Ein Spektrometer ist ein wissenschaftliches Instrument, das zur Analyse des Spektrums elektromagnetischer Strahlung verwendet wird. Es kann ein Strahlungsspektrum als Spektrograph darstellen, der die Verteilung der Lichtintensität in Bezug auf die Wellenlänge darstellt (y-Achse ist die Intensität, x-Achse ist die Wellenlänge). /Frequenz des Lichts).Das Licht wird im Spektrometer durch Strahlteiler, bei denen es sich in der Regel um brechende Prismen oder Beugungsgitter handelt, in seine einzelnen Wellenlängen zerlegt (Abb. 1).
Abb. 1 Spektrum von Glühbirne und Sonnenlicht (links), Strahlteilungsprinzip von Gitter und Prisma (rechts)
Spektrometer spielen eine wichtige Rolle bei der Messung eines breiten Spektrums optischer Strahlung, sei es durch die direkte Untersuchung des Emissionsspektrums einer Lichtquelle oder durch die Analyse der Reflexion, Absorption, Transmission oder Streuung von Licht nach seiner Wechselwirkung mit einem Material.Nach der Wechselwirkung von Licht und Materie verändert sich das Spektrum in einem bestimmten Spektralbereich oder einer bestimmten Wellenlänge, und die Eigenschaften der Substanz können entsprechend der Veränderung im Spektrum qualitativ oder quantitativ analysiert werden, beispielsweise durch biologische und chemische Analyse die Zusammensetzung und Konzentration von Blut und unbekannten Lösungen sowie die Analyse des Moleküls, der Atomstruktur und der elementaren Zusammensetzung von Materialien Abb. 2.
Abb. 2 Infrarot-Absorptionsspektren verschiedener Ölarten
Ursprünglich für das Studium der Physik, Astronomie und Chemie erfunden, ist das Spektrometer heute eines der wichtigsten Instrumente in vielen Bereichen wie Chemieingenieurwesen, Materialanalyse, Astronomie, medizinische Diagnostik und Biosensorik.Im 17. Jahrhundert gelang es Isaac Newton, das Licht in kontinuierliche Farbbänder aufzuteilen, indem er einen weißen Lichtstrahl durch ein Prisma leitete, und er verwendete zum ersten Mal das Wort „Spektrum“, um dieses Ergebnis zu beschreiben (Abb. 3).
Abb. 3 Isaac Newton untersucht das Sonnenlichtspektrum mit einem Prisma.
Zu Beginn des 19. Jahrhunderts stellte der deutsche Wissenschaftler Joseph von Fraunhofer (Franchofer) in Kombination mit Prismen, Beugungsspalten und Teleskopen ein Spektrometer mit hoher Präzision und Genauigkeit her, mit dem das Spektrum der Sonnenemissionen analysiert wurde Abb. 4. Er beobachtete zum ersten Mal, dass das Spektrum der Siebenfarben der Sonne nicht kontinuierlich ist, sondern eine Reihe dunkler Linien (über 600 diskrete Linien) aufweist, die als berühmte „Frankenhofer-Linie“ bekannt sind.Er nannte die deutlichsten dieser Linien A, B, C…H und zählte etwa 574 Linien zwischen B und H, was der Absorption verschiedener Elemente im Sonnenspektrum entspricht Abb. 5. Gleichzeitig war Fraunhofer auch der Zunächst nutzte man ein Beugungsgitter, um Linienspektren zu erhalten und die Wellenlänge der Spektrallinien zu berechnen.
Abb. 4. Ein frühes Spektrometer, betrachtet mit dem Menschen
Abb. 5 Fraun-Whaffe-Linie (dunkle Linie im Band)
Abb. 6 Sonnenspektrum, wobei der konkave Teil der Fraun-Wolfel-Linie entspricht
Mitte des 19. Jahrhunderts arbeiteten die deutschen Physiker Kirchhoff und Bunsen an der Universität Heidelberg zusammen und führten mit Bunsens neu konstruiertem Flammenwerkzeug (dem Bunsenbrenner) die erste Spektralanalyse durch, indem sie die spezifischen Spektrallinien verschiedener Chemikalien notierten (Salze) in die Flamme des Bunsenbrenners gestreut Abb.7. Sie realisierten die qualitative Untersuchung von Elementen durch Beobachtung der Spektren, veröffentlichten 1860 die Entdeckung der Spektren von acht Elementen und stellten die Existenz dieser Elemente in mehreren natürlichen Verbindungen fest.Ihre Erkenntnisse führten zur Entstehung eines wichtigen Zweigs der spektroskopischen und analytischen Chemie: der spektroskopischen Analyse
Abb.7 Flammenreaktion
In den 20er Jahren des 20. Jahrhunderts entdeckte der indische Physiker CV Raman mit einem Spektrometer den inelastischen Streueffekt von Licht und Molekülen in organischen Lösungen.Er beobachtete, dass das einfallende Licht nach der Wechselwirkung mit Licht mit höherer und niedrigerer Energie gestreut wird, was später als Raman-Streuung bezeichnet wird (Abb. 8). Die Änderung der Lichtenergie charakterisiert die Mikrostruktur von Molekülen, daher wird die Raman-Streuungsspektroskopie häufig in der Material-, Medizin- und Chemieindustrie eingesetzt und anderen Branchen zur Identifizierung und Analyse der molekularen Art und Struktur von Substanzen.
