ספקטרומטר הוא מכשיר מדעי, המשמש לניתוח הספקטרום של קרינות אלקטרומגנטיות, הוא יכול להציג ספקטרום של קרינות כספקטרוגרף המייצג את התפלגות עוצמת האור ביחס לאורך הגל (ציר y הוא העוצמה, ציר x הוא אורך הגל /תדירות האור).האור שונה מופרד לאורכי הגל של המרכיבים שלו בתוך הספקטרומטר על ידי מפצלי אלומה, שהם בדרך כלל מנסרות שבירה או רשתות עקיפה איור 1.
איור 1 ספקטרום של נורה ואור שמש (משמאל), עקרון פיצול אלומה של סורג ומנסרה (ימין)
ספקטרומטרים ממלאים תפקיד חשוב במדידת טווח רחב של קרינה אופטית, בין אם על ידי בדיקה ישירה של ספקטרום הפליטה של מקור אור או על ידי ניתוח השתקפות, בליעה, שידור או פיזור של אור בעקבות האינטראקציה שלו עם חומר.לאחר האינטראקציה של האור והחומר, הספקטרום חווה את השינוי בטווח ספקטרלי מסוים או באורך גל מסוים, וניתן לנתח את תכונות החומר בצורה איכותית או כמותית בהתאם לשינוי בספקטרום, כגון ניתוח ביולוגי וכימי של ההרכב והריכוז של דם ותמיסות לא ידועות, וניתוח המולקולה, המבנה האטומי והרכב היסודות של חומרים איור 2.
איור 2 ספקטרום בליעת אינפרא אדום של סוגי שמנים שונים
הספקטרומטר, שהומצא במקור ללימודי פיזיקה, אסטרונומיה, כימיה, הוא כיום אחד המכשירים החשובים ביותר בתחומים רבים כגון הנדסה כימית, ניתוח חומרים, מדע אסטרונומי, אבחון רפואי וחישה ביולוגית.במאה ה-17, אייזק ניוטון הצליח לפצל את האור לרצועה צבעונית רציפה על ידי העברת אלומת אור לבן דרך פריזמה והשתמש במילה "ספקטרום" בפעם הראשונה כדי לתאר את התוצאות הללו איור 3.
איור 3 אייזק ניוטון חוקר את ספקטרום אור השמש עם מנסרה.
בתחילת המאה ה-19, המדען הגרמני ג'וזף פון פראונהופר (פרנצ'ופר), בשילוב עם מנסרות, חריצי עקיפה וטלסקופים, יצר ספקטרומטר בעל דיוק ודיוק גבוהים, ששימש לניתוח ספקטרום פליטות השמש איור 4. הוא הבחין לראשונה שספקטרום שבעת הצבעים של השמש אינו רציף, אלא יש עליו מספר קווים כהים (מעל 600 קווים נפרדים), המכונה "קו פרנקנהופר" המפורסם.הוא מנה את הקווים המובהקים ביותר מבין הקווים האלה A, B, C...H והוא מנה כ-574 קווים בין B ל-H, התואמים את הקליטה של יסודות שונים בספקטרום השמש. איור 5. באותו זמן, פראונהופר היה גם תחילה להשתמש בסורג עקיפה כדי לקבל ספקטרום קווים ולחשב את אורך הגל של הקווים הספקטרליים.
איור 4. ספקטרומטר מוקדם, נצפה עם האדם
איור 5 קו פראון וואפה (קו כהה בסרט)
איור 6 ספקטרום שמש, כאשר החלק הקעור מתאים לקו פראון וופל
באמצע המאה ה-19, הפיזיקאים הגרמנים קירכהוף ובונסן, עבדו יחד באוניברסיטת היידלברג, ועם כלי הלהבה החדש של בונסן (מבער בונסן) וביצעו את הניתוח הספקטרלי הראשון על ידי ציון הקווים הספקטרליים הספציפיים של כימיקלים שונים. (מלחים) מפוזרים לתוך מבער בונסן תאנה להבה.7. הם הבינו את הבחינה האיכותית של יסודות על ידי התבוננות בספקטרום, וב-1860 פרסמו את גילוי הספקטרום של שמונה יסודות, וקבעו את קיומם של יסודות אלו בכמה תרכובות טבעיות.הממצאים שלהם הובילו ליצירת ענף חשוב בכימיה אנליטית ספקטרוסקופית: ניתוח ספקטרוסקופי
איור 7 תגובת להבה
בשנות ה-20 של המאה ה-20, הפיזיקאי ההודי CV Raman השתמש בספקטרומטר כדי לגלות את השפעת הפיזור הלא אלסטי של אור ומולקולות בתמיסות אורגניות.הוא הבחין שהאור המתרחש התפזר עם אנרגיה גבוהה יותר ויותר לאחר אינטראקציה עם אור, מה שנקרא מאוחר יותר פיזור רמאן איור 8. השינוי של אנרגיית האור מאפיין את המיקרו-מבנה של מולקולות, ולכן ספקטרוסקופיה של פיזור ראמאן נמצאת בשימוש נרחב בחומרים, רפואה, כימיקלים ותעשיות אחרות לזהות ולנתח את הסוג והמבנה המולקולרי של חומרים.
