Desi exista mai multe design-uri, la baza, un spectrometru optic este o componente care separa lumina in functie de lungimea de unda. Adesea, aceasta componenta este o retea de difractie. Acestea pot fi utilizate impreuna cu diferite prisme pentru a realiza aceasta separare a luminii, numita dispersie. Daca o camera este pozitionata dupa elementul de dispersie, geometria poate fi utilizata pentur a determina unde vor cadea pe camera diferitele lungimi de unda.
Care sunt componentele unui spectrometru optic?
Sursa de lumina
Tipul sursei de lumina ce intra in spectrograf depinde foarte mult de nevoile experimentale (laseri, lampi de calibrare, lampi cu deuteriu, emisia luminoasa a probelor, etc).
Oglinzi de switch
Sunt folosite pentru a trece de la input-uri si output-uri directe sau laterale cand schimbul rapid intre diferite aranjamente experimentale este necesar. (Alegerea materialului pentru oglinda/acoperire poate afecta eficienta unui spectrometru).
Oglinzi sferice/toroidale
Sunt folosite pentru a colima lumina printr-un slit sau un pinhole si pentru a o directiona catre un element de difractie, dar si pentru a focaliza lumina dispersata de elementul de difractie catre locatiile ce depinde de lungimea de unda de pe detector.
Elementul de difractie
Folosit pentru a dispersa lumina la diferite unghiuri in functie de lungimea de unda.
Detector / Camera
Odata ce lumina a fost separata dupa lungimea de unda in spectrometru, este, in general, de dorit ca aceasta sa fie masurata cu un detector sau o camera. Alegerea camerei/detectorului depinde foarte mult de necesitatile experimentale si este de cele mai multe ori decisa dupa o discutie cu un expert. Factorii care pot influenta aceasta decizie sunt: sensitivitatea la lumina, timpul de gating, viteza de achizitie, gama spectrala, dimensiunile dectorului sau bugetul.
Spectrometre Czerny-Turner
Spectrometrul Czerny-Turner este unul dintre cele mai robuste design-uri de spectrometru. O oglinda toroidala este folosita pentru a colecta lumina de la sursa si a colima emisia si a o refleca pe o retea de difractie plana. Aceasta retea, montata pe o axa de rotatie, disperseaza lumina de la sura si o reflecta pe o a doua oglinda curbata, care focalizeaza fasciculul de lumina pe o pozitie diferita pe detector pentru fiecare lungime de unda. Rotind reteaua de difractie, diferite plaje de lungimi de unda pot fi trimise catre detector. Schimband intre retele de difractie sau distante focale ale spectrometrelor, lumina poate fi dispersata mai mult sau mai putin, rezultand diferite rezolutii spectrale.
Cum functioneaza un spectrometru optic?
Procesul de spectroscopie
Un spectrometru optic de transmisie este folosit pentru a masura absorbtia (sau reflectanta/transmitanta/emisia) unei probe din ultraviolet pana in regiunea vizibila a spectrului electromagnetic. Spectrometrul contine o sursa de lummina, un element de dispersie, o incinta experimentala si un detector. Lumina cu banda larga produsa de sursa este transformata in lumina monocromatica de elementul de dispersie dupa ce trece prin proba. Intensitatea este masurata de catre detector. Prin scanarea elementului dispersiv, lungimile de unda sunt separate si masurate. Un spectru de transmisie este creat comparand intensitatea luminoasa dupa ce a trecut prin proba, fata de intensitatea de dinainte interactiunii cu proba. Recent au fost introduse LED-urile ca sursa de lumina. Elementele de dispersie pot fi prisme, sau retele de difractie intr-un monocromator. Monocromatoarele in scanare folosesc detectori de tip fotodioda si tuburi fotomultiplicatoare, in timp ce monocromatoarele fixe utilizeaza CCD-uri sau matrici de fotodiode. CCD-urile si matricile de fotodiode masoara simultan mai multe lungimi de unda, astfel obtinand rezultate mai repede.
La ce se folosesc spectrometrele optice?
