Spektrometr nima? UV, VIS va IR spektrometrlari tushuntirilgan

Muharrir: Preethi - Texnik qo'llab-quvvatlash bo'yicha muhandis

Chop etildi: 29 Aprel 2020

1. Spektrometr nima?

Spektrometr - bu fizik xususiyatning spektral komponentlarini ajratuvchi va o'lchaydigan asbobni tavsiflovchi umumiy atama. Ular spektr komponentlari asl aralashmasidan ajratilgan uzluksiz o'zgaruvchini o'lchaydigan qurilmalardir.

Atrofda spektrometrlarning bir nechta o'zgarishlari mavjud va ulardan eng keng tarqalganlari yadroviy magnit-rezonans (NMR) spektrometri, massa spektrometri va optik spektrometrdir.

1.1 NMR spektrometri

NMR spektrometri namuna kuchli, doimiy magnit maydonga joylashtirilganda yadro spinlarining oʻzaro taʼsirini kuzatadi va oʻlchaydi. Yadrolar magnit maydon bilan yadrolarning chastotasi bilan rezonanslashadigan chastotada o'zaro ta'sirlashganda NMR signali hosil bo'ladi.

Molekuladagi atomni o'rab turgan molekula ichidagi magnit maydon rezonans chastotasi bilan o'zgaradi, shuning uchun namunaning molekulyar tuzilishini ochib beradi.

1.2 Mass-spektrometr

Mass-spektrometr ionlarning massa-zaryad nisbatini o'lchaydi va namunadagi elementlarning tarkibini aniqlaydi. Bu namunani ionlash orqali ishlaydi, bu ba'zi molekulalarning zaryadlanishiga va ularning massa-zaryad nisbatiga ko'ra ajralishiga olib keladi.

Keyinchalik bu ionlar zaryadlangan zarralarni aniqlay oladigan qurilma tomonidan aniqlanadi.

1.3 Optik spektrometr

Optik spektrometr yorug'likning xossalarini, odatda elektromagnit spektrdagi optik mintaqa yaqinida, ya'ni ultrabinafsha, ko'rinadigan va infraqizil nurlarni o'lchaydi.

To'lqin uzunligi bilan yorug'lik intensivligining yutilishi va emissiyasining o'zgarishi materiallarni aniqlashga imkon beradi.

Ushbu maqolada biz optik spektrometrga e'tibor qaratamiz.

2. Spektrometrning ishlash printsipi

Spektrometr uchta asosiy komponentdan iborat - kirish tirqishi, panjara va detektor.

2.1 Kirish tirqishi

Manbadan keladigan yorug'lik kirish tirqishiga kiradi va tirqishning o'lchami asbob bilan o'lchanadigan yorug'lik miqdorini aniqlaydi. Yoriq o'lchami spektrometrning optik ruxsatiga ham ta'sir qiladi, bu erda tirqish o'lchami qanchalik kichik bo'lsa, aniqlik shunchalik yaxshi bo'ladi.

Nur tirqishdan o'tgandan so'ng divergent bo'ladi va divergent nurni kollimatsiya qiluvchi oynada aks ettirgan holda, nur kollimatsiyalanadi. Keyin kollimatsiyalangan nurlar difraksion panjara tomon yo'naltiriladi. Panjara dispers element vazifasini bajaradi va yorug'likni uning tarkibiy to'lqin uzunliklariga ajratadi.

2.2 Panjara

Monoxromator yorug'likning ma'lum bir to'lqin uzunligini tanlash uchun prizmadagi optik dispersiya yoki difraksion panjaralardan diffraktsiya hodisasidan foydalanadi. An'anaviy spektrometrlarda yorug'likni tarqatish uchun prizmalardan foydalanilgan.

Biroq, diffraktsiya panjarasining ixtiro qilinishi bilan u zamonaviy spektrometrlarda eng ko'p ishlatiladigan monoxromatorga aylandi, chunki u prizmaga nisbatan ko'proq afzalliklarga ega.

Ikkala qurilma ham yorug'likni bir nechta rangga bo'lishga qodir, ammo ranglarni prizmadan ko'ra kattaroq burchakka yoyish uchun diffraksion panjara qilish mumkin. Prizmalar faqat UV mintaqasida yuqori dispersiyaga ega, diffraktsiya panjaralari esa UV, VIS va IQ spektrlari bo'ylab yuqori va doimiy dispersiyaga ega.

