Spektrometre nedir? UV, VIS ve IR Spektrometre Açıklaması
Yazar: Ng Ci Xuan – Ar-Ge Stajyeri
Editör: Bryan Ng – Pazarlama Müdürü
Yayınlandı:
Son düzenleme:
1. Spektrometre nedir?
Spektrometre fiziksel bir özelliğin spektral bileşenlerini ayıran ve ölçen bir cihazı tanımlayan bir şemsiye terimdir. Spektrumun bileşenlerinin orijinal karışımlarından ayrıldığı sürekli bir değişkeni ölçen cihazlardır.
Spektrometrelerin çeşitli çeşitleri vardır ve en yaygın olanlardan bazıları nükleer manyetik rezonans (NMR) spektrometresi, kütle spektrometresi ve optik spektrometredir.
1.1 NMR Spektrometresi
NMR spektrometresi, numune güçlü, sabit bir manyetik alana yerleştirildiğinde çekirdek dönüşlerinin etkileşimini gözlemler ve ölçer. NMR sinyali, çekirdekler, çekirdeklerin frekansı ile rezonansa giren bir frekansta manyetik alanla etkileşime girdiğinde üretilir.
Bir molekülde atomu çevreleyen molekül içi manyetik alan, rezonans frekansı ile değişir, dolayısıyla numunenin moleküler yapısını ortaya çıkarır.
1.2 Kütle Spektrometresi
Bir kütle spektrometresi, iyonların kütle-yük oranını ölçer ve bir numunede bulunan elementlerin bileşimini tanımlar. Bu, bazı moleküllerin kütle-yük oranlarına göre yüklenmesine ve ayrılmasına neden olan bir numuneyi iyonlaştırarak çalışır.
Bu iyonlar daha sonra yüklü parçacıkları tespit edebilen bir cihaz tarafından tespit edilir.
1.3 Optik Spektrometre
Bir optik spektrometre, genellikle elektromanyetik spektrumdaki optik bölgeye yakın olan ışığın özelliklerini, yani ultraviyole, görünür ve kızılötesi ışığı ölçer.
Işık yoğunluğunun dalga boyu ile absorpsiyon ve emisyonundaki değişim, malzemelerin tanımlanmasını sağlar.
Bu yazıda optik spektrometreye odaklanacağız.
2. Spektrometrenin Çalışma Prensibi
Bir spektrometre üç ana bileşenden oluşur - giriş yarığı, ızgara ve dedektör.
2.1 Giriş Yarığı
Kaynaktan gelen ışık giriş yarığına girer ve yarığın boyutu cihaz tarafından ölçülebilen ışık miktarını belirler. Yarık boyutu aynı zamanda spektrometrenin optik çözünürlüğünü de etkiler, burada yarık boyutu ne kadar küçükse çözünürlük o kadar iyidir.
Işın, yarıktan geçtikten sonra ıraksak hale gelir ve ıraksak huzmeyi bir kolimatör aynaya yansıtarak huzme hizalanır. Yönlendirilmiş ışınlar daha sonra bir kırınım ızgarasına yönlendirilir. Izgara, dağıtıcı bir eleman görevi görür ve ışığı oluşturan dalga boylarına böler.
2.2 Izgara
Bir monokromatör, belirli bir ışık dalga boyunu seçmek için bir prizmadaki optik dağılım fenomenini veya kırınım ızgaralarından kırınım kullanır. Geleneksel spektrometrelerde ışığı dağıtmak için prizmalar kullanıldı.
Bununla birlikte, kırınım ızgarasının icadıyla, prizmaya göre daha fazla avantajı olduğu için modern spektrometrelerde en çok kullanılan monokromatör haline geldi.
Her iki cihaz da ışığı çeşitli renklere ayırma yeteneğine sahip ancak renkleri bir prizmadan daha büyük bir açıya yaymak için bir kırınım ızgarası yapılabilir. Prizmalar ayrıca yalnızca UV bölgesinde daha yüksek bir dağılıma sahipken, kırınım ızgaraları UV, VIS ve IR spektrumunda yüksek ve sabit bir dağılıma sahiptir.
Işık kırınım ızgarasına çarptığında, her dalga boyu farklı bir açıda yansıtılır. Farklı dalga boyu aralıklarını belirlemek için farklı boyutlardaki kırınım ızgaraları da kullanılır.
Işın ızgaradan yansıdıktan sonra tekrar ıraksak hale gelir, böylece ikinci bir aynaya çarparak odaklanmak ve dedektöre doğru yönlendirmek için.
