Spektrometer adalah instrumen ilmiah yang digunakan untuk menganalisis spektrum radiasi elektromagnetik. Spektrometer dapat menampilkan spektrum radiasi sebagai spektrograf yang mewakili distribusi intensitas cahaya terhadap panjang gelombang (sumbu y adalah intensitas, sumbu x adalah panjang gelombang /frekuensi cahaya).Cahaya dipisahkan secara berbeda menjadi panjang gelombang penyusunnya di dalam spektrometer dengan pemecah berkas, yang biasanya berupa prisma bias atau kisi difraksi. Gambar 1.
Gambar 1 Spektrum bola lampu dan sinar matahari (kiri), prinsip pemisahan sinar kisi dan prisma (kanan)
Spektrometer memainkan peran penting dalam mengukur berbagai radiasi optik, baik dengan memeriksa secara langsung spektrum emisi sumber cahaya atau dengan menganalisis refleksi, penyerapan, transmisi, atau hamburan cahaya setelah interaksinya dengan suatu material.Setelah interaksi cahaya dan materi, spektrum mengalami perubahan dalam rentang spektral tertentu atau panjang gelombang tertentu, dan sifat-sifat suatu zat dapat dianalisis secara kualitatif atau kuantitatif sesuai dengan perubahan spektrum tersebut, seperti analisis biologi dan kimia. komposisi dan konsentrasi darah dan larutan yang tidak diketahui, dan analisis molekul, struktur atom dan komposisi unsur bahan Gambar 2.
Gambar 2 Spektrum serapan inframerah dari berbagai jenis minyak
Awalnya diciptakan untuk studi fisika, astronomi, kimia, spektrometer kini menjadi salah satu instrumen terpenting di banyak bidang seperti teknik kimia, analisis material, ilmu astronomi, diagnostik medis, dan bio-sensing.Pada abad ke-17, Isaac Newton mampu membagi cahaya menjadi pita berwarna terus menerus dengan melewatkan seberkas cahaya putih melalui prisma dan menggunakan kata “Spectrum” untuk pertama kalinya untuk menggambarkan hasil ini. Gambar 3.
Gambar 3 Isaac Newton mempelajari spektrum sinar matahari dengan prisma.
Pada awal abad ke-19, ilmuwan Jerman Joseph von Fraunhofer (Franchofer), dikombinasikan dengan prisma, celah difraksi dan teleskop, membuat spektrometer dengan presisi dan akurasi tinggi, yang digunakan untuk menganalisis spektrum emisi matahari. Gambar 4. Dia diamati untuk pertama kalinya bahwa spektrum tujuh warna matahari tidak kontinu, namun memiliki sejumlah garis gelap (lebih dari 600 garis diskrit), yang dikenal sebagai "garis Frankenhofer" yang terkenal.Dia menamai garis yang paling berbeda A, B, C…H dan dia menghitung sekitar 574 garis antara B dan H yang sesuai dengan penyerapan unsur-unsur berbeda pada spektrum matahari. Gambar 5. Pada saat yang sama, Fraunhofer juga merupakan pertama menggunakan kisi difraksi untuk mendapatkan spektrum garis dan menghitung panjang gelombang garis spektrum.
Gambar 4. Spektrometer awal, dilihat dengan manusia
Gambar 5 Garis Fraun Whaffe (garis gelap pada pita)
Gambar 6 Spektrum matahari, dengan bagian cekung sesuai dengan garis Fraun Wolfel
Pada pertengahan abad ke-19, fisikawan Jerman Kirchhoff dan Bunsen, bekerja sama di Universitas Heidelberg, dan dengan alat api Bunsen yang baru dirancang (pembakar Bunsen) dan melakukan analisis spektral pertama dengan mencatat garis spektral spesifik dari bahan kimia yang berbeda. (garam) ditaburkan ke api pembakar bunsen gbr.7. Mereka melakukan pemeriksaan kualitatif unsur dengan mengamati spektrumnya, dan pada tahun 1860 menerbitkan penemuan spektrum delapan unsur, dan menentukan keberadaan unsur-unsur tersebut dalam beberapa senyawa alam.Temuan mereka mengarah pada penciptaan cabang penting kimia analitik spektroskopi: analisis spektroskopi
Gambar.7 Reaksi api
Pada tahun 20-an abad ke-20, fisikawan India CV Raman menggunakan spektrometer untuk menemukan efek hamburan inelastis cahaya dan molekul dalam larutan organik.Ia mengamati bahwa cahaya datang dihamburkan dengan energi yang lebih tinggi dan lebih rendah setelah berinteraksi dengan cahaya, yang kemudian disebut hamburan Raman gambar 8. Perubahan energi cahaya mencirikan struktur mikro molekul, sehingga spektroskopi hamburan Raman banyak digunakan dalam bidang material, kedokteran, kimia. dan industri lain untuk mengidentifikasi dan menganalisis jenis molekul dan struktur zat.