Yorug'lik diffraktsiya panjarasiga tushgach, har bir to'lqin uzunligi boshqa burchak ostida aks etadi. Turli to'lqin uzunligi diapazonlarini aniqlash uchun turli o'lchamdagi diffraktsiya panjarasi ham qo'llaniladi.

Nur panjaradan aks etgandan so'ng yana bir-biridan ajralib chiqadi, shuning uchun u ikkinchi oynaga uriladi va uni detektorga qaratadi.

2.3 Detektor

Detektor yorug'lik spektrlarini ushlaydi va to'lqin uzunligi funktsiyasi sifatida yorug'lik intensivligini o'lchaydi. Keyinchalik bu ma'lumotlar raqamlashtiriladi va grafik sifatida dasturiy ta'minotga joylashtiriladi.

3. Spektrometrning qismlari

Yuqoridagi bo'lim spektrometrning qanday ishlashi haqida gapirdi. Ushbu bo'limda spektrometrning tarkibiy qismlari va har bir komponentning xilma-xilligi yoritiladi.

3.1 Yorug'lik manbalari

Spektrometrda keng tarqalgan yorug'lik manbalari volfram halogeni, deyteriy, ksenon yoylari, LED, simob argon, sink yoki lazerlardan iborat.

3.2 Kirish tirqishi

Yoriqlar turli o'lchamlarda bo'ladi, balandligi 5 mm dan 800 mm gacha bo'lgan 1 mm dan 2 mm gacha. Yoriqning o'lchami dasturga bog'liq va eng ko'p ishlatiladigan tirqishlar 10, 25, 50, 100 va 200 mkm kenglikda.

3.3 nometall

Atrofdagi nometalllarning eng keng tarqalgan turlari odatda tekis va sharsimon nometalldir. Sferik nometall ikki turga bo'linishi mumkin - konkav va konveks sferik nometall. Biroq, spektrometrda odatda konkav sferik nometall ishlatiladi.

3.4 Difraksion panjaralar

Bozorda ikki turdagi diffraktsiya panjaralari mavjud - Rudli panjara va Golografik panjara.

Boshqaruvli panjara boshqaruvchi dastgohdagi olmos shaklidagi asbob yordamida aks ettiruvchi yuzaga jismonan oluklarni chizish orqali, gologramma panjara esa ikkita UV nurlari yordamida interferentsiya naqshini yaratadigan interferentsion litografiya deb nomlanuvchi jarayon orqali ishlab chiqariladi.

Belgilangan panjaralar ma'lum to'lqin uzunliklari uchun yoqilishi mumkin va odatda golografik panjaralarga qaraganda yuqori samaradorlikka ega.

Golografik panjaralar odatda bir xil truba shakliga va oraliqlarga ega bo'ladi va ular optik tarzda ishlab chiqarilganligi sababli kamroq yorug'lik hosil qiladi.

3.5 Egalar

Namunalar odatda suyuqlikdir, lekin gazlar va qattiq moddalar ham sinovdan o'tkazilishi mumkin. Namunalar odatda kyuvet deb ataladigan shaffof hujayra ichiga joylashtiriladi. Ba'zi jihozlarda kyuvetlar o'rniga probirkalardan ham foydalanish mumkin.

Kyuvetani ishlab chiqarish uchun ishlatiladigan material spektrometr qamrab oladigan spektral diapazonga bog'liq. Eritilgan silika yoki kvarts shishasi odatda ultrabinafsha nurlanishdan IQ hududlariga shaffof bo'lgani uchun ishlatiladi.

3.6 Detektorlar

Turli xil spektrometrlarda ishlatiladigan detektorlarning keng assortimenti mavjud va ba'zi tez-tez ishlatiladigan detektorlar fotoko'paytiruvchi naycha (PMT), fotodiod, fotodiod qatori, zaryad bilan bog'langan qurilma (CCD), bolometr va ko'p kanalli analizator (MCA).

3.7 Interfeys

Ko'pgina spektrometr tizimlari kompyuter bilan USB, RS-232 yoki Ethernet orqali ulanadi. Texnologik taraqqiyot bilan yangi tizimlar Wi-Fi va Bluetooth yordamida ma'lumotlarni simsiz uzatish imkoniyatiga ega.

