人类借助光认知世界有两种方式：一是光学成像，二是光谱分析。光学成像可以看到物质世界的形状、尺寸等外在信息；地球上所知的元素及其它们的化合物都有自己的特征光谱线，光谱分析可以获得物质成分信息，帮助我们看清事物的本质。

每种原子都有自己的特征谱线，可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成，这种方法叫做光谱分析。光谱分析非常灵敏而且迅速，可以利用发射光谱，也模拟的自然光光谱图案可以利用吸收光谱。

光谱技术的发展历程（图片来源：ofweek光学网）

应用

测量光谱特性最方便的装置是光谱仪，光谱仪的应用很广，在农业、天文、汽车、生物、化学、镀膜、色度计量、环境检测、薄膜工业、食品、印刷、造纸、拉曼光谱、半导体工业、成分检测、颜色混合及匹配、生物医学应用、荧光测量、宝石成分检测、氧浓度传感器、真空室镀膜过程监控、薄膜厚度测量、LED测量、发射光谱测量、紫外/可见吸收光谱测量、颜色测量等领域都在发挥着巨大的作用。

按照波长分类

按照原理分类，光谱可分为发射光谱、吸收光谱和散射光谱。

按产生本质，光谱可分为分子光谱与原子光谱。

今天，我们就从原子光谱法和分子光谱法的维度来介绍下光谱

原子光谱，是由原子中的电子在能量变化时所发射或吸收的一系列波长的光所组成的光谱。原子吸收光源中部分波长的光形成吸收光谱，为暗淡条纹；发射光子时则形成发射光谱，为明亮彩色条纹。两种光谱都不是连续的，且吸收光谱条纹可与发射光谱一一对应。每一种原子的光谱都不同，遂称为特征光谱。原子光谱法是由原子外层或内层电子能及的变化产生的，他的表现形式为线光谱。

常用的原子光谱有：

• 原子发射光谱法（AES）   

• 原子吸收光谱法（AAS）

• 原子荧光光谱法（AFS)

• X射线荧光光谱法(XFS)

原子发射光谱AES是根据每种原子或离子在热或电激发下，发射出特征的电磁辐射而进行元素定性和定量分析的方法。

AES仪器结构

AES仪器由光源、单色系统、检测系统三部分组成。

应用

根据样品的特性选择不同光源的原子发射光谱检测仪器

原子吸收光谱（AAS），即原子吸收分光光度法，是基于气态的基态原子外层电子对紫外光和可见光范围的相对应原子共振辐射线的吸收强度来定量被测元素含量为基础的分析方法，是一种测量特定气态原子对光辐射的吸收的方法。

应用：

原子吸收光谱是分析化学领域中一种极其重要的分析方法，已广泛用于冶金工业。吸收原子吸收光谱法是利用被测元素的基态原子特征辐射线的吸收程度进行定量分析的方法。既可进行某些常量组分测定，又能进行ppm、ppb级微量测定，可进行钢铁中低含量的Cr、Ni、Cu、Mn、Mo、Ca、Mg、Als、Cd、Pb、Ad；原材料、铁合金中的K2O、Na2O、MgO、Pb、Zn、Cu、Ba、Ca等元素分析及一些纯金属（如Al、Cu）中残余元素的检测。

原子荧光光谱分析法（AFS）是20世纪六十年代中期以后发展起来的一种新的痕量分析方法。原子蒸气受到具有特征波长的光源照射后，其中一些自由原子被激发跃迁到较高能态，然后活回到某一较低能态（常常是基态）而发射出的特征光谱叫做原子荧光。各种元素都有其特定的原子荧光光谱，根据原子荧光强度的高低可测得试样中待测元素的含量。

氢化物-原子荧光（HG-AFS）是基于以下反应将分析元素转化为室温下的气态氢化物： 

式中的Em+ 是指可以形成氢化物元素的离子，如铅、砷、锑、铋、硒、碲、锡、锗等，另外汞可以形成气态原子汞，镉和锌可生成气态组分，均可以用本方法分析。

应用：

原子荧光法的灵敏度较原子吸收法高，但没有原子吸收法应用广泛，目前主要用于Cd，Zn，Hg，As，Sb，Sn，Pb，Ga，In，Tl 等元素分析。

氢化物-原子荧光（HG-AFS）是具有有中国特色的分析技术。检测元素：As、Sb、Bi、Ge、Se、Pb、Te、Sn、Cd、Zn、Hg。

当照射原子核的X射线能量与原子核的内层电子的能量在同一数量级时，核的内层电子吸收射线的辐射能量后发生共振跃迁，而在内层电子轨道上留下一个空穴，处于高能态的外层电子跳回低能态的空穴，将过剩的能量以X射线的形式放出，所产生的X射线即为代表各元素特征的X射线荧光谱线。其能量等于原子内壳层电子的能级差，即原子特定的电子层间跃迁能量。只要测出一系列X射线荧光谱线的波长，即能确定元素的种类；测得谱线强度并与标准样品比较，即可确定该元素的含量。由此建立了X射线荧光光谱法(XFS)

