Co to jest spektrometr?

Spektrometr to przyrząd używany do pomiaru zmienności cech fizycznych w danym zakresie, na przykład rozproszenia światła. Może mierzyć widmo stosunku masy do ładunku w spektrometrze mas, różne jądrowe częstotliwości rezonansowe w spektrometrze NMR lub zmienność emisji i absorpcji światła – za pomocą długości fali w spektrometrze optycznym.

Najpopularniejszym typem spektrometru używanego do badań jest optyczny, taki jak rozpraszanie światła przez pryzmat. Jeśli ktoś mówi o „spektrometrze” bez dodawania kwalifikatora, zwykle ma na myśli spektrometr optyczny.

Jak działa spektrometr optyczny?

Celem spektrometru optycznego, podobnie jak spektrometru pryzmatycznego, jest pomiar absorpcji, rozpraszania i odbicia promieniowania wraz z emisją promieniowania elektromagnetycznego z próbki; emisja może obejmować fosforescencję, fluorescencję i elektroluminescencję.

Analiza spektroskopowa zajmuje się obserwacją promieniowania elektromagnetycznego, które mieści się w obszarze optycznym widma elektromagnetycznego; obejmuje to światła, które rozciągają się w zakresie widzialnym, ultrafioletowym i podczerwonym widma.

Aby uzyskać maksimum informacji, emisję światła lub oddziaływanie należy określić jako ogólną cechę i normalną funkcję długości fali. Jeśli dokładna sekcja długości fali nie jest ważna, możesz zdecydować się na niedrogie spektrometry; tutaj filtry optyczne wyizolują długość fali zgodnie z interesującym regionem.

Jeśli dokładna długość fali jest priorytetem, będziesz chciał użyć elementu dyspersyjnego, który potrafi rozdzielić światło na widma generacji i składowe długości fal.

Wszystkie nowoczesne spektrometry zawierają rozpraszanie światła, jest to siatka dyfrakcyjna, która ma destrukcyjną i konstruktywną interferencję. Te interferencje służą do przestrzennego rozdzielania światła polichromatycznego na siatce.

Monochromator to jednostka używana do wybierania określonej długości fali światła z polichromatycznego źródła światła; siatki dyfrakcyjne są podstawowymi cechami monochromatora. Monochromator obraca siatkę dyfrakcyjną, aby manipulować i zmieniać długość fali tak, aby była wyrównana i przechodziła przez szczelinę wyjściową.

Wszystkie spektrofotometry posiadają monochromatory wzbudzenia, które służą do wyboru żądanej długości fali wyjściowej, aby dotrzeć do próbki źródła światła białego. Widma są mierzone przez zmianę sygnału w funkcji długości fali wzbudzenia i skanowanie monochromatora.

Istnieją dwa podejścia do wykrywania emitowanego światła przez próbkę. Pierwsze podejście obejmuje monochromator emisyjny, który pobiera źródło światła z próbki, a monochromator wybiera długość fali docierającą do detektora.

Drugie podejście obejmuje jednoczesne wykrywanie widma rozproszonego światła; odbywa się to za pomocą detektora macierzowego, który nazywa się spektrografem.

Rodzaje spektrometrów optycznych

Kiedy już zrozumiesz, czym jest spektrometr i jaką rolę odgrywa w rozpraszaniu światła, możemy teraz poznać różne typy spektrometrów, ich podstawowe konstrukcje i role. Trzy popularne spektrometry obejmują spektrometry Ramana, spektrofluorymetry i spektrofotometry.

Spektrometry Ramana

Spektrometr Ramana służy do spektroskopowej analizy światła z próbki. Białe światło i wzbudzenie monochromatora pryzmatycznego zostały zastąpione laserem; są ku temu dwa powody.

Po pierwsze, „Raman” jest efektem rozpraszania, a światło nie jest pochłaniane przez próbkę. W związku z tym nie będziesz potrzebować szerokopasmowego, przestrajalnego źródła światła, aby dopasować funkcje pochłaniania. Po drugie, efekt Ramana jest słabszy niż fluorescencja i źródła zawierające wysoki strumień fotonów.

Spektrofluorometr

Jest to również znane jako spektrometr fluorescencji/fotoluminescencji i służy do pomiaru emisji fluorescencji z próbki. Istnieje ogólna konwencja, że spektrofluorometr jest kompaktowym instrumentem nablatowym, a jego rozmiar jest podobny do spektrofotometru.

