Un espectrómetro es un instrumento científico que se utiliza para analizar el espectro de radiaciones electromagnéticas. Puede mostrar un espectro de radiaciones como un espectrógrafo que representa la distribución de la intensidad de la luz con respecto a la longitud de onda (el eje y es la intensidad, el eje x es la longitud de onda /frecuencia de la luz).La luz se separa en las longitudes de onda de sus componentes dentro del espectrómetro mediante divisores de haz, que normalmente son prismas refractivos o rejillas de difracción Fig. 1.
Fig. 1 Espectro de bombilla y luz solar (izquierda), principio de división del haz de rejilla y prisma (derecha)
Los espectrómetros desempeñan un papel importante en la medición de una amplia gama de radiación óptica, ya sea examinando directamente el espectro de emisión de una fuente de luz o analizando la reflexión, absorción, transmisión o dispersión de la luz después de su interacción con un material.Después de la interacción de la luz y la materia, el espectro experimenta el cambio en un cierto rango espectral o una longitud de onda específica, y las propiedades de la sustancia se pueden analizar cualitativa o cuantitativamente de acuerdo con el cambio en el espectro, como el análisis biológico y químico de la composición y concentración de sangre y soluciones desconocidas, y el análisis de la molécula, estructura atómica y composición elemental de materiales Fig. 2.
Fig. 2 Espectros de absorción infrarroja de diferentes tipos de aceites.
Inventado originalmente para el estudio de la física, la astronomía y la química, el espectrómetro es ahora uno de los instrumentos más importantes en muchos campos como la ingeniería química, el análisis de materiales, la ciencia astronómica, el diagnóstico médico y la biodetección.En el siglo XVII, Isaac Newton pudo dividir la luz en bandas continuas de colores al pasar un haz de luz blanca a través de un prisma y usó la palabra "Espectro" por primera vez para describir estos resultados. Fig. 3.
Fig. 3 Isaac Newton estudia el espectro de la luz solar con un prisma.
A principios del siglo XIX, el científico alemán Joseph von Fraunhofer (Franchofer), combinado con prismas, rendijas de difracción y telescopios, construyó un espectrómetro de alta precisión y exactitud, que sirvió para analizar el espectro de las emisiones solares Fig. 4. observó por primera vez que el espectro de los siete colores del Sol no es continuo, sino que tiene una serie de líneas oscuras (más de 600 líneas discretas), lo que se conoce como la famosa "línea de Frankenhofer".Llamó a las más distintas de estas líneas A, B, C...H y contó unas 574 líneas entre B y H, lo que corresponde a la absorción de diferentes elementos en el espectro solar Fig. 5. Al mismo tiempo, Fraunhofer también fue el Primero en utilizar una rejilla de difracción para obtener espectros de líneas y calcular la longitud de onda de las líneas espectrales.
Fig. 4. Uno de los primeros espectrómetros, visto con el ser humano.
Fig. 5 Línea Fraun Whaffe (línea oscura en la cinta)
Fig. 6 Espectro solar, con la porción cóncava correspondiente a la línea de Fraun Wolfel
A mediados del siglo XIX, los físicos alemanes Kirchhoff y Bunsen trabajaron juntos en la Universidad de Heidelberg y con la herramienta de llama recientemente diseñada por Bunsen (el mechero Bunsen) y realizaron el primer análisis espectral observando las líneas espectrales específicas de diferentes sustancias químicas. (sales) espolvoreadas sobre la llama del mechero Bunsen fig.7. Realizaron el examen cualitativo de los elementos mediante la observación de los espectros, y en 1860 publicaron el descubrimiento de los espectros de ocho elementos y determinaron la existencia de estos elementos en varios compuestos naturales.Sus hallazgos llevaron a la creación de una rama importante de la química analítica de espectroscopia: el análisis espectroscópico.
