Wat is een spectrometer?

Een spectrometer is een instrument dat wordt gebruikt om de variatie van fysieke kenmerken over een bepaald bereik te meten, zoals de verspreiding van licht. Het kan het massa-tot-ladingsverhoudingsspectrum in een massaspectrometer meten, de verschillende nucleaire resonantiefrequenties in een NMR-spectrometer, of de variatie in de emissie en absorptie van licht – met een golflengte in een optische spectrometer.

Het meest voorkomende type spectrometer dat voor onderzoek wordt gebruikt, is optisch, zoals de verspreiding van licht door een prisma. Als iemand ‘spectrometer’ noemt zonder een kwalificatie toe te voegen, verwijst hij meestal naar een optische spectrometer.

Hoe werkt een optische spectrometer?

Het doel van een optische spectrometer, zoals een prismaspectrometer, is het meten van de absorptie, verstrooiing en reflectie van straling samen met de emissie van elektromagnetische straling van een monster; de emissie kan fosforescentie, fluorescentie en elektroluminescentie omvatten.

De spectroscopische analyse houdt zich bezig met het observeren van de elektromagnetische straling die binnen het optische gebied van het elektromagnetische spectrum valt; dit omvat de lichten die zich uitstrekken binnen de zichtbare, ultraviolette en infrarode golflengtegebieden van een spectrum.

Om maximale informatie te verkrijgen, moet de emissie van licht of de interactie worden vermeld als een algemeen kenmerk en een normale functie van de golflengte. Als de nauwkeurige golflengtesectie niet belangrijk is, kunt u kiezen voor goedkope spectrometers; hier zullen de optische filters de golflengte isoleren volgens het geïnteresseerde gebied.

Als de nauwkeurige golflengte een prioriteit is, wil je een dispersief element gebruiken dat erin slaagt licht te scheiden in een generatiespectra en samenstellende golflengten.

Alle moderne spectrometers omvatten de spreiding van licht, het is een diffractierooster dat destructieve en constructieve interferentie heeft. Deze interferenties worden gebruikt om het polychromatische licht ruimtelijk op het rooster te scheiden.

Een monochromator is een eenheid die wordt gebruikt om een specifieke lichtgolflengte van een polychromatische lichtbron te selecteren; diffractieroosters zijn essentiële kenmerken in een monochromator. De monochromator roteert het diffractierooster om de golflengte te manipuleren en te veranderen, zodat het uitgelijnd is en door de uitgangsspleet gaat.

Alle spectrofotometers hebben excitatie-monochromatoren, ze worden gebruikt voor het selecteren van de gewenste uitgangsgolflengte om het monster van de witte lichtbron te bereiken. De spectra worden gemeten door het signaal te veranderen als functie van de excitatiegolflengte en door de monochromator te scannen.

Er zijn twee benaderingen die worden gebruikt om uitgezonden licht door een monster te detecteren. De eerste benadering omvat een emissiemonochromator, deze neemt de lichtbron van een monster op en de monochromator selecteert welke golflengte de detector bereikt.

De tweede benadering omvat het gelijktijdig detecteren van een spectrum van verspreid licht; dit wordt gedaan met behulp van een array-detector, die een spectrograaf wordt genoemd.

Soorten optische spectrometers

Als je eenmaal hebt begrepen wat een spectrometer is en welke rol deze speelt bij de verspreiding van licht, kunnen we nu meer te weten komen over de verschillende soorten spectrometers, hun basisontwerpen en hun rollen. De drie gebruikelijke spectrometers zijn Raman-spectrometers, spectrofluorometers en spectrofotometers.

Raman-spectrometers

De Raman-spectrometer wordt gebruikt voor spectroscopische analyse van licht van een monster. Het witte licht en de excitatie van de prismamonochromator worden vervangen door een laser; daar zijn twee redenen voor.

Ten eerste is ‘Raman’ een verstrooiingseffect en wordt het licht niet geabsorbeerd door het monster. Daarom heb je geen breedband afstembare lichtbron nodig die past bij de absorptie-eigenschappen. Ten tweede is het Raman-effect zwakker dan fluorescentie en bronnen met een hoge fotonenflux.

Spectrofluorometer

Dit staat ook bekend als fluorescentie-/fotoluminescentiespectrometer en wordt gebruikt om de fluorescentie-emissie van een monster te meten. Er is een algemene afspraak dat de spectrofluorometer een compact tafelinstrument is en dat de afmetingen vergelijkbaar zijn met de spectrofotometer.

