1. Wat is 'n spektrometer?

Spektrometer is 'n sambreelterm wat 'n instrument beskryf wat spektrale komponente van 'n fisiese eienskap skei en meet. Dit is toestelle wat 'n kontinue veranderlike meet waarin die komponente van die spektrum van hul oorspronklike mengsel geskei word.

Daar is verskeie variasies van spektrometers rondom en sommige van die algemeenste teenwoordig is Kernmagnetiese Resonansie (NMR) spektrometer, massaspektrometer en optiese spektrometer.

1.1 KMR-spektrometer

Die KMR-spektrometer neem waar en meet die interaksie van kernspin wanneer die monster in 'n sterk, konstante magnetiese veld geplaas word. Die KMR-sein word geproduseer wanneer die kerne met die magnetiese veld in wisselwerking tree teen 'n frekwensie wat resoneer met die frekwensie van die kerne.

Die intramolekulêre magnetiese veld wat die atoom in 'n molekule omring, verander met die resonansiefrekwensie, wat dus die molekulêre struktuur van die monster openbaar.

1.2 Massaspektrometer

'n Massaspektrometer meet die massa-tot-lading-verhouding van ione en identifiseer die samestelling van elemente wat in 'n monster teenwoordig is. Dit werk deur 'n monster te ioniseer, wat veroorsaak dat sommige van die molekules gelaai word en skei volgens hul massa-tot-lading-verhouding.

Hierdie ione word dan opgespoor deur 'n toestel wat gelaaide deeltjies kan opspoor.

1.3 Optiese spektrometer

'n Optiese spektrometer meet die eienskappe van lig, gewoonlik naby die optiese gebied in die elektromagnetiese spektrum, dws ultraviolet, sigbare en infrarooi lig.

Die verandering in die absorpsie en emissie van die ligintensiteit met golflengte laat toe dat materiale geïdentifiseer kan word.

In hierdie artikel sal ons op die optiese spektrometer fokus. 

2. Werksbeginsel van 'n spektrometer

’n Spektrometer bestaan ​​uit drie hoofkomponente – ingangsgleuf, rooster en detektor.

2.1 Ingangsspleet

Lig van die bron gaan die ingangsspleet binne en die grootte van die spleet bepaal die hoeveelheid lig wat deur die instrument gemeet kan word. Die spleetgrootte beïnvloed ook die optiese resolusie van die spektrometer, waar hoe kleiner die spleetgrootte, hoe beter die resolusie.

Die bundel word divergent nadat dit deur die spleet gegaan het en deur die divergente bundel op 'n kollimerende spieël te reflekteer, word die bundel gekollimeer. Gekollimeerde strale word dan na 'n diffraksierooster gerig. Die rooster dien as 'n dispersiewe element en verdeel die lig in sy samestellende golflengtes.

2.2 Rasper

'n Monochromator gebruik 'n verskynsel van optiese dispersie in 'n prisma of diffraksie van diffraksieroosters om 'n spesifieke golflengte van lig te kies. In tradisionele spektrometers is prismas gebruik om lig te versprei.

Met die uitvinding van die diffraksierooster het dit egter die mees gebruikte monochromator in moderne spektrometers geword, aangesien dit meer voordele bo die prisma het. 

Albei toestelle is in staat om lig in verskeie kleure te verdeel, maar 'n diffraksierooster kan gemaak word om die kleure oor 'n groter hoek as 'n prisma te versprei. Prismas het ook 'n hoër verspreiding net in die UV-gebied terwyl diffraksieroosters 'n hoë en konstante verspreiding oor die UV-, VIS- en IR-spektrum het. 

Sodra die lig die diffraksierooster tref, word elke golflengte teen 'n ander hoek gereflekteer. Diffraksierooster van verskillende groottes word ook gebruik om verskillende golflengtereekse te bepaal.

Die straal word weer divergent nadat dit deur die rooster gereflekteer is, dus tref dit 'n tweede spieël om te fokus en dit na die detektor te rig.

2.3 Detektor

Die detektor vang die ligspektra vas en meet die intensiteit van lig as 'n funksie van golflengte. Hierdie data word dan gedigitaliseer en as 'n grafiek op 'n sagteware geplot.

3. Dele van 'n spektrometer

Die gedeelte hierbo het gepraat oor hoe 'n spektrometer werk. In hierdie afdeling sal die komponente van 'n spektrometer en die verskeidenheid vir elke komponent gedek word.

