Uno spettrometro è uno strumento scientifico, utilizzato per analizzare lo spettro delle radiazioni elettromagnetiche, può visualizzare uno spettro di radiazioni come uno spettrografo che rappresenta la distribuzione dell'intensità della luce rispetto alla lunghezza d'onda (l'asse y è l'intensità, l'asse x è la lunghezza d'onda /frequenza della luce).La luce viene separata in modo diverso nelle lunghezze d'onda dei suoi costituenti all'interno dello spettrometro da divisori di fascio, che di solito sono prismi di rifrazione o reticoli di diffrazione Fig. 1.
Fig. 1 Spettro della lampadina e della luce solare (a sinistra), principio di suddivisione del fascio del reticolo e del prisma (a destra)
Gli spettrometri svolgono un ruolo importante nella misurazione di un'ampia gamma di radiazioni ottiche, sia esaminando direttamente lo spettro di emissione di una sorgente luminosa sia analizzando la riflessione, l'assorbimento, la trasmissione o la diffusione della luce in seguito alla sua interazione con un materiale.Dopo l'interazione tra luce e materia, lo spettro sperimenta il cambiamento in un certo intervallo spettrale o in una specifica lunghezza d'onda e le proprietà della sostanza possono essere analizzate qualitativamente o quantitativamente in base al cambiamento nello spettro, come l'analisi biologica e chimica di la composizione e la concentrazione del sangue e delle soluzioni sconosciute e l'analisi della molecola, della struttura atomica e della composizione elementare dei materiali Fig. 2.
Fig. 2 Spettri di assorbimento infrarosso di diversi tipi di oli
Originariamente inventato per lo studio della fisica, dell'astronomia e della chimica, lo spettrometro è oggi uno degli strumenti più importanti in molti campi come l'ingegneria chimica, l'analisi dei materiali, la scienza astronomica, la diagnostica medica e il biorilevamento.Nel XVII secolo, Isaac Newton riuscì a dividere la luce in una banda colorata continua facendo passare un raggio di luce bianca attraverso un prisma e usò per la prima volta la parola "spettro" per descrivere questo risultato. Fig. 3.
Fig. 3 Isaac Newton studia lo spettro della luce solare con un prisma.
All'inizio del XIX secolo, lo scienziato tedesco Joseph von Fraunhofer (Franchofer), combinato con prismi, fenditure di diffrazione e telescopi, realizzò uno spettrometro ad alta precisione e accuratezza, che fu utilizzato per analizzare lo spettro delle emissioni solari Fig 4. Egli osservò per la prima volta che lo spettro dei sette colori del sole non è continuo, ma presenta un numero di linee scure (oltre 600 linee discrete), note come la famosa "linea di Frankenhofer".Chiamò la più distinta di queste linee A, B, C...H e contò circa 574 linee tra B e H che corrispondono all'assorbimento di diversi elementi sullo spettro solare Fig. 5. Allo stesso tempo, Fraunhofer era anche il prima di utilizzare un reticolo di diffrazione per ottenere spettri di righe e calcolare la lunghezza d'onda delle righe spettrali.
Fig. 4. Uno dei primi spettrometri, visto da un essere umano
Fig. 5 Linea Fraun Whaffe (linea scura nel nastro)
Fig. 6 Spettro solare, con la porzione concava corrispondente alla riga di Fraun Wolfel
A metà del 19° secolo, i fisici tedeschi Kirchhoff e Bunsen, lavorarono insieme all'Università di Heidelberg e con lo strumento di fiamma di nuova concezione di Bunsen (il becco Bunsen) ed eseguirono la prima analisi spettrale rilevando le linee spettrali specifiche di diverse sostanze chimiche (sali) cosparsi nella fiamma del becco Bunsen fig.7. Realizzarono l'esame qualitativo degli elementi osservando gli spettri e nel 1860 pubblicarono la scoperta degli spettri di otto elementi e determinarono l'esistenza di questi elementi in diversi composti naturali.Le loro scoperte hanno portato alla creazione di un importante ramo della chimica analitica della spettroscopia: l'analisi spettroscopica
Fig.7 Reazione alla fiamma
Negli anni '20 del XX secolo, il fisico indiano CV Raman usò uno spettrometro per scoprire l'effetto di diffusione anelastica della luce e delle molecole nelle soluzioni organiche.Ha osservato che la luce incidente si diffonde con energia maggiore e minore dopo aver interagito con la luce, che in seguito verrà chiamata diffusione Raman fig 8. Il cambiamento di energia luminosa caratterizza la microstruttura delle molecole, quindi la spettroscopia di diffusione Raman è ampiamente utilizzata nei materiali, nella medicina, nella chimica e altre industrie per identificare e analizzare il tipo molecolare e la struttura delle sostanze.