Spectrometrele optice sunt folosite pentru o gama de tehnici spectroscopice din UV, pana in NIR si SWIR, cu durate de timp variabile. Mai jos introducem o serie de tehnici diferite:
- Spectroscopia Raman
- Spectroscopia de luminiscenta / fotoluminiscenta
- Spectroscopia de absorbtie / transmisie
- Spectroscopie LIBS/OES
- Spectroscopie pentru stiinta materialelor
- Spectroscopie pentru studii chimice si de cataliza
- Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) Technique
- Multidimensional, Ultrafast Spectroscopy Technique
- Steady State Fluorescence Spectroscopy Technique
- Combustion/Fluid Dynamics Spectroscopy
Spectroscopia Raman este o tehnică nedistructivă și (de obicei) nerezonantă din punct de vedere electric prin care sunt măsurate modurile de vibrație ale unei probe. Spectrul rezultat este incredibil de specific compoziției chimice, mediului molecular și temperaturii probei. Unele aplicații ale spectroscopiei Raman includ identificarea pozitivă a materialelor a substanțelor chimice utilizate în QC farmaceutic, criminalistică și detectarea de la distanță a explozivilor și narcoticelor, ca o sondă sensibilă a dinamicii moleculare în sistemele în fază condensată și gazoasă, monitorizarea defectelor și a tensiunii în materiale cu dimensiuni joase și medicale. diagnostice. Subclasele de spectroscopie Raman includ Raman de rezonanță Raman îmbunătățit la suprafață (SERS), Raman îmbunătățit cu vârf, Raman polarizat și hiper Raman.
Spectroscopia de luminiscenta/fotoluminiscenta
Luminiscența include chemiluminiscența, bioluminiscența și electroluminiscența. Fotoluminiscență emisie spontană de lumină de către o substanță ca urmare a absorbției fotonilor. Este împărțit în subclase; fluorescența, care implică relaxarea electronică singlet-singlet care are loc în nanosecunde și fosforescența cu viață mai lungă, rezultată din relaxarea electronică triplet-triplet, care poate dura de la microsecunde la ore. Fosforescența este utilizată pe scară largă în caracterizarea proprietăților optoelectronice ale semiconductorilor, puritatea materialului și calitatea cristalină, durata de viață a purtătorului și efectele deformarii. Fosforescența este, de asemenea, utilizată pentru a investiga dinamica purtătorului în materialele cu dimensiuni joase, cum ar fi efectele de confinare cuantică în nanocristale.
Spectroscopia de absorbtie/transmisie
Spectroscopia de absorbție/transmisie se referă la absorbția dependentă de lungimea de undă (sau frecvența) a radiației de către o probă. Spectroscopia de absorbție/transmisie poate fi efectuată pe întregul spectru electromagnetic, de la raze X de înaltă energie care conduc excitațiile electronilor învelișului interior la radiațiile unde radio de energie joasă, unde spinurile electronice și nucleare pot fi excitate. Spectroscopia de absorbție/transmisie este atât specifică, cât și cantitativă și este deosebit de utilă în analiza chimică și cuantificarea numărului de specii dintr-o probă. Este, de asemenea, utilizat în aplicații de teledetecție, cum ar fi astronomia, unde compoziția chimică a norilor moleculari interstelari. Sau ca o sondă sensibilă a structurii electronice a atomilor și moleculelor și poate fi utilizată pentru a determina mase moleculare și geometrii atomice.
Spectroscopia cu generarea frecventei in suma / generarea armonicii a doua
Generarea frecvenței în sumă (SFG) este un proces neliniar în care doi fotoni cu frecvențe unghiulare ω1 și ω2 interacționează într-un mediu și produc un foton cu unghiul ω3. Datorită faptului că intensitatea semnalului depinde de produsul câmpurilor de intrare, sunt utilizate în mod obișnuit lasere cu câmpuri electrice de vârf de intensitate mare. Generația a doua armonică (SHG) este un caz specific de SFG unde ω1 = ω2 și este cel mai comun tip de SFG. Deoarece SFG se poate întâmpla numai acolo unde materia este asimetrică, este util în special pentru caracterizarea proprietăților suprafețelor și interfețelor. SFG este, de asemenea, utilizat pentru a măsura dinamica electronică și vibrațională la suprafețe. SHG este o tehnică comună pentru a face lasere noi. Este, de asemenea, utilizat în caracterizarea impulsurilor laser ultrascurte (sub 1 ps). Aplicațiile de cercetare care utilizează SHG includ detectarea speciilor nesimetrice în microscopia optică de înaltă rezoluție și caracterizarea materialelor cristaline.
Spectroscopia de emisie optica / LIBS
Spectroscopia de emisie optică (OES) este o tehnică prin care o probă este încălzită la o temperatură ridicată, unde electronii din probă sunt excitați la o stare de energie ridicată. Pe măsură ce proba se răcește, electronii se relaxează și emit radiații în regiunea vizibilă a spectrului (OES). Radiația emisă are o frecvență care este caracteristică identității atomice a probei și poate fi utilizată pentru a determina compoziția elementară a unui material. Există mai multe moduri de a încălzi proba; plasme cuplate inductiv (ICP), ionizare cu flacără, arcuri și scântei. Spectroscopia de degradare indusă de laser este o subclasă specifică de spectroscopie de emisie în care un laser de intensitate mare este focalizat pe o probă pentru a forma o plasmă care atomizează și excită probele. Electronii se relaxează din stările lor excitate și emit radiații de ordinul a câteva microsecunde după excitare. Spectrul rezultat poate fi analizat pentru a determina conținutul elementar al probei. LIBS a găsit aplicații în caracterizarea aliajelor metalice, detectarea materialelor periculoase, detectarea substanțelor chimice de distanță, detectarea reziduurilor explozive și detectarea plumbului în vopsea și sol.
