1. Спектрометр деген эмне?

Спектрометр - бул физикалык мүнөздөмөнүн спектрдик компоненттерин бөлүүчү жана өлчөөчү аспапты сүрөттөгөн кол чатыр термин. Алар спектрдин компоненттери баштапкы аралашмасынан бөлүнгөн үзгүлтүксүз өзгөрмө өлчөөчү түзүлүштөр.

Айланада спектрометрлердин бир нече вариациялары бар жана алардын эң кеңири тарагандары: Ядролук магниттик-резонанстык (ЯМР) спектрометр, Масс-спектрометр жана Оптикалык спектрометр.

1.1 ЯМР спектрометри

ЯМР спектрометри үлгү күчтүү, туруктуу магнит талаасына жайгаштырылганда ядро ​​спиндеринин өз ара аракеттенүүсүн байкайт жана өлчөйт. ЯМР сигналы ядролордун магнит талаасы менен ядролордун жыштыгы менен резонанстуу жыштык менен өз ара аракеттенгенде пайда болот.

Молекуладагы атомду курчап турган молекулярдык магнит талаасы резонанстык жыштыкка жараша өзгөрөт, ошондуктан үлгүнүн молекулалык түзүлүшүн ачып берет.

1.2 Масс-спектрометр

Масс-спектрометр иондордун масса-заряд катышын өлчөйт жана үлгүдөгү элементтердин курамын аныктайт. Бул үлгүнү иондоштуруу жолу менен иштейт, бул молекулалардын кээ бирлеринин заряддуу болушуна жана алардын масса-зарядка катышына жараша бөлүнүшүнө алып келет.

Андан кийин бул иондор заряддалган бөлүкчөлөрдү аныктай алган аппарат тарабынан аныкталат.

1.3 Оптикалык спектрометр

Оптикалык спектрометр жарыктын касиеттерин өлчөйт, көбүнчө электромагниттик спектрдеги оптикалык аймакка жакын, башкача айтканда, ультрафиолет, көрүнгөн жана инфракызыл жарык.

Толкун узундугу менен жарыктын интенсивдүүлүгүнүн жутулушунун жана эмиссиясынын өзгөрүшү материалдарды аныктоого мүмкүндүк берет.

Бул макалада биз оптикалык спектрометрге көңүл бурабыз. 

2. Спектрометрдин иштөө принциби

Спектрометр үч негизги компоненттен турат - кире бериш тешик, тор жана детектор.

2.1 Кирүү тешиги

Булактан келген жарык кире бериш тешикке кирет жана тешиктин өлчөмү аспап менен өлчөнө турган жарыктын көлөмүн аныктайт. Тешиктин өлчөмү спектрометрдин оптикалык чечүүчүлүгүнө да таасирин тийгизет, мында тешиктин өлчөмү канчалык кичине болсо, ошончолук жакшыраак болот.

Нур тешиктен өткөндөн кийин дивергентке айланат жана дивергенттик нурду коллимациялоочу күзгүгө чагылдыруу менен нур коллимацияланат. Андан кийин коллимацияланган нурлар дифракциялык торго багытталат. Тор дисперсиялык элементтин ролун аткарат жана жарыкты түзүүчү толкун узундуктарына бөлөт.

2.2 Торчо

Монохроматор жарыктын белгилүү бир толкун узундугун тандоо үчүн призмадагы оптикалык дисперсия кубулушун же дифракциялык торлордон дифракцияны колдонот. Салттуу спектрометрлерде жарыкты таратуу үчүн призмалар колдонулган.

Бирок, дифракциялык торду ойлоп табуу менен ал призмага караганда көбүрөөк артыкчылыктарга ээ болгондуктан, заманбап спектрометрлерде эң көп колдонулган монохроматор болуп калды. 

Эки аппарат тең жарыкты бир нече түскө бөлүүгө жөндөмдүү, бирок түстөрдү призмага караганда чоңураак бурчка жайылтуу үчүн дифракциялык тор жасаса болот. Призмалар ошондой эле UV чөлкөмүндө гана жогорку дисперсияга ээ, ал эми дифракциялык торлор UV, VIS жана IR спектри боюнча жогорку жана туруктуу дисперсияга ээ. 