3.1 Ligbronne

Ligbronne wat algemeen in 'n spektrometer aangetref word, is gemaak van Tungsten Halogeen, Deuterium, Xenon Arcs, LED, Mercury Argon, Sink of Lasers.  

3.2 Ingangsspleet

Splete kom in 'n verskeidenheid groottes, van 5μm tot 800μm met 'n 1mm tot 2mm hoogte. Die grootte van die spleet hang af van die toepassing en die mees algemene splete wat gebruik word, is in wydtes 10, 25, 50, 100 en 200μm.

3.3 Spieëls

Die mees algemene tipes spieëls rondom is gewoonlik vlakke en sferiese spieëls. Sferiese spieëls kan in twee tipes opgebreek word – konkawe en konvekse sferiese spieëls. In 'n spektrometer word konkawe sferiese spieëls egter gewoonlik gebruik.

3.4 Diffraksieroosters

Daar is twee tipes diffraksieroosters beskikbaar in die mark - Gereëlde rooster en holografiese rooster.

'n Gestreepte rooster word vervaardig deur fisies groewe op 'n reflektiewe oppervlak te ets met 'n diamantvormgereedskap op 'n heersende masjien, terwyl 'n holografiese rooster vervaardig word deur 'n proses bekend as interferensielitografie, wat 'n interferensiepatroon met behulp van twee UV-strale bou. 

Gereëlde roosters kan vir spesifieke golflengtes gevlam word en het gewoonlik 'n hoër doeltreffendheid as holografiese roosters.

Holografiese roosters is geneig om 'n meer eenvormige groefvorm en spasiëring te hê, en genereer minder verdwaalde lig soos hulle opties geproduseer word.

3.5 XNUMX houers

Monsters is gewoonlik vloeistowwe, maar gasse en vaste stowwe kan ook getoets word. Die monsters word gewoonlik binne 'n deursigtige sel geplaas, wat kuvette genoem word. Proefbuise kan ook in sommige toerusting in die plek van kuvette gebruik word. 

Die materiaal wat gebruik word om die kuvette te vervaardig hang af van die spektrale reeks wat die spektrometer dek. Gesmelte silika of kwartsglas word algemeen gebruik aangesien dit deur UV- tot IR-streke deursigtig is.

3.6 Verklikkers

Daar is 'n wye verskeidenheid detektors wat in verskillende spektrometers gebruik word en sommige algemeen gebruikte detektors is die fotovermenigvuldigerbuis (PMT), fotodiode, fotodiode-skikking, lading-gekoppelde toestel (CCD), bolometer en multi-kanaal ontleder (MCA).

3.7 koppelvlak

Die meeste spektrometerstelsels koppel met die rekenaar via USB, RS-232 of Ethernet. Met tegnologiese vooruitgang is nuwer stelsels in staat om data draadloos oor te dra met behulp van Wi-Fi en Bluetooth.

3.8 sagteware

Baie sagteware kan geïmplementeer word vir gebruik met spektrometers vir data-verkryging. Die meeste maatskappye wat die instrument vervaardig, sal ook sagteware verskaf wat versoenbaar is met die spektrometer wat hulle vervaardig. Byvoorbeeld, StellarNet se spektrometers kom met hul sagteware bekend as SpectraWiz.

Bo en behalwe sulke klaargemaakte sagteware, is daar ander wat jou toelaat om jou eie program te kodeer en te skep, en dit volgens jou behoeftes aan te pas, bv LabVIEW, Visual C, C#, VB, VBA vir MS Excel en MATLAB.

4. Gebruik van spektrometer

Daar is verskeie gebruike van 'n spektrometer.

Een voorbeeld, 'n UV-spektrometer wat 'n spektrale reeks van 200 – 400nm gebruik, geïnstalleer met 'n ingangsgleuf van 200μm, tesame met 'n holografiese rooster met groefgrootte van 2400g/mm, en met 'n CCD-detektor van 2000 pixels, kan onsuiwerhede opspoor in organiese molekules – soos benseen, dit is 'n algemene onsuiwerheid wat in sikloheksaan voorkom en die teenwoordigheid daarvan kan maklik opgespoor word deur die absorpsie daarvan met 'n piek by 255nm in die spektrum.

