Τι είναι ένα φασματόμετρο;

Το φασματόμετρο είναι ένα όργανο που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της διακύμανσης των φυσικών χαρακτηριστικών σε ένα δεδομένο εύρος, όπως η διασπορά του φωτός. Μπορεί να μετρήσει το φάσμα του λόγου μάζας προς φορτίο σε ένα φασματόμετρο μάζας, τις διαφορετικές συχνότητες πυρηνικού συντονισμού σε ένα φασματόμετρο NMR ή τη διακύμανση στην εκπομπή και την απορρόφηση φωτός – με μήκος κύματος σε ένα οπτικό φασματόμετρο.

Ο πιο κοινός τύπος φασματόμετρου που χρησιμοποιείται για έρευνα είναι το οπτικό, όπως η διασπορά του φωτός μέσω ενός πρίσματος. Αν κάποιος αναφέρει “φασματόμετρο” χωρίς να προσθέσει προσδιορισμό, συνήθως αναφέρεται σε ένα οπτικό φασματόμετρο.

Πώς λειτουργεί ένα οπτικό φασματόμετρο;

Ο στόχος ενός οπτικού φασματόμετρου, όπως ένα φασματόμετρο πρίσματος, είναι να μετρήσει την απορρόφηση, τη σκέδαση και την ανάκλαση της ακτινοβολίας μαζί με την εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από ένα δείγμα. η εκπομπή μπορεί να περιλαμβάνει φωσφορισμό, φθορισμό και ηλεκτροφωταύγεια.

Η φασματοσκοπική ανάλυση ασχολείται με την παρατήρηση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εμπίπτει στην οπτική περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Αυτό περιλαμβάνει τα φώτα που εκτείνονται εντός των ορατών, υπεριωδών και υπέρυθρων περιοχών μήκους κύματος ενός φάσματος.

Για να αποκτηθούν οι μέγιστες πληροφορίες, η εκπομπή φωτός ή η αλληλεπίδραση πρέπει να δηλώνεται ως γενικό χαρακτηριστικό και κανονική συνάρτηση του μήκους κύματος. Εάν το ακριβές τμήμα μήκους κύματος δεν είναι σημαντικό, μπορείτε να επιλέξετε φασματόμετρα χαμηλού κόστους. Εδώ, τα οπτικά φίλτρα θα απομονώσουν το μήκος κύματος σύμφωνα με την ενδιαφερόμενη περιοχή.

Εάν το ακριβές μήκος κύματος είναι προτεραιότητα, θα θελήσετε να χρησιμοποιήσετε ένα στοιχείο διασποράς που καταφέρνει να διαχωρίσει το φως σε φάσματα παραγωγής και μήκη κύματος που αποτελούν.

Όλα τα σύγχρονα φασματόμετρα περιλαμβάνουν τη διασπορά του φωτός, είναι ένα πλέγμα περίθλασης που έχει καταστροφικές και εποικοδομητικές παρεμβολές. Αυτές οι παρεμβολές χρησιμοποιούνται για τον διαχωρισμό του πολυχρωματικού φωτός, χωρικά, στη σχάρα.

Ένας μονόχρωμος είναι μια μονάδα που χρησιμοποιείται για την επιλογή ενός συγκεκριμένου μήκους κύματος φωτός από μια πολυχρωμική πηγή φωτός. Τα πλέγματα περίθλασης είναι βασικά χαρακτηριστικά σε ένα μονοχρωματικό. Ο μονοχρωμάτης περιστρέφει το πλέγμα περίθλασης για να χειριστεί και να αλλάξει το μήκος κύματος έτσι ώστε να ευθυγραμμιστεί και να περάσει από τη σχισμή εξόδου.

Όλα τα φασματοφωτόμετρα διαθέτουν μονοχρωμάτες διέγερσης, χρησιμοποιούνται για την επιλογή του επιθυμητού μήκους κύματος εξόδου για την επίτευξη του δείγματος της λευκής πηγής φωτός. Τα φάσματα μετρώνται αλλάζοντας το σήμα ως συνάρτηση του μήκους κύματος διέγερσης και σαρώνοντας το μονοχρωμάτορα.

Υπάρχουν δύο προσεγγίσεις που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση του εκπεμπόμενου φωτός από ένα δείγμα. Η πρώτη προσέγγιση περιλαμβάνει ένα μονοχρωμάτορα εκπομπής, παίρνει την πηγή φωτός από ένα δείγμα και ο μονοχρωμάτης επιλέγει ποιο μήκος κύματος φτάνει στον ανιχνευτή.