X射线荧光光谱仪分为：波长色散型和能量色散性

应用：

X射线荧光分析技术已被广泛用于冶金、地质、矿物、石油、化工、生物、医疗、刑侦、考古等诸多部门和领诚。X射线荧光光谱分析不仅成为对其物质的化学元素、物相、化学立体结构、物证材料进行试测，对产品和材料质量进行无损检测，对人体进行医检和微电路的光刻检验等的重要分析手段，也是材料科学、生命科学、环境科学等普遍采用的一种快速、准确而又经济的多元素分析方法。

分子光谱

在分子中，电子态的能量比振动态的能量大50~100倍，而振动态的能量又比转动态的能量大50~100倍。因此在分子的电子态之间的跃迁中，总是伴随着振动和转动跃迁的，因而许多光谱线就密集在一起而形成分子光谱。因此，分子光谱又叫做带状光谱。

常用的分子光谱有：

• 紫外可见分光光度法(UV-Vis),

• 红外光谱法（IR）

• 分子荧光光谱法（MFS）

• 分子磷光光谱法（MPS）等

• 紫外可见分光光度法(UV-Vis)

UV-VIS依据电子跃迁光谱，通常分子轨道基态外层电子处在，当分子外层吸收紫外或者可见辐射后，从基态向激发态跃迁。其中紫外光谱：200~400nm，可见400~780nm。其定性依据是不同物质对不同波长吸光度不同，定量依据是朗伯比尔定律 A= εbc 吸光度分子

仪器组成：光源——单色器——狭缝——样品池——检测器

适用范围

一般适用于有机物，尤其是含有发色光能团、大共轭体系如含有苯环的有机物的测定

优点：灵敏度高、选择性好、准确度好、通用性强、操作简单、价格低廉 

缺点：远不如红外光谱好，很多化合物在紫外没有吸收或者吸收很弱，而且紫外光谱特征性不强。可以用来检验一些具有大的共轭体系或者发色官能团，并作为其他方法的补充。

红外光谱法（IR）

红外光谱是反映分子的振动情况。当用一定频率的红外光照射某物质分子时，若该物质的分子中某基团的振动频率与它相同，则此物质就能吸收这种红外光，使分子由振动基态跃迁到激发态。因此，若用不同频率的红外光依次通过测定分子时，就会出现不同强弱的吸收现象。用Ｔ％－λ作图就得到其红外光吸收光谱。红外光谱具有很高的特征性，每种化合物都具有特征的红外光谱。用它可进行物质的结构分析和定量测定。

仪器结构包括：光源，吸收池，单色器，检测器

☞应用范围：

红外光谱可以研究分子的结构和化学键，如力常数的测定和分子对称性等，

利用红外光谱方法可测定分子的键长和键角，并由此推测分子的立体构型。

根据所得的力常数可推知化学键的强弱，由简正频率计算热力学函数等。

许多有机官能团例如甲基、亚甲基、羰基，氰基，羟基，胺基等等在红外光谱中都有特征吸收，这为最终确定未知物的化学结构奠定了基础。

特点：

 a).具有高度特征性。

 b).应用范围广，可分析有机化合物，无机化合物及高聚物。

 c).操作简便，分析速度快，不破坏样品。不受样品状态影响。

 d).灵敏度低，只能用于分析单一的纯物质。

分子荧光光谱法（MFS）

某些物质吸收了特征频率的光子，变成第一激发单重态，在回到基态过程中发射出比原激发波长更长的荧光，以荧光波长为横坐标，以荧光强度为纵坐标作图，即为荧光激发光谱。

结构：进行分子荧光光谱分析的仪器称荧光分光光度计。它由5 部分组成：光源；单色器；样品池；检测器；显示装置。

产生荧光的第一个必要条件是该物质的分子必须具有能吸收激发光的结构，通常是共轭双键结构；第二个条件是该分子必须具有一定程度的荧光效率，即荧光物质吸光后所发射的荧光量子数与吸收的激发光的量子数的比值。

应用领域

荧光光谱仪被广泛应用于化学、环境和生物化学领域。

1.是研究小分子与核酸相互作用的主要手段。通过药物与核酸相互作用，使DNA与探针键合的程度减小，反映在探针荧光光谱的改变，从而可以了解药物和核酸的作用机理。

2.荧光光谱仪是研究药物与蛋白质相互作用的常用仪器。药物与蛋白质相互作用后可能引起药物自身荧光光谱和蛋白质自身荧光(内源荧光)光谱以及同步荧光光谱的变化，如荧光强度和偏振度的改变、新荧光峰的出现等。

处于第一最低单重激发态分子以无辐射弛豫方式进入第一激发三重态，再跃迁返回基态发出磷光，测定磷光强度进行定量分析的方法。

分子磷光与分子荧光的关系。

分子磷光光谱仪与分子荧光光谱仪原理、结构相似，便不在赘述