Hvad er et spektrometer?

Et spektrometer er et instrument, der bruges til at måle variationen af fysiske træk over et givet område, såsom spredning af lys. Det kan måle masse-til-ladningsforholdsspektret i et massespektrometer, de forskellige nukleare resonansfrekvenser i et NMR-spektrometer eller variationen i emission og absorption af lys – med en bølgelængde i et optisk spektrometer.

Den mest almindelige type spektrometer, der bruges til forskning, er optisk, ligesom spredning af lys gennem et prisme. Hvis nogen nævner “spektrometer” uden at tilføje en kvalifikation, refererer de normalt til et optisk spektrometer.

Hvordan virker et optisk spektrometer?

Målet med et optisk spektrometer, ligesom et prismespektrometer, er at måle absorption, spredning og reflektion af stråling sammen med emissionen af elektromagnetisk stråling fra en prøve; emissionen kan omfatte phosphorescens, fluorescens og elektroluminescens.

Den spektroskopiske analyse omhandler observation af den elektromagnetiske stråling, der falder inden for det optiske område af det elektromagnetiske spektrum; dette inkluderer lys, der spænder inden for de synlige, ultraviolette og infrarøde bølgelængdeområder i et spektrum.

For at opnå maksimal information bør udsendelsen af lys eller interaktionen angives som et generelt træk og en normal funktion af bølgelængden. Hvis det nøjagtige bølgelængdeafsnit ikke er vigtigt, kan du vælge billige spektrometre; her vil de optiske filtre isolere bølgelængden i henhold til det interesserede område.

Hvis den nøjagtige bølgelængde er en prioritet, vil du bruge et dispersivt element, der formår at adskille lys i et generationsspektre og konstituerende bølgelængder.

Alle moderne spektrometre inkluderer spredning af lys, det er et diffraktionsgitter, der har destruktiv og konstruktiv interferens. Disse interferenser bruges til at adskille det polykromatiske lys, rumligt, på gitteret.

En monokromator er en enhed, der bruges til at vælge en specifik lysbølgelængde fra en polykromatisk lyskilde; Diffraktionsgitre er væsentlige funktioner i en monokromator. Monokromatoren roterer diffraktionsgitteret for at manipulere og ændre bølgelængden, så den justeres og passerer gennem udgangsspalten.

Alle spektrofotometre har excitationsmonokromatorer, de bruges til at vælge den ønskede udgående bølgelængde for at nå den hvide lyskildeprøve. Spektrene måles ved at ændre signalet som funktion af excitationsbølgelængden og ved at scanne monokromatoren.

Der er to metoder, der bruges til at detektere udsendt lys fra en prøve. Den første tilgang omfatter en emissionsmonokromator, den optager lyskilden fra en prøve, og monokromatoren vælger, hvilken bølgelængde der når detektoren.

Den anden tilgang omfatter detektering af et spektrum af spredt lys samtidigt; dette gøres ved at bruge en array-detektor, som kaldes en spektrograf.

Typer af optiske spektrometre

Når du har forstået, hvad et spektrometer er, og hvilken rolle det spiller i spredningen af lys, kan vi nu lære om de forskellige typer spektrometre, deres grundlæggende design og deres roller. De tre almindelige spektrometre omfatter Raman-spektrometre, spektrofluorometre og spektrofotometre.

Raman spektrometre

Raman-spektrometeret bruges til spektroskopisk analyse af lys fra en prøve. Prismemonokromatorens hvide lys og excitation erstattes med en laser; der er to grunde til dette.

For det første er ‘Raman’ en spredningseffekt, og lyset absorberes ikke af prøven. Derfor behøver du ikke en bredbåndsindstillelig lyskilde for at matche absorptionsfunktionerne. For det andet er Raman-effekten svagere end fluorescens og kilder, der inkluderer en høj fotonflux.

Spektrofluorometer

Dette er også kendt som fluorescens/fotoluminescensspektrometer og bruges til at måle fluorescensemissionen fra en prøve. Der er en generel konvention om, at spektrofluorometeret er et kompakt bordinstrument, og dets størrelse svarer til spektrofotometeret.