5. Tipes optiese spektrometers

Optiese spektrometers kan op twee maniere geklassifiseer word. Die eerste manier is deur hul golflengte terwyl die tweede manier deur hul liginteraksie-eienskappe is. 

5.1 Golflengte

  • Ultraviolet (UV)

UV-spektroskopie gebruik lig in die UV-golflengtereeks tussen 200 – 400nm om te meet hoeveel lig 'n monster absorbeer of weerkaats, en om die konsentrasies van elemente in die monster te bepaal. 

Die elektrone in die monster word van grondtoestand na 'n hoër energietoestand opgewek aangesien die molekules die energie absorbeer wat deur die UV-lig afgegee word. Die hoeveelheid energie wat die elektrone het, is eweredig aan die lengte van die golflengte wat dit kan absorbeer.

Die identifikasie van die monster word gedoen deur die spektrum wat geproduseer word wanneer die monster die UV-lig absorbeer te vergelyk met spektrums van bekende verbindings.

'n UV-spektrometer gebruik tipies deuteriumboog-, xenonboog- of wolfram-halogeenlampe. Die tipe rooster wat gebruik word, is gewoonlik holografiese roosters en die detektor wat gebruik word is gewoonlik 'n PMT, fotodiode, fotodiode-skikking of CCD. Die detektors het gewoonlik 'n pixelgrootte van 14μm by 200μm.

'n UV-spektrometer word algemeen gebruik in nywerhede soos Materiaalwetenskap, Gehaltebeheer, Petrochemie, Voedsel en Landbou, Lewenswetenskap, Optiese Komponente, ens.

Dit word ook gewoonlik gebruik in toepassings soos opsporing van onsuiwerhede, en die teenwoordigheid of afwesigheid van enige funksionele groep in 'n verbinding, identifikasie van verbindings, strukturele toeligting van organiese verbindings, ens.

  • Sigbaar (VIS)

'n VIS-spektrometer werk op dieselfde manier as die UV-spektrometer, behalwe dat dit lig in die sigbare area van die elektromagnetiese spektrum, dws golflengte van 400nm tot 700nm, gebruik om verbindings te identifiseer wat nie met UV-lig in wisselwerking tree nie.

Hierdie instrument kan ook die konsentrasie van stowwe in 'n monster bepaal deur die transmissie- of absorpsie-intensiteit daarvan te meet.

Tungsten halogeen, xenon lampe en LED's word gewoonlik as ligbronne in 'n VIS-spektrometer gebruik.

Dit gebruik dieselfde tipe diffraksierooster en detektor as 'n UV-spektrometer. Die VIS-spektrometer word ook hoofsaaklik in dieselfde industrieë en toepassings as die UV-spektrometer gebruik.

  • Infrarooi (IR)

IR-spektrometer maak gebruik van die vibrasie-oorgange van 'n organiese molekule met IR-lig om materiale in die IR-spektra te identifiseer. 

IR-lig kan in drie gedeeltes tussen 700nm tot 1mm verdeel word – naby, middel en ver infrarooi, wat in verhouding is tot die sigbare spektrum.

Fotone vanaf middel-IR is slegs in staat om vibrasie-opwekkings in kovalent-gebinde atome te induseer en is nie in staat om elektrone op te wek nie aangesien die energie nie groot genoeg is nie.

Die monster absorbeer die IR-straling en stem in energie ooreen met hierdie vibrasies. Dit laat toe dat die absorpsiespektra van verbindings aangeteken word en die spektra is uniek aan elke verbinding.

Fourier-transformasie IR (FTIR)-spektrometer, wat data oor 'n wye reeks versamel, gebruik Fourier-transformasie om rou data in 'n spektrum om te skakel. 

Naby, middel en ver-IR gebruik onderskeidelik wolfram-halogeenlamp, globaal en kwiklamp. Die tipe rooster wat geïnstalleer word, is gewoonlik roosterrooster. NIR-spektrometers gebruik tipies InGaAs-fotodiodes met 'n pixelgrootte van 25μm by 500μm, terwyl MIR-spektrometers piro-elektriese detektors gebruik met 'n pixelgrootte van 48.5μm by 48.5μm en FIR-spektrometers gebruik a-Si- of VOx 75μelbolometer van 75μm.

Dit kan gewoonlik gevind word in nywerhede soos farmaseutiese produkte, omgewingsveiligheid, voedsel en materiale. Toepassings wat IR-spektrometer gebruik, sluit in proteïenkarakterisering, ruimteverkenning, identifikasie van verbindings, nanoskaal halfgeleieranalise, ens.