Fig.7 Reacción de la llama
En los años 20 del siglo XX, el físico indio CV Raman utilizó un espectrómetro para descubrir el efecto de dispersión inelástica de la luz y las moléculas en soluciones orgánicas.Observó que la luz incidente se dispersaba con mayor y menor energía después de interactuar con la luz, lo que más tarde se denomina dispersión Raman fig. 8. El cambio de energía luminosa caracteriza la microestructura de las moléculas, por lo que la espectroscopia de dispersión Raman se usa ampliamente en materiales, medicina y química. y otras industrias para identificar y analizar el tipo molecular y la estructura de sustancias.
Fig. 8 La energía cambia después de que la luz interactúa con las moléculas.
En los años 30 del siglo XX, el científico estadounidense Dr. Beckman propuso por primera vez medir la absorción de los espectros ultravioleta en cada longitud de onda por separado para trazar el espectro de absorción completo, revelando así el tipo y la concentración de sustancias químicas en solución.Esta ruta de luz de absorción de transmisión consta de la fuente de luz, el espectrómetro y la muestra.La mayor parte de la detección actual de composición y concentración de soluciones se basa en este espectro de absorción de transmisión.Aquí, la fuente de luz se divide en la muestra y se escanea el prisma o la rejilla para obtener diferentes longitudes de onda, Fig. 9.
Fig.9 Principio de detección de absorbancia –
En los años 40 del siglo XX se inventó el primer espectrómetro de detección directa y, por primera vez, los tubos fotomultiplicadores (PMT) y los dispositivos electrónicos sustituyeron a la observación tradicional del ojo humano o a la película fotográfica, que podía leer directamente la intensidad espectral en función de la longitud de onda. 10. Así, el espectrómetro como instrumento científico ha mejorado significativamente en términos de facilidad de uso, medición cuantitativa y sensibilidad a lo largo del tiempo.
Fig. 10 Tubo fotomultiplicador
A mediados y finales del siglo XX, el desarrollo de la tecnología de los espectrómetros era inseparable del desarrollo de materiales y dispositivos semiconductores optoelectrónicos.En 1969, Willard Boyle y George Smith de Bell Labs inventaron el CCD (dispositivo de carga acoplada), que luego fue mejorado y desarrollado en aplicaciones de imágenes por Michael F. Tompsett en la década de 1970.Willard Boyle (izquierda), George Smith, quien ganó el Premio Nobel por su invención del CCD (2009), como se muestra en la Fig. 11. En 1980, Nobukazu Teranishi de NEC en Japón inventó un fotodiodo fijo, que mejoró enormemente la relación de ruido de la imagen y resolución.Más tarde, en 1995, Eric Fossum de la NASA inventó el sensor de imagen CMOS (Semiconductor complementario de óxido de metal), que consume 100 veces menos energía que sensores de imagen CCD similares y tiene un coste de producción mucho menor.
Fig. 11 Willard Boyle (izquierda), George Smith y su CCD (1974)
A finales del siglo XX, la mejora continua de la tecnología de fabricación y procesamiento de chips optoelectrónicos semiconductores, especialmente con la aplicación de matrices CCD y CMOS en espectrómetros (Fig. 12), hace posible obtener una gama completa de espectros con una sola exposición.Con el tiempo, los espectrómetros han encontrado un amplio uso en una amplia gama de aplicaciones, que incluyen, entre otras, detección/medición de color, análisis de longitud de onda láser y espectroscopia de fluorescencia, clasificación de LED, equipos de detección de imágenes y iluminación, espectroscopia de fluorescencia, espectroscopia Raman y más. .
Fig. 12 Varios chips CCD
En el siglo XXI, la tecnología de diseño y fabricación de varios tipos de espectrómetros ha madurado y estabilizado gradualmente.Con la creciente demanda de espectrómetros en todos los ámbitos de la vida, el desarrollo de espectrómetros se ha vuelto más rápido y específico de la industria.Además de los indicadores de parámetros ópticos convencionales, diferentes industrias tienen requisitos personalizados de tamaño de volumen, funciones de software, interfaces de comunicación, velocidad de respuesta, estabilidad e incluso costos de los espectrómetros, lo que hace que el desarrollo de los espectrómetros se vuelva más diversificado.
Hora de publicación: 28 de noviembre de 2023