สเปกโตรมิเตอร์เป็นเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่ใช้ในการวิเคราะห์สเปกตรัมของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า โดยสามารถแสดงสเปกตรัมของการแผ่รังสีเป็นสเปกโตรกราฟที่แสดงถึงการกระจายของความเข้มของแสงเทียบกับความยาวคลื่น (แกน y คือความเข้ม แกน x คือความยาวคลื่น /ความถี่ของแสง)แสงจะแตกต่างกัน โดยแยกออกเป็นความยาวคลื่นของส่วนประกอบภายในสเปกโตรมิเตอร์ด้วยตัวแยกลำแสง ซึ่งโดยปกติจะเป็นปริซึมหักเหหรือตะแกรงเลี้ยวเบน รูปที่ 1
รูปที่ 1 สเปกตรัมของหลอดไฟและแสงแดด (ซ้าย) หลักการแยกลำแสงของตะแกรงและปริซึม (ขวา)
สเปกโตรมิเตอร์มีบทบาทสำคัญในการวัดรังสีเชิงแสงที่หลากหลาย ไม่ว่าจะโดยการตรวจสอบสเปกตรัมการแผ่รังสีของแหล่งกำเนิดแสงโดยตรง หรือโดยการวิเคราะห์การสะท้อน การดูดกลืน การส่งผ่าน หรือการกระเจิงของแสงภายหลังอันตรกิริยากับวัสดุหลังจากการปฏิสัมพันธ์ของแสงและสสาร สเปกตรัมจะมีการเปลี่ยนแปลงในช่วงสเปกตรัมหรือความยาวคลื่นเฉพาะ และคุณสมบัติของสารสามารถวิเคราะห์ในเชิงคุณภาพหรือเชิงปริมาณตามการเปลี่ยนแปลงของสเปกตรัม เช่น การวิเคราะห์ทางชีววิทยาและเคมีของ องค์ประกอบและความเข้มข้นของเลือดและสารละลายที่ไม่ทราบ และการวิเคราะห์โมเลกุล โครงสร้างอะตอม และองค์ประกอบองค์ประกอบของวัสดุ รูปที่ 2
รูปที่ 2 สเปกตรัมการดูดกลืนแสงอินฟราเรดของน้ำมันประเภทต่างๆ
สเปกโตรมิเตอร์เดิมคิดค้นขึ้นสำหรับการศึกษาฟิสิกส์ ดาราศาสตร์ เคมี ปัจจุบันเป็นหนึ่งในเครื่องมือที่สำคัญที่สุดในหลายสาขา เช่น วิศวกรรมเคมี การวิเคราะห์วัสดุ วิทยาศาสตร์ดาราศาสตร์ การวินิจฉัยทางการแพทย์ และการตรวจจับทางชีวภาพในศตวรรษที่ 17 ไอแซก นิวตันสามารถแยกแสงออกเป็นแถบสีต่อเนื่องกันโดยส่งลำแสงสีขาวผ่านปริซึม และใช้คำว่า "สเปกตรัม" เป็นครั้งแรกเพื่ออธิบายผลลัพธ์นี้ รูปที่ 3
รูปที่ 3 ไอแซก นิวตันศึกษาสเปกตรัมแสงแดดด้วยปริซึม
ในตอนต้นของศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน Joseph von Fraunhofer (Franchofer) เมื่อรวมกับปริซึม ช่องแยกการเลี้ยวเบน และกล้องโทรทรรศน์ ได้สร้างสเปกโตรมิเตอร์ที่มีความแม่นยำและแม่นยำสูง ซึ่งใช้ในการวิเคราะห์สเปกตรัมของการปล่อยแสงอาทิตย์ รูปที่ 4 เขา สังเกตเป็นครั้งแรกว่าสเปกตรัมของดวงอาทิตย์เจ็ดสีของดวงอาทิตย์ไม่ต่อเนื่องกัน แต่มีเส้นสีเข้มจำนวนหนึ่ง (เส้นแยกมากกว่า 600 เส้น) อยู่บนนั้น ซึ่งรู้จักกันในชื่อ "เส้นแฟรงเกนโฮเฟอร์" อันโด่งดังเขาตั้งชื่อเส้นที่ชัดเจนที่สุดของเส้น A, B, C…H และเขาได้นับเส้นประมาณ 574 เส้นระหว่าง B และ H ซึ่งสอดคล้องกับการดูดกลืนองค์ประกอบต่างๆ บนสเปกตรัมแสงอาทิตย์ รูปที่ 5 ในเวลาเดียวกัน Fraunhofer ยังเป็น ขั้นแรกให้ใช้ตะแกรงเลี้ยวเบนเพื่อให้ได้สเปกตรัมเส้นและคำนวณความยาวคลื่นของเส้นสเปกตรัม