Η δεύτερη προσέγγιση περιλαμβάνει την ταυτόχρονη ανίχνευση ενός φάσματος διάσπαρτου φωτός. Αυτό γίνεται με τη χρήση ενός ανιχνευτή συστοιχίας, ο οποίος ονομάζεται φασματογράφος.

Τύποι Οπτικών Φασματομέτρων

Αφού καταλάβετε τι είναι ένα φασματόμετρο και τον ρόλο που παίζει στη διασπορά του φωτός, μπορούμε τώρα να μάθουμε για τους διάφορους τύπους φασματόμετρων, τα βασικά τους σχέδια και τους ρόλους τους. Τα τρία κοινά φασματόμετρα περιλαμβάνουν τα φασματόμετρα Raman, τα φασματοφθορόμετρα και τα φασματοφωτόμετρα.

Φασματόμετρα Raman

Το φασματόμετρο Raman χρησιμοποιείται για φασματοσκοπική ανάλυση φωτός από δείγμα. Το λευκό φως και η διέγερση του μονοχρωματικού πρίσματος αντικαθίστανται με λέιζερ. Υπάρχουν δύο λόγοι για αυτό.

Πρώτον, το «Raman» είναι ένα φαινόμενο σκέδασης και το φως δεν απορροφάται από το δείγμα. Ως εκ τούτου, δεν θα χρειαστείτε μια ευρυζωνική ρυθμιζόμενη πηγή φωτός για να ταιριάζει με τα χαρακτηριστικά απορρόφησης. Δεύτερον, το φαινόμενο Raman είναι ασθενέστερο από τον φθορισμό και από πηγές που περιλαμβάνουν υψηλή ροή φωτονίων.

Φασματοφθορόμετρο

Αυτό είναι επίσης γνωστό ως Φασματόμετρο Φθορισμού/Φωτοφωταύγειας και χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της εκπομπής φθορισμού από ένα δείγμα. Υπάρχει μια γενική σύμβαση ότι το φασματοφθορόμετρο είναι ένα συμπαγές όργανο πάγκου και το μέγεθός του είναι παρόμοιο με το φασματοφωτόμετρο.

Η πλευρά διέγερσης αυτής της μονάδας είναι παρόμοια με το φασματοφωτόμετρο, που σημαίνει ότι περιλαμβάνει μια πηγή λευκού φωτός και έναν μονοχρωμάτη διέγερσης. Οι λαμπτήρες τόξου χρησιμοποιούνται ως πηγή φωτός επειδή έχουν υψηλό εύρος φωτεινότητας που μπορεί να είναι χρήσιμο για τη μέτρηση τυχόν ασθενούς εκπομπής φθορισμού.

Φασματοφωτόμετρο

Αυτός ο όρος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περιγράψει μια ποικιλία εργαλείων που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση του φωτός, ο ακριβής ορισμός εξαρτάται από την επιστημονική περιοχή ή τη βιομηχανία. Ο όρος «φωτογραφία» χρησιμοποιείται για το φασματόμετρο επειδή βοηθά στην ποσοτική μέτρηση της έντασης του φωτός με το μήκος κύματος.

Η κοινή μέτρηση που λαμβάνεται από αυτό το όργανο είναι η μέτρηση του φάσματος του δείγματος απορρόφησης. Εδώ λαμβάνει χώρα η σάρωση του μονοχρωμάτορα διέγερσης, παρακολουθεί επίσης την αλλαγή στην ένταση του φωτός όταν μεταδίδεται μέσω ενός δείγματος.

Κατανόηση της διασποράς του φωτός σε ένα φασματόμετρο

Η προσπίπτουσα δέσμη λευκού φωτός πρέπει να αναλυθεί στα μήκη κύματος που την αποτελούν για να μπορέσει να παρέχει σχετικές χημικές πληροφορίες για τη μοριακή δομή και τη σύνθεση των υλικών. Η βασική ιδιότητα της μέγιστης απορρόφησης σε συγκεκριμένα μήκη κύματος από διαφορετικές χημικές οντότητες είναι η βάση της χημικής εκτίμησης σε εργαστηριακές αναλύσεις ρουτίνας χρησιμοποιώντας τις τεχνικές ταχείας οπτικής φασματοσκοπικής ανάλυσης.