5.2 Interaksies

  • Absorpsie

Soos die naam aandui, meet absorpsiespektroskopie die absorpsie van straling, as 'n funksie van golflengte of frekwensie, van 'n monster met die bron.

Die monster absorbeer energie vanaf die bron en die intensiteit van absorpsie wissel met frekwensie, hierdie variasie produseer dan die absorpsiespektrum. Hierdie metode van spektroskopie word oor die elektromagnetiese spektrum gedoen.

Absorpsiespektroskopie word gebruik om verbindings wat in 'n monster teenwoordig is te bepaal en om die konsentrasie daarvan te meet. UV-, VIS- en IR-spektroskopie wat hierbo genoem is, is voorbeelde van absorpsiespektroskopie.

Die mees algemene ligbron wat in absorpsiespektrometrie gebruik word, is 'n holkatodelamp en 'n PMT word as die detektor gebruik. Dit word dikwels gebruik in afstandswaarneming, sterrekunde en atoom- en molekulêre fisika.

  • reflektansie

Reflektansiespektroskopie meet die hoeveelheid lig wat van 'n monster gereflekteer of verstrooi is.

Fotone van die bron wat deur die monster gereflekteer word of deur die monster gebreek word, word gesê dat dit verstrooi is.

Hierdie verstrooide fotone word dan opgespoor en aangeteken. Dit lei tot 'n reflektansie versus golflengte plot.

Reflektansiespektroskopiestelsels gebruik gewoonlik lasers, superluminescerende diodes, LED's of halogeenlampe as ligbron en CCD's, fotodiodes of MCA as sy detektor. 

Die reflektansiespektrometer word in die mediese industrie gebruik om inligting oor weefselkonsentrasie te verskaf en kan ook in nywerhede soos omgewingswetenskap en geologie gebruik word.

  • oordraagbaarheid

Transmissiespektroskopie verwys na die meting van die hoeveelheid lig wat onveranderd deur 'n monster gaan.

Dit is baie verwant aan absorpsiespektroskopie, daarom deel hulle 'n soortgelyke opstelling.

'n Transmissiespektrum sal sy hoogste pieke hê by golflengtes waar absorpsie die swakste is namate meer lig deur die monster beweeg.

Afhangende van die spektrale omvang, word verskillende ligbronne gebruik. LED's, Tungsten halogeen, of deuterium lampe word gereeld gebruik. Tipiese detektors wat gekies word, is fotodiodes en CCD's. Dit word dikwels in farmaseutiese analise gebruik.

  • Fluorescentie

Spektrofluorometer

Soos genoem in UV-spektroskopie, word elektrone in 'n monster opgewonde wanneer dit lig absorbeer en van grondtoestand na 'n hoër elektroniese toestand beweeg wat uit verskeie vibrasietoestande bestaan.

Die opgewekte elektrone kan na sy grondtoestand oorgaan deur 'n foton uit te straal en hierdie proses staan ​​bekend as fluoressensie.

Aangesien die elektrone in enige van die verskillende vibrasievlakke in die grondtoestand kan daal, sal die uitgestraalde fotone verskillende hoeveelheid energie bevat, en dus wisselende intensiteite en golflengtes.

Fluoressensiespektroskopie word dus gedefinieer as die meting van die hoeveelheid fluoressensie van 'n monster. Dit gebruik gewoonlik lig in die UV- of VIS-reeks vir opwekking van elektrone.

Fluoresentasie word deur fluoressensiespektrometers gemeet en dit meet verskeie kenmerke van fluoressensie, soos intensiteit en golflengteverspreiding van die emissie. Die emissiespektrum onthul dan watter golflengtes die monsters uitstraal.

Instrumente wat fluoressensie meet, staan ​​bekend as fluorometers. Fluorometers gebruik gewoonlik lasers, LED-, xenonboog- of kwikdamplampe as ligbron. Fotodiodes of PMT's word gewoonlik as detektors in fluoressensiespektroskopie gekies.

Hierdie spektroskopiemetode kan algemeen gevind word in mediese, biochemiese en omgewingsmoniteringsbedrywe. Toepassings sluit in kankerdiagnostiek in menslike weefsels, om onsuiwerhede op te spoor of konsentrasies van stowwe te identifiseer en te meet, en om verskeie bakterieë, virusse en parasiete op te spoor wat infeksies veroorsaak.