ภาพที่ 4 สเปกโตรมิเตอร์ในยุคแรกๆ ที่มองด้วยมนุษย์
รูปที่ 5 เส้น Fraun Whaffe (เส้นสีเข้มในริบบิ้น)
รูปที่ 6 สเปกตรัมพลังงานแสงอาทิตย์ โดยมีส่วนเว้าสอดคล้องกับแนวฟรอน วูลเฟล
ในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Kirchhoff และ Bunsen ทำงานร่วมกันที่มหาวิทยาลัยไฮเดลเบิร์ก และใช้เครื่องมือเปลวไฟที่ออกแบบใหม่ของ Bunsen (เครื่องเขียน Bunsen) และทำการวิเคราะห์สเปกตรัมครั้งแรกโดยการสังเกตเส้นสเปกตรัมเฉพาะของสารเคมีต่างๆ (เกลือ) โรยลงในเปลวไฟตะเกียงบุนเซน7. พวกเขาตระหนักถึงการตรวจสอบองค์ประกอบเชิงคุณภาพโดยการสังเกตสเปกตรัม และในปี พ.ศ. 2403 ได้ตีพิมพ์การค้นพบสเปกตรัมของธาตุทั้ง 8 และพิจารณาการมีอยู่ของธาตุเหล่านี้ในสารประกอบธรรมชาติหลายชนิดการค้นพบของพวกเขานำไปสู่การสร้างสาขาวิชาเคมีวิเคราะห์สเปกโทรสโกปีที่สำคัญ: การวิเคราะห์สเปกโทรสโกปี
รูปที่ 7 ปฏิกิริยาเปลวไฟ
ในช่วงทศวรรษที่ 20 ของศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์ชาวอินเดีย CV Raman ใช้สเปกโตรมิเตอร์เพื่อค้นหาผลการกระเจิงที่ไม่ยืดหยุ่นของแสงและโมเลกุลในสารละลายอินทรีย์เขาสังเกตเห็นว่าแสงตกกระทบกระเจิงด้วยพลังงานที่สูงขึ้นและต่ำลงหลังจากทำปฏิกิริยากับแสง ซึ่งต่อมาเรียกว่าการกระเจิงแบบรามัน รูปที่ 8 การเปลี่ยนแปลงของพลังงานแสงทำให้เกิดลักษณะเฉพาะของโครงสร้างจุลภาคของโมเลกุล ดังนั้น สเปกโทรสโกปีแบบกระเจิงแบบรามันจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในวัสดุ ยา เคมี และอุตสาหกรรมอื่นๆ เพื่อระบุและวิเคราะห์ประเภทและโครงสร้างของโมเลกุลของสาร
รูปที่ 8 พลังงานเปลี่ยนไปหลังจากที่แสงทำปฏิกิริยากับโมเลกุล
ในช่วงทศวรรษที่ 30 ของศตวรรษที่ 20 ดร. เบคแมน นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน เสนอให้วัดการดูดกลืนสเปกตรัมอัลตราไวโอเลตที่แต่ละความยาวคลื่นแยกกันเป็นครั้งแรก เพื่อสร้างแผนผังสเปกตรัมการดูดกลืนแสงที่สมบูรณ์ จึงสามารถเปิดเผยประเภทและความเข้มข้นของสารเคมีในสารละลายได้เส้นทางแสงดูดกลืนการส่งผ่านนี้ประกอบด้วยแหล่งกำเนิดแสง สเปกโตรมิเตอร์ และตัวอย่างองค์ประกอบของสารละลายและการตรวจจับความเข้มข้นส่วนใหญ่ในปัจจุบันจะขึ้นอยู่กับสเปกตรัมการดูดกลืนการส่งผ่านนี้ในที่นี้ แหล่งกำเนิดแสงจะถูกแยกไปยังตัวอย่าง และสแกนปริซึมหรือตะแกรงเพื่อให้ได้ความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน รูปที่ 9
รูปที่ 9 หลักการตรวจจับการดูดซับ –
ในช่วงทศวรรษที่ 40 ของศตวรรษที่ 20 มีการประดิษฐ์สเปกโตรมิเตอร์การตรวจจับโดยตรงเครื่องแรก และเป็นครั้งแรกที่หลอด PMT ของโฟโตมัลติพลายเออร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เข้ามาแทนที่การสังเกตด้วยตามนุษย์หรือฟิล์มภาพถ่ายแบบดั้งเดิม ซึ่งสามารถอ่านความเข้มของสเปกตรัมเทียบกับรูปที่ความยาวคลื่นได้โดยตรง 10. ดังนั้น สเปกโตรมิเตอร์ในฐานะเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญทั้งในแง่ของความง่ายในการใช้งาน การวัดเชิงปริมาณ และความไวในช่วงเวลาหนึ่ง