Πρίσματα

Ένα πρίσμα είναι ένα τριγωνικό μπλοκ από γυαλί ή χαλαζία με λείες γυαλισμένες επιφάνειες που χρησιμοποιείται για τη διασπορά της προσπίπτουσας δέσμης φωτός στα μήκη κύματος ή τα χρώματα που το αποτελούν.

Το γυαλί απορροφά το φως στην περιοχή UV και δεν χρησιμοποιείται για μελέτες απορρόφησης στην περιοχή μήκους κύματος από περίπου 200-350 nm. Από την άλλη πλευρά, ο χαλαζίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο σε UV όσο και σε ορατές περιοχές. Ωστόσο, αν και τα πρίσματα προσφέρουν μέσο διασποράς χαμηλότερης τιμής, υποφέρουν από μη γραμμική διασπορά σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, δηλαδή στο πάνω άκρο στην ορατή περιοχή, ας πούμε, από 600 – 800 nm και τα διεσπαρμένα μήκη κύματος φαίνονται να βρίσκονται κοντά μεταξύ τους.

Σχάρες

Οι σχάρες είναι επίπεδες επιφάνειες στις οποίες χαράσσονται αυλακώσεις και η απόσταση μεταξύ των χαραγμένων αυλακώσεων ή γραμμών είναι της τάξης των μηκών κύματος του φωτός που πρέπει να διασκορπιστεί. Οι σχάρες είναι ακριβότερες από τα πρίσματα, αλλά προσφέρουν πλεονέκτημα καθώς το διασκορπισμένο φως είναι απαλλαγμένο από μη γραμμικές παραμορφώσεις στα διασκορπισμένα μήκη κύματος.

Μονοχρωματιστής

Ένας μονοχρωμάτης είναι μια διάταξη οπτικών στοιχείων που χρησιμοποιούνται σε ένα φασματόμετρο για την απομόνωση των επιθυμητών ζωνών μήκους κύματος για τη διεξαγωγή φασματοσκοπικής ανάλυσης.

Η συνήθως χρησιμοποιούμενη μονόχρωμη διαμόρφωση, γνωστή και ως μονοχρωματικό πλέγμα Czerny-Turner, περιγράφεται εν συντομία. Τα κύρια στοιχεία αποτελούνται από:

Είσοδος σχισμή – το ευρυζωνικό φως από την πηγή φωτός ευθυγραμμίζεται σε μια στενή δέσμη ανάλογα με το πλάτος της σχισμής εισόδου, η οποία στη συνέχεια οδηγείται σε ένα κοίλο καθρέφτη που αντανακλά και απλώνει τη δέσμη στην επιφάνεια του πλέγματος.

Σχάρα – Το πλέγμα διασκορπίζει την προσπίπτουσα δέσμη στα μήκη κύματος που την αποτελούν. Ένα σταθερό πλέγμα διασκορπίζει την προσπίπτουσα δέσμη σε ένα συγκεκριμένο σχέδιο. Από την άλλη πλευρά, το πλέγμα μπορεί να περιστραφεί στον κεντρικό άξονά του για να απλώσει το σχέδιο περίθλασης για να καλύψει ευρείες ζώνες μήκους κύματος. Η ανακλώμενη διεσπαρμένη δέσμη οδηγείται στο δεύτερο κοίλο κάτοπτρο

Σχισμή εξόδου – το ανακλώμενο διασκορπισμένο φως φτάνει στη σχισμή εξόδου που βρίσκεται στο εστιακό επίπεδο του δεύτερου κοίλου κατόπτρου. Το πλάτος της σχισμής εξόδου μπορεί να καθοριστεί ή να μεταβληθεί για να ληφθεί η αυξημένη ένταση φωτός για ευαίσθητους προσδιορισμούς. Ωστόσο, το πλάτος της σχισμής εξόδου πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να αξιοποιηθεί στο έπακρο η υψηλότερη ένταση δέσμης και ταυτόχρονα να αποφευχθεί η διασπορά στη ζώνη των μηκών κύματος της απομονωμένης δέσμης.

Προκειμένου να απομονωθεί η ζώνη μήκους κύματος που ενδιαφέρει και να επιλεγεί το βέλτιστο πλάτος της σχισμής εξόδου, είναι πάντα χρήσιμο να πραγματοποιούνται δοκιμαστικές μετρήσεις απορρόφησης πριν από τις τελικές παρατηρήσεις υπό τις βέλτιστες συνθήκες.

Πηγή