішкою, що міститься в циклогексані, і її присутність легко виявити за його поглинанням з піком при 255 нм у спектрі.
5. Типи оптичних спектрометрів
Оптичні спектрометри можна класифікувати двома способами. Перший спосіб — за довжиною хвилі, а другий — за властивостями взаємодії зі світлом.
5.1 Довжина хвилі
5.1.1 Ультрафіолет (УФ)
УФ-спектроскопія використовує світло в УФ-діапазоні з довжиною хвилі від 200 до 400 нм для вимірювання кількості світла, яке поглинає або відбиває зразок, а також для визначення концентрації елементів у зразку.
Електрони в зразку збуджуються з основного стану в більш високий енергетичний стан, оскільки молекули поглинають енергію, що виділяється УФ-світлом. Кількість енергії електронів пропорційна довжині хвилі, яку вони можуть поглинути.
Ідентифікація зразка здійснюється шляхом порівняння спектру, отриманого, коли зразок поглинає ультрафіолетове світло, зі спектрами відомих сполук.
В УФ-спектрометрі зазвичай використовуються дейтерієві, ксенонові або вольфрамові галогенні лампи. Тип використовуваної решітки – це зазвичай голографічна решітка, а детектор – ФЕУ, фотодіод, матриця фотодіодів або ПЗЗ. Детектори зазвичай мають розмір пікселя 14 мкм на 200 мкм.
УФ-спектрометр зазвичай використовується в таких галузях, як матеріалознавство, контроль якості, нафтохімія, харчова промисловість і сільське господарство, біологія, оптичні компоненти тощо.
Він також зазвичай використовується в таких програмах, як виявлення домішок, наявність або відсутність будь-якої функціональної групи в сполукі, ідентифікація сполук, структурне з’ясування органічних сполук тощо.
5.1.2 Видимий (VIS)
VIS -спектрометр працює так само, як і УФ-спектрометр, за винятком того, що він використовує світло у видимій області електромагнітного спектра, тобто довжину хвилі від 400 нм до 700 нм, для ідентифікації сполук, які не взаємодіють з УФ-світлом.
Цей прилад також може визначати концентрацію речовин у зразку, вимірюючи його коефіцієнт пропускання або інтенсивність поглинання.
Як джерела світла в VIS-спектрометрі зазвичай використовуються вольфрамові галогенні, ксенонові лампи та світлодіоди.
Він використовує той же тип дифракційної решітки та детектора, що й УФ-спектрометр. Спектрометр VIS також в основному використовується в тих же галузях і сферах застосування, що й УФ-спектрометр.
5.1.3 Інфрачервоний (ІЧ)
ІЧ-спектрометр використовує коливальні переходи органічної молекули за допомогою ІЧ-світла для ідентифікації матеріалів в ІЧ-спектрах.
ІЧ-світло можна розділити на три частини від 700 нм до 1 мм – ближній, середній і далекий інфрачервоний спектр, що залежить від видимого спектру.
Фотони, починаючи з середнього ІЧ-діапазону, здатні лише викликати коливальні збудження в атомах з ковалентним зв’язком і не можуть збуджувати електрони, оскільки енергії недостатньо великі.
Зразок поглинає ІЧ-випромінювання і за енергією відповідає цим коливанням. Це дозволяє записувати спектри поглинання сполук, і спектри є унікальними для кожної сполуки.
ІЧ-спектрометр з перетворенням Фур’є (FTIR), який збирає дані в широкому діапазоні, використовує перетворення Фур’є для перетворення вихідних даних у спектр.
Близький, середній і дальній ІЧ використовують вольфрамово-галогенні лампи, глобарні і ртутні лампи відповідно. Тип встановленої решітки, як правило, це решітка. NIR-спектрометри зазвичай використовують фотодіоди InGaAs з розміром пікселя 25 мкм на 500 мкм, тоді як MIR-спектрометри використовують піроелектричні детектори з розміром пікселя 48.5 мкм на 48.5 мкм, а FIR-спектрометри використовують a-Si або VOx болометри з розміром пікселя 75 мкм на 75 мкм.