3.8 dasturiy ta'minoti

Ma'lumotlarni yig'ish uchun spektrometrlar bilan ishlash uchun ko'plab dasturlarni amalga oshirish mumkin. Asbobni ishlab chiqaruvchi kompaniyalarning aksariyati o'zlari ishlab chiqaradigan spektrometr bilan mos keladigan dasturiy ta'minotni ham taqdim etadilar. Masalan, StellarNet spektrometrlari SpectraWiz deb nomlanuvchi dasturiy ta'minot bilan birga keladi.

Bunday tayyor dasturiy ta'minotning ustiga, boshqalar sizga o'z dasturingizni kodlash va yaratish, uni o'z ehtiyojlaringizga ko'ra sozlash imkonini beradi, ya'ni MS Excel va MATLAB uchun LabVIEW, Visual C, C#, VB, VBA.

4. Spektrometrlardan foydalanish

Spektrometrdan bir nechta foydalanish mavjud.

Masalan, 200-400 nm spektral diapazondan foydalanadigan, kengligi 200 mkm bo'lgan kirish tirqishi bilan o'rnatilgan, 2400 g/mm yivli gologramma panjara bilan va 2000 pikselli CCD detektori bilan o'rnatilgan UV spektrometri. organik molekulalardagi aralashmalar - masalan, benzol, ya'ni siklogeksanda uchraydigan keng tarqalgan nopoklik va uning mavjudligi spektrda 255 nm cho'qqisi bilan so'rilishi bilan osongina aniqlanishi mumkin.

5. Optik spektrometrlarning turlari

Optik spektrometrlarni ikki xil tasniflash mumkin. Birinchi usul ularning to'lqin uzunligi bo'yicha, ikkinchisi esa yorug'lik o'zaro ta'sir qilish xususiyatlariga bog'liq.

5.1 To'lqin uzunligi

5.1.1 Ultrabinafsha (UV)

UV spektroskopiyasi namunaning qancha yorug'likni yutishini yoki aks ettirishini o'lchash va namunadagi elementlarning konsentratsiyasini aniqlash uchun 200 dan 400 nm gacha bo'lgan to'lqin uzunligidagi UV yorug'lik diapazonidan foydalanadi.

Namunadagi elektronlar asosiy holatdan yuqori energiya holatiga qo'zg'atiladi, chunki molekulalar ultrabinafsha nurlar tomonidan chiqarilgan energiyani o'zlashtiradi. Elektronlarning energiya miqdori ular yutishi mumkin bo'lgan to'lqin uzunligi uzunligiga mutanosibdir.

Namuna identifikatsiyasi namuna UV nurini yutganda hosil bo'lgan spektrni ma'lum birikmalarning spektrlari bilan solishtirish orqali amalga oshiriladi.

UV spektrometri odatda deyteriy yoyi, ksenon yoyi yoki volfram halogen lampalaridan foydalanadi. Qo'llaniladigan panjara turi odatda gologramma panjara va ishlatiladigan detektor odatda PMT, fotodiod, fotodiod massivi yoki CCDdir. Detektorlar odatda 14 mkm dan 200 mm gacha piksel o'lchamiga ega.

UV spektrometri odatda materialshunoslik, sifat nazorati, neft-kimyo, oziq-ovqat va qishloq xo'jaligi, hayot fanlari, optik komponentlar va boshqalar kabi sohalarda qo'llaniladi.

Bundan tashqari, odatda aralashmalarni aniqlash, birikmada biron bir funktsional guruhning mavjudligi yoki yo'qligi, birikmalarni aniqlash, organik birikmalarning strukturasini aniqlash va boshqalar kabi ilovalarda qo'llaniladi.

5.1.2 Ko'rinadigan (VIS)

VIS spektrometri UV spektrometri bilan bir xil ishlaydi, faqat u elektromagnit spektrning ko'rinadigan sohasidagi yorug'likdan, ya'ni 400 nm dan 700 nm gacha bo'lgan to'lqin uzunligidan foydalanib, UV nurlari bilan o'zaro ta'sir qilmaydigan birikmalarni aniqlaydi.

