Читайте в статті про принцип роботи спектрометрів, їхні види та особливості.
У найширшому сенсі спектрометр – це будь-який прилад, який використовується для вимірювання коливань фізичної характеристики в певному діапазоні, а точніше спектрі. Це може бути спектр співвідношення маси і заряду, якщо ми говоримо про мас-спектрометр, зміна частот ядерних резонансів у ЯМР-спектрометрі або зміна поглинання і випромінювання світла залежно від довжини хвилі в оптичному спектрометрі. Далі детальніше розповімо про основні типи спектрометрів та їхні особливості.
Світло спрямовується через оптоволоконний кабель у спектрометр через вхідну щілину, яка являє собою вузький отвір. Щілина віньєтує світло, коли воно потрапляє в спектрометр.
Потім, у більшості спектрометрів, світло, що розходиться, колімується увігнутим дзеркалом і спрямовується на решітку. Після цього решітка розсіює спектральні компоненти світла під кутами, що злегка змінюються.
Світло фокусується другим увігнутим дзеркалом і відображається на детекторі. Як альтернатива всі три функції можуть бути виконані одночасно з використанням увігнутої голографічної решітки.
Після того, як світло потрапляє на детектор, фотони перетворюються на електрони. Ці електрони оцифровуються і зчитуються через USB (або послідовний порт) на комп’ютер. На основі кількості пікселів у детекторі та лінійної дисперсії дифракційної решітки програмне забезпечення інтерполює сигнал для генерації калібрування, яке дає змогу побудувати графік даних як функцію довжини хвилі в заданому спектральному діапазоні. Ці дані можуть згодом використовуватися й оброблятися для багатьох спектроскопічних застосувань.
Система гамма-спектрометра складається з детектора, електронної схеми для опрацювання імпульсів і пристрою для зберігання, опрацювання та відображення даних.
Детектор – це інструмент, який видає електричні сигнали (імпульси). Ці сигнали залежать від енергії (довжини хвилі) і кількості реєстрованих гамма-фотонів. Детектор підключений до системи, яка обробляє ці імпульси.
Система обробки імпульсів являє собою електронну схему, яка формує імпульси, підраховує їх і класифікує залежно від висоти імпульсу. Таким чином, електронні сигнали перетворюються на спектр імпульсів. Цей спектр імпульсів являє собою кількість і розподіл енергії гамма-фотонів.
Спектр зберігається в системі пам’яті і може бути оброблений за допомогою відповідних комп’ютерних програм. Результати відображаються в графічному або цифровому вигляді.
Діапазон довжин хвиль: 0,0001 – 0,01 нм.
Сфери застосування:
Це рентгенівський прилад, який використовується для рутинного, відносно неруйнівного хімічного аналізу гірських порід, мінералів, відкладень і рідин. Він працює на принципах спектроскопії з дисперсією за довжиною хвилі, які схожі з електронним мікрозондом (EPMA). Однак рентгенофлуоресцентний аналізатор не може проводити аналіз з малими розмірами плям, характерними для EPMA (2-5 мікрон), тому він зазвичай використовується для масового аналізу великих фракцій геологічних матеріалів. Відносна простота і дешевизна пробопідготовки, стабільність і простота використання рентгенівських спектрометрів роблять цей метод одним із найпоширеніших, які широко використовують для аналізу основних і слідових елементів у гірських породах, мінералах і осадових породах.
Діапазон довжин хвиль: 0,01 – 10 нм
Сфери застосування:
Детальніше ознайомитися з видами та характеристиками РФА спектрометрів можна за посиланням.
УФ-спектроскопія використовує світло в УФ-діапазоні для вимірювання кількості світла, що поглинається або відбивається зразком, і визначення концентрації елементів у зразку.
УФ-спектрометри працюють за принципом переходу електронів у зразку з основного стану в стан із вищою енергією, оскільки молекули поглинають енергію, випромінювану ультрафіолетовим світлом. Кількість енергії, якою володіють електрони, пропорційна довжині хвилі, яку вони можуть поглинути.
Ідентифікація зразка здійснюється шляхом порівняння спектра, отриманого при поглинанні зразком ультрафіолетового світла, зі спектрами відомих сполук.
В УФ-спектрометрі зазвичай використовуються дейтерієва дуга, ксенонова дуга або вольфрамові галогенні лампи. Як решітку зазвичай використовують голографічну решітку, а як детектор – ПМТ, фотодіод, фотодіодну матрицю або ПЗС. Розмір пікселя в детекторах зазвичай становить 14 мкм на 200 мкм.
Діапазон довжин хвиль: 10 – 400
Сфери застосування:
Вид-спектрометр працює так само, як і УФ-спектрометр, за винятком того, що для визначення сполук, які не взаємодіють з ультрафіолетовим світлом, використовують світло видимої області електромагнітного спектра, тобто довжину хвилі від 400 до 700 нм.