2.3 Dedektör
Dedektör ışık spektrumunu yakalar ve ışığın yoğunluğunu dalga boyunun bir fonksiyonu olarak ölçer. Bu veriler daha sonra sayısallaştırılır ve bir grafik olarak yazılıma çizilir.
3. Spektrometrenin Parçaları
Yukarıdaki bölüm bir spektrometrenin nasıl çalıştığından bahsetti. Bu bölümde bir spektrometrenin bileşenleri ve her bir bileşenin çeşitliliği ele alınacaktır.
3.1 Işık Kaynakları
Bir spektrometrede yaygın olarak bulunan ışık kaynakları, tungsten halojen, döteryum, ksenon arkları, LED, cıva argon, çinko veya lazerlerden yapılır.
3.2 Giriş Yarığı
Yarıklar, 5 mm'den 800 mm'ye kadar yükseklikte 1μm'den 2μm'ye kadar çeşitli boyutlarda gelir. Yarığın boyutu uygulamaya bağlıdır ve kullanılan en yaygın yarıklar 10, 25, 50, 100 ve 200μm genişliğindedir.
3.3 aynalar
Etrafında en yaygın ayna türleri genellikle düzlem ve küresel aynalardır. Küresel aynalar iki tipe ayrılabilir - içbükey ve dışbükey küresel aynalar. Bununla birlikte, bir spektrometrede genellikle içbükey küresel aynalar kullanılır.
3.4 Kırınım Izgaraları
Piyasada iki tür kırınım ızgarası mevcuttur – Kurallı Izgara ve Holografik Izgara.
Çizgili bir ızgara, bir cetvel makinesinde elmas şeklindeki bir alet kullanılarak yansıtıcı bir yüzeye fiziksel olarak olukların oyulmasıyla üretilirken, holografik bir ızgara, iki UV ışını kullanarak bir girişim deseni oluşturan girişim litografisi olarak bilinen bir işlemle üretilir.
Kurallı ızgaralar belirli dalga boyları için parlatılabilir ve genellikle holografik ızgaralardan daha yüksek verimliliğe sahiptir.
Holografik ızgaralar, optik olarak üretildiklerinden daha düzgün bir oluk formuna ve aralığına sahip olma ve daha az kaçak ışık üretme eğilimindedir.
3.5 Sahip
Numuneler genellikle sıvıdır, ancak gazlar ve katılar da test edilebilir. Numuneler genellikle küvet adı verilen şeffaf bir hücrenin içine yerleştirilir. Bazı ekipmanlarda küvet yerine test tüpleri de kullanılabilir.
Küveti üretmek için kullanılan malzeme, spektrometrenin kapsadığı spektral aralığa bağlıdır. Erimiş silika veya kuvars cam, UV'den IR bölgelerine şeffaf oldukları için yaygın olarak kullanılır.
3.6 Dedektörler
Farklı spektrometrelerde kullanılan çok çeşitli dedektörler vardır ve yaygın olarak kullanılan bazı dedektörler, fotoçoğaltıcı tüp (PMT), fotodiyot, fotodiyot dizisi, yük bağlantılı cihaz (CCD), bolometre ve çok kanallı analizördür (MCA).
3.7 Arayüz
Çoğu spektrometre sistemi bilgisayarla USB, RS-232 veya Ethernet üzerinden arabirim oluşturur. Teknolojik gelişmelerle birlikte, daha yeni sistemler Wi-Fi ve Bluetooth kullanarak kablosuz olarak veri aktarabilmektedir.
3.8 yazılımı
Veri toplama için spektrometrelerle kullanım için birçok yazılım uygulanabilir. Cihazı üreten çoğu şirket, ürettikleri spektrometre ile uyumlu yazılım da sağlayacaktır. Örneğin, StellarNet'in spektrometreleri SpectraWiz olarak bilinen yazılımlarıyla birlikte gelir.
Bu tür hazır yazılımların yanı sıra, LabVIEW, Visual C, C#, VB, MS Excel için VBA ve MATLAB gibi başka yazılımlar da programınızı kodlayıp oluşturmanıza ve ihtiyaçlarınıza göre özelleştirmenize olanak tanır.
4. Spektrometrelerin Kullanımı
Bir spektrometre için çeşitli kullanımlar vardır.