Strona wzbudzenia tego urządzenia jest podobna do spektrofotometru, co oznacza, że zawiera źródło światła białego i monochromator wzbudzenia. Lampy łukowe są używane jako źródło światła, ponieważ mają wysoki zakres jasności, który może być przydatny do pomiaru słabej emisji fluorescencji.

Spektrofotometr

Terminem tym można opisać różne narzędzia służące do pomiaru światła, dokładna definicja zależy od dziedziny naukowej lub branży. Termin „foto” jest używany w odniesieniu do spektrometru, ponieważ pomaga w ilościowym pomiarze natężenia światła wraz z długością fali.

Typowym pomiarem wykonywanym przez ten przyrząd jest pomiar widma absorpcji próbki. Tutaj odbywa się skanowanie monochromatora wzbudzenia, monitoruje on również zmianę natężenia światła po przejściu przez próbkę.

Zrozumienie rozproszenia światła w spektrometrze

Padająca wiązka światła białego musi zostać rozłożona na składowe długości fal, zanim będzie mogła dostarczyć odpowiednich informacji chemicznych na temat struktury molekularnej i składu materiałów. Podstawowa właściwość maksymalnej absorbancji przy określonych długościach fali przez różne jednostki chemiczne jest podstawą oceny chemicznej w rutynowej analizie laboratoryjnej przy użyciu technik szybkiej analizy optycznej spektroskopii.

Pryzmaty

Pryzmat to trójkątny blok szkła lub kwarcu o gładkich, wypolerowanych powierzchniach, który służy do rozpraszania padającego światła na jego składowe długości fal lub kolory.

Szkło absorbuje światło w obszarze UV i nie jest wykorzystywane do badań absorbancji w zakresie długości fal od około 200-350 nm. Z drugiej strony kwarc może być stosowany zarówno w obszarach UV, jak i widzialnych. Jednakże, chociaż pryzmaty oferują tańsze medium dyspersyjne, cierpią na nieliniową dyspersję przy dłuższych długościach fal, tj. na górnym końcu w obszarze widzialnym, powiedzmy, od 600 do 800 nm, a rozproszone długości fal wydają się być sklejane blisko siebie

Kraty

Siatki są płaskimi powierzchniami, na których wytrawiane są rowki, a odległość między wytrawionymi rowkami lub liniami jest rzędu długości fal światła, które ma być rozpraszane. Siatki są droższe niż pryzmaty, ale oferują przewagę, ponieważ rozproszone światło jest wolne od wszelkich nieliniowych zniekształceń na rozproszonych długościach fal.

Monochromator

Monochromator to układ elementów optycznych używanych w spektrometrze do wyizolowania pasm o pożądanej długości fali do przeprowadzenia analizy spektroskopowej.

Pokrótce opisano powszechnie stosowaną konfigurację monochromatyczną, znaną również jako monochromator siatkowy Czerny-Turnera. Główne komponenty to:

Szczelina wejściowa – szerokopasmowe światło ze źródła światła jest skolimowane do wąskiej wiązki zależnej od szerokości szczeliny wejściowej, która następnie kierowana jest do wklęsłego lustra, które odbija i rozprowadza wiązkę po powierzchni kraty.

Siatka – Siatka rozprasza wiązkę padającą na składowe długości fal. Stała krata rozprasza wiązkę padającą w określonym układzie. Z drugiej strony siatkę można obracać wokół jej osi środkowej, aby rozłożyć wzór dyfrakcyjny na szerokie pasma długości fal. Odbita, rozproszona wiązka kierowana jest do drugiego lustra wklęsłego

Szczelina wyjściowa – odbite rozproszone światło dociera do szczeliny wyjściowej, która znajduje się na płaszczyźnie ogniskowej drugiego zwierciadła wklęsłego. Szerokość szczeliny wyjściowej może być stała lub może być zmieniana w celu uzyskania zwiększonej intensywności światła dla wrażliwych oznaczeń. Jednakże, szerokość szczeliny wyjściowej musi być zoptymalizowana, aby uzyskać jak najlepsze natężenie wiązki i jednocześnie uniknąć rozprzestrzeniania się w paśmie długości fali izolowanej wiązki.

W celu wyizolowania interesującego pasma długości fali i wybrania optymalnej szerokości szczeliny wyjściowej zawsze pomocne jest przeprowadzenie próbnych pomiarów absorbancji przed wykonaniem końcowych obserwacji w optymalnych warunkach.

Źródło