Spectroscopie pentru stiinta materialelor
Manipularea și/sau caracterizarea solidelor la scară nano, micro sau macro pentru a dezvolta noi materiale utile pentru celule solare/fotovoltaice, stocare de energie, LED-uri, catalizatori noi, detectoare chimice, dispozitive biomedicale și multe alte aplicații. Mulți cercetători din acest domeniu caracterizează proprietățile chimice, structurale, electronice și/sau optice ale unei game largi de materiale până la scară nanometrică, cu acuratețe și repetabilitate ridicate, adesea cu tehnici de sondare, inclusiv Raman, Fotoluminiscență / Fluorescență / Catodoluminiscență, Absorbție, Emisie optică Spectroscopie și LIBS, a doua generație armonică sau împrăștiere în câmp întunecat. Cercetătorii din acest domeniu măsoară adesea modificările structurale, proprietățile fotonice, prezența defectelor, comportamentul la efort/stres, comportamentul electronic și multe alte proprietăți fizice ale materialelor. Câteva exemple de materiale de interes recent includ: nanocristale de dimensiuni joase, dicalcogenură de metal de tranziție (TMD), semiconductori organici (de exemplu, OLED) și metamateriale plasmonice.
Spectroscopia pentru chimie si cataliza
Există multe aplicații de cercetare de nișă în domeniul chimiei și catalizei cu o mare varietate de tehnici spectroscopice specializate care necesită adesea instrumente spectroscopice de vârf specializate pentru a colecta în mod eficient date spectrale suficiente. Mai jos sunt câteva exemple de tehnici utilizate pentru aplicații de chimie și cataliză.
Spectroscopia în infraroșu (IR) poate fi utilizată pentru a monitoriza progresul reacțiilor chimice, deoarece spectrul IR al unei molecule este foarte dependent de conținutul atomic și cât de structura moleculară. În plus, spectroscopia IR poate fi utilizată pentru a monitoriza substituția izotopică în molecule, deoarece constanta forței (și, prin urmare, frecvența vibrațională) este o funcție a masei reduse a sistemului.
Dinamica și mecanismele reacțiilor chimice pot fi măsurate prin spectroscopie UV/VIS (electronică) și sunt aplicate pentru a înțelege mecanismele de activare a CO2 și de scindare a apei.
Spectroscopia Raman poate fi utilizată pentru a aborda modurile intermoleculare ale probelor, cum ar fi fluide și lichide. Aceste moduri, centrate în regiunea de frecvență joasă (0-200 cm-1) a spectrului rezultat din mișcarea colectivă a unei probe, sunt deosebit de sensibile la forțele intermoleculare dintre molecule și se crede că joacă un rol esențial în faza chimică condensată. cinetica si dinamica reactiei.
Tehnica Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS)
Spectroscopia Raman îmbunătățită la suprafață se bazează pe capacitatea nanoparticulelor metalice (sau a suprafețelor metalice rugoase) de a produce îmbunătățiri localizate ale câmpului electric atunci când sunt conduse de o sursă de lumină externă. Au fost observate îmbunătățiri de ordinul 1010-1011, crescând sensibilitatea acestei tehnici la detectarea unei singure molecule. SERS poate detecta biomolecule de concentrație scăzută în fluidele corporale și este explorată ca platformă de generație următoare pentru diagnosticarea medicală și detectarea precoce a bolilor.
A doua generație armonică (SHG) este o tehnică spectroscopică care, datorită constrângerilor de simetrie, poate fi sensibilă în mod unic la măsurarea analiților la suprafețe. SHG este utilizat pentru a investiga suprafețele biostraturilor lipozomilor și ale straturilor duble susținute pe substraturi solide, permițând studiul interacțiunilor moleculare ale biomoleculelor la suprafețele membranei și cinetica transportului molecular prin straturile duble ale lipozomilor.
Multidimensional, Ultrafast Spectroscopy Technique
Ultrarapid în spectroscopie ultrarapidă se referă la durata impulsului luminii utilizate pentru a ilumina proba și a iniția sau detecta reacția; în timp ce detectorul folosit pentru a achiziționa spectrele de absorbție funcționează pe o frecvență de 1 – 100 kHz.