Bir örnek, 200μm genişliğinde bir giriş yarığı ile birlikte 400g/mm oluk boyutuna sahip bir holografik ızgara ve 200 piksellik bir CCD detektörü ile birlikte kurulan, 2400 – 2000nm'lik bir spektral aralığı kullanan bir UV spektrometredir. Organik moleküllerdeki safsızlıklar - örneğin, sikloheksan içinde bulunan yaygın bir safsızlık olan benzen gibi ve varlığı, spektrumda 255 nm'de bir zirve ile absorpsiyonu ile kolayca tespit edilebilir.
5. Optik Spektrometre Türleri
Optik Spektrometreler iki şekilde sınıflandırılabilir. İlk yol dalga boyları, ikinci yol ise ışık etkileşim özellikleridir.
5.1 Dalgaboyu
5.1.1 Ultraviyole (UV)
UV spektroskopisi bir numunenin ne kadar ışık emdiğini veya yansıttığını ölçmek ve numunedeki elementlerin konsantrasyonlarını belirlemek için 200 – 400nm dalga boyunun UV aralığındaki ışığı kullanır.
Moleküller UV ışığı tarafından verilen enerjiyi emdikçe, numunedeki elektronlar taban durumundan daha yüksek bir enerji durumuna heyecanlanır. Elektronların sahip oldukları enerji miktarı, emebilecekleri dalga boyunun uzunluğu ile orantılıdır.
Numunenin tanımlanması, numune UV ışığını emdiğinde üretilen spektrumun bilinen bileşiklerin spektrumları ile karşılaştırılmasıyla yapılır.
Bir UV spektrometresi tipik olarak döteryum arkı, ksenon arkı veya tungsten halojen lambalar kullanır. Kullanılan ızgara türü genellikle holografik ızgaradır ve kullanılan detektör genellikle bir PMT, fotodiyot, fotodiyot dizisi veya CCD'dir. Dedektörler genellikle 14μm x 200μm piksel boyutunda gelir.
Bir UV spektrometresi, Malzeme Bilimi, Kalite Kontrol, Petrokimya, Gıda ve Tarım, Yaşam Bilimi, Optik Bileşenler vb. sektörlerde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Ayrıca safsızlıkların tespiti, bir bileşikte herhangi bir fonksiyonel grubun varlığı veya yokluğu, bileşiklerin tanımlanması, organik bileşiklerin yapısal aydınlatılması vb. uygulamalarda da kullanılır.
5.1.2 Görünür (VIS)
A VIS spektrometresi UV ışığı ile etkileşime girmeyen bileşikleri tanımlamak için elektromanyetik spektrumun görünür bölgesindeki ışığı, yani 400nm ila 700nm dalga boyunu kullanması dışında UV spektrometresi ile aynı şekilde çalışır.
Bu cihaz ayrıca, geçirgenliğini veya absorbans yoğunluğunu ölçerek bir numunedeki maddelerin konsantrasyonunu da belirleyebilir.
Tungsten halojen, ksenon lambalar ve LED'ler genellikle bir VIS spektrometresinde ışık kaynağı olarak kullanılır.
UV spektrometresi ile aynı tipte kırınım ızgarası ve dedektörü kullanır. VIS spektrometresi de esas olarak UV spektrometresi ile aynı endüstrilerde ve uygulamalarda kullanılır.
5.1.3 Kızılötesi (IR)
IR spektrometresi IR spektrumundaki malzemeleri tanımlamak için bir organik molekülün IR ışığı ile titreşim geçişlerini kullanır.
Kızılötesi ışık, 700 nm ila 1 mm arasında, görünür spektrumla ilgili olarak yakın, orta ve uzak kızılötesi olmak üzere üç kısma ayrılabilir.
IR'nin ortasından itibaren fotonlar, yalnızca kovalent olarak bağlı atomlarda titreşim uyarımlarını indükleyebilir ve enerjiler yeterince büyük olmadığı için elektronları uyaramaz.
Numune IR radyasyonunu emer ve enerji olarak bu titreşimlere karşılık gelir. Bu, bileşiklerin absorpsiyon spektrumlarının kaydedilmesine izin verir ve spektrumlar her bileşik için benzersizdir.
Geniş bir aralıkta veri toplayan Fourier dönüşümü IR (FTIR) spektrometresi, ham verileri bir spektruma dönüştürmek için Fourier dönüşümünü kullanır.
Yakın, orta ve uzak IR, sırasıyla tungsten-halojen lambalar, globar ve cıva lambaları kullanır. Kurulan ızgara tipi genellikle ızgaralı ızgaradır. NIR spektrometreleri tipik olarak 25μm x 500μm piksel boyutuna sahip InGaAs fotodiyotlarını kullanırken MIR spektrometreleri 48.5μm x 48.5μm piksel boyutuna sahip piroelektrik dedektörler kullanır ve FIR spektrometreleri 75μm x 75μm piksel boyutuna sahip a-Si veya VOx bolometreler kullanır.
