분광계는 전자기 방사선의 스펙트럼을 분석하는 데 사용되는 과학 장비로, 파장에 따른 빛의 강도 분포를 나타내는 분광기로 방사선의 스펙트럼을 표시할 수 있습니다(y축은 강도, x축은 파장). /빛의 주파수).빛은 일반적으로 굴절 프리즘 또는 회절 격자인 빔 분할기에 의해 분광계 내부의 구성 요소 파장으로 서로 다르게 분리됩니다(그림 1).
그림 1 전구와 햇빛의 스펙트럼(왼쪽), 격자와 프리즘의 빔 분할 원리(오른쪽)
분광계는 광원의 방출 스펙트럼을 직접 검사하거나 물질과의 상호 작용에 따른 빛의 반사, 흡수, 투과 또는 산란을 분석하여 광범위한 광학 방사선을 측정하는 데 중요한 역할을 합니다.빛과 물질의 상호작용 후 스펙트럼은 특정 스펙트럼 범위 또는 특정 파장의 변화를 경험하며, 스펙트럼의 변화에 따라 물질의 특성을 정성적 또는 정량적으로 분석할 수 있습니다. 혈액 및 미지 용액의 조성 및 농도, 물질의 분자, 원자 구조 및 원소 조성 분석 그림 2.
그림 2 다양한 유형의 오일의 적외선 흡수 스펙트럼
원래 물리학, 천문학, 화학 연구를 위해 발명된 분광계는 이제 화학공학, 재료 분석, 천문과학, 의료 진단, 바이오 센싱 등 다양한 분야에서 가장 중요한 장비 중 하나입니다.17세기에 아이작 뉴턴(Isaac Newton)은 백색광을 프리즘에 통과시켜 빛을 연속된 컬러 띠로 분리할 수 있었고 이 결과를 설명하기 위해 처음으로 "스펙트럼"이라는 단어를 사용했습니다. 그림 3.
그림 3 아이작 뉴턴은 프리즘을 사용하여 햇빛 스펙트럼을 연구합니다.
19세기 초 독일 과학자 Joseph von Fraunhofer(Franchofer)는 프리즘, 회절 슬릿 및 망원경을 결합하여 고정밀도 및 정확도를 갖춘 분광계를 만들었고, 이를 사용하여 태양 방출 스펙트럼을 분석했습니다. 그림 4. 그는 태양의 7색 스펙트럼이 연속적이지 않고 그 위에 수많은 어두운 선(600개가 넘는 개별 선)이 있다는 사실이 처음으로 관찰되었으며, 이는 유명한 "프랑켄호퍼 선"으로 알려져 있습니다.그는 이 선들 중 가장 구별되는 선을 A, B, C…H로 명명하고 B와 H 사이에 태양 스펙트럼에서 서로 다른 원소의 흡수에 해당하는 약 574개의 선을 세었습니다. 그림 5. 동시에 Fraunhofer는 또한 먼저 회절 격자를 사용하여 선 스펙트럼을 얻고 스펙트럼 선의 파장을 계산합니다.
그림 4. 인간이 본 초기 분광계
그림 5 Fraun Whaffe 선(리본의 어두운 선)
그림 6 태양 스펙트럼, 프라운 울펠(Fraun Wolfel) 선에 해당하는 오목 부분
19세기 중반 독일의 물리학자 키르히호프(Kirchhoff)와 분젠(Bunsen)은 하이델베르그 대학에서 분젠이 새로 디자인한 불꽃 도구(분젠 버너)를 사용하여 함께 작업했으며 다양한 화학 물질의 특정 스펙트럼 선을 기록하여 최초의 스펙트럼 분석을 수행했습니다. (소금)을 분젠버너 불꽃에 뿌렸습니다.7. 그들은 스펙트럼을 관찰함으로써 원소의 정성적 조사를 실현하였고, 1860년에 8원소의 스펙트럼 발견을 발표하고 여러 천연 화합물에서 이들 원소의 존재를 결정했습니다.그들의 발견은 분광학 분석 화학의 중요한 분야인 분광학 분석의 탄생으로 이어졌습니다.