Жарык дифракциялык торго тийгенден кийин, ар бир толкун узундугу башка бурчта чагылат. Толкун узундугунун ар кандай диапазондорун аныктоо үчүн түрдүү өлчөмдөгү дифракциялык торлор да колдонулат.

Нур тордон чагылгандан кийин кайра дивергентке айланат, ошентип ал экинчи күзгүгө тийип, фокустоо жана аны детекторго багыттайт.

2.3 Детектор

Детектор жарык спектрлерин тартып алат жана толкун узундугуна жараша жарыктын интенсивдүүлүгүн өлчөйт. Андан кийин бул маалыматтар санариптештирилет жана график катары программалык камсыздоого түшүрүлөт.

3. Спектрометрдин бөлүктөрү

Жогорудагы бөлүмдө спектрометрдин иштеши жөнүндө сөз болгон. Бул бөлүмдө спектрометрдин компоненттери жана ар бир компонент үчүн сорт каралат.

3.1 Жарык булактары

Көбүнчө спектрометрде табылган жарык булактары вольфрам галогенинен, дейтерийден, ксенон догаларынан, LED, сымап аргонунан, цинктен же лазерден жасалат.  

3.2 Кирүү тешиги

Тээктер ар кандай өлчөмдө болот, 5мкмден 800мкмге чейин, бийиктиги 1ммден 2ммге чейин. Тешиктин өлчөмү колдонууга жараша болот жана кеңири таралган тешиктердин туурасы 10, 25, 50, 100 жана 200μm.

3.3 Күзгүлөр

Айланадагы күзгүлөрдүн эң кеңири таралган түрлөрү көбүнчө тегиз жана сфералык күзгүлөр. Сфералык күзгүлөр эки түргө бөлүнөт - ойгон жана томпок сфералык күзгүлөр. Бирок, спектрометрде, адатта, ойгон сфералык күзгүлөр колдонулат.

3.4 Дифракциялык торлор

Базарда дифракциялык торлордун эки түрү бар - эрежелүү тор жана голографиялык тор.

Башкаруучу машинада алмаз түрүндөгү аспаптын жардамы менен чагылдыруучу бетке оюктарды физикалык жактан оюп, ал эми голографиялык тор эки UV нурун колдонуп интерференция үлгүсүн түзгөн интерференция литографиясы деп аталган процесс аркылуу чыгарылат. 

Чектелген торлор белгилүү бир толкун узундуктары үчүн күйгүзүлүшү мүмкүн жана көбүнчө голографиялык торлорго караганда эффективдүүлүгү жогору болот.

Голографиялык торлор бир калыптагы оюк формасына жана аралыкка ээ жана оптикалык жол менен жасалгандыктан, азыраак жарыкты жаратат.

3.5 Кармоочулар

Үлгүлөр көбүнчө суюктуктар, бирок газдар жана катуу заттар да сыналышы мүмкүн. Үлгүлөр адатта кюветка деп аталган тунук клетканын ичине жайгаштырылат. Кээ бир жабдууларда кюветтердин ордуна пробиркалар да колдонулушу мүмкүн. 

Кюветаны өндүрүү үчүн колдонулган материал спектрометр каптаган спектрдик диапазонго көз каранды. Эриген кремний диоксиди же кварц айнеги көбүнчө UV аркылуу IR аймактарына тунук болгондуктан колдонулат.

3.6 Детекторлор

Ар кандай спектрометрлерде колдонулуучу детекторлордун көп түрдүүлүгү бар жана кээ бир кеңири колдонулган детекторлор - фотокөбөйтүүчү түтүк (PMT), фотодиод, фотодиод массивдери, заряд менен байланышкан түзүлүш (CCD), болометр жана көп каналдуу анализатор (MCA).

3.7 Интерфейс

Көпчүлүк спектрометр системалары компьютер менен USB, RS-232 же Ethernet аркылуу интерфейске кирет. Технологиянын өнүгүшү менен жаңы системалар Wi-Fi жана Bluetooth аркылуу маалыматтарды зымсыз өткөрө алышат.

