Spektrometri – määritelmä, toimintaperiaate ja käyttökohteet

Spektrometri — määritelmä, toimintaperiaate ja käyttökohteet: opi valon aallonpituuksien ja intensiteetin tarkasta mittauksesta sekä sovelluksista tutkimuksesta teollisuuteen.

Spektrometri on optinen laite, jota käytetään mittaamaan valon ominaisuuksia tietyssä osassa sähkömagneettista spektriä.

Riippumaton muuttuja on yleensä valon aallonpituus. Mitattava muuttuja on useimmiten valon intensiteetti, mutta se voi olla myös esimerkiksi polarisaatiotila. Spektrometriä käytetään spektroskopiassa spektriviivojen tuottamiseen ja niiden aallonpituuksien ja intensiteettien mittaamiseen. Spektrometri on termi, jota käytetään laitteista, jotka toimivat hyvin laajalla aallonpituusalueella gamma- ja röntgensäteistä kaukaiseen infrapunaan.

Yleisesti ottaen mikä tahansa laite toimii vain pienellä osalla tästä kokonaisalueesta, koska spektrin eri osien mittaamiseen käytetään erilaisia tekniikoita. Optisten taajuuksien alapuolella (eli mikroaalto-, radio- ja äänitaajuuksilla) spektrianalysaattori on läheisesti toisiinsa liittyvä elektroninen laite.

Toimintaperiaate

Spektrometrin perusideana on erottaa saapuva valon säteily eri aallonpituuksiin ja mitata kunkin aallonpituuskomponentin intensiteetti. Tämä tehdään yleensä yhdistelmällä seuraavia vaiheita:

• syötteen rajaaminen ja ohjaus (esim. sisäänmenoaukko tai optinen kuitu),
• kollimointi eli valonsäteen tekeminen lähes yhdensuuntaiseksi,
• valon hajottaminen dispersiivisellä elementillä, kuten diffraatiokiteellä (ritilä) tai prismaattisesti, tai interferometrisellä menetelmällä (esim. Fourier-transform -spektrometrit),
• fokusointi hajotetuille aallonpituuksille ja
• detektio: hajotetun valon mittaus esimerkiksi CCD-, CMOS-, fotomultiplieri- tai infrapunasensoreilla.

Joissain spektrometreissä käytetään myös monikerroksisia echelle-ritilöitä, tähtitieteellisissä laitteissa usein spektrografi-arkkitehtuuria, ja infrapuna-alueella tyypillisesti herkkiä HgCdTe- tai InSb-detektoreita. Fourier-transform (FT) -spektrometrit jakavat valon eri taajuuksiin interferenssin kautta, mikä antaa etuja etenkin laajakaistaisissa ja kauko-infrapuna-alueen mittauksissa.

Pääkomponentit ja niiden vaikutus mittaukseen

• Sisäänmenoaukko (slit): määrittää spektrin erottelukyvyn ja signaalin voimakkuuden — kapeampi aukko parantaa resoluutiota mutta heikentää signaalia.
• Kollimaattori: suuntaa valonsäteet dispersiiviselle elementille.
• Dispersiivinen elementti (ritilä, prisma): hajottaa valon eri aallonpituuksiin. Ritilä on yleinen näkyvän valon ja lähi-infrapunan spektrometreissä.
• Fokusointioptikka: tuo eri aallonpituudet detektorin eri kohtiin.
• Detektori: CCD/CMOS (UV–näkyvä), InGaAs (lähteinfrapuna), HgCdTe/InSb (kaukoinfrapuna), fotomultiplicoituvat putket (heikko valonlähde) jne.
• Elektroniikka ja ohjelmisto: signaalin vahvistus, datankeruu, taustamelun poisto ja spektrin käsittely.

