სპექტრომეტრი არის სამეცნიერო ინსტრუმენტი, რომელიც გამოიყენება ელექტრომაგნიტური გამოსხივების სპექტრის გასაანალიზებლად, მას შეუძლია აჩვენოს გამოსხივების სპექტრი, როგორც სპექტროგრაფი, რომელიც წარმოადგენს სინათლის ინტენსივობის განაწილებას ტალღის სიგრძესთან მიმართებაში (y-ღერძი არის ინტენსივობა, x-ღერძი არის ტალღის სიგრძე /შუქის სიხშირე).შუქი განსხვავდება მისი შემადგენელი ტალღის სიგრძეებად სპექტრომეტრის შიგნით სხივის გამყოფებით, რომლებიც, როგორც წესი, არის რეფრაქციული პრიზმები ან დიფრაქციული ბადეები ნახ. 1.
ნახ. 1 ნათურის და მზის შუქის სპექტრი (მარცხნივ), სხივის გაყოფის პრინციპი ბადეებისა და პრიზმის (მარჯვნივ)
სპექტრომეტრები მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ ოპტიკური გამოსხივების ფართო დიაპაზონის გაზომვაში, იქნება ეს სინათლის წყაროს ემისიის სპექტრის უშუალო შემოწმებით, თუ შუქის არეკვლის, შთანთქმის, გადაცემის ან გაფანტვის ანალიზით მასალებთან ურთიერთქმედების შემდეგ.სინათლისა და მატერიის ურთიერთქმედების შემდეგ სპექტრი განიცდის გარკვეულ სპექტრულ დიაპაზონში ან ტალღის სიგრძის ცვლილებას და ნივთიერების თვისებები შეიძლება ხარისხობრივად ან რაოდენობრივად გაანალიზდეს სპექტრის ცვლილების მიხედვით, როგორიცაა ბიოლოგიური და ქიმიური ანალიზი. სისხლისა და უცნობი ხსნარების შემადგენლობა და კონცენტრაცია, და მოლეკულის ანალიზი, ატომური სტრუქტურა და მასალების ელემენტარული შემადგენლობა ნახ. 2.
ნახ. 2 სხვადასხვა ტიპის ზეთების ინფრაწითელი შთანთქმის სპექტრები
თავდაპირველად გამოიგონეს ფიზიკის, ასტრონომიის, ქიმიის შესასწავლად, სპექტრომეტრი ახლა არის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ინსტრუმენტი მრავალ დარგში, როგორიცაა ქიმიური ინჟინერია, მასალების ანალიზი, ასტრონომიული მეცნიერება, სამედიცინო დიაგნოსტიკა და ბიო-სენსინგი.მე-17 საუკუნეში ისააკ ნიუტონმა შეძლო შუქის გაყოფა უწყვეტ ფერად ზოლებად თეთრი სინათლის სხივის პრიზმაში გავლის გზით და პირველად გამოიყენა სიტყვა „სპექტრი“ ამ შედეგების აღსაწერად ნახ. 3.
სურ. 3 ისააკ ნიუტონი სწავლობს მზის სინათლის სპექტრს პრიზმით.
მე-19 საუკუნის დასაწყისში გერმანელმა მეცნიერმა ჯოზეფ ფონ ფრაუნჰოფერმა (ფრანკოფერი), პრიზმებთან, დიფრაქციულ ჭრილებთან და ტელესკოპებთან ერთად, შექმნა სპექტრომეტრი მაღალი სიზუსტით და სიზუსტით, რომელიც გამოიყენებოდა მზის ემისიების სპექტრის გასაანალიზებლად ნახ 4. მან. პირველად დაფიქსირდა, რომ მზის შვიდფერის სპექტრი არ არის უწყვეტი, მაგრამ აქვს რამდენიმე მუქი ხაზი (600-ზე მეტი დისკრეტული ხაზი), რომელიც ცნობილია როგორც ცნობილი "ფრანკენჰოფერის ხაზი".მან დაასახელა ამ ხაზებიდან ყველაზე გამორჩეული A, B, C…H და დაითვალა დაახლოებით 574 ხაზი B და H შორის, რაც შეესაბამება მზის სპექტრის სხვადასხვა ელემენტების შთანთქმას ნახ. 5. ამავე დროს, ფრაუნჰოფერი ასევე იყო ჯერ გამოიყენოს დიფრაქციული ბადე ხაზის სპექტრების მისაღებად და სპექტრული ხაზების ტალღის სიგრძის გამოსათვლელად.
