Spektrometre, elektromanyetik radyasyon spektrumunu analiz etmek için kullanılan bilimsel bir araçtır. Işık yoğunluğunun dalga boyuna göre dağılımını temsil eden bir spektrograf olarak radyasyon spektrumunu görüntüleyebilir (y ekseni yoğunluktur, x ekseni dalga boyudur) /ışığın frekansı).Işık, genellikle kırılma prizmaları veya kırınım ızgaraları olan ışın bölücüler tarafından spektrometre içindeki bileşeninin dalga boylarına farklı şekilde ayrılır (Şekil 1).
Şekil 1 Ampul ve güneş ışığı spektrumu (solda), ızgara ve prizmanın ışın bölme prensibi (sağda)
Spektrometreler, ister doğrudan bir ışık kaynağının emisyon spektrumunu inceleyerek ister ışığın bir malzeme ile etkileşimini takiben yansımasını, soğurulmasını, iletilmesini veya saçılmasını analiz ederek geniş bir optik radyasyon aralığının ölçülmesinde önemli bir rol oynar.Işık ve madde etkileşiminden sonra spektrum belirli bir spektral aralıkta veya belirli bir dalga boyunda değişiklik yaşar ve maddenin özellikleri, biyolojik ve kimyasal analizler gibi spektrumdaki değişime göre niteliksel veya niceliksel olarak analiz edilebilir. Kanın bileşimi ve konsantrasyonu ile bilinmeyen çözeltiler ve malzemelerin molekülünün, atomik yapısının ve elementel bileşiminin analizi Şekil 2.
Şekil 2 Farklı tipteki yağların kızılötesi absorpsiyon spektrumları
Başlangıçta fizik, astronomi, kimya çalışmaları için icat edilen spektrometre, artık kimya mühendisliği, malzeme analizi, astronomi bilimi, tıbbi teşhis ve biyo-algılama gibi birçok alanda en önemli araçlardan biridir.17. yüzyılda beyaz ışık demetini bir prizmadan geçirerek ışığı sürekli renkli bantlara ayırmayı başaran Isaac Newton, bu sonucu açıklamak için ilk kez “Spektrum” kelimesini kullanmıştır (Şekil 3).
Şekil 3 Isaac Newton güneş ışığı spektrumunu bir prizmayla inceliyor.
19. yüzyılın başında Alman bilim adamı Joseph von Fraunhofer (Franchofer), prizmalar, kırınım yarıkları ve teleskoplarla birleştirerek, güneş emisyonlarının spektrumunu analiz etmek için kullanılan, yüksek hassasiyet ve doğruluğa sahip bir spektrometre yaptı (Şekil 4). Güneş'in yedi renk spektrumunun sürekli olmadığı, üzerinde ünlü "Frankenhofer çizgisi" olarak bilinen bir dizi koyu çizginin (600'den fazla ayrık çizgi) bulunduğu ilk kez gözlemlendi.Bu çizgilerden en belirgin olanı A, B, C…H olarak adlandırdı ve B ile H arasında, güneş spektrumundaki farklı elementlerin soğurulmasına karşılık gelen yaklaşık 574 çizgi saydı (Şekil 5). Fraunhofer aynı zamanda ilk önce çizgi spektrumlarını elde etmek ve spektral çizgilerin dalga boyunu hesaplamak için bir kırınım ızgarası kullandık.
Şekil 4. İnsan gözüyle görülen eski bir spektrometre
Şekil 5 Fraun Whaffe çizgisi (şeritteki koyu çizgi)
Şekil 6 İçbükey kısmı Fraun Wolfel çizgisine karşılık gelen güneş spektrumu
19. yüzyılın ortalarında Alman fizikçiler Kirchhoff ve Bunsen, Heidelberg Üniversitesi'nde birlikte çalışarak Bunsen'in yeni tasarladığı alev aleti (Bunsen beki) ile farklı kimyasalların spesifik spektral çizgilerini not ederek ilk spektral analizi gerçekleştirdiler. (tuz) Bunsen ocağının alevine serpilir (şek.7. Elementlerin spektrumlarını gözlemleyerek niteliksel incelemesini gerçekleştirdiler ve 1860 yılında sekiz elementin spektrumunun keşfini yayınladılar ve bu elementlerin birçok doğal bileşikte varlığını belirlediler.Bulguları, spektroskopi analitik kimyasının önemli bir dalının yaratılmasına yol açtı: spektroskopik analiz.