Зазвичай це можна знайти в таких галузях, як фармацевтика, екологічна безпека, харчова промисловість і виробництво матеріалів. Програми, які використовують ІЧ-спектрометр, включають визначення характеристик білка, дослідження космосу, ідентифікацію сполук, аналіз нанорозмірних напівпровідників тощо.
5.2 Взаємодії
5.2.1 Поглинання
Як випливає з назви, абсорбційна спектроскопія вимірює поглинання випромінювання, як функцію довжини хвилі або частоти, зразка з джерелом.
Зразок поглинає енергію від джерела, і інтенсивність поглинання змінюється з частотою, після чого ця зміна створює спектр поглинання. Цей метод спектроскопії виконується по всьому електромагнітному спектру.
Абсорбційна спектроскопія використовується для визначення сполук, присутніх у зразку, і для вимірювання його концентрації. УФ-, VIS- та ІЧ-спектроскопія, згадані вище, є прикладами абсорбційної спектроскопії.
Найбільш поширеним джерелом світла, що використовується в абсорбційній спектрометрії, є лампа з порожнистим катодом, а в якості детектора використовується ФЭУ. Це часто використовується в дистанційному зондуванні, астрономії та атомній і молекулярній фізиці.
5.2.2 Коефіцієнт відбивання
Спектроскопія відбиття вимірює кількість світла, відбитого або розсіяного від зразка.
Фотони від джерела, які відбиваються від зразка або заломлюються через зразок, називаються розсіяними.
Ці розсіяні фотони потім виявляються та записуються. Це призводить до графіка залежності відбиття від довжини хвилі.
Системи спектроскопії відбиття зазвичай використовують лазери, суперлюмінесцентні діоди, світлодіоди або галогенні лампи як джерело світла та ПЗЗ, фотодіоди або MCA як детектор.
Спектрометр відбиття використовується в медичній промисловості для надання інформації про концентрацію в тканинах, а також може використовуватися в таких галузях, як екологія та геологія.
5.2.3 Пропускання
Спектроскопія пропускання відноситься до вимірювання кількості світла, яке проходить через зразок незмінним.
Вона дуже взаємопов’язана з спектроскопією поглинання, тому вони мають схожу установку.
Спектр пропускання матиме найвищі піки на довжинах хвиль, де поглинання найслабше, оскільки більше світла проходить через зразок.
Залежно від спектрального діапазону використовуються різні джерела світла. Часто використовуються світлодіоди, вольфрамові галогенні або дейтерієві лампи. Типовими вибраними детекторами є фотодіоди та ПЗЗ. Це часто використовується у фармацевтичному аналізі.
5.2.4 Флуоресценція
Як згадувалося в УФ-спектроскопії, електрони в зразку збуджуються, коли він поглинає світло і переходить з основного стану у вищий електронний стан, який складається з різних вібраційних станів.
Збуджені електрони можуть переходити в свій основний стан, випромінюючи фотон, і цей процес відомий як флуоресценція.
Оскільки електрони можуть потрапляти на будь-який з різних вібраційних рівнів в основному стані, випромінювані фотони будуть містити різну кількість енергії, а отже, різну інтенсивність і довжину хвилі.
Тому флуоресцентна спектроскопія визначається як вимірювання кількості флуоресценції зразка. Зазвичай для збудження електронів використовується світло в УФ або видимому діапазоні.
Флуоресценція вимірюється за допомогою флуоресцентних спектрометрів і вимірює різні характеристики флуоресценції, такі як інтенсивність і розподіл довжини хвилі випромінювання. Потім спектр випромінювання показує, які довжини хвилі випромінюють зразки.
Прилади для вимірювання флуоресценції відомі як флуорометри. Флуорометри зазвичай використовують лазери, світлодіоди, ксенонові дугові або ртутні лампи як джерело світла. Фотодіоди або ФЕУ зазвичай вибирають як детектори у флуоресцентній спектроскопії.