  • verstrooiing

Wanneer lig deur materie gaan, gaan die meeste daarvan voort in sy oorspronklike rigting, maar 'n klein gedeelte word in ander rigtings verstrooi.

Hierdie tegniek is gebaseer op die teorie van Raman-verstrooiing. Verstrooiingseffek is die onelastiese verstrooiing van fotone deur materie, wat beteken dat daar 'n verandering in die rigting van lig is en energie verlore gaan deur die fotone na interaksie met die monster.

Gewoonlik sal die molekules vibrasie-energie van die invallende fotone verkry.

Die meeste van die lig wat verstrooi word, is onveranderd in energie en dit is Rayleigh-verstrooiing. Raman-verstrooiing bestaan ​​uit 'n uiters klein fraksie van verstrooide fotone (ongeveer 1 uit 10 miljoen).

Deur die vibrasieverandering in die monster te analiseer, kan eienskappe soos chemiese samestelling, kristalliniteit, molekulêre interaksies bepaal word. Soos hierbo genoem, is Raman-verstrooiing baie swak, daarom is 'n hoogs sensitiewe spektrometer nodig om die lig te ondersoek.

Hierdie instrument word algemeen gebruik in nywerhede soos chemie, fisika, farmaseutiese, kuns en medies. Dit help om molekules te identifiseer en chemiese binding te ondersoek, die strukture van materiale te karakteriseer en te bestudeer, nagemaakte middels in verpakkings te ontdek, biominerale te bestudeer, ens.

6. Raman-spektrometer

Raman-spektroskopie is gebaseer op die interaksie van lig (tipies 'n laser) met 'n materiaal se chemiese bindings.

Lig word direk van die monster af gestrooi en deur 'n filter gevoer om die deeltjies van Rayleigh-verstrooiing te verwyder.

Die oorblywende lig van Raman-verstrooiing word dan na 'n diffraksierooster gerig voordat dit na die detektor beweeg.

Dit produseer uiteindelik 'n Raman-spektrum waar elke piek en intensiteit inligting oor die monster kan verskaf.

Raman-spektrometer gebruik slegs deurlopende golflaser as ligbron.

Lasers in die spektrale reeks van rooi tot NIR word gewoonlik gebruik, maar die gebruik van sigbare lasers in blou en groen neem die afgelope paar jaar toe.

Dit gebruik ook holografiese rooster as sy monochromator en CCD's as sy detektor.

7. Spektrometer vs. Spektrofotometer

Mense verwar dikwels spektrometer met spektrofotometer. A spektrofotometer is 'n instrument wat die transmissie- en absorpsie-eienskappe van lig meet as 'n funksie van die golflengte van 'n materiaal.

Dit handel gewoonlik oor lig in die reeks van naby-ultraviolet tot sigbare lig tot naby-infrarooi. Die spektrofotometer self bevat 'n spektrometer sowel as 'n ligbron om die monster beter te verlig. 

Die werkbeginsel is soortgelyk aan die spektrometer, waar 'n monochromator gebruik word om 'n golflengte van lig te kies om die monster te bereik. Afhangende van die monster se ondeursigtigheid, word die lig óf weerkaats óf deurgelaat. Die detektor teken dan die intensiteit van die gereflekteerde of oorgedrade lig aan.

Dit word herhaal met die monochromator by verskillende golflengtes vir die detektor om die verandering in ligintensiteit te meet. Die finale uitset sal 'n absorpsiespektrum wees as 'n funksie van golflengte.

8. Waar om 'n betroubare spektrometer te koop?

Noudat jy weet wat 'n spektrometer en sy toepassings is, moet jy weet waar om 'n betroubare een te koop. Jy kan betroubare spektrometers koop by Wavelength Opto-Electronic.

Ons is die verspreider van StellarNet-spektrometers, wat optiese spektrometers bied vir metings in UV, VIS en NIR, vanaf golflengtes van 190 – 2300nm. StellarNet-spektrometers is ontwerp om draagbaar, kompak te wees sonder bewegende dele.

Ons is besig om ons webwerf-ontwerp op te knap vir 2023!
Hou asseblief Shift + Refresh (F5) in om die kas skoon te maak as inhoud nie vertoon word nie
Hierdie webwerf word die beste bekyk met Chrome/Firefox/Safari.