სურ. 4. ადრეული სპექტრომეტრი, დათვალიერებული ადამიანთან ერთად
სურ. 5 Fraun Whaffe-ის ხაზი (მუქი ხაზი ლენტში)
სურ. 6 მზის სპექტრი, ჩაზნექილი ნაწილით, რომელიც შეესაბამება ფრაუნ ვოლფელის ხაზს
მე-19 საუკუნის შუა წლებში გერმანელი ფიზიკოსები კირხჰოფი და ბუნსენი ერთად მუშაობდნენ ჰაიდელბერგის უნივერსიტეტში და ბუნსენის ახლად შემუშავებულ ცეცხლოვან ხელსაწყოთთან (Bunsen burner) და ჩაატარეს პირველი სპექტრული ანალიზი სხვადასხვა ქიმიკატების სპეციფიკური სპექტრალური ხაზების აღნიშვნით. (მარილები) დაასხით ბუნსენის ცეცხლზე, ლეღვი.7. მათ გააცნობიერეს ელემენტების თვისებრივი გამოკვლევა სპექტრებზე დაკვირვებით და 1860 წელს გამოაქვეყნეს რვა ელემენტის სპექტრის აღმოჩენა და დაადგინეს ამ ელემენტების არსებობა რამდენიმე ბუნებრივ ნაერთში.მათმა აღმოჩენებმა გამოიწვია სპექტროსკოპიის ანალიტიკური ქიმიის მნიშვნელოვანი ფილიალის შექმნა: სპექტროსკოპიული ანალიზი.
ნახ.7 ცეცხლის რეაქცია
მე-20 საუკუნის 20-იან წლებში ინდოელმა ფიზიკოსმა CV რამანმა გამოიყენა სპექტრომეტრი ორგანულ ხსნარებში სინათლისა და მოლეკულების არაელასტიური გაფანტვის ეფექტის აღმოსაჩენად.მან დააკვირდა, რომ შუქთან ურთიერთქმედების შემდეგ ინციდენტური სინათლე უფრო და უფრო დაბალი ენერგიით იფანტება, რასაც მოგვიანებით რამანის გაფანტვა ეწოდა ნახ 8. სინათლის ენერგიის ცვლილება ახასიათებს მოლეკულების მიკროსტრუქტურას, ამიტომ რამანის გაფანტვის სპექტროსკოპია ფართოდ გამოიყენება მასალებში, მედიცინაში, ქიმიაში. და სხვა ინდუსტრიები ნივთიერებების მოლეკულური ტიპისა და სტრუქტურის იდენტიფიცირება და ანალიზი.
სურ. 8 ენერგია იცვლება მოლეკულებთან სინათლის ურთიერთქმედების შემდეგ
XX საუკუნის 30-იან წლებში ამერიკელმა მეცნიერმა დოქტორ ბეკმანმა პირველად შესთავაზა ულტრაიისფერი სპექტრის შთანთქმის გაზომვა თითოეულ ტალღის სიგრძეზე ცალ-ცალკე, რათა გამოესახა შთანთქმის სრული სპექტრი, რითაც გამოავლინა ხსნარში ქიმიკატების ტიპი და კონცენტრაცია.გადაცემის შთანთქმის სინათლის მარშრუტი შედგება სინათლის წყაროსგან, სპექტრომეტრისა და ნიმუშისგან.მიმდინარე ხსნარის შემადგენლობისა და კონცენტრაციის გამოვლენის უმეტესი ნაწილი ეფუძნება ამ გადაცემის შთანთქმის სპექტრს.აქ სინათლის წყარო იყოფა ნიმუშზე და პრიზმა ან ბადე სკანირებულია სხვადასხვა ტალღის სიგრძის მისაღებად, ნახ. 9.