O aplicație tipică a acestei cercetări implică studierea comportamentului moleculelor din cremele de protecție solară pentru a înțelege schimbările de izomerizare sau defalcare la expunerea la lumină. Alternativ, reacțiile fotochimice pot fi utilizate pentru a înțelege mai bine cuplarea energiei în sistemele fotosintetice naturale. Aceste sisteme naturale au eficiențe cuantice incredibil de ridicate, iar o înțelegere detaliată a originilor lor contribuie la proiectarea unor dispozitive fotosintetice robuste, artificiale.
Spectroscopia multidimensională, ultrarapidă poate fi, de asemenea, utilizată pentru a înțelege dinamica transferului de energie, de exemplu în experimente 2D în infraroșu care studiază modul în care stările vibraționale interacționează și modul în care energia este stinsă.
Steady State Fluorescence Spectroscopy Technique
Spectroscopia de fluorescență în stare de echilibru poate fi utilizată pentru a studia modificările conformației locale ale interacțiunilor ARN-proteină, deoarece intensitatea și forma spectrului de fluorescență depind foarte mult de mediul local și poate fi o sondă extrem de sensibilă a acestor interacțiuni.
Combustion/Fluid Dynamics Spectroscopy
Studiul modului în care gazele și lichidele care curg se comportă în medii (uneori) reactive. În aceste domenii, este adesea important să înțelegem fluxul de energie moleculară și compoziție pentru a proiecta motoare mai eficiente, modele exterioare ale vehiculelor, turbine, reactoare și multe alte dispozitive de inginerie care trebuie să ia în considerare funcționarea cu/în medii fluide. Adesea, măsurători precum Molecular Tagging Velocimetry (MTV) sau Particle Imaging Velocimetry (PIV) sunt utilizate pentru a caracteriza fluctuațiile turbulente ale vitezelor într-un câmp de curgere a fluidului. Aceste tehnici sunt adesea utilizate împreună cu alte tehnici, cum ar fi fluorescența indusă cu laser (plană) ((P)LIF) pentru a măsura temperaturile fluidului și a monitoriza reacțiile chimice în flux. Alte tehnici, cum ar fi Spectroscopia Raman Coerent Anti-Stokes (CARS) și Chemiluminiscența sunt, de asemenea, tehnici de diagnostic optice utile pentru fluxurile de fluide.
De ce sunt spectrometrele optice asa scumpe?
Spectrometrele optice nu sunt în mod inerent costisitoare – un spectroscop simplu poate fi realizat cu un disc compact ca element dispersiv, ținut cu un cadru de carton. Cu toate acestea, construirea unui spectrometru de înaltă precizie necesită implementarea celor mai bune părți optice și mecanice. Oglinzile trebuie modelate fără erori pentru a aduce lumina la o focalizare optimă și lustruite până la o netezime fină pentru a evita împrăștierea semnalelor luminoase și semnalele slabe copleșitoare. Rețelele de difracție trebuie guvernate cu precizie cu sute până la mii de linii pe milimetru, fiecare linie la distanță egală și uniformă. Motoarele trebuie să se miște precis și repetat sub controlul computerului. Toate acestea trebuie să fie montate și aliniate în siguranță într-un șasiu adecvat, adesea cu piese motorizate suplimentare – oglinzi rotative, fante reglabile, roți de filtrare etc., pentru a maximiza capacitatea de utilizare a sistemului.
Nicio componentă nu va domina costurile de producție, dar un spectrometru optic de înaltă precizie complet este ca alte echipamente de capital de metrologie – necesită abilități, cunoștințe și piese de precizie pentru a construi bine.
În plus, un spectrometru optic are potențialul pentru o gamă largă de măsurători analitice. În comparație cu alte tehnici de măsurare care oferă capacități similare de caracterizare a materialelor, spectrometrul optic se poate compara favorabil.
Spectrometrele optice Andor UV, NIR si SWIR
Andor Kymera 193i, Kymera 328i, Shamrock 163, Shamrock 500i, Shamrock 750 sunt spectrometre potrivite pentru măsurarea UV, NIR și SWIR atunci când sunt utilizate cu rețelele și detectoarele de difracție adecvate.
Spectromere, camere si detectori Andor
Diagnosticarea bazată pe spectroscopie în domeniile științei materialelor, chimiei, științei vieții sau fizicii și opticii fundamentale se bazează pe captarea și analiza semnăturilor optice și chimice cu un grad ridicat de precizie.
Gama de camere și detectoare de spectroscopie Andor oferă o gamă largă de sensibilitate, rezoluție temporală și formate de senzori pentru a se potrivi cel mai bine condițiilor experimentale specifice de la UV la SWIR, rezoluție în timp de la nanosecunde până la ore, flux de fotoni ridicat la un singur foton cu o gamă super dinamică și rezoluție.
Produse relevante:
Spectrometrul Kymera 328i