3.8 программалык камсыздоо

Көптөгөн программалык камсыздоону маалыматтарды алуу үчүн спектрометрлер менен колдонуу үчүн ишке ашырылышы мүмкүн. Аспапты чыгарган көпчүлүк компаниялар, ошондой эле алар чыгарган спектрометр менен шайкеш программалык камсыздоону камсыз кылышат. Мисалы, StellarNet спектрометрлери SpectraWiz деп аталган программалык камсыздоо менен келет.

Мындай даяр программалык камсыздоонун үстүнө башка программаларды коддоп, өзүңүздүн программаңызды түзүүгө жана аны муктаждыктарыңызга жараша ыңгайлаштырууга мүмкүндүк берген башка программалар бар, б.а. MS Excel жана MATLAB үчүн LabVIEW, Visual C, C#, VB, VBA.

4. Спектрометрди колдонуу

Спектрометрдин бир нече колдонулушу бар.

Бир мисал, 200 – 400 нм спектрдик диапазону пайдаланган, 200 мкм кеңдиктеги кире бериш тешик менен орнотулган, 2400 г/мм оюгу менен голографиялык тор менен орнотулган жана 2000 пикселдик CCD детектору менен орнотулган UV-спектрометр кирлерди аныктай алат. органикалык молекулаларда - мисалы, бензол, бул циклогександа кездешүүчү жалпы аралашма жана анын болушун спектрде 255нм чокусу менен сиңирүүсү менен оңой эле аныктоого болот.

5. Оптикалык спектрометрлердин түрлөрү

Оптикалык спектрометрлер эки түргө бөлүнөт. Биринчи жол - алардын толкун узундугу, ал эми экинчи жол - жарыктын өз ара аракеттенүү касиеттери. 

5.1 Толкун узундугу

  • Кырмызы (УК)

Ультрафиолет спектроскопиясы үлгүдөгү жарыктын көлөмүн сиңирип же чагылдырууну өлчөө жана үлгүдөгү элементтердин концентрациясын аныктоо үчүн 200 – 400нм ортосундагы толкун узундугунун УК диапазонундагы жарыкты колдонот. 

Үлгүдөгү электрондор негизги абалдан жогорку энергетикалык абалга дүүлүктүрүлөт, анткени молекулалар УК жарыгынан бөлүнүп чыккан энергияны сиңирип алышат. Электрондордогу энергиянын көлөмү ал сиңире алган толкун узундугунун узундугуна пропорционалдуу.

Үлгүнү идентификациялоо үлгү ультрафиолет нурун сиңирген кезде пайда болгон спектрди белгилүү кошулмалардын спектрлери менен салыштыруу жолу менен жүргүзүлөт.

Ультрафиолет спектрометрде адатта дейтерий жаасы, ксенон дуасы же вольфрам галоген лампалары колдонулат. Колдонулган тордун түрү көбүнчө голографиялык тор, ал эми детектор көбүнчө PMT, фотодиод, фотодиод массивдери же CCD болуп саналат. Детекторлор, адатта, 14μm жана 200μm пиксел өлчөмү менен келет.

Ультрафиолет спектрометри көбүнчө материал таануу, сапатты көзөмөлдөө, нефтехимия, тамак-аш жана айыл чарба, жашоо илими, оптикалык компоненттер ж.б.у.с. тармактарда колдонулат.

Ал ошондой эле, адатта, кошулмаларды аныктоо, жана кошулмаларда кандайдыр бир функционалдык топтун болушу же жоктугу, кошулмаларды идентификациялоо, органикалык кошулмалардын структуралык түшүндүрүү ж.

  • Көрүнүүчү (VIS)

VIS спектрометри ультрафиолет нуру менен өз ара аракеттенбеген кошулмаларды аныктоо үчүн электромагниттик спектрдин көрүнүүчү аймагындагы жарыкты, башкача айтканда 400нмден 700нмге чейинки толкун узундугун колдонот.

Бул аспап ошондой эле үлгүдөгү заттардын концентрациясын анын өткөрүмдүүлүк же жутуу интенсивдүүлүгүн өлчөө жолу менен аныктай алат.

VIS спектрометринде жарык булагы катары вольфрам галогени, ксенон лампалары жана диоддор колдонулат.