Şekil 7 Alev reaksiyonu
20. yüzyılın 20'li yıllarında Hintli fizikçi CV Raman, organik çözeltilerdeki ışığın ve moleküllerin elastik olmayan saçılma etkisini keşfetmek için bir spektrometre kullandı.Gelen ışığın, ışıkla etkileşime girdikten sonra daha yüksek ve daha düşük enerjiyle saçıldığını gözlemledi; buna daha sonra Raman saçılması adı verildi (şekil 8). Işık enerjisinin değişimi moleküllerin mikro yapısını karakterize eder, bu nedenle Raman saçılım spektroskopisi malzeme, tıp, kimya alanlarında yaygın olarak kullanılır. ve diğer endüstrilerde maddelerin moleküler tipini ve yapısını tanımlamak ve analiz etmek için kullanılır.
Şekil 8 Işık moleküllerle etkileşime girdikten sonra enerji değişiyor
20. yüzyılın 30'lu yıllarında, Amerikalı bilim adamı Dr. Beckman ilk olarak, tam absorpsiyon spektrumunun haritasını çıkarmak için her dalga boyundaki ultraviyole spektrumlarının absorpsiyonunu ayrı ayrı ölçmeyi ve böylece çözeltideki kimyasalların türünü ve konsantrasyonunu ortaya çıkarmayı önerdi.Bu iletim soğurma ışık yolu, ışık kaynağı, spektrometre ve numuneden oluşur.Mevcut çözelti bileşiminin ve konsantrasyon tespitinin çoğu bu iletim absorpsiyon spektrumuna dayanmaktadır.Burada ışık kaynağı numune üzerine bölünür ve prizma veya ızgara taranarak farklı dalga boyları elde edilir (Şekil 9).
Şekil 9 Absorbans Tespit Prensibi –
20. yüzyılın 40'lı yıllarında, ilk doğrudan tespit spektrometresi icat edildi ve ilk kez, fotomultiplier tüpler PMT'ler ve elektronik cihazlar, dalga boyuna karşı spektral yoğunluğu doğrudan okuyabilen geleneksel insan gözü gözlemi veya fotoğraf filminin yerini aldı. 10. Böylece bilimsel bir araç olarak spektrometre, zaman içinde kullanım kolaylığı, niceliksel ölçüm ve hassasiyet açısından önemli ölçüde gelişmiştir.
Şekil 10 Fotomultiplikatör tüpü
20. yüzyılın ortalarından sonlarına doğru, spektrometre teknolojisinin gelişimi, optoelektronik yarı iletken malzeme ve cihazların geliştirilmesinden ayrılamazdı.1969'da Bell Laboratuarlarından Willard Boyle ve George Smith, CCD'yi (Yük Bağlantılı Cihaz) icat etti; bu daha sonra 1970'lerde Michael F. Tompsett tarafından iyileştirildi ve görüntüleme uygulamalarına dönüştürüldü.Willard Boyle (solda), Şekil 11'de gösterilen CCD'yi icat etmesiyle (2009) Nobel Ödülü'nü kazanan George Smith kazandı. 1980'de Japonya'daki NEC'den Nobukazu Teranishi, görüntü gürültü oranını büyük ölçüde artıran ve sabit bir fotodiyot icat etti. çözünürlük.Daha sonra 1995 yılında NASA'dan Eric Fossum, benzer CCD görüntü sensörlerine göre 100 kat daha az güç tüketen ve üretim maliyeti çok daha düşük olan CMOS (Tamamlayıcı Metal Oksit Yarı İletken) görüntü sensörünü icat etti.
Şekil 11 Willard Boyle (solda), George Smith ve CCD'leri (1974)
20. yüzyılın sonunda, yarı iletken optoelektronik çip işleme ve üretim teknolojisinde devam eden gelişme, özellikle de dizi CCD ve CMOS'un spektrometrelerde (Şekil 12) uygulanmasıyla, tek bir pozlama altında tam bir spektrum aralığı elde etmek mümkün hale gelir.Zamanla spektrometreler, bunlarla sınırlı olmamak üzere, renk algılama/ölçüm, lazer dalga boyu analizi ve floresans spektroskopisi, LED sınıflandırma, görüntüleme ve aydınlatma algılama ekipmanı, floresans spektroskopisi, Raman spektroskopisi ve daha fazlası dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalarda yaygın kullanım alanı buldu. .
Şekil 12 Çeşitli CCD yongaları
21. yüzyılda çeşitli spektrometre türlerinin tasarım ve üretim teknolojisi giderek olgunlaştı ve istikrar kazandı.Hayatın her kesiminde spektrometrelere olan talebin artmasıyla birlikte spektrometrelerin gelişimi daha hızlı ve sektöre özel hale geldi.Geleneksel optik parametre göstergelerine ek olarak, farklı endüstriler hacim boyutu, yazılım fonksiyonları, iletişim arayüzleri, tepki hızı, kararlılık ve hatta spektrometrelerin maliyetleri konusunda özelleştirilmiş gereksinimlere sahiptir ve bu da spektrometre gelişiminin daha çeşitlendirilmiş hale gelmesini sağlar.
Gönderim zamanı: 28 Kasım 2023