Spektrometr jak sama nazwa wskazuje analizuje otrzymane w różnoraki sposób wid-mo (spectrum) i na jego podstawie określa własności materiałów w zależności od wykorzy-stywanej metody pomiarowej. Urządzenia tego typu mogą posłużyć do analizy struktury związków chemicznych, analizy składu materiałów, zanieczyszczenia wody, czy składu wydo-bywanej rudy.
Co to jest spektrometr i jak działa? Rodzaje spektrometrów
W zależności od potrzeb analitycznych spektrometry wykorzystują promieniowanie rentgenowskie, wzbudzenie iskrą elektryczną, promieniowaniem w zakresie UV, czy też podczerwieni. Dostarczona w ten sposób do próbki energia oddziałuje z materiałem wywołując w nim pewne zmiany (odwracalne lub nie odwracalne) co wiąże się również z emisją różnych form energii, które rejestrowane są w postaci widma. Widmo poddane matematycznej obróbce pozwala na określenie właściwości fizycznych i chemicznych badanego materiału.
Spektrometr jest stosowany w laboratoriach
W laboratoriach chemicznych popularny jest spektrometr IR (spektroskopia podczerwieni), który na postawie drgań wiązań międzycząsteczkowych wykorzystywany jest do określania struktury związków organicznych. Swoje zastosowanie znalazł również w przemyśle tworzyw sztucznych, służąc m. in. identyfikacji materiału, czy do określenia ich stopnia krystaliczności. Olbrzymią popularność zyskało połączenie dwóch zaawansowanych metod instrumentalnych – chromatografii gazowej i spektrometrii mas (GC-MS). Chromatografia służy tu jako technika wykorzystywana do rozdzielenia mieszaniny lotnych związków organicznych natomiast sprzężony z nią spektrometr mas pozwala na jakościową i ilościową identyfikację związków organicznych. Metoda pozwala na analizę jakościową szeregu związków organicznych w próbkach żywności, lekach, ściekach, powietrzu, odpadach, glebach, lakierach, paliwach, tworzywach sztucznych i innych.
Spektrometr optyczny – spektrometria optyczna
Optyczna spektrometria emisyjna znana też pod anglojęzycznym skrótem OES (Optical emision spectrometry) to sprawdzona i szeroko stosowana technika analityczna wykorzystywana do oznaczania składu pierwiastkowego metali. Nieodzowna jeżeli chodzi o kontrole jakościową wyrobów gotowych, dostaw surowca, czy inżynierię odwrotną. Spektrometry emisji optycznej wykorzystują widmo powstałe na wskutek działania na powierzchnię próbki łuku bądź iskry elektrycznej. Wysokie napięcie jonizuje atmosferę pomiędzy końcówką elektrody a powierzchnią próbki, powodując jej przewodzenie. Powstaje wtedy plazma, nagrzewająca materiał do kilku tysięcy stopni Celsiusa. Materiał jest następnie odparowywany, atomizowany i jonizowany.
W przypadku wzbudzenia iskrą przepływ prądu jest przerywany z określoną częstotliwością od 100 do 1000 Hz. Efektem jest wytworzenie światła trafiającego do układu optycznego, które jest tam rozdzielane na poszczególne linie widmowe. Wykorzystywana jest do tego siatka dyfrakcyjna o wysokiej rozdzielczości, która separuje fale na te o długościach charakterystycznych dla danego pierwiastka. Odpowiedni detektor mierzy następnie intensywność światła dla każdej długości fali, unikalnej dla danego pierwiastka. Mierzona intensywność jest proporcjonalna do stężenia danego pierwiastka w próbce. Część widma elektromagnetycznego wykorzystywana przez OES obejmuje widmo widzialne i część widma ultrafioletowego. Do najpopularniejszych branż, w których zastosowanie znalazła optyczna spektrometria emisyjna, zaliczyć można branże hutniczą, odlewniczą, narzędziową oraz wszystkie inne gdzie kluczowym dla końcowych właściwości wyrobu jest jego skład stopowy.
