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ballbet体育:光谱是什么?它包含哪些分析技术和应用场景(求科普)?

更新时间: 来源:ballbet西甲 作者:ballbet官网 点击:1 所属栏目:行业动态 Update Time: Hits:2 Belong Column:News

  光谱(spectrum) :是复色光经过色散系统(如棱镜、光栅)分光后,被色散开的单色光按波长(或频率)大小而依次排列的图案,全称为光学频谱。光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分,在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色,譬如褐色和粉红色。

  光波是由原子运动过程中的电子产生的电磁辐射。各种物质的原子内部电子的运动情况不同,所以它们发射的光波也不同。研究不同物质的发光和吸收光的情况,有重要的理论和实际意义,已成为一门专门的学科——光谱学。分子的红外吸收光谱一般是研究分子的振动光谱与转动光谱的,其中分子振动光谱一直是主要的研究课题。

  原理来自复色光中有着各种波长(或频率)的光,这些光在介质中有着不同的折射率。因此,当复色光通过具有一定几何外形的介质(如三棱镜)之后,波长不同的光线会因出射角的不同而发生色散现象,投映出连续的或不连续的彩色光带。这个原理亦被应用于著名的太阳光的色散实验。太阳光呈现白色,当它通过三棱镜折射后,将形成由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫顺次连续分布的彩色光谱,覆盖了大约在390到770纳米的可见光区。历史上,这一实验由英国科学家艾萨克·牛顿爵士于1665年完成,使得人们第一次接触到了光的客观的和定量的特征。

  由于每种原子都有自己的特征谱线,因此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。光谱分析在科学技术中有广泛的应用,历史上,通过光谱分析还帮助人们发现了很多新元素。19世纪初,在研究太阳光谱(见图 1.5)时,发现它的连续光谱中有许多暗线。最初不知道这些暗线是怎样形成的,后来人们了解了吸收光谱的成因,才知道这是太阳内部发出的强光经过温度比较低的太阳大气层时产生的吸收光谱,仔细分析这些暗线,把它跟各种原子的特征谱线对照,人们就知道了太阳大气层中含有氢、氦、氮、碳、氧、铁、镁、硅、钙、钠等几十种元素。

  随着各种光谱巡天项目的实施,越来越多的研究致力于更深入的光谱分析,从各种分辨率光谱、从紫外到射电各波长范围的天体光谱中,可以从中获得越来越多的天体信息,如元素丰度、恒星大气参数、速度(红移)、星族、恒星形成率……通过光谱越来越能够还原各类天体演化的各种场景。

  光谱简单的说就是光包含的成分信息。根据光子对应的能量多少(一般用波长表示),可以将光进行分类。波长从短到长,依次为三段区域紫外光,可见光,红外光。不同颜色的可见光就是对应不同波长的光。光谱就是光中各个波长成分的比例信息。一般表示方法是横坐标波长,纵坐标相对强度。

  电磁辐射包括:无线电波、微波、红外光、可见-紫外光以及X射线和γ射线 什么是光谱——人类认识世界的一双慧眼

  光谱(Spectrum),全称为光学频谱,是复色光通过色散系统(如光栅、棱镜)进行分光后,依照光的波长(或频率)的大小顺次排列形成的图案。光谱中最常见的一部分是可见光谱,这是电磁波谱中人眼可见的一部分,在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色,譬如褐色和粉红色。

  复色光中有着各种波长(或频率)的光,这些光在介质中有着不同的折射率。所以,我们知道,棱镜的分光原理是:当复色光通过具有一定几何外形的介质(如三棱镜)之后,波长不同的光线会因出射角的不同而发生色散现象,投映出连续的或不连续的彩色光带。这是我们早期从光光谱概念转换的常用例子。当然,现代意义上的光谱学,显然把光谱的概念扩展了许多,

  指的是当物质与辐射能相互作用时,物质内部的电子、质子等粒子发生能级跃迁,记录所产生的辐射能强度随波长(或相应单位)的变化,所得图谱称为光谱(波谱)。

  :有的物体能自行发光,由它直接产生的光形成的光谱叫做发射光谱。发射光谱可分为三种不同类别的光谱:线状光谱、带状光谱和连续光谱。

  :当光照射到