Fig. 8 L'energia cambia dopo che la luce interagisce con le molecole
Negli anni '30 del XX secolo, lo scienziato americano Dr. Beckman propose per primo di misurare separatamente l'assorbimento degli spettri ultravioletti a ciascuna lunghezza d'onda per mappare lo spettro di assorbimento completo, rivelando così il tipo e la concentrazione delle sostanze chimiche in soluzione.Questo percorso della luce di assorbimento della trasmissione è costituito dalla sorgente luminosa, dallo spettrometro e dal campione.La maggior parte dell'attuale composizione della soluzione e del rilevamento della concentrazione si basa su questo spettro di assorbimento della trasmissione.Qui, la sorgente luminosa viene divisa sul campione e il prisma o il reticolo vengono scansionati per ottenere diverse lunghezze d'onda Fig. 9.
Fig.9 Principio di rilevamento dell'assorbanza –
Negli anni '40 del XX secolo fu inventato il primo spettrometro a rilevamento diretto e, per la prima volta, tubi fotomoltiplicatori, PMT e dispositivi elettronici sostituirono la tradizionale osservazione dell'occhio umano o la pellicola fotografica, che poteva leggere direttamente l'intensità spettrale rispetto alla lunghezza d'onda. 10. Pertanto, lo spettrometro come strumento scientifico è stato notevolmente migliorato in termini di facilità d'uso, misurazione quantitativa e sensibilità nel corso del tempo.
Fig. 10 Tubo fotomoltiplicatore
Tra la metà e la fine del XX secolo, lo sviluppo della tecnologia spettrometrica era inseparabile dallo sviluppo di materiali e dispositivi semiconduttori optoelettronici.Nel 1969, Willard Boyle e George Smith dei Bell Labs inventarono il CCD (dispositivo ad accoppiamento di carica), che fu poi migliorato e sviluppato in applicazioni di imaging da Michael F. Tompsett negli anni '70.Willard Boyle (a sinistra), ha vinto George Smith, vincitore del Premio Nobel per l'invenzione del CCD (2009), mostrato in Fig. 11. Nel 1980, Nobukazu Teranishi della NEC in Giappone ha inventato un fotodiodo fisso, che ha notevolmente migliorato il rapporto di rumore dell'immagine e risoluzione.Successivamente, nel 1995, Eric Fossum della NASA ha inventato il sensore di immagine CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), che consuma 100 volte meno energia rispetto a sensori di immagine CCD simili e ha un costo di produzione molto inferiore.
Fig. 11 Willard Boyle (a sinistra), George Smith e il loro CCD (1974)
Alla fine del 20° secolo, il continuo miglioramento della tecnologia di elaborazione e produzione dei chip optoelettronici semiconduttori, in particolare con l'applicazione di array CCD e CMOS negli spettrometri, rende possibile ottenere una gamma completa di spettri con una singola esposizione.Nel corso del tempo, gli spettrometri hanno trovato ampio utilizzo in un'ampia gamma di applicazioni, tra cui, ma non solo, rilevamento/misurazione del colore, analisi della lunghezza d'onda laser e spettroscopia di fluorescenza, selezione dei LED, apparecchiature di rilevamento di immagini e illuminazione, spettroscopia di fluorescenza, spettroscopia Raman e altro ancora. .
Fig. 12 Vari chip CCD
Nel 21° secolo, la tecnologia di progettazione e produzione di vari tipi di spettrometri è gradualmente maturata e stabilizzata.Con la crescente domanda di spettrometri in tutti i ceti sociali, lo sviluppo degli spettrometri è diventato più rapido e specifico del settore.Oltre agli indicatori di parametri ottici convenzionali, diversi settori hanno requisiti personalizzati in termini di dimensioni del volume, funzioni software, interfacce di comunicazione, velocità di risposta, stabilità e persino costi degli spettrometri, rendendo lo sviluppo dello spettrometro più diversificato.
Orario di pubblicazione: 28 novembre 2023