Ал UV спектрометр сыяктуу эле дифракциялык торду жана детекторду колдонот. VIS спектрометри, ошондой эле, негизинен, UV спектрометр сыяктуу эле тармактарда жана колдонмолордо колдонулат.

  • Инфракызыл (IR)

IR спектрометри IR спектрлериндеги материалдарды аныктоо үчүн IR нуру менен органикалык молекуланын титирөө өтүшүн колдонот. 

Инфракызыл жарыкты 700нмден 1ммге чейинки үч бөлүккө бөлүүгө болот - көрүнүүчү спектрге карата жакын, орто жана алыскы инфракызыл.

Фотондор IR ортосунан баштап коваленттик байланыштагы атомдордо термелүү дүүлүктүрүүнү гана жарата алат жана электрондорду дүүлүктүрө албайт, анткени энергиялар жетиштүү чоң эмес.

Үлгү IR нурлануусун сиңирип алат жана энергиясы боюнча бул термелүүлөргө туура келет. Бул кошулмалардын абсорбциялык спектрлерин жазууга мүмкүндүк берет жана спектрлер ар бир кошулма үчүн уникалдуу.

Кең диапазондогу маалыматтарды чогултуучу Фурье-трансформацияланган IR (FTIR) спектрометр чийки маалыматтарды спектрге айландыруу үчүн Фурье трансформациясын колдонот. 

Жакын, орто жана алыс IR, тиешелүүлүгүнө жараша вольфрам-галоген лампа, глобар жана сымап лампасын колдонот. Орнотулган тордун түрү, адатта, башкаруучу тор. NIR спектрометрлери адатта InGaAs фотодиоддорун 25мкм менен 500мкм пикселдик өлчөм менен колдонушат, ал эми MIR спектрометрлери пиксел өлчөмү 48.5мкм менен 48.5мкм болгон пироэлектрдик детекторлорду колдонушат, ал эми FIR спектрометрлери a-Si же VOx болометрлери пи75мкм.

Бул, адатта, дары-дармек, экологиялык коопсуздук, тамак-аш жана материалдар сыяктуу тармактарда тапса болот. IR спектрометрди колдонгон тиркемелерге белоктун мүнөздөмөлөрү, космостук изилдөөлөр, кошулмаларды идентификациялоо, наноөлчөмдүү жарым өткөргүчтөрдү анализдөө ж.

5.2 Өз ара аракеттенүү

  • боли

Аты айтып тургандай, абсорбциялык спектроскопия булагы менен үлгүнүн толкун узундугуна же жыштыгына жараша нурлануунун жутулушун өлчөйт.

Үлгү булактан энергияны жутуп алат жана жутулуунун интенсивдүүлүгү жыштыкка жараша өзгөрүп турат, бул өзгөрүү андан кийин жутуу спектрин пайда кылат. Бул спектроскопия ыкмасы электромагниттик спектрде жүргүзүлөт.

Абсорбциялык спектроскопия үлгүдөгү кошулмаларды аныктоо жана анын концентрациясын өлчөө үчүн колдонулат. Жогоруда айтылган UV, VIS жана IR спектроскопиясы абсорбциялык спектроскопиянын мисалдары болуп саналат.

Абсорбциялык спектрометрияда колдонулган эң кеңири таралган жарык булагы бул көңдөй катоддук лампа жана детектор катары PMT колдонулат. Бул көбүнчө алыстан зонддоо, астрономия жана атомдук жана молекулалык физикада колдонулат.

  • чагылышуу

Чагылтуу спектроскопиясы үлгүдөн чагылган же чачылган жарыктын көлөмүн өлчөйт.

Үлгүдөн чагылган же үлгү аркылуу сынган булактан алынган фотондор чачыранды деп аталат.

Бул чачыранды фотондор андан кийин аныкталат жана жазылат. Бул толкун узундугуна каршы чагылуу сюжетине алып келет.

Чагылыштыруучу спектроскопиялык системалар, адатта, жарык булагы катары лазерлерди, суперлюминесценттик диоддорду, светодиоддорду же галоген лампаларын жана детектору катары CCD, фотодиоддорду же MCAны колдонушат. 