Spektrometr fluorescencji rentgenowskiej
Zjawisko fluorescencji rentgenowskiej związane jest z jonizacją wewnętrznej powłoki elektronowej atomu. Poprzez wybicie elektronu na wewnętrznych powłokach zwalnia się miejsce, które jest zajmowane przez inny z powłoki wyższej. Różnica energetyczna uwalniana jest w formie fluorescencyjnego promieniowania rentgenowskiego i jest charakterystyczna dla danego pierwiastka. Ilość energii pozwala z kolei określić ile danego pierwiastka wchodzi w skład danej mieszaniny (stopu). Dzięki tym właściwościom analiza fluorescencji rentgenowskiej określana też anglojęzycznym skrótem XRF (X-ray fluorescence) znalazła zastosowanie zarówno w nauce jak i przemyśle. Główną cechą analizy XRF odróżniającą ją od optycznej spektrometrii emisyjnej to brak konieczności preparowania próbki oraz w pewnych przypadkach znacznie krótszy czas całego procesu pomiarowego.
Fluorescencja rentgenowska pozwala na określenie składu typowych dla przemysłu stopów metali takich jak stal, czy aluminium, jak również metali szlachetnych w branży jubilerskiej oraz metali szlachetnych odzyskiwanych w procesie recyklingu – zwłaszcza katalizatorów samochodowych.
Odpowiednio zinterpretowane intensywności poszczególnych pierwiastków pozwalają również na określenie składu oraz grubości powłok metalicznych. Fluorescencja rentgenowska na stałe zagościła w przemyśle galwanicznych i każdym innym, w którym nakładane są powłoki metaliczne. Przykładem mogą być chociażby powłoki narzędziowe w technologii PVD lub CVD takie jak TiN (azotek tytanu) oraz TiNAl (azotek tytanu glinu). Spektrometry fluorescencji rentgenowskiej od prostszych metod (indukcja magnetyczna, prądy wirowe) odróżnia zdolność pomiaru grubości i składu całych sekwencji powłok, a także badanie zdecydowanie cieńszych powłok zaczynających się już od pojedynczych nanometrów. Spektrometry fluorescencji rentgenowskiej stały się nieodzownym narzędziem kontroli procesów nakładania powłok cynkowych, cynkowo-niklowych, chromowych i wielu innych. Przemysł półprzewodników, stale się rozwijający i stale mierzący się z wyzwaniami związanymi z wzrostem cen metali szlachetnych szczególnie dba o kontrolę grubości powłoki złota na miedzi na produkowanych przez siebie płytkach PCB. Spektrometr fluorescencji rentgenowskiej jest tutaj szczególnie pomocny z uwagi na pole pomiaru, które możemy ograniczyć nawet do kilkudziesięciu mikrometrów.
Szczególnym zastosowaniem jest analiza składu metali szlachetnych w przemyśle jubilerskim. Pomimo, że kamień probierczy wykorzystywany jest od niepamiętnych czasów, branża złotnicza coraz chętniej przekonuje się do wykorzystywania nowych technologii. Pomiar spektrometrami XRF, gwarantuje nie tylko doskonałe pomiary złota, ale pozwala również znaleźć inne cenne pierwiastki takie jak rod, czy pallad co nie jest możliwe w przypadku kamienia probierczego. Dzięki temu potencjalne zyski mogą zostać powiększone o metale, których nikt wcześniej nawet nie doszukiwał się w stopie. Co więcej, z uwagi na rosnące ceny metali szlachetnych inwestorzy indywidualni skłonili się ku zakupom srebra inwestycyjnego, które pomimo znacznie niższych cen niż złoto, w dużych ilościach stanowi ciekawą opcję lokaty kapitału. W tym przypadku świetnie sprawdzi się fluorescencja rentgenowska, której nie da się zastąpić inną metodą i z której chętnie korzystają odlewnie srebra.
Ciekawym wykorzystaniem spektrometrów fluorescencji rentgenowskiej jest bieżąca kontrola zawartości głównych składników kąpieli galwanicznych. Pozwala to znacznie częściej niż ma to miejsce przy metodzie miareczkowej badać skład kąpieli a tym samym mieć lepszą kontrolę nad procesem nakładania powłok. Metoda jest już od dawna w przemyśle nakładania powłok i cieszy się sporym uznaniem. Coraz częściej jednak, również producenci wyrobów złotniczych chętnie korzystają z możliwości analizy grubości powłok – szczególnie złota, rodu, palladu, czy platyny.
Spektrometry XRF stały się nieodzownym narzędziem kontroli jakości w kluczowych obszarach przemysłu takich jak lotnictwo, przemysł samochodowy, wojskowy, elektroniczny czy też przemysł budowalny.