Ushbu asbob namunadagi moddalar kontsentratsiyasini uning o'tkazuvchanligi yoki absorbsiya intensivligini o'lchash orqali ham aniqlashi mumkin.

Volfram halogeni, ksenon lampalar va LEDlar odatda VIS spektrometrida yorug'lik manbalari sifatida ishlatiladi.

U UV spektrometri bilan bir xil turdagi diffraksion panjara va detektordan foydalanadi. VIS spektrometri asosan UV spektrometri bilan bir xil sanoat va ilovalarda qo'llaniladi.

5.1.3 Infraqizil (IR)

IQ spektrometri IQ spektrlaridagi materiallarni aniqlash uchun organik molekulaning IQ nuri bilan tebranish o'tishlaridan foydalanadi.

IQ nuri 700 nm dan 1 mm gacha bo'lgan uchta qismga bo'linishi mumkin - yaqin, o'rta va uzoq infraqizil, bu ko'rinadigan spektrga bog'liq.

IQ o'rtasidan boshlab fotonlar faqat kovalent bog'langan atomlarda tebranish qo'zg'alishlarini keltirib chiqarishga qodir va energiyalar etarlicha katta bo'lmagani uchun elektronlarni qo'zg'atishga qodir emas.

Namuna infraqizil nurlanishni yutadi va energiya jihatidan bu tebranishlarga mos keladi. Bu birikmalarning yutilish spektrlarini qayd qilish imkonini beradi va spektrlar har bir birikmaga xosdir.

Keng diapazondagi ma'lumotlarni to'playdigan Fourier-transform IR (FTIR) spektrometri xom ma'lumotlarni spektrga aylantirish uchun Fourier transformatsiyasidan foydalanadi.

Yaqin, o'rta va uzoq IR mos ravishda volfram-galogen lampalar, globar va simob lampalaridan foydalaning. O'rnatilgan panjara turi odatda boshqaruv panjarasi hisoblanadi. NIR spektrometrlari odatda piksel o'lchami 25 mkm dan 500 mkm gacha bo'lgan InGaAs fotodiodlaridan foydalanadi, MIR spektrometrlari piksel o'lchami 48.5 mkm dan 48.5 mkm gacha bo'lgan piroelektrik detektorlardan foydalanadi va FIR spektrometrlari a-Si yoki VOx 75 mkm. o'lchamdagi a-Si yoki VOx bolometrlaridan foydalanadi.

Buni odatda farmatsevtika, ekologik xavfsizlik, oziq-ovqat va materiallar kabi sohalarda topish mumkin. IQ spektrometridan foydalanadigan ilovalar oqsillarni tavsiflash, kosmik tadqiqotlar, birikmalarni identifikatsiyalash, nano o'lchovli yarimo'tkazgichlarni tahlil qilish va boshqalarni o'z ichiga oladi.

5.2 O'zaro ta'sirlar

5.2.1 Absorbsiya

Nomidan ko'rinib turibdiki, yutilish spektroskopiyasi manba bilan namunaning to'lqin uzunligi yoki chastotasi funktsiyasi sifatida nurlanishning yutilishini o'lchaydi.

Namuna manbadan energiyani yutadi va yutilish intensivligi chastotaga qarab o'zgaradi, bu o'zgarish keyin yutilish spektrini hosil qiladi. Spektroskopiyaning bu usuli elektromagnit spektr bo'ylab amalga oshiriladi.

Absorbsion spektroskopiya namunada mavjud bo'lgan birikmalarni aniqlash va uning konsentratsiyasini o'lchash uchun ishlatiladi. Yuqorida aytib o'tilgan UV, VIS va IQ spektroskopiyasi yutilish spektroskopiyasiga misoldir.

Absorbsion spektrometriyada ishlatiladigan eng keng tarqalgan yorug'lik manbai ichi bo'sh katod chiroqdir va detektor sifatida PMT ishlatiladi. Bu ko'pincha masofadan zondlash, astronomiya va atom va molekulyar fizikada qo'llaniladi.

5.2.2 Reflektsiya

Ko'zgu spektroskopiyasi namunadan aks ettirilgan yoki sochilgan yorug'lik miqdorini o'lchaydi.

Namunadan aks ettirilgan yoki namuna orqali singan manbadan olingan fotonlar tarqalgan deyiladi.