Чагылтуу спектрометри медицина тармагында кыртыштардын концентрациясы жөнүндө маалымат берүү үчүн колдонулат жана ошондой эле экология илими жана геология сыяктуу тармактарда колдонулушу мүмкүн.

  • Transmittance

Өткөрүү спектроскопиясы үлгү аркылуу өзгөрүүсүз өткөн жарыктын көлөмүн өлчөөнү билдирет.

Бул абсорбциялык спектроскопия менен абдан тыгыз байланышта, ошондуктан алар окшош түзүлүшкө ээ.

Өткөрүү спектри үлгү аркылуу көбүрөөк жарык өткөн сайын абсорбция алсыз болгон толкун узундуктарында эң жогорку чокуларына ээ болот.

Спектрдик диапазонго жараша ар кандай жарык булактары колдонулат. Светодиоддор, вольфрам галогени же дейтерий лампалары көбүнчө колдонулат. Тандалган типтүү детекторлор фотодиоддор жана CCD болуп саналат. Бул көбүнчө фармацевтикалык анализде колдонулат.

  • Fluorescence

Спектрофторометр

Ультрафиолет спектроскопиясында айтылгандай, үлгүдөгү электрондор жарыкты сиңирип алып, негизги абалдан ар кандай титирөө абалынан турган жогорку электрондук абалга өткөндө дүүлүктүрүлөт.

Толкунданган электрондор фотонду чыгаруу менен анын негизги абалына өтө алат жана бул процесс флуоресценция деп аталат.

Электрондор негизги абалында ар кандай термелүү деңгээлдеринин бирине түшүшү мүмкүн болгондуктан, эмиссияланган фотондор энергиянын ар кандай көлөмүн, демек, ар кандай интенсивдүүлүктү жана толкун узундуктарын камтыйт.

Ошондуктан флуоресценттик спектроскопия үлгүдөгү флуоресценциянын өлчөмүн өлчөө катары аныкталат. Ал, адатта, электрондорду дүүлүктүрүү үчүн UV же VIS диапазонундагы жарыкты колдонот.

Флуоресценция флуоресценттик спектрометрлер менен өлчөнөт жана флуоресценциянын ар кандай мүнөздөмөлөрүн, мисалы, эмиссиянын интенсивдүүлүгүн жана толкун узундугун бөлүштүрүүнү өлчөйт. Андан кийин эмиссия спектри үлгүлөр кайсы толкун узундуктарын чыгарарын көрсөтөт.

Флуоресценцияны өлчөөчү приборлор флюорометрлер деп аталат. Флюорометрлер, адатта, жарык булагы катары лазерлерди, LED, ксенон дуасын же сымап буу лампаларын колдонушат. Флуоресценттик спектроскопияда адатта детекторлор катары фотодиоддор же PMT тандалат.

Бул спектроскопия ыкмасы, адатта, медициналык, биохимиялык жана экологиялык мониторинг тармактарында тапса болот. Колдонмолор адамдын кыртыштарында рак диагностикасын камтыйт, ыпластарды аныктоо же заттардын концентрациясын аныктоо жана өлчөө, ошондой эле инфекцияларды пайда кылган ар кандай бактерияларды, вирустарды жана мителерди аныктоо.

  • Чачуу

Жарык материядан өткөндө анын көбү баштапкы багыты боюнча уланат, бирок бир аз бөлүгү башка тарапка чачырап кетет.

Бул ыкма Раман чачыратуу теориясына негизделген. Чачыратуу эффекти – бул фотондордун материя менен ийкемсиз чачырашы, бул жарыктын багытынын өзгөрүшүн жана үлгү менен өз ара аракеттенгенден кийин фотондор тарабынан энергиянын жоголушун билдирет.

Адатта, молекулалар түшкөн фотондордон термелүү энергияга ээ болушат.

Чачыра турган жарыктын көбү энергиясы боюнча өзгөрүлбөйт жана бул Рэйлинин чачырашы. Раман чачырашы чачыранды фотондордун өтө кичинекей бөлүгүнөн (болжол менен 1 миллиондон 10) турат.