그림 7 화염 반응
20세기 20년대 인도의 물리학자 CV 라만(CV Raman)은 분광계를 사용하여 유기 용액에서 빛과 분자의 비탄성 산란 효과를 발견했습니다.그는 입사된 빛이 빛과 상호작용한 후 더 높은 에너지와 더 낮은 에너지로 산란되는 것을 관찰했는데, 이는 나중에 라만 산란 그림 8이라고 불립니다. 빛 에너지의 변화는 분자의 미세 구조를 특성화하므로 라만 산란 분광법은 재료, 의학, 화학 분야에서 널리 사용됩니다. 및 기타 산업 분야에서 물질의 분자 유형과 구조를 식별하고 분석합니다.
그림 8 빛이 분자와 상호작용한 후 에너지 이동
20세기 30년대 미국 과학자 Beckman 박사는 각 파장에서 자외선 스펙트럼의 흡수를 개별적으로 측정하여 완전한 흡수 스펙트럼을 그려 용액 내 화학 물질의 유형과 농도를 밝혀내는 것을 처음으로 제안했습니다.이 투과 흡수 광 경로는 광원, 분광계 및 샘플로 구성됩니다.현재 용액 조성과 농도 검출의 대부분은 이 투과 흡수 스펙트럼을 기반으로 합니다.여기에서는 광원이 샘플로 분할되고 프리즘이나 격자가 스캔되어 다양한 파장을 얻습니다(그림 9).
그림 9 흡광도 검출 원리 –
20세기 40년대에 최초의 직접 검출 분광계가 발명되었으며, 처음으로 광전 증배관 PMT와 전자 장치가 기존의 육안 관찰이나 사진 필름을 대체하여 파장에 대한 스펙트럼 강도를 직접 읽을 수 있었습니다. 10. 따라서 과학 장비로서의 분광계는 사용 편의성, 정량 측정 및 감도 측면에서 시간이 지남에 따라 크게 향상되었습니다.
그림 10 광전 증배관
20세기 중후반에는 분광계 기술의 발전은 광전자 반도체 소재 및 소자의 발전과 불가분의 관계였습니다.1969년에 Bell Labs의 Willard Boyle과 George Smith가 CCD(Charge-Coupled Device)를 발명했으며, 1970년대 Michael F. Tompsett가 이를 개선하여 이미징 애플리케이션으로 개발했습니다.그림 11과 같이 CCD(2009)를 발명하여 노벨상을 수상한 Willard Boyle(왼쪽), George Smith가 수상했습니다. 1980년 일본 NEC의 Nobukazu Teranishi가 고정식 포토다이오드를 발명하여 이미지 노이즈 비율을 크게 향상시켰습니다. 해결.이후 1995년 NASA의 Eric Fossum은 유사한 CCD 이미지 센서보다 전력을 100배 적게 소비하고 생산 비용도 훨씬 저렴한 CMOS(상보형 금속 산화물 반도체) 이미지 센서를 발명했습니다.
그림 11 Willard Boyle(왼쪽), George Smith와 그들의 CCD(1974)
20세기 말에는 특히 그림 12의 분광계에 어레이 CCD 및 CMOS를 적용하여 반도체 광전자 칩 처리 및 제조 기술이 지속적으로 개선되면서 단일 노출로 전체 범위의 스펙트럼을 얻는 것이 가능해졌습니다.시간이 지남에 따라 분광계는 색상 감지/측정, 레이저 파장 분석, 형광 분광학, LED 분류, 이미징 및 조명 감지 장비, 형광 분광학, 라만 분광학 등을 포함하되 이에 국한되지 않는 광범위한 응용 분야에서 광범위하게 사용됩니다. .
그림 12 다양한 CCD 칩
21세기에는 다양한 종류의 분광계의 설계 및 제조 기술이 점차 성숙해지고 안정화되었습니다.모든 계층에서 분광계에 대한 수요가 증가함에 따라 분광계의 개발은 더욱 빠르고 산업별로 이루어졌습니다.기존의 광학 매개변수 표시기 외에도 다양한 산업 분야에서 볼륨 크기, 소프트웨어 기능, 통신 인터페이스, 응답 속도, 안정성, 심지어 분광계 비용에 대한 요구 사항을 맞춤화하여 분광계 개발이 더욱 다양해졌습니다.
게시 시간: 2023년 11월 28일