Det är ett välkänt faktum att vanligt vitt ljus består av en blandning av olika våglängder eller färger. Vi är alla bekanta med regnbågens olika färger som i själva verket är olika färger som består av vitt ljus. Vitt ljus används sällan som sådant i spektroskopisk analys även om synlig ljuskälla är en vanlig komponent i en UV – VIS-spektrometer. Obehandlat vitt ljus från en sådan källa ger lite användbar information om den kemiska sammansättningen av material.

Vad är en spektrometer?

En spektrometer är ett instrument som används för att mäta variationen av fysiska egenskaper över ett givet intervall, som spridningen av ljus. Den kan mäta förhållandet mellan massa och laddningsspektrum i en masspektrometer, de olika kärnresonansfrekvenserna i en NMR-spektrometer, eller variationen i emission och absorption av ljus – med en våglängd i en optisk spektrometer.

Den vanligaste typen av spektrometer som används för forskning är optisk, som spridningen av ljus genom ett prisma. Om någon nämner ”spektrometer” utan att lägga till en kvalificering, hänvisar de vanligtvis till en optisk spektrometer.

Hur fungerar en optisk spektrometer?

Målet med en optisk spektrometer, som en prismaspektrometer, är att mäta absorption, spridning och reflektion av strålning tillsammans med emissionen av elektromagnetisk strålning från ett prov; emissionen kan innefatta fosforescens, fluorescens och elektroluminescens.

Den spektroskopiska analysen handlar om att observera den elektromagnetiska strålningen som faller inom det optiska området av det elektromagnetiska spektrumet; detta inkluderar ljus som sträcker sig inom de synliga, ultravioletta och infraröda våglängdsområdena i ett spektrum.

För att få maximal information bör ljusemissionen eller interaktionen anges som ett generellt kännetecken och en normal funktion av våglängden. Om den exakta våglängdssektionen inte är viktig kan du välja billiga spektrometrar; här kommer de optiska filtren att isolera våglängden enligt den intresserade regionen.

Om den exakta våglängden är en prioritet, kommer du att vilja använda ett dispersivt element som lyckas separera ljus i ett generationsspektra och ingående våglängder.

Alla moderna spektrometrar inkluderar spridning av ljus, det är ett diffraktionsgitter som har destruktiv och konstruktiv interferens. Dessa interferenser används för att separera det polykromatiska ljuset, rumsligt, på gittret.

En monokromator är en enhet som används för att välja en specifik ljusvåglängd från en polykromatisk ljuskälla; diffraktionsgitter är väsentliga egenskaper i en monokromator. Monokromatorn roterar diffraktionsgittret för att manipulera och ändra våglängden så att den riktas in och passerar genom utgångsslitsen.

Alla spektrofotometrar har excitationsmonokromatorer, de används för att välja önskad exiterande våglängd för att nå provet av den vita ljuskällan. Spektrana mäts genom att ändra signalen som en funktion av excitationsvåglängden och genom att skanna monokromatorn.

Det finns två tillvägagångssätt som används för att detektera emitterat ljus från ett prov. Det första tillvägagångssättet inkluderar en emissionsmonokromator, den tar in ljuskällan från ett prov och monokromatorn väljer vilken våglängd som når detektorn.

Det andra tillvägagångssättet inkluderar detektering av ett spektrum av dispergerat ljus, samtidigt; detta görs med hjälp av en arraydetektor, som kallas en spektrograf.

Typer av optiska spektrometrar

När du väl har förstått vad en spektrometer är och vilken roll den spelar för spridningen av ljus, kan vi nu lära oss om de olika typerna av spektrometrar, deras grundläggande design och deras roller. De tre vanliga spektrometrarna inkluderar Raman-spektrometrar, spektrofluorometrar och spektrofotometrar.

Raman-spektrometrar

Raman-spektrometern används för spektroskopisk analys av ljus från ett prov. Det vita ljuset och excitationen av prismamonokromatorn ersätts med en laser; det finns två skäl till detta.

För det första är ’Raman’ en spridningseffekt och ljuset absorberas inte av provet. Därför behöver du inte en bredbandsavstämbar ljuskälla för att matcha absorptionsfunktionerna. För det andra är Raman-effekten svagare än fluorescens och källor som inkluderar ett högt fotonflöde.