Excitationssiden af denne enhed ligner spektrofotometeret, hvilket betyder, at den inkluderer en hvid lyskilde og en excitationsmonokromator. Lysbuelamperne bruges som lyskilde, fordi de har et højt lysstyrkeområde, som kan være nyttigt til at måle enhver svag fluorescensemission.

Spektrofotometer

Dette udtryk kan bruges til at beskrive en række værktøjer, der bruges til at måle lys, den nøjagtige definition afhænger af det videnskabelige område eller industrien. Udtrykket ‘foto’ bruges om spektrometeret, fordi det hjælper med den kvantitative måling af lysintensitet med bølgelængde.

Den almindelige måling foretaget af dette instrument er måling af absorptionsprøvespektret. Det er her scanningen af excitationsmonokromatoren finder sted, den overvåger også ændringen i lysintensiteten, når den transmitteres gennem en prøve.

Forståelse af spredningen af lys i et spektrometer

Den indfaldende stråle af hvidt lys skal opløses i dets konstituerende bølgelængder, før den kan give relevant kemisk information om molekylær struktur og sammensætning af materialer. Den grundlæggende egenskab ved maksimal absorbans ved specifikke bølgelængder af forskellige kemiske enheder er grundlaget for kemisk estimering i rutinemæssig laboratorieanalyse ved brug af de hurtige optiske spektroskopiske analyseteknikker.

Prismer

Et prisme er en trekantet blok af glas eller kvarts med glatte polerede overflader, som bruges til at sprede den indfaldende lysstråle i dens konstituerende bølgelængder eller farver.

Glas absorberer lys i UV-området og bruges ikke til absorbansundersøgelser i bølgelængdeområdet fra omkring 200-350 nm bølgelængdeområdet. På den anden side kan kvarts bruges over både UV og synlige områder. Men selvom prismer tilbyder billigere dispersionsmedier, lider de af ikke-lineær dispersion ved længere bølgelængder, dvs. i den øvre ende i det synlige område, f.eks. fra 600 – 800 nm, og de spredte bølgelængder ser ud til at være slået tæt sammen

Gitterriste

Gitre er plane overflader, hvorpå riller er ætset, og afstanden mellem de ætsede riller eller linjer er af størrelsesordenen af bølgelængderne af lyset, der skal spredes. Gitrene er dyrere end prismer, men giver fordele, da det spredte lys er fri for ikke-lineære forvrængninger over de spredte bølgelængder.

Monokromator

En monokromator er et arrangement af optiske elementer, der bruges i et spektrometer til at isolere de ønskede bølgelængdebånd til udførelse af spektroskopisk analyse.

Den almindeligt anvendte monokromatiske konfiguration også kendt som Czerny-Turner gitter monokromator beskrives kort. Hovedkomponenterne består af:

Indgangsspalte – bredbåndslyset fra lyskilden kollimeres til en smal stråle afhængigt af bredden af indgangsspalten, som derefter føres til et konkavt spejl, der reflekterer og spreder strålen over overfladen af gitteret.

Gitter – Gitteret spreder den indfaldende stråle i dets konstituerende bølgelængder. Et fast gitter spreder den indfaldende stråle i et bestemt mønster. På den anden side kan gitteret roteres om sin centrale akse for at sprede diffraktionsmønsteret til at dække brede bølgelængdebånd. Den reflekterede spredte stråle føres til det andet konkave spejl

Udgangsspalte – det reflekterede spredte lys når udgangsspalten, som er placeret i det andet konkave spejls brændplan. Udgangsspaltens bredde kan fastgøres eller kan varieres for at opnå den øgede lysintensitet til følsomme bestemmelser. Udgangsspaltens bredde skal dog optimeres for at få det bedste ud af højere stråleintensitet og samtidig undgå spredning over bølgelængdebåndet for den isolerede stråle.

For at isolere bølgelængdebåndet af interesse og for at vælge den optimale bredde af udgangsspalten er det altid nyttigt at udføre prøveabsorbansmålinger, før de endelige observationer tages under optimale forhold.

Kilde