Tyypit ja teknologiat

• Monokromattori valitsee yhden aallonpituuden kerrallaan ja antaa sen eteenpäin mittaukseen.
• Spektrometri (spektrianalysaattori) mittaa useita aallonpituuksia samanaikaisesti laajalla detektoririvillä.
• Fourier-transform (FT) -spektrometri käyttää interferometriaa ja tarjoaa korkean herkkyyden ja tarkkuuden laajakaistaisissa mittauksissa (esim. FTIR).
• Raman-spektrometri on erikoistunut mittaamaan sironneen valon sädettä, joka kertoo molekyylien värähtely- ja pyörimisenergiaeroista.
• Röntgen- ja gamma-spektrometrit sekä erikoislaitteet (esim. röntgenfluoresenssi, XPS) toimivat eri ilmiöillä mutta noudattavat samaa perusajatusta: erotellaan energioita ja mitataan intensiteettejä.

Keskeiset suorituskykymittarit

• Resoluutio (λ/Δλ): kuinka hyvin laite erottaa lähekkäiset aallonpituudet.
• Herkkyys ja signaali-kohinasuhde (S/N): pienimpien havaittavien intensiteettimuutosten määritys.
• Dynaaminen alue: pienimmän ja suurimman mitattavan signaalin suhde.
• Tarkkuus ja toistettavuus: aallonpituuden ja intensiteetin kalibroinnin pysyvyys.
• Etendue / throughput: paljonko valoa laite kerää—vaikuttaa mittauksen nopeuteen ja herkkyyteen.

Kalibrointi ja ylläpito

Spektrometrit vaativat säännöllistä kalibrointia aallonpituuden ja intensiteetin oikeellisuuden varmistamiseksi. Yleisiä kalibrointimenetelmiä ovat valokaasujen (esim. kvartsilamppu, neon-, argon- tai kadmiumlinjat) spektriviivat, lasersäde tarkkaa aallonpituutta varten sekä etalonit. Detektorin pimeävirhe ja responsiivisuus tulee myös mitata ja kompensoida.

Käyttökohteet

Spektrometreillä on laaja käyttöalue:

• Tähtitiede: tähtien ja galaksien spektritiedon avulla määritetään kemiallinen koostumus, nopeus (Doppler-siirto) ja olosuhteet.
• Laboratoriokemian ja materiaalitiede: absorptio-, emissio- ja fluoresenssimittaukset aineiden tunnistukseen ja pitoisuuksien määritykseen.
• Elämäntieteet ja lääketiede: verianalyysit, kudosmittaukset, sekä kliiniset spektrometrit biomarkkereiden tunnistamiseen.
• Teollisuus ja prosessivalvonta: kaasuanalyysit, laadunvalvonta ja prosessinohjaus.
• Ympäristön seuranta: ilmanlaadun mittaukset, veden laatu ja saasteiden seuranta.
• Forensiset tieteet ja arkeologia: materiaalien tunnistus ja analyysi esineistä ja näytteistä.

Näytteiden mittaustavat

Riippuen mittauksesta mitataan usein absorptiota (läpäisevä näyte), emissio (hehkuva lähde), heijastus (peilautuva pintamateriaali) tai sironta (Raman). Näytteet voidaan mitata ratkaisevasti eri olosuhteissa, kuten lämpötila- tai painekontrollissa, optisilla kammioilla tai spektroskopian mittauskennoilla.

Yhteenveto

Spektrometri on monipuolinen mittauslaite, jonka perusperiaatteena on valon jakaminen aallonpituuksiin ja kunkin komponentin intensiteetin mittaaminen. Erilaiset teknologiat—ritilä-, prisma- ja interferometripohjaiset ratkaisut—soveltuvat eri sovelluksiin ja aallonpituusalueille. Oikea laitevalinta, huolellinen kalibrointi ja ymmärrys mittauksen rajoituksista ovat keskeisiä luotettavien tulosten saamiseksi.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on spektrometri?

K: Mikä on riippumaton muuttuja spektrometrissä?

K: Mitä muuttujaa spektrometri mittaa?

K: Mikä on spektrometrin tarkoitus?

K: Millä aallonpituusalueella spektrometri voi toimia?

K: Miksi jokin tietty laite toimii vain pienellä osalla koko aallonpituusalueesta?

K: Mikä on spektrometriin läheisesti liittyvä elektroninen laite?

Hae kirjaimella