รูปที่ 10 หลอดโฟโตมัลติพลายเออร์
ในช่วงกลางถึงปลายศตวรรษที่ 20 การพัฒนาเทคโนโลยีสเปกโตรมิเตอร์ไม่สามารถแยกออกจากการพัฒนาวัสดุและอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ได้ในปี 1969 Willard Boyle และ George Smith แห่ง Bell Labs ได้คิดค้น CCD (Charge-Coupled Device) ซึ่งได้รับการปรับปรุงและพัฒนาเป็นแอปพลิเคชันเกี่ยวกับภาพโดย Michael F. Tompsett ในปี 1970Willard Boyle (ซ้าย) George Smith ชนะรางวัลโนเบลจากการประดิษฐ์ CCD (2009) ดังรูปที่ 11 ในปี 1980 Nobukazu Teranishi แห่ง NEC ในญี่ปุ่นได้คิดค้นโฟโตไดโอดคงที่ ซึ่งปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณรบกวนของภาพได้อย่างมาก และ ปณิธาน.ต่อมาในปี 1995 Eric Fossum จาก NASA ได้คิดค้นเซ็นเซอร์ภาพ CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) ซึ่งกินพลังงานน้อยกว่าเซ็นเซอร์ภาพ CCD ที่คล้ายกันถึง 100 เท่า และมีต้นทุนการผลิตที่ต่ำกว่ามาก
รูปที่ 11 Willard Boyle (ซ้าย), George Smith และ CCD ของพวกเขา (1974)
ในช่วงปลายศตวรรษที่ 20 การปรับปรุงอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีการผลิตและการประมวลผลชิปออปโตอิเล็กทรอนิกส์ของเซมิคอนดักเตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับการประยุกต์ใช้อาร์เรย์ CCD และ CMOS ในสเปกโตรมิเตอร์ รูปที่ 12 ทำให้เป็นไปได้ที่จะได้รับสเปกตรัมเต็มรูปแบบภายใต้การสัมผัสเพียงครั้งเดียวเมื่อเวลาผ่านไป สเปกโตรมิเตอร์พบว่ามีการใช้งานอย่างกว้างขวางในการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงแต่ไม่จำกัดเพียงการตรวจจับ/การวัดสี การวิเคราะห์ความยาวคลื่นเลเซอร์ และสเปกโทรสโกปีเรืองแสง อุปกรณ์คัดแยก LED อุปกรณ์ตรวจจับภาพและแสง สเปกโทรสโกปีเรืองแสง รามันสเปกโทรสโกปี และอื่นๆ อีกมากมาย .
รูปที่ 12 ชิป CCD ต่างๆ
ในศตวรรษที่ 21 เทคโนโลยีการออกแบบและการผลิตสเปกโตรมิเตอร์ประเภทต่างๆ ได้ค่อยๆ เติบโตเต็มที่และมีความเสถียรด้วยความต้องการสเปกโตรมิเตอร์ที่เพิ่มขึ้นในทุกสาขาอาชีพ การพัฒนาสเปกโตรมิเตอร์จึงมีความรวดเร็วมากขึ้นและมีความเฉพาะเจาะจงในอุตสาหกรรมมากขึ้นนอกเหนือจากตัวบ่งชี้พารามิเตอร์ทางแสงแบบเดิมแล้ว อุตสาหกรรมต่างๆ ยังได้ปรับแต่งข้อกำหนดเกี่ยวกับขนาดปริมาตร ฟังก์ชันซอฟต์แวร์ อินเทอร์เฟซการสื่อสาร ความเร็วการตอบสนอง ความเสถียร และแม้แต่ต้นทุนของสเปกโตรมิเตอร์ ทำให้การพัฒนาสเปกโตรมิเตอร์มีความหลากหลายมากขึ้น
เวลาโพสต์: 28 พ.ย.-2023