Үлгүдөгү термелүүнүн өзгөрүшүн талдоо менен химиялык курамы, кристаллдуулугу, молекулалык өз ара аракеттенүүсү сыяктуу касиеттерин аныктоого болот. Жогоруда айтылгандай, Раман чачыратуу өтө начар, ошондуктан жарыкты изилдөө үчүн өтө сезгич спектрометр керек.

Бул аспап көбүнчө химия, физика, фармацевтика, искусство жана медицина сыяктуу тармактарда колдонулат. Ал молекулаларды аныктоого жана химиялык байланыштарды изилдөөгө, материалдардын структурасын мүнөздөөгө жана изилдөөгө, пакеттерде жасалма дарыларды табууга, биоминералдык заттарды изилдөөгө ж.

6. Раман спектрометри

Раман спектроскопиясы материалдын химиялык байланыштары менен жарыктын (адатта лазердин) өз ара аракеттенүүсүнө негизделген.

Жарык түздөн-түз үлгүдөн чачырап, Рэйлинин чачырандысынан бөлүкчөлөрдү алып салуу үчүн чыпкадан өтөт.

Раман чачырандысынан калган жарык андан кийин детекторду көздөй багыт алганга чейин дифракциялык торго багытталат.

Акыр-аягы, ал ар бир чокусу жана интенсивдүүлүгү үлгү боюнча кээ бир маалымат бере турган Раман спектрин чыгарат.

Раман спектрометри жарык булагы катары үзгүлтүксүз толкундуу лазерди гана колдонот.

Адатта кызылдан NIRге чейинки спектрдик диапазондогу лазерлер колдонулат, бирок акыркы жылдары көк жана жашыл түстөгү көрүнүүчү лазерлерди колдонуу көбөйүүдө.

Ошондой эле ал монохромататор катары голографиялык торду жана детектор катары CCD'лерди колдонот.

7. Спектрометр Vs. Спектрофотометр

Адамдар көбүнчө спектрометрди спектрофотометр менен чаташтырышат. А спектрофотометр жарыктын өтүү жана жутуу касиеттерин материалдын толкун узундугуна жараша өлчөөчү аспап.

Ал, адатта, жакын ультра-кызгылт көккө чейин көрүнүүчү жарыкка жакын инфракызылга чейинки диапазондогу жарык менен алектенет. Спектрофотометрдин өзү спектрометрди, ошондой эле үлгүнү жакшыраак жарыктандыруу үчүн жарык булагын камтыйт. 

Иштөө принциби спектрометрге окшош, мында монохроматор үлгүгө жетүү үчүн жарыктын толкун узундугун тандоо үчүн колдонулат. Үлгүнүн тунук эместигине жараша жарык чагылдырылат же өткөрүлөт. Андан кийин детектор чагылган же өткөн жарыктын интенсивдүүлүгүн жазат.

Бул жарыктын интенсивдүүлүгүнүн өзгөрүшүн өлчөө үчүн детектор үчүн ар кандай толкун узундуктарында монохромататор менен кайталанат. Акыркы жыйынтык толкун узундугунун функциясы катары абсорбция спектри болот.

8. Ишенимдүү спектрометрди кайдан сатып алууга болот?

Эми сиз спектрометр жана анын тиркемелери деген эмне экенин билгенден кийин, ишенимдүүсүн кайдан сатып алууну билишиңиз керек. Сиз ишенимдүү спектрометрлерди сатып алсаңыз болот Wavelength Opto-Electronic.

Биз StellarNet спектрометрлеринин дистрибьюторубуз, 190 – 2300 нм толкун узундугунан UV, VIS жана NIRде өлчөө үчүн оптикалык спектрометрлерди сунуштайбыз. StellarNet спектрометрлери көчмө, кыймылдуу бөлүктөрү жок компакт болуу үчүн иштелип чыккан.

Биз 2023-жылга веб-сайтыбыздын дизайнын жаңыртып жатабыз!
Мазмуну көрүнбөй жатса, кэшти тазалоо үчүн Shift + Refresh (F5) баскычтарын кармап туруңуз
Бул веб-сайтты Chrome/Firefox/Safari менен эң жакшы көрүүгө болот.