De excitatiezijde van dit apparaat is vergelijkbaar met de spectrofotometer, wat betekent dat het een witte lichtbron en een excitatie-monochromator bevat. De booglampen worden als lichtbron gebruikt omdat ze een hoog helderheidsbereik hebben, wat handig kan zijn om zwakke fluorescentie-emissie te meten.

Spectrofotometer

Deze term kan worden gebruikt om een verscheidenheid aan instrumenten te beschrijven die worden gebruikt om licht te meten, de exacte definitie hangt af van het wetenschappelijke gebied of de industrie. De term ‘foto’ wordt gebruikt voor de spectrometer omdat deze helpt bij het kwantitatief meten van lichtintensiteit met golflengte.

De gebruikelijke meting die door dit instrument wordt uitgevoerd, is het meten van het absorptiemonsterspectrum. Dit is waar het scannen van de excitatie-monochromator plaatsvindt, het bewaakt ook de verandering in lichtintensiteit wanneer deze door een monster wordt verzonden.

De verspreiding van licht in een spectrometer begrijpen

De invallende bundel wit licht moet worden opgelost in zijn samenstellende golflengten voordat deze relevante chemische informatie kan verschaffen over de moleculaire structuur en samenstelling van materialen. De basiseigenschap van maximale absorptie bij specifieke golflengten door verschillende chemische entiteiten is de basis van chemische schatting in routinematige laboratoriumanalyse met behulp van de snelle optische spectroscopische analysetechnieken.

Prisma’s

Een prisma is een driehoekig blok glas of kwarts met gladde gepolijste oppervlakken dat wordt gebruikt om de invallende lichtstraal te verspreiden in de samenstellende golflengten of kleuren.

Glas absorbeert licht in het UV-gebied en wordt niet gebruikt voor absorptieonderzoeken in het golflengtebereik van ongeveer 200-350 nm golflengtebereik. Aan de andere kant kan kwarts zowel over UV- als over zichtbare gebieden worden gebruikt. Hoewel prisma’s een goedkoper dispersiemedium bieden, hebben ze echter last van niet-lineaire dispersie bij langere golflengten, dwz de, aan de bovenkant in het zichtbare gebied, bijvoorbeeld van 600 – 800 nm en de gedispergeerde golflengten lijken dicht bij elkaar te zijn geknuppeld

roosters

Roosters zijn vlakke oppervlakken waarop groeven zijn geëtst en de afstand tussen de geëtste groeven of lijnen is in de orde van golflengten van het te verspreiden licht. De roosters zijn duurder dan prisma’s, maar bieden voordeel omdat het verstrooide licht vrij is van niet-lineaire vervormingen over de verspreide golflengten.

Monochromator

Een monochromator is een opstelling van optische elementen die in een spectrometer wordt gebruikt om de gewenste golflengtebanden te isoleren voor het uitvoeren van spectroscopische analyse.

De veelgebruikte monochromatische configuratie, ook wel Czerny-Turner-rastermonochromator genoemd, wordt kort beschreven. De belangrijkste componenten bestaan uit:

Ingangsspleet – het breedbandlicht van de lichtbron wordt gecollimeerd tot een smalle straal, afhankelijk van de breedte van de ingangsspleet, die vervolgens naar een holle spiegel wordt geleid die de straal reflecteert en verspreidt over het oppervlak van het rooster.

Rooster – Het rooster verspreidt de invallende bundel in de samenstellende golflengten. Een vast rooster verspreidt de invallende bundel in een bepaald patroon. Aan de andere kant kan het rooster om zijn centrale as worden gedraaid om het diffractiepatroon te verspreiden om brede golflengtebanden te bestrijken. De gereflecteerde verspreide straal wordt naar de tweede concave spiegel geleid

Uitgangsspleet – het gereflecteerde verspreide licht bereikt de uitgangsspleet die zich in het brandpuntsvlak van de tweede concave spiegel bevindt. De breedte van de uitgangsspleet kan worden vastgezet of gevarieerd om de verhoogde lichtintensiteit voor gevoelige bepalingen te verkrijgen. De breedte van de uitgangsspleet moet echter worden geoptimaliseerd om het beste uit een hogere bundelintensiteit te halen en tegelijkertijd de spreiding over de golflengteband van de geïsoleerde bundel te voorkomen.

Om de van belang zijnde golflengteband te isoleren en de optimale breedte van de uitgangsspleet te selecteren, is het altijd nuttig om proefabsorptiemetingen uit te voeren voordat de laatste waarnemingen onder optimale omstandigheden worden gedaan.

Bron