איור 8 האנרגיה עוברת לאחר אינטראקציה של אור עם המולקולות
בשנות ה-30 של המאה ה-20, המדען האמריקני ד"ר בקמן הציע לראשונה למדוד את הספיגה של ספקטרום אולטרה סגול בכל אורך גל בנפרד כדי למפות את ספקטרום הספיגה המלא, ובכך לחשוף את סוג וריכוז הכימיקלים בתמיסה.תוואי אור קליטת שידור זה מורכב ממקור האור, הספקטרומטר והדגימה.מרבית הרכב התמיסה וזיהוי הריכוז הנוכחיים מבוססים על ספקטרום ספיגת השידור הזה.כאן, מקור האור מפוצל על הדגימה והפריזמה או הסורג נסרקים כדי לקבל אורכי גל שונים איור 9.
איור 9 עקרון זיהוי ספיגה –
בשנות ה-40 של המאה ה-20, הומצא הספקטרומטר הראשון לזיהוי ישיר, ולראשונה, PMTs צינורות פוטו-מכפילי ומכשירים אלקטרוניים החליפו את תצפית העין האנושית המסורתית או סרט הצילום, שיכול היה לקרוא ישירות את העוצמה הספקטרלית מול אורך הגל איור. 10. לפיכך, הספקטרומטר כמכשיר מדעי השתפר משמעותית מבחינת נוחות השימוש, מדידה כמותית ורגישות לאורך פרק הזמן.
איור 10 צינור Photomultiplier
באמצע עד סוף המאה ה-20, התפתחות טכנולוגיית הספקטרומטרים הייתה בלתי נפרדת מפיתוח חומרים ומכשירים מוליכים למחצה אופטואלקטרוניים.בשנת 1969, ווילארד בויל וג'ורג' סמית' ממעבדות בל המציאו את CCD (התקן מצמד טעינה), ששופר ופותח ליישומי הדמיה על ידי מייקל פ. טומפסט בשנות ה-70.וילארד בויל (משמאל), ג'ורג' סמית' זכה שזכה בפרס נובל על המצאת ה-CCD (2009) המוצג באיור 11. בשנת 1980 המציא נובוקאזו טראנישי מ-NEC ביפן פוטודיודה קבועה, ששיפרה מאוד את יחס רעשי התמונה פתרון הבעיה.מאוחר יותר, בשנת 1995, המציא אריק פוסום של נאס"א את חיישן התמונה CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), שצורך פי 100 פחות חשמל מחיישני תמונה דומים של CCD ומחיר ייצור נמוך בהרבה.
איור 11 ווילארד בויל (משמאל), ג'ורג' סמית' וה-CCD שלהם (1974)
בסוף המאה ה-20, השיפור המתמשך בטכנולוגיית עיבוד וייצור שבבים אופטו-אלקטרוניים מוליכים למחצה, במיוחד עם היישום של מערך CCD ו-CMOS בספקטרומטרים איור 12, הופך להיות אפשרי להשיג מגוון שלם של ספקטרום בחשיפה אחת.עם הזמן, ספקטרומטרים מצאו שימוש נרחב במגוון רחב של יישומים, כולל אך לא רק זיהוי/מדידה של צבע, ניתוח אורך גל בלייזר וספקטרוסקופיה פלואורסצנטית, מיון LED, ציוד חישת הדמיה ותאורה, ספקטרוסקופיה פלואורסצנטית, ספקטרוסקופיה ראמאן ועוד. .
איור 12 שבבי CCD שונים
במאה ה-21, טכנולוגיית התכנון והייצור של סוגים שונים של ספקטרומטרים הבשילה והתייצבה בהדרגה.עם הביקוש הגובר לספקטרומטרים בכל תחומי החיים, הפיתוח של ספקטרומטרים הפך למהיר יותר וספציפי לתעשייה.בנוסף לאינדיקטורים הקונבנציונליים של פרמטרים אופטיים, בתעשיות שונות יש דרישות מותאמות אישית של גודל נפח, פונקציות תוכנה, ממשקי תקשורת, מהירות תגובה, יציבות ואפילו עלויות של ספקטרומטרים, מה שהופך את פיתוח הספקטרומטרים למגוון יותר.
זמן פרסום: 28 בנובמבר 2023