Spektrofluorometer

Detta är också känt som fluorescens/fotoluminescensspektrometer och används för att mäta fluorescensemissionen från ett prov. Det finns en allmän konvention att spektrofluorometern är ett kompakt bänkinstrument och dess storlek liknar spektrofotometern.

Excitationssidan på denna enhet liknar spektrofotometern, vilket innebär att den inkluderar en vit ljuskälla och en excitationsmonokromator. Båglamporna används som ljuskälla eftersom de har ett högt ljusområde som kan vara användbart för att mäta eventuell svag fluorescensemission.

Spektrofotometer

Denna term kan användas för att beskriva en mängd olika verktyg som används för att mäta ljus, den exakta definitionen beror på det vetenskapliga området eller industrin. Termen ’foto’ används för spektrometern eftersom den hjälper till med kvantitativ mätning av ljusintensitet med våglängd.

Den vanliga mätningen som tas av detta instrument är att mäta absorptionsprovspektrumet. Det är här skanningen av excitationsmonokromatorn sker, den övervakar också förändringen i ljusintensitet när den sänds genom ett prov.

Förstå spridningen av ljus i en spektrometer

Den infallande strålen av vitt ljus måste lösas upp i dess ingående våglängder innan den kan ge relevant kemisk information om molekylstruktur och materialsammansättning. Den grundläggande egenskapen för maximal absorbans vid specifika våglängder av olika kemiska enheter är grunden för kemisk uppskattning i rutinmässig laboratorieanalys med användning av snabba optiska spektroskopiska analystekniker.

Prismor

Ett prisma är ett triangulärt block av glas eller kvarts med släta polerade ytor som används för att sprida den infallande ljusstrålen i dess ingående våglängder eller färger.

Glas absorberar ljus i UV-området och används inte för absorbansstudier i våglängdsområdet från cirka 200-350 nm våglängdsområde. Å andra sidan kan kvarts användas över både UV och synliga områden. Men även om prismor erbjuder billigare dispersionsmedium lider de av olinjär dispersion vid längre våglängder, dvs i den övre änden i det synliga området, säg, från 600 – 800 nm och de dispergerade våglängderna verkar vara klubbade nära varandra

Galler

Gitter är plana ytor på vilka spår etsas och avståndet mellan de etsade spåren eller linjerna är i storleksordningen våglängder för ljuset som ska spridas. Gittren är dyrare än prismor men erbjuder fördelar eftersom det dispergerade ljuset är fritt från icke-linjära distorsioner över de spridda våglängderna.

Monokromator

En monokromator är ett arrangemang av optiska element som används i en spektrometer för att isolera de önskade våglängdsbanden för att utföra spektroskopisk analys.

Den vanligen använda monokromatiska konfigurationen även känd som Czerny-Turner gallermonokromator beskrivs kortfattat. Huvudkomponenterna består av:

Entrance Slit – bredbandsljuset från ljuskällan kollimeras till en smal stråle beroende på ingångsslitsens bredd som sedan leds till en konkav spegel som reflekterar och sprider strålen över gallrets yta.

Gitter – Gittret sprider den infallande strålen i dess ingående våglängder. Ett fast gitter sprider den infallande strålen i ett bestämt mönster. Å andra sidan kan gittret roteras på sin centrala axel för att sprida diffraktionsmönstret för att täcka breda våglängdsband. Den reflekterade spridda strålen leds till den andra konkava spegeln

Exit Slit – det reflekterade dispergerade ljuset når utgångsslitsen som är placerad i fokalplanet för den andra konkava spegeln. Utgångsslitsens bredd kan fixeras eller kan varieras för att få den ökade ljusintensiteten för känsliga bestämningar. Emellertid måste utgångsslitsens bredd optimeras för att få det bästa av högre strålintensitet och samtidigt undvika spridning över våglängdsbandet för den isolerade strålen.

För att isolera våglängdsbandet av intresse och för att välja den optimala bredden på utgångsslitsen är det alltid till hjälp att utföra provabsorbansmätningar innan de slutliga observationerna görs under optimala förhållanden.

originalkälla