Um espectrômetro é um instrumento científico usado para analisar o espectro de radiações eletromagnéticas, ele pode exibir um espectro de radiações como um espectrógrafo representando a distribuição da intensidade da luz em relação ao comprimento de onda (o eixo y é a intensidade, o eixo x é o comprimento de onda /frequência da luz).A luz é separada de forma diferente nos comprimentos de onda de seus constituintes dentro do espectrômetro por divisores de feixe, que geralmente são prismas refrativos ou redes de difração Fig.
Fig. 1 Espectro da lâmpada e da luz solar (esquerda), princípio de divisão do feixe de grade e prisma (direita)
Os espectrômetros desempenham um papel importante na medição de uma ampla gama de radiação óptica, seja examinando diretamente o espectro de emissão de uma fonte de luz ou analisando a reflexão, absorção, transmissão ou dispersão da luz após sua interação com um material.Após a interação luz e matéria, o espectro sofre a mudança em uma determinada faixa espectral ou em um comprimento de onda específico, e as propriedades da substância podem ser analisadas qualitativa ou quantitativamente de acordo com a mudança no espectro, como a análise biológica e química de a composição e concentração do sangue e soluções desconhecidas, e a análise da molécula, estrutura atômica e composição elementar dos materiais Fig.
Fig.2 Espectros de absorção infravermelha de diferentes tipos de óleos
Originalmente inventado para o estudo da física, astronomia, química, o espectrômetro é hoje um dos instrumentos mais importantes em muitos campos, como engenharia química, análise de materiais, ciência astronômica, diagnóstico médico e biossensorização.No século XVII, Isaac Newton conseguiu dividir a luz em faixas coloridas contínuas, passando um feixe de luz branca através de um prisma e usou a palavra “Espectro” pela primeira vez para descrever este resultado.
Fig. 3 Isaac Newton estuda o espectro da luz solar com um prisma.
No início do século XIX, o cientista alemão Joseph von Fraunhofer (Franchofer), combinado com prismas, fendas de difração e telescópios, fez um espectrômetro de alta precisão e exatidão, que foi utilizado para analisar o espectro de emissões solares Fig 4. Ele observou pela primeira vez que o espectro das sete cores do Sol não é contínuo, mas possui uma série de linhas escuras (mais de 600 linhas discretas), conhecidas como a famosa "linha de Frankenhofer".Ele nomeou as mais distintas dessas linhas A, B, C…H e contou cerca de 574 linhas entre B e H, o que corresponde à absorção de diferentes elementos no espectro solar (Fig. 5). Ao mesmo tempo, Fraunhofer também foi o primeiro a usar uma rede de difração para obter espectros de linha e calcular o comprimento de onda das linhas espectrais.
Figura 4. Um espectrômetro antigo, visto com o ser humano
Fig. 5 Linha Fraun Whaffe (linha escura na faixa)
Fig. 6 Espectro solar, com a porção côncava correspondente à linha Fraun Wolfel
Em meados do século 19, os físicos alemães Kirchhoff e Bunsen trabalharam juntos na Universidade de Heidelberg e com a ferramenta de chama recém-projetada de Bunsen (o queimador de Bunsen) e realizaram a primeira análise espectral observando as linhas espectrais específicas de diferentes produtos químicos. (sais) polvilhados na chama do bico de Bunsen fig.7. Eles realizaram o exame qualitativo dos elementos através da observação dos espectros, e em 1860 publicaram a descoberta dos espectros de oito elementos, e determinaram a existência desses elementos em diversos compostos naturais.Suas descobertas levaram à criação de um importante ramo da química analítica da espectroscopia: a análise espectroscópica
Fig.7 Reação de chama
Na década de 20 do século 20, o físico indiano CV Raman usou um espectrômetro para descobrir o efeito de dispersão inelástica da luz e das moléculas em soluções orgânicas.Ele observou que a luz incidente se espalhava com maior e menor energia após interagir com a luz, o que mais tarde é chamado de espalhamento Raman fig 8. A mudança na energia da luz caracteriza a microestrutura das moléculas, portanto a espectroscopia de espalhamento Raman é amplamente utilizada em materiais, medicina, produtos químicos e outras indústrias para identificar e analisar o tipo molecular e a estrutura das substâncias.