Цей прилад також може визначати концентрацію речовин у зразку, вимірюючи інтенсивність його пропускання або поглинання.
Як джерела світла у Від-спектрометрі зазвичай використовують вольфрамові галогенні, ксенонові лампи і світлодіоди.
У ньому використовується той самий тип дифракційної решітки і детектора, що і в УФ-спектрометрі. Вид-спектрометр здебільшого використовується в тих самих галузях і сферах, що й УФ-спектрометр.
Діапазон довжин хвиль: 400-700 нм.
ІЧ-спектрометр використовує коливальні переходи органічної молекули з ІЧ-випромінюванням для ідентифікації матеріалів в ІЧ-спектрі.
ІЧ-випромінювання можна розділити на три частини в діапазоні від 700 нм до 1 мм – ближній, середній і дальній інфрачервоний, що співвідноситься з видимим спектром.
Зразок поглинає ІЧ-випромінювання, що відповідає за енергією цим коливанням. Це дає змогу реєструвати спектри поглинання сполук, причому спектри унікальні для кожної сполуки.
Якщо говорити про ІЧ-Фур’є спектрометр, то це прилад, що збирає дані в широкому діапазоні і використовує перетворення Фур’є для трансформації вихідних даних у спектр.
У ближньому, середньому і дальньому ІЧ-діапазонах використовуються вольфрамо-галогенні, глобольні та ртутні лампи, відповідно. Тип встановленої решітки – зазвичай правильна решітка. У БІК-спектрометрах зазвичай використовують фотодіоди InGaAs з розміром пікселя 25 мкм на 500 мкм, в ІЧ-спектрометрах – піроелектричні детектори з розміром пікселя 48,5 мкм на 48,5 мкм, а в ІЧ-спектрометрах – болометри a-Si або VOx з розміром пікселя 75 мкм на 75 мкм.
Діапазон довжин хвиль: 700 нм – 1 мм
Сфери застосування:
Галузі застосування ІЧ-спектрометрів включають визначення характеристик білків, космічні дослідження, ідентифікацію сполук, аналіз нанорозмірних напівпровідників тощо.
Детальніше ознайомитися з видами та характеристиками ІЧ-спектрометрів можна за посиланням.
ЯМР-спектрометр дає змогу аналізувати молекулярну структуру матеріалу, спостерігаючи і вимірюючи взаємодію ядерних спінів під час поміщення в потужне магнітне поле.
Для аналізу молекулярної структури на атомному рівні можна також використовувати електронні мікроскопи та рентгенівські дифракційні прилади, але переваги ЯМР у тому, що вимірювання зразків неруйнівні та потрібна менша підготовка зразків.
ЯМР-аналізатор складається з таких компонентів
Комп’ютер – управління приладом і обробка даних.
Консоль – передає і приймає радіочастотні хвилі, використовувані для проведення ЯМР-вимірювань.
Надпровідний магніт – генерує потужне магнітне поле, яке в десятки тисяч разів сильніше за магнітне поле Землі. Зразки поміщаються в це магнітне поле і піддаються впливу радіохвиль.
Діапазон довжин хвиль: 0.6 см – 100 м (+-, відповідно до малюнка)
Сфери застосування:
Детальніше ознайомитися з видами та характеристиками ЯМР-спектрометрів можна за посиланням.
Спектрофлуориметр – це прилад, що працює за принципом флуоресцентної спектроскопії. Це швидкий і чутливий метод характеристики молекулярних компонентів, присутніх у зразку. Флуоресцентна спектроскопія – це тип електромагнітної спектроскопії, яка аналізує флуоресцентні молекули. Вона використовує явище збудження електронів під час зіткнення з частинками високої енергії, такими як фотони та інші збуджені електрони.
У процесі переходу багатоатомних флуоресцентних молекул (флуорофорів) з їхнього вищого енергетичного рівня (збудженого стану) в основний стан шляхом зниження їхнього енергетичного рівня випускаються фотони. Флуорофори відіграють найважливішу роль у флуоресцентній спектроскопії. Флуорофори є компонентами молекул, які надають флуоресценції. Здебільшого флуорофорами є молекули, які містять ароматичні кільця, такі як тирозин, триптофан, флуоресцеїн тощо.
Серед головних завдань, у яких застосовується:
Детальніше ознайомитися з видами та характеристиками спектрофлуориметрів можна за посиланням.
Оптичний спектрометр використовується для вимірювання поглинання (або відбиття/пропускання/випромінювання) зразка в ближньому УФ-діапазоні в усій видимій ділянці спектра. Спектрометр складається з джерела світла, дисперсійного елемента, камери для зразка і детектора. Широкосмугове світло, створюване джерелом світла, перетворюється на монохроматичне світло дисперсійним елементом і пропускається через зразок. Інтенсивність світла вимірюється після проходження через зразок детектором.