ნახ.9 შთანთქმის გამოვლენის პრინციპი –
XX საუკუნის 40-იან წლებში გამოიგონეს პირველი პირდაპირი გამოვლენის სპექტრომეტრი და პირველად ფოტოგამრავლების მილები PMT-ებმა და ელექტრონულმა მოწყობილობებმა შეცვალეს ტრადიციული ადამიანის თვალის დაკვირვება ან ფოტოგრაფიული ფილმი, რომელსაც შეეძლო პირდაპირ ამოეკითხა სპექტრის ინტენსივობა ტალღის სიგრძის მიმართ. 10. ამრიგად, სპექტრომეტრი, როგორც სამეცნიერო ინსტრუმენტი, მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდა გამოყენების სიმარტივის, რაოდენობრივი გაზომვისა და მგრძნობელობის თვალსაზრისით დროის განმავლობაში.
ნახ. 10 ფოტომულტიპლიკატორის მილი
მე-20 საუკუნის შუა ხანებში, სპექტრომეტრის ტექნოლოგიის განვითარება განუყოფელი იყო ოპტოელექტრონული ნახევარგამტარული მასალებისა და მოწყობილობების განვითარებისგან.1969 წელს უილარდ ბოილმა და ჯორჯ სმიტმა Bell Labs-დან გამოიგონეს CCD (დამუხტვის დაწყვილებული მოწყობილობა), რომელიც შემდეგ გაუმჯობესდა და გადაიზარდა ვიზუალიზაციის აპლიკაციებად მაიკლ ფ. ტომპსეტის მიერ 1970-იან წლებში.უილარდ ბოილმა (მარცხნივ), ჯორჯ სმიტმა მოიგო ნობელის პრემია CCD-ის გამოგონებისთვის (2009), ნაჩვენები სურ. 11. 1980 წელს ნობუკაზუ ტერანიშმა NEC-დან იაპონიაში გამოიგონა ფიქსირებული ფოტოდიოდი, რომელმაც მნიშვნელოვნად გააუმჯობესა გამოსახულების ხმაურის თანაფარდობა და რეზოლუცია.მოგვიანებით, 1995 წელს, NASA-ს ერიკ ფოსუმმა გამოიგონა CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) გამოსახულების სენსორი, რომელიც მოიხმარს 100-ჯერ ნაკლებ ენერგიას, ვიდრე მსგავსი CCD გამოსახულების სენსორები და აქვს წარმოების გაცილებით დაბალი ღირებულება.
სურ. 11 უილარდ ბოილი (მარცხნივ), ჯორჯ სმიტი და მათი CCD (1974)
მე-20 საუკუნის ბოლოს, ნახევარგამტარული ოპტოელექტრონული ჩიპების დამუშავებისა და წარმოების ტექნოლოგიის მუდმივი გაუმჯობესება, განსაკუთრებით სპექტრომეტრებში CCD და CMOS-ის გამოყენებით, სურ. 12, შესაძლებელი ხდება სპექტრების სრული დიაპაზონის მიღება ერთი ექსპოზიციის ქვეშ.დროთა განმავლობაში, სპექტრომეტრებმა იპოვეს ფართო გამოყენება აპლიკაციების ფართო სპექტრში, მათ შორის, მაგრამ არ შემოიფარგლება მხოლოდ ფერების გამოვლენით/გაზომვით, ლაზერული ტალღის სიგრძის ანალიზით და ფლუორესცენტური სპექტროსკოპიით, LED დახარისხებით, გამოსახულების და განათების სენსორული მოწყობილობებით, ფლუორესცენციული სპექტროსკოპიით, რამანის სპექტროსკოპიით და სხვა. .
ნახ. 12 სხვადასხვა CCD ჩიპი
21-ე საუკუნეში თანდათან მომწიფდა და დასტაბილურდა სხვადასხვა ტიპის სპექტრომეტრების დიზაინისა და წარმოების ტექნოლოგია.სპექტრომეტრებზე მზარდი მოთხოვნილების გამო ცხოვრების ყველა სფეროში, სპექტრომეტრების განვითარება უფრო სწრაფი და ინდუსტრიისთვის სპეციფიკური გახდა.ჩვეულებრივი ოპტიკური პარამეტრის ინდიკატორების გარდა, სხვადასხვა ინდუსტრიას აქვს მოცულობის ზომის, პროგრამული ფუნქციების, საკომუნიკაციო ინტერფეისების, რეაგირების სიჩქარის, სტაბილურობის და სპექტრომეტრების ხარჯების მოთხოვნილება, რაც სპექტრომეტრის განვითარებას უფრო დივერსიფიცირებულს ხდის.
გამოქვეყნების დრო: ნოე-28-2023