Gambar 8 Pergeseran energi setelah cahaya berinteraksi dengan molekul
Pada tahun 30-an abad ke-20, ilmuwan Amerika Dr. Beckman pertama kali mengusulkan untuk mengukur serapan spektrum ultraviolet pada setiap panjang gelombang secara terpisah untuk memetakan spektrum serapan lengkap, sehingga mengungkap jenis dan konsentrasi bahan kimia dalam larutan.Jalur transmisi cahaya serapan ini terdiri dari sumber cahaya, spektrometer, dan sampel.Sebagian besar komposisi larutan dan deteksi konsentrasi saat ini didasarkan pada spektrum serapan transmisi ini.Di sini, sumber cahaya dibagi menjadi sampel dan prisma atau kisi dipindai untuk mendapatkan panjang gelombang yang berbeda. Gambar 9.
Gambar.9 Prinsip Deteksi Absorbansi –
Pada tahun 40-an abad ke-20, spektrometer deteksi langsung pertama ditemukan, dan untuk pertama kalinya, tabung fotomultiplier (PMT) dan perangkat elektronik menggantikan observasi mata manusia tradisional atau film fotografi, yang dapat secara langsung membaca intensitas spektral terhadap panjang gelombang. 10. Dengan demikian, spektrometer sebagai instrumen ilmiah telah ditingkatkan secara signifikan dalam hal kemudahan penggunaan, pengukuran kuantitatif, dan sensitivitas selama periode waktu tertentu.
Gambar 10 Tabung fotomultiplier
Pada pertengahan hingga akhir abad ke-20, perkembangan teknologi spektrometer tidak terlepas dari perkembangan bahan dan perangkat semikonduktor optoelektronik.Pada tahun 1969, Willard Boyle dan George Smith dari Bell Labs menemukan CCD (Charge-Coupled Device), yang kemudian diperbaiki dan dikembangkan menjadi aplikasi pencitraan oleh Michael F. Tompsett pada tahun 1970-an.Willard Boyle (kiri), George Smith pemenang Hadiah Nobel atas penemuan CCD (2009) yang ditunjukkan Gambar 11. Pada tahun 1980, Nobukazu Teranishi dari NEC di Jepang menemukan fotodioda tetap, yang sangat meningkatkan rasio noise gambar dan resolusi.Kemudian, pada tahun 1995, Eric Fossum dari NASA menemukan sensor gambar CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), yang mengkonsumsi daya 100 kali lebih sedikit dibandingkan sensor gambar CCD serupa dan memiliki biaya produksi yang jauh lebih rendah.
Gambar 11 Willard Boyle (kiri), George Smith dan CCD mereka (1974)
Pada akhir abad ke-20, peningkatan berkelanjutan dalam teknologi pemrosesan dan manufaktur chip optoelektronik semikonduktor, terutama dengan penerapan array CCD dan CMOS dalam spektrometer Gambar 12, menjadi mungkin untuk memperoleh spektrum penuh dalam satu paparan.Seiring waktu, spektrometer telah banyak digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk namun tidak terbatas pada deteksi/pengukuran warna, analisis panjang gelombang laser, dan spektroskopi fluoresensi, penyortiran LED, peralatan pencitraan dan penginderaan pencahayaan, spektroskopi fluoresensi, spektroskopi Raman, dan banyak lagi. .
Gambar 12 Berbagai chip CCD
Pada abad ke-21, desain dan teknologi pembuatan berbagai jenis spektrometer secara bertahap telah matang dan stabil.Dengan meningkatnya permintaan spektrometer di semua lapisan masyarakat, perkembangan spektrometer menjadi lebih pesat dan spesifik untuk industri.Selain indikator parameter optik konvensional, berbagai industri memiliki persyaratan khusus mengenai ukuran volume, fungsi perangkat lunak, antarmuka komunikasi, kecepatan respons, stabilitas, dan bahkan biaya spektrometer, sehingga pengembangan spektrometer menjadi lebih terdiversifikasi.
Waktu posting: 28 November 2023