Keyinchalik bu tarqoq fotonlar aniqlanadi va qayd etiladi. Bu to'lqin uzunligiga qarshi aks ettirishga olib keladi.

Ko'zgu spektroskopiya tizimlari odatda yorug'lik manbai sifatida lazerlar, superlyuminestsent diodlar, LEDlar yoki halogen lampalar va detektor sifatida CCD, fotodiodlar yoki MCA dan foydalanadi.

Ko'zgu spektrometri tibbiyot sanoatida to'qimalar kontsentratsiyasi haqida ma'lumot berish uchun ishlatiladi va atrof-muhit fanlari va geologiya kabi sohalarda ham qo'llanilishi mumkin.

5.2.3 O'tkazuvchanlik

Transmissiya spektroskopiyasi namunadan o'zgarmagan holda o'tadigan yorug'lik miqdorini o'lchashni anglatadi.

Bu yutilish spektroskopiyasi bilan juda bog'liq, shuning uchun ular o'xshash o'rnatishga ega.

Transmissiya spektri to'lqin uzunliklarida eng yuqori cho'qqilarga ega bo'ladi, bu erda namunadan ko'proq yorug'lik o'tishi bilan yutilish eng zaif bo'ladi.

Spektral diapazonga qarab, turli yorug'lik manbalari qo'llaniladi. Ko'pincha LEDlar, volfram halogenlari yoki deyteriy lampalar ishlatiladi. Tanlangan odatiy detektorlar fotodiodlar va CCDlardir. Bu ko'pincha farmatsevtik tahlilda qo'llaniladi.

5.2.4 Floressensiya

UV spektroskopiyasida aytib o'tilganidek, namunadagi elektronlar yorug'likni yutganda va asosiy holatdan turli tebranish holatlaridan iborat yuqori elektron holatga o'tganda qo'zg'aladi.

Hayajonlangan elektronlar foton chiqarish orqali o'zlarining asosiy holatiga o'tishlari mumkin va bu jarayon flüoresans deb nomlanadi.

Elektronlar zamin holatidagi har xil tebranish darajalarining har qandayiga tushishi mumkin bo'lganligi sababli, chiqarilgan fotonlar turli xil energiya miqdori va shuning uchun har xil intensivlik va to'lqin uzunliklarini o'z ichiga oladi.

Shuning uchun floresans spektroskopiyasi namunadagi floresans miqdorini o'lchash sifatida aniqlanadi. Odatda elektronlarni qo'zg'atish uchun UV yoki VIS diapazonidagi yorug'likdan foydalanadi.

Floresans lyuminestsent spektrometrlar bilan o'lchanadi va u flüoresansning turli xususiyatlarini, masalan, emissiyaning intensivligi va to'lqin uzunligi taqsimotini o'lchaydi. Keyin emissiya spektri namunalar qaysi to'lqin uzunliklarini chiqaradiganligini ko'rsatadi.

Floresansni o'lchaydigan asboblar ftorometrlar deb nomlanadi. Florometrlar odatda yorug'lik manbai sifatida lazerlar, LED, ksenon yoyi yoki simob bug'li lampalardan foydalanadilar. Fotodiodlar yoki PMTlar odatda floresan spektroskopiyada detektor sifatida tanlanadi.

Ushbu spektroskopiya usulini odatda tibbiyot, biokimyoviy va atrof-muhit monitoringi sohalarida topish mumkin. Ilovalar inson to'qimalarida saraton diagnostikasi, aralashmalarni aniqlash yoki moddalar kontsentratsiyasini aniqlash va o'lchash, shuningdek infektsiyani keltirib chiqaradigan turli bakteriyalar, viruslar va parazitlarni aniqlashni o'z ichiga oladi.

5.2.5 Tarqalish

Yorug'lik materiyadan o'tganda, uning ko'p qismi asl yo'nalishi bo'yicha davom etadi, ammo kichik bir qismi boshqa yo'nalishlarda tarqaladi.

Ushbu uslub Ramanning tarqalishi nazariyasiga asoslanadi. Tarqalish effekti - bu fotonlarning modda tomonidan noelastik tarqalishi, ya'ni yorug'lik yo'nalishi o'zgaradi va fotonlar namuna bilan o'zaro ta'sir qilgandan keyin energiya yo'qoladi.

Odatda, molekulalar tushayotgan fotonlardan tebranish energiyasini oladi.