Bu genellikle ilaç, çevre güvenliği, gıda ve malzeme gibi sektörlerde bulunabilir. IR spektrometre kullanan uygulamalar arasında protein karakterizasyonu, uzay araştırması, bileşiklerin tanımlanması, nano ölçekli yarı iletken analizi vb.
5.2 Etkileşimler
5.2.1 Soğurma
Numune kaynaktan enerji emer ve absorpsiyonun yoğunluğu frekansla değişir, bu varyasyon daha sonra absorpsiyon spektrumunu üretir. Bu spektroskopi yöntemi, elektromanyetik spektrum boyunca yapılır.
Absorpsiyon spektroskopisi, bir numunede bulunan bileşikleri belirlemek ve bunun konsantrasyonunu ölçmek için kullanılır. Yukarıda belirtilen UV, VIS ve IR spektroskopisi, absorpsiyon spektroskopisinin örnekleridir.
Absorpsiyon spektrometrisinde kullanılan en yaygın ışık kaynağı, içi boş bir katot lambasıdır ve dedektör olarak bir PMT kullanılır. Bu genellikle uzaktan algılama, astronomi ve atom ve moleküler fizikte kullanılır.
5.2.2 Yansıma
Numuneden yansıyan veya numuneden kırılan kaynaktan gelen fotonların saçıldığı söylenir.
Bu saçılan fotonlar daha sonra tespit edilir ve kaydedilir. Bu, dalga boyu grafiğine karşı bir yansıma ile sonuçlanır.
Yansıma spektroskopisi sistemleri genellikle ışık kaynağı olarak lazerler, süper parlak diyotlar, LED'ler veya halojen lambalar ve dedektör olarak CCD'ler, fotodiyotlar veya MCA kullanır.
Yansıma spektrometresi tıp endüstrisinde doku konsantrasyonu hakkında bilgi sağlamak için kullanılır ve çevre bilimi ve jeoloji gibi endüstrilerde de kullanılabilir.
5.2.3 İletim
Absorpsiyon spektroskopisi ile çok yakından ilişkilidir, dolayısıyla benzer bir kurulumu paylaşırlar.
Bir iletim spektrumu, numuneden daha fazla ışık geçtikçe absorpsiyonun en zayıf olduğu dalga boylarında en yüksek tepe noktalarına sahip olacaktır.
Spektral aralığa bağlı olarak farklı ışık kaynakları kullanılır. LED'ler, Tungsten halojen veya döteryum lambalar sıklıkla kullanılır. Seçilen tipik dedektörler fotodiyotlar ve CCD'lerdir. Bu genellikle farmasötik analizde kullanılır.
5.2.4 Floresan
UV spektroskopisinde bahsedildiği gibi, bir numunedeki elektronlar ışığı emdiğinde uyarılır ve temel halden çeşitli titreşim hallerinden oluşan daha yüksek bir elektronik hale geçer.
Uyarılmış elektronlar bir foton yayarak temel hallerine geçebilirler ve bu süreç floresans olarak bilinir.
Elektronlar temel durumda çeşitli titreşim seviyelerinden herhangi birine düşebileceğinden, yayılan fotonlar farklı miktarlarda enerji ve dolayısıyla değişen yoğunluklar ve dalga boyları içerecektir.
Floresans spektroskopisi bu nedenle bir numuneden floresans miktarının ölçümü olarak tanımlanır. Elektronların uyarılması için genellikle UV veya VIS aralığında ışık kullanır.
Floresans, floresan spektrometreleri ile ölçülür ve emisyonun yoğunluğu ve dalga boyu dağılımı gibi floresansın çeşitli özelliklerini ölçer. Emisyon spektrumu daha sonra numunelerin hangi dalga boylarını yaydığını ortaya çıkarır.
Floresansı ölçen aletler florometreler olarak bilinir. Florometreler tipik olarak ışık kaynağı olarak lazerler, LED, ksenon ark veya cıva buharlı lambalar kullanır. Floresans spektroskopisinde dedektör olarak genellikle fotodiyotlar veya PMT'ler seçilir.
