Spektrometrs: kas tas ir, darbības principi un pielietojums

Uzzini, kas ir spektrometrs, tā darbības principus un plašo pielietojumu zinātnē, medicīnā un rūpniecībā — skaidri, praktiski un ar piemēriem.

Spektrometrs ir optiskais instruments, ko izmanto, lai mērītu gaismas īpašības noteiktā elektromagnētiskā spektra daļā.

Neatkarīgais mainīgais lielums parasti ir gaismas viļņa garums. Izmērītais mainīgais lielums visbiežāk ir gaismas intensitāte, bet var būt arī, piemēram, polarizācijas stāvoklis. Spektrometru izmanto spektroskopijā, lai radītu spektrālās līnijas un izmērītu to viļņu garumu un intensitāti. Spektrometrs ir termins, ko lieto attiecībā uz instrumentiem, kas darbojas ļoti plašā viļņu garumu diapazonā, sākot no gamma un rentgena stariem līdz pat tālajiem infrasarkanajiem stariem.

Kopumā jebkurš konkrēts instruments darbosies tikai nelielā daļā no šī kopējā diapazona, jo dažādu spektra daļu mērīšanai tiek izmantotas dažādas metodes. Zem optiskajām frekvencēm (tas ir, mikroviļņu, radio un audio frekvencēs) spektra analizators ir cieši saistīta elektroniska ierīce.

Darbības principi

Pamata optiskā spektrometra darbībā parasti iekļauti šādi elementi:

• Ieejas sprauga — nosaka spektra izšķirtspēju un gaismas daudzumu, kas nonāk instrumentā.
• Kollimators — pārvērš ieplūdušo gaismu paralēlos staros, kas nepieciešami efektīvai dispersijai.
• Dispersijas elements — prisma vai difrakcijas režģis, kas izkliedē gaismu pēc viļņa garuma un rada spektru.
• Fokuss / optika — attēlo izkliedēto gaismu uz detektora vai izplata to tālākā analizēšanai.
• Detektors — mēra intensitāti katram viļņa garumam (piemēram, CCD, fotodiodu masīvs, fotomultiplicators vai bolometrs).

Pastāv arī citi principi, piemēram, Fourier transformācijas spektrometri (FT-spektrometri), kuros tiek izmantota interferometra metode, lai iegūtu spektru no laika domēna interferogrammas. Katram principam ir savas priekšrocības un kompromisi, piemēram, starojuma jutība, spektrālā izšķirtspēja un mērījuma ātrums.

Galvenie tehniskie rādītāji

• Sobelšana / izšķirtspēja (resolūcija) — spēja atdalīt divus tuvus viļņu garumus; bieži raksturo kā R = λ/Δλ.
• Spektrālā pārklājuma diapazons — viļņu garumu kopums, ko instruments var mērīt vienā reizē vai ar papildu optiku.
• Jutība un dinamiskais diapazons — minimālā detektējama signāla līmenis un sarežģītākā intensitāšu attiecība, ko var uztvert bez piesātinājuma.
• Signāla un trokšņa attiecība (S/N) — cik uzticami var noteikt vāju spektrālu līniju.
• Starpniekšļi (stray light) un spektrālā tīrība — neuzkrāt ārēju vai nesamērīgu fonu, kas var deformēt spektru.

Spektrometru veidi un tehnoloģijas

• Prisma spektrometri — izmanto prizmas dispersiju; vienkārši un ar gludu spektra sadalījumu.
• Difrakcijas režģa spektrometri — plaši izplatīti, nodrošina augstu dispersiju un labu spektrālo izšķirtspēju.
• Monohromatori un polihromatori — monohromators izvada vienu viļņa garumu, polihromators mēra vairākas zonas vienlaikus.
• FTIR (Fourier Transform Infrardeņa) spektrometri — bieži lieto infrasarkanajā diapazonā laboratorijās, ātri un ar labu jutību.
• Raman spektrometri — mēra materiālu vibrāciju spektrus, svarīgi materiālu analīzē un ķīmijā.
• Hiperspektrālie attēlētāji — kombinē spektrālo un telpisko informāciju, izmanto lauka pētījumos un attālinātajā novērošanā.
• Detektori — CCD/CMOS sensoru masīvi, fotomultiplikatoru caurules (PMT), InGaAs fotodetektori infrasarkanajās jomās, bolometri tālajā IR un mikroviļņu reģionā.

Pielietojums

Spektrometri tiek plaši izmantoti gan pamata zinātnē, gan rūpniecībā un medicīnā:

• Astronomija — zvaigžņu un galaktiku spektru analīze ļauj noteikt ķīmisko sastāvu, temperatūru, kustību (doplera nobīdi) un daudz ko citu.
• Analītiskā ķīmija — elementu un molekulu kvantitatīva un kvalitatīva noteikšana (piemēram, atomu emisijas spektri, ICP-OES, Raman, UV/VIS spektrometrija).
• Vide un atmosfēra — gāzu koncentrāciju monitorings, piesārņojuma uzraudzība un klimata pētījumi.
• Medicina un bioķīmija — klīniskie testi, biomarķieru noteikšana, spektrometrija mass-spektrometrijā saistīta ar proteomiku un metabolomiku.
• Rūpniecība — materiālu kvalitātes kontrole, krāsu mērījumi, ķīmiskās analīzes ražošanas procesos.
• Forenzika un mākslas restaurācija — materiālu identifikācija un autentifikācija.

Kalibrācija un laboratorijas prakse

Lai iegūtu precīzus rezultātus, spektrometri jākalibrē pēc viļņa garuma un intensitātes. Izmanto atzītus spektrālos avotus — izstarojumu lampas ar pazīstamām līnijām (piem., Hg, Ne, Ar), atomspektru standartus vai lāzera līnijas. Detektoru lineāritāti, tumšo strāvu (dark current) un jutību bieži mērī ar referenču signāliem un veic korekcijas datu apstrādē.

Kā izvēlēties spektrometru

Izvēloties instrumentu, apsveriet:

• Vajadzīgo viļņu garumu diapazonu un spektrālo izšķirtspēju.
• Minimālo detektējamo koncentrāciju un S/N prasības.
• Mērījumu ātrumu — vai nepieciešama ātra laika izšķirtspēja vai pietiek ilgs integrācijas laiks.
• Praktiskos aspektus — izmērs, iespēja šķiedru (fiber) savienojumiem, vides izturība un uzturēšanas prasības.

Jāatzīmē, ka termins “spektrometrs” dažkārt tiek lietots plašāk, lai apzīmētu arī ierīces, kas analizē citas lielumus (piem., mass-spektrometri analizē jonu masa/lādējuma attiecību). Tomēr optiskajā kontekstā tas parasti attiecas uz gaismas spektra mērījumiem.

Ar pareizu instrumentu izvēli, kalibrāciju un datu apstrādi spektrometri ir ļoti jaudīgi rīki, kas sniedz informāciju par vielu sastāvu, fizikālajiem apstākļiem un procesiem gan laboratorijā, gan laukā.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir spektrometrs?

J: Kas spektrometrā ir neatkarīgais mainīgais?

J: Kādu mainīgo lielumu mēra ar spektrometru?

J: Kāds ir spektrometra mērķis?

J: Kādā viļņu garumu diapazonā var darboties spektrometrs?

J: Kāpēc kāds konkrēts instruments darbojas tikai nelielā daļā no kopējā viļņu garuma diapazona?

J: Kāda elektroniskā ierīce ir cieši saistīta ar spektrometru?

Meklēt pēc burta