Fig. 8 A energia muda depois que a luz interage com as moléculas
Na década de 30 do século 20, o cientista americano Dr. Beckman propôs pela primeira vez medir a absorção do espectro ultravioleta em cada comprimento de onda separadamente para mapear o espectro de absorção completo, revelando assim o tipo e a concentração de produtos químicos em solução.Esta rota de absorção de luz de transmissão consiste na fonte de luz, espectrômetro e amostra.A maior parte da composição atual da solução e detecção de concentração é baseada neste espectro de absorção de transmissão.Aqui, a fonte de luz é dividida na amostra e o prisma ou grade é escaneado para obter diferentes comprimentos de onda (Fig. 9).
Fig.9 Princípio de detecção de absorvância -
Na década de 40 do século XX, o primeiro espectrômetro de detecção direta foi inventado e, pela primeira vez, tubos fotomultiplicadores PMTs e dispositivos eletrônicos substituíram a tradicional observação do olho humano ou filme fotográfico, que podia ler diretamente a intensidade espectral em relação ao comprimento de onda. 10. Assim, o espectrômetro como instrumento científico foi significativamente melhorado em termos de facilidade de uso, medição quantitativa e sensibilidade ao longo do tempo.
Fig. 10 Tubo fotomultiplicador
Em meados do século 20, o desenvolvimento da tecnologia de espectrômetros era inseparável do desenvolvimento de materiais e dispositivos semicondutores optoeletrônicos.Em 1969, Willard Boyle e George Smith, do Bell Labs, inventaram o CCD (Charge-Coupled Device), que foi então aprimorado e desenvolvido em aplicações de imagem por Michael F. Tompsett na década de 1970.Willard Boyle (à esquerda), George Smith ganhou o Prêmio Nobel pela invenção do CCD (2009) mostrado na Fig. 11. Em 1980, Nobukazu Teranishi da NEC no Japão inventou um fotodiodo fixo, que melhorou muito a relação de ruído da imagem e resolução.Mais tarde, em 1995, Eric Fossum da NASA inventou o sensor de imagem CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), que consome 100 vezes menos energia do que sensores de imagem CCD semelhantes e tem um custo de produção muito menor.
Fig. 11 Willard Boyle (esquerda), George Smith e seu CCD (1974)
No final do século XX, com o aprimoramento contínuo da tecnologia de processamento e fabricação de chips optoeletrônicos semicondutores, especialmente com a aplicação de array CCD e CMOS em espectrômetros Fig. 12, torna-se possível obter uma gama completa de espectros sob uma única exposição.Com o tempo, os espectrômetros encontraram uso extensivo em uma ampla gama de aplicações, incluindo, entre outros, detecção/medição de cores, análise de comprimento de onda a laser e espectroscopia de fluorescência, classificação de LED, equipamentos de imagem e detecção de iluminação, espectroscopia de fluorescência, espectroscopia Raman e muito mais. .
Fig. 12 Vários chips CCD
No século 21, a tecnologia de projeto e fabricação de vários tipos de espectrômetros amadureceu e se estabilizou gradualmente.Com a crescente demanda por espectrômetros em todas as esferas da vida, o desenvolvimento de espectrômetros tornou-se mais rápido e específico para o setor.Além dos indicadores de parâmetros ópticos convencionais, diferentes indústrias customizaram requisitos de tamanho de volume, funções de software, interfaces de comunicação, velocidade de resposta, estabilidade e até custos de espectrômetros, tornando o desenvolvimento de espectrômetros mais diversificado.
Horário da postagem: 28 de novembro de 2023