Tarqaladigan yorug'likning ko'p qismi energiyada o'zgarmaydi va bu Rayleigh tarqalishidir. Ramanning tarqalishi tarqoq fotonlarning juda kichik qismidan iborat (taxminan 1 milliondan 10).

Namunadagi tebranish o'zgarishini tahlil qilish orqali kimyoviy tarkib, kristallik va molekulyar o'zaro ta'sirlar kabi xususiyatlarni aniqlash mumkin. Yuqorida aytib o'tilganidek, Ramanning tarqalishi juda zaif, shuning uchun yorug'likni tekshirish uchun juda sezgir spektrometr kerak.

Ushbu asbob odatda kimyo, fizika, farmatsevtika, san'at va tibbiyot kabi sohalarda qo'llaniladi. Bu molekulalarni aniqlash va kimyoviy bog'lanishni o'rganish, materiallarning tuzilishini tavsiflash va o'rganish, paketlardagi qalbaki dori vositalarini aniqlash, biominerallarni o'rganish va hk.

6. Raman spektrometri

Raman spektroskopiyasi yorug'likning (odatda lazer) materialning kimyoviy bog'lanishlari bilan o'zaro ta'siriga asoslangan.

Yorug'lik to'g'ridan-to'g'ri namunadan tarqaladi va zarrachalarni Rayleigh tarqalishidan olib tashlash uchun filtrdan o'tkaziladi.

Ramanning tarqalishidan qolgan yorug'lik detektorga borishdan oldin diffraktsiya panjarasiga yo'naltiriladi.

Oxir-oqibat, u har bir cho'qqi va intensivlik namuna bo'yicha ba'zi ma'lumotlarni taqdim etadigan Raman spektrini ishlab chiqaradi.

Raman spektrometri yorug'lik manbai sifatida faqat uzluksiz to'lqinli lazerdan foydalanadi.

Odatda qizildan NIRgacha bo'lgan spektral diapazondagi lazerlar qo'llaniladi, ammo so'nggi yillarda ko'k va yashil rangdagi ko'rinadigan lazerlardan foydalanish ortib bormoqda.

Shuningdek, u monoxromator sifatida gologramma panjaradan va detektor sifatida CCDdan foydalanadi.

7. Spektrometr va boshqalar. Spektrofotometr

Odamlar ko'pincha spektrometrlarni spektrofotometrlar bilan adashtirishadi. Spektrofotometr - bu yorug'likning o'tkazuvchanlik va yutilish xususiyatlarini materialning to'lqin uzunligiga qarab o'lchaydigan asbob.

U odatda yaqin ultrabinafshadan ko'rinadigan yorug'likdan yaqin infraqizilgacha bo'lgan diapazondagi yorug'lik bilan shug'ullanadi. Spektrofotometrning o'zi spektrometrni, shuningdek namunani yaxshiroq yoritish uchun yorug'lik manbasini o'z ichiga oladi.

Ish printsipi spektrometrga o'xshaydi, bu erda monoxromator namunaga erishish uchun yorug'lik to'lqin uzunligini tanlash uchun ishlatiladi. Namuna shaffofligiga qarab, yorug'lik aks ettiriladi yoki uzatiladi. Keyin detektor aks ettirilgan yoki uzatilgan yorug'likning intensivligini qayd qiladi.

Bu detektor yorug'lik intensivligining o'zgarishini o'lchash uchun turli to'lqin uzunliklarida monoxromator bilan takrorlanadi. Yakuniy chiqish to'lqin uzunligi funktsiyasi sifatida yutilish spektri bo'ladi.

8. Ishonchli spektrometrni qayerdan sotib olish mumkin?

Endi siz spektrometr nima ekanligini va uning qo'llanilishini bilganingizdan so'ng, ishonchlini qaerdan sotib olishni bilishingiz kerak. Siz ishonchli spektrometrlarni sotib olishingiz mumkin Wavelength Opto-Electronic.

Biz StellarNet spektrometrlarining distribyutori bo'lib, 190 - 2300 nm to'lqin uzunliklarida UV, VIS va NIRda o'lchash uchun optik spektrometrlarni taklif etamiz. StellarNet spektrometrlari ko'chma va ixcham bo'lishi uchun mo'ljallangan.