Цей метод спектроскопії широко використовується в медичній, біохімічній промисловості та галузях моніторингу навколишнього середовища. Застосування включають діагностику раку в тканинах людини, виявлення домішок або ідентифікацію та вимірювання концентрації речовин, а також виявлення різних бактерій, вірусів і паразитів, які викликають інфекцію.
5.2.5 Розсіювання
Коли світло проходить крізь речовину, більша його частина продовжує рух у своєму початковому напрямку, однак невелика частина розсіюється в інших напрямках.
Ця методика заснована на теорії комбінаційного розсіювання. Ефект розсіювання — це непружне розсіювання фотонів речовиною, що означає, що відбувається зміна напрямку світла, і фотони втрачають енергію після взаємодії зі зразком.
Зазвичай молекули отримують коливальну енергію від падаючих фотонів.
Більша частина світла, яке розсіюється, не змінюється в енергії, і це розсіювання Релея. Комбінаційне розсіювання складається з надзвичайно дрібної частки розсіяних фотонів (приблизно 1 на 10 мільйонів).
Аналізуючи коливальні зміни зразка, можна визначити такі властивості, як хімічний склад, кристалічність і молекулярні взаємодії. Як згадувалося вище, комбінаційне розсіювання дуже слабке, тому для дослідження світла потрібен високочутливий спектрометр.
Цей інструмент зазвичай використовується в таких галузях, як хімія, фізика, фармацевтика, мистецтво та медицина. Це допомагає ідентифікувати молекули та досліджувати хімічні зв’язки, характеризувати та вивчати структури матеріалів, виявляти підроблені ліки в упаковках, вивчати біомінерали тощо.
6. Раманівський спектрометр
Раманівська спектроскопія заснована на взаємодії світла (зазвичай лазера) з хімічними зв’язками матеріалу.
Світло розсіюється безпосередньо від зразка і пропускається через фільтр для видалення частинок від релеєвського розсіювання.
Світло, що залишилося від раманівського розсіювання, потім спрямовується на дифракційну решітку, перш ніж направлятися до детектора.
Зрештою, він створює спектр комбінаційного розрізу, де кожен пік та інтенсивність можуть надати деяку інформацію про вибірку.
В спектрометрі раманівського сполучення в якості джерела світла використовується тільки безперервний лазер.
Зазвичай використовуються лазери в спектральному діапазоні від червоного до ближнього інфрачервоного випромінювання, однак останнім часом збільшується використання видимих лазерів синього та зеленого кольорів.
Він також використовує голографічну решітку як монохроматор і ПЗЗ як детектор.
7. Спектрометр Vs. Спектрофотометр
Люди часто плутають спектрометри зі спектрофотометрами. Спектрофотометр – це прилад, який вимірює властивості пропускання та поглинання світла залежно від довжини хвилі матеріалу.
Зазвичай він має справу зі світлом у діапазоні від ближнього ультрафіолетового до видимого світла до близького інфрачервоного світла. Сам спектрофотометр містить спектрометр, а також джерело світла для кращого освітлення зразка.
Принцип роботи подібний до спектрометра, де монохроматор використовується для вибору довжини хвилі світла для досягнення зразка. Залежно від непрозорості зразка світло відбивається або пропускається. Потім детектор фіксує інтенсивність відбитого або пропущеного світла.
Це повторюється з монохроматором на різних довжинах хвилі, щоб детектор виміряв зміну інтенсивності світла. Кінцевим результатом буде спектр поглинання як функція довжини хвилі.
8. Де купити надійний спектрометр?
Тепер, коли ви знаєте, що таке спектрометр і його застосування, ви повинні знати, де купити надійний. Ви можете придбати надійні спектрометри Wavelength Opto-Electronic.
Ми є дистриб’ютором спектрометрів StellarNet, пропонуючи оптичні спектрометри для вимірювань в УФ, видимому та близькому інфрачервоному діапазоні з довжинами хвиль 190–2300 нм. Спектрометри StellarNet розроблені як портативні та компактні без рухомих частин.
