Спектроскоп

Принцип действия вышеперечисленных видов спектроскопа схож, несмотря на улучшения и изменения различных приборов. В устройстве спектроскопа используются три основных элемента — коллиматор с объективом, то есть приёмник света; призма, или дифракционная решётка; зрительная труба^[2].

Лучи света, попадающие в прибор через щель и объектив коллиматора, выходят параллельными между собой, благодаря чему полученный спектр наиболее удобно наблюдать. Далее, выйдя из коллиматора, лучи света попадают в призму — прибор, разлагающий и преломляющий свет. Часто используют систему из нескольких призм, которая усиливает рассеивание света. Наконец, свет попадает в обыкновенную зрительную трубу, в которой через окуляр исследователи рассматривают полученный спектр^[3].

Стоит упомянуть, что существуют и прочие дополнительные составные части спектроскопа, такие как подставка для прибора, приспособление для изменения угла лучепреломления и другие. Кроме того, в случае рассмотрения более инновационных приборов, добавляются соответствующие узлы — например, фотокамера, фотоэлектронный умножитель и другие^[1].

Спектральный анализ — это совокупность методов, с помощью которых в результате изучения спектров взаимодействия материи с излучением исследуемого объекта количественно определяют содержание в нём интересующих элементов^[4].

Разложение света, лежащее в основе спектрального анализа, было замечено ещё Ньютоном, когда он пропускал луч света через круглое отверстие, ставя на его пути стеклянную призму^[5]. Впоследствии Фраунгофер смог систематизировать образующиеся после разложения линии, а дальнейшие исследования показали, что у каждого тела, доведённого до состояния белого каления (до наивысшей температуры), присутствует уникальный набор полос, которые имеют свой цвет и располагаются на конкретном участке спектра. Иными словами, исследователь при должной осведомлённости может по виду спектра определить, какое перед ним вещество^[1].

Важное преимущество спектрального анализа перед химическим — возможность обнаружить наличие вещества в очень малом количестве. Так, было открыто, что натрий можно определить даже в случае, когда его содержание в теле не превосходит миллионной доли грамма^[1].

Говоря об использовании спектрального анализа в астрономии, стоит упомянуть, что с его помощью учёные смогли определить присутствие на Солнце многих веществ, в том числе металлов, встречающихся на планете Земля. Так, спектр Солнца был пересечён тёмными линиями, которые располагались на местах, занимаемыми светлыми линиями некоторых веществ. Далее исследователи заметили, что когда свет от раскалённого до температуры плавления вещества проходит сквозь его пары, то свет частично поглощается из-за взаимодействия с этими парами, и на основании спектров пропускания этих паров можно делать выводы об их химическом составе. Таким образом стало возможным определить, из каких веществ состоит тело, испускающее световые лучи^[1].

Кроме того, благодаря инфракрасной спектроскопии можно изучать безоблачное ночное небо, невидимые облака и перемещения масс атмосферного воздуха с определёнными влажностью и температурой. Так, в обсерватории БГУ характеристики невидимых облаков изучаются с помощью ИК-спектроскопии комплексом, основу которого составляют три зеркальных объектива. Рассматриваемый спектр таких исследований — 2-6 мкм^[6].

В органической химии используются несколько разновидностей спектроскопии. Например, инфракрасная спектроскопия широко применяется для определения и подтверждения качества фармацевтических субстанций и действующих веществ пестицидов, так как особенности ИК-спектроскопии позволяют идентифицировать различные функциональные группы (амидную, карбонильную, карбоксильную, гидроксильную и другие)^[7].

С помощью спектроскопии ультрафиолетового диапазона исследователи наблюдают хромофоры. Они входят в состав нуклеиновых кислот и белков, по этой причине такой вид спектроскопии используется в биохимических исследованиях^[7].

Другой тип спектроскопии — ядерного магнитного резонанса — сегодня считается основным инструментом исследования кинетики и динамики молекул в растворах, а также установления строения молекул и состава биологических жидкостей. С помощью такого типа исследования специалисты могут определить содержание метаболитов в физиологических жидкостях человека, определить их отклонение от нормы, а также изучить метаболический профиль пациента в процессе лечения или во время операционного вмешательства^[8].

В стоматологии спектроскопия широко используется для определения кариеса. Дело в том, что флуоресцентные свойства здоровых и заражённых тканей различны и рассеивают свет в прямой зависимости от степени деминерализации. Считается, что флуоресцентная спектроскопия очень эффективна в определении ранних кариозных изменений, этот метод позволяет фиксировать повреждение тканей на глубину 5-8 мкм^[9].

Кроме того, для изучения повреждений мозга (ЧМТ) используется церебральная инфракрасная спектроскопия. Сегодня она является составной частью комплекса нейромониторинга. Принцип её работы заключается в следующем: с трансмиттера выходит пучок света, через мягкие ткани головы и кости черепа он проникает в паренхиму головного мозга, он отражается и попадает на эмиттер. Так, результаты исследований напрямую зависят от концентрации, и, следовательно, степени поглощения оксигемоглобина (${\displaystyle {{\ce {HbO2}}}}$), дезоксигемоглобина (${\displaystyle {{\ce {HHb}}}}$), цитохромоксидазы. Их концентрация зависит от уровня насыщенности и метаболизма тканей.

В геологии, а именно в изучении нефтяных фракций, получила распространение ИК-спектроскопия. Инфракрасные спектры, которые классифицируются по содержанию метановых, ароматических и нафтеновых углеводородов, служат для определения нефти неизвестного химического состава^[10].

В дополнение, с помощью инфракрасной спектроскопии были исследованы алмазы из кимберлитовых трубок с Накынского и Алакит-Мархинского полей Якутии. Исследователи выявили, что алмазы с разных кимберлитовых полей различны по содержанию и степени агрегации азота^[11].