Скануючи дисперсійний елемент, можна отримувати і вимірювати довжини хвиль від ближнього УФ-діапазону в усьому видимому діапазоні. Спектр пропускання створюється шляхом порівняння інтенсивності світла після проходження через зразок з інтенсивністю світла до його проходження через зразок. Ранні джерела світла, що складалися з дугових ламп або металевих ниток, нещодавно були замінені світлодіодами (LED).
Сфери застосування:
Мас-спектрометр (МС) – це прилад, який використовують для ідентифікації та кількісної оцінки широкого спектра клінічно значущих аналітів. У поєднанні з газовими або рідинними хроматографами мас-спектрометри дають змогу розширити аналітичні можливості для різних клінічних застосувань. Крім того, завдяки своїй здатності ідентифікувати та кількісно визначати білки, МС є важливим аналітичним інструментом у галузі протеоміки.
Підготовка зразка має вирішальне значення для успішного МС, особливо при роботі зі складними матрицями, які зазвичай трапляються в клінічній хімії. Зазвичай це включає один або кілька з таких кроків: осадження білка з подальшим центрифугуванням або фільтрацією, твердофазна екстракція, рідинно-рідинна екстракція, афінне збагачення або дериватизація.
Сфери застосування:
Детальніше ознайомитися з видами та характеристиками мас-спектрометрів можна за посиланням.
Оптичний емісійний спектрометр здатний проводити відбір твердих проб. Він широко застосовується для аналізу широкого спектра зразків. Він застосовується для аналізу сталі, металів і сплавів, геологічних зразків, біологічних зразків, зразків навколишнього середовища та інших видів зразків і спеціальних методів. Він має дуже високий час безвідмовної роботи, забезпечує надійну роботу. Оптичний емісійний спектрометр забезпечує швидкий елементний аналіз твердих металевих зразків, що робить його незамінним для контролю якості на сталеливарних заводах і в процесах металургії алюмінію.
Іскровий оптичний емісійний спектрометр здатний визначати всі елементи, необхідні в теперішніх і майбутніх додатках, у всіх можливих якостях заліза і сталі, таких як білий або сірий чавун, легований чавун, низьколегована сталь і високолегована сталь. Це відповідь на аналітичні потреби, будь то вхідний контроль товарів, сортування металів, контроль якості процесу, контроль якості кінцевої продукції, сертифікація або розслідування.
У разі відбору проб він використовується для аналізу включень мікродомішок і макрокомпонентів. Він використовується для аналізу стандартних еталонних матеріалів і реальних зразків сталі. Він також використовується для аналізу неметалевих елементів (наприклад, вуглецю, азоту, сірки, фосфору, кисню, кремнію і бору) у зразках сталі. Кількісний або якісний аналіз азоту в сталі також визначається за допомогою цієї техніки.
Сфери застосування:
Детальніше ознайомитися з видами та характеристиками мас-спектрометрів можна за посиланням.
Раман спектроскопія використовує інтенсивне випромінювання лазера для дослідження хімічних зв’язків у речовині, генеруючи спектр, який діє як відбиток пальця і може бути використаний для визначення характеристик або ідентифікації речовини. Це може використовуватися для перевірки автентичності матеріалів або оцінки їхньої якості, і навіть для медичної діагностики. Але як працює раманівський спектрометр?
Система раманівського спектрометра складається з трьох основних компонентів:
Лазер виступає як джерело збудження, яке забезпечує високу інтенсивність світла, необхідну для отримання достатнього для виявлення сигналу комбінаційного розсіювання. Раманівське розсіювання відбувається з імовірністю одна частина на мільйон, тому потрібна висока інтенсивність лазера, щоб врівноважити рідкість раманівського розсіювання.
Інтерфейс зразка в системі раманівського спектрометра належить до оптики, яка спрямовує і фокусує промінь, що падає, а також збирає порівняно слабке раманівське випромінювання для передачі в сам спектрометр. Для відбиття короткохвильового лазерного випромінювання на зразок і передачі розсіяного раманівського випромінювання в спектрометр зазвичай використовується довгохвильовий дихроїчний фільтр, як показано нижче.
Нарешті, раманівський спектрометр одночасно захоплює і виявляє все світло, що передається інтерфейсом зразка, повідомляючи спектр як функцію зсуву Рамана щодо частоти лазера. Для цього потрібен достатній діапазон, сила сигналу та оптична роздільна здатність. Ключові експлуатаційні властивості включають високу чутливість, хороше відношення сигнал/шум і високу потужність збору світла.
Сфери застосування:
Детальніше ознайомитися з видами та характеристиками мас-спектрометрів можна за посиланням.
Існують й інші типи спектрометрів, але сьогодні обмежимося цим переліком.
Залежно від особливостей конструкції спектрометри поділяють на 2 групи:
На фото зображено оптично-емісійний спектрометр Hitachi OES 750
Основні переваги:
На фото зображено портативний оптично емісійний спектрометр PMI-MASTER Smart
Основні переваги:
Сподіваємося, стаття буде корисною для вас.