Abb. 8 Die Energie verschiebt sich, nachdem Licht mit den Molekülen interagiert
In den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts schlug der amerikanische Wissenschaftler Dr. Beckman erstmals vor, die Absorption ultravioletter Spektren bei jeder Wellenlänge separat zu messen, um das vollständige Absorptionsspektrum abzubilden und so die Art und Konzentration der Chemikalien in Lösung aufzudecken.Dieser Transmissions-Absorptionslichtweg besteht aus der Lichtquelle, dem Spektrometer und der Probe.Der Großteil der derzeitigen Lösungszusammensetzungs- und Konzentrationserkennung basiert auf diesem Transmissionsabsorptionsspektrum.Dabei wird die Lichtquelle auf die Probe aufgespalten und das Prisma oder Gitter abgetastet, um unterschiedliche Wellenlängen zu erhalten Abb. 9.
Abb.9 Prinzip der Absorptionsdetektion –
In den 40er Jahren des 20. Jahrhunderts wurde das erste Spektrometer mit direkter Detektion erfunden, und zum ersten Mal ersetzten Photomultiplierröhren (PMTs) und elektronische Geräte die traditionelle Beobachtung mit dem menschlichen Auge oder den fotografischen Film, mit dem die spektrale Intensität direkt über der Wellenlänge abgelesen werden konnte Abb. 10. Somit wurde das Spektrometer als wissenschaftliches Instrument im Laufe der Zeit hinsichtlich Benutzerfreundlichkeit, quantitativer Messung und Empfindlichkeit erheblich verbessert.
Abb. 10 Photomultiplier-Röhre
Mitte bis Ende des 20. Jahrhunderts war die Entwicklung der Spektrometertechnologie untrennbar mit der Entwicklung optoelektronischer Halbleitermaterialien und -geräte verbunden.1969 erfanden Willard Boyle und George Smith von Bell Labs das CCD (Charge-Coupled Device), das dann in den 1970er Jahren von Michael F. Tompsett verbessert und zu Bildgebungsanwendungen weiterentwickelt wurde.Willard Boyle (links) und George Smith gewannen den Nobelpreis für ihre Erfindung des CCD (2009), siehe Abb. 11. 1980 erfand Nobukazu Teranishi vom NEC in Japan eine feste Fotodiode, die das Bildrauschverhältnis erheblich verbesserte Auflösung.Später, im Jahr 1995, erfand Eric Fossum von der NASA den CMOS-Bildsensor (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), der 100-mal weniger Strom verbraucht als ähnliche CCD-Bildsensoren und viel niedrigere Produktionskosten hat.
Abb. 11 Willard Boyle (links), George Smith und ihr CCD (1974)
Am Ende des 20. Jahrhunderts wurde es durch die kontinuierliche Verbesserung der Verarbeitungs- und Fertigungstechnologie für optoelektronische Halbleiterchips, insbesondere durch den Einsatz von Array-CCD und CMOS in Spektrometern (Abb. 12), möglich, mit einer einzigen Belichtung ein vollständiges Spektrum an Spektren zu erhalten.Im Laufe der Zeit haben Spektrometer umfangreiche Anwendung in einer Vielzahl von Anwendungen gefunden, darunter unter anderem Farberkennung/-messung, Laserwellenlängenanalyse und Fluoreszenzspektroskopie, LED-Sortierung, Bildgebungs- und Beleuchtungssensorgeräte, Fluoreszenzspektroskopie, Raman-Spektroskopie und mehr .
Abb. 12 Verschiedene CCD-Chips
Im 21. Jahrhundert ist die Design- und Herstellungstechnologie verschiedener Arten von Spektrometern allmählich ausgereift und stabilisiert.Mit der wachsenden Nachfrage nach Spektrometern in allen Lebensbereichen ist die Entwicklung von Spektrometern schneller und branchenspezifischer geworden.Zusätzlich zu den herkömmlichen optischen Parameterindikatoren haben verschiedene Branchen individuelle Anforderungen an Volumengröße, Softwarefunktionen, Kommunikationsschnittstellen, Reaktionsgeschwindigkeit, Stabilität und sogar Kosten von Spektrometern, wodurch die Entwicklung von Spektrometern vielfältiger wird.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 28. November 2023