Bu spektroskopi yöntemi, tıbbi, biyokimyasal ve çevresel izleme endüstrilerinde yaygın olarak bulunabilir. Uygulamalar, insan dokularında kanser teşhisini, safsızlıkları veya maddelerin tanımlanmasını ve konsantrasyonlarını ölçmeyi ve enfeksiyonlara neden olan çeşitli bakteri, virüs ve parazitleri tespit etmeyi içerir.
Işık maddenin içinden geçtiğinde büyük bir kısmı orijinal yönünde devam eder, ancak küçük bir kısmı diğer yönlere saçılır.
Bu teknik, Raman saçılması teorisine dayanmaktadır. Saçılma etkisi, fotonların madde tarafından elastik olmayan saçılmasıdır, yani ışığın yönünde bir değişiklik olur ve numune ile etkileşime girdikten sonra fotonlar tarafından enerji kaybedilir.
Genellikle moleküller, gelen fotonlardan titreşim enerjisi kazanırlar.
Saçılan ışığın çoğunun enerjisi değişmez ve bu Rayleigh saçılmasıdır. Raman saçılması, saçılan fotonların son derece küçük bir bölümünden oluşur (yaklaşık 1 milyonda 10).
Numunedeki titreşim değişimi analiz edilerek kimyasal bileşim, kristallik ve moleküler etkileşimler gibi özellikler belirlenebilir. Yukarıda bahsedildiği gibi, Raman saçılması çok zayıftır, bu nedenle ışığı incelemek için oldukça hassas bir spektrometreye ihtiyaç vardır.
Bu enstrüman kimya, fizik, ilaç, sanat ve tıp gibi endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Molekülleri tanımlamaya ve kimyasal bağları incelemeye, malzemelerin yapılarını karakterize etmeye ve incelemeye, paketlerdeki sahte ilaçları keşfetmeye, biyomineralleri incelemeye vb. yardımcı olur.
6. Raman Spektrometresi
Işık doğrudan numuneden saçılır ve parçacıkları Rayleigh saçılmasından uzaklaştırmak için bir filtreden geçirilir.
Raman saçılmasından kalan ışık, dedektöre doğru gitmeden önce bir kırınım ızgarasına yönlendirilir.
Sonunda, her tepe noktasının ve yoğunluğun numune hakkında bazı bilgiler sağlayabileceği bir Raman spektrumu üretir.
Raman spektrometresi, ışık kaynağı olarak yalnızca sürekli dalga lazeri kullanır.
Genellikle kırmızıdan NIR'ye kadar spektral aralıktaki lazerler kullanılır, ancak son yıllarda mavi ve yeşil renkte görünür lazerlerin kullanımı artmaktadır.
Ayrıca monokromatörü olarak holografik ızgarayı ve dedektörü olarak CCD'leri kullanır.
7. Spektrometre Vs. spektrofotometre
İnsanlar genellikle spektrometreleri spektrofotometrelerle karıştırırlar. A spektrofotometre bir malzemenin dalga boyunun bir fonksiyonu olarak ışığın iletim ve absorpsiyon özelliklerini ölçen bir araçtır.
Tipik olarak, yakın-ultraviyoleden görünür ışığa ve yakın-kızılötesine kadar olan aralıktaki ışıkla ilgilenir. Spektrofotometrenin kendisi, numuneyi daha iyi aydınlatmak için bir ışık kaynağının yanı sıra bir spektrometre içerir.
Çalışma prensibi, numuneye ulaşmak için bir ışık dalga boyunu seçmek için bir monokromatörün kullanıldığı spektrometreye benzer. Numunenin opaklığına bağlı olarak, ışık ya yansıtılır ya da iletilir. Dedektör daha sonra yansıyan veya iletilen ışığın yoğunluğunu kaydeder.
Bu, dedektörün ışık yoğunluğundaki değişikliği ölçmesi için monokromatör ile farklı dalga boylarında tekrarlanır. Nihai çıktı, dalga boyunun bir fonksiyonu olarak bir absorpsiyon spektrumu olacaktır.
8. Güvenilir Bir Spektrometre Nereden Alınır?
Artık bir spektrometrenin ne olduğunu ve uygulamalarını bildiğinize göre, güvenilir olanı nereden satın alacağınızı bilmelisiniz. Güvenilir spektrometreleri şuradan satın alabilirsiniz: Wavelength Opto-Electronic.
190 – 2300nm dalga boylarından UV, VIS ve NIR'de ölçümler için optik spektrometreler sunan StellarNet spektrometrelerin distribütörüyüz. StellarNet spektrometreleri, taşınabilir ve hareketli parça içermeyen kompakt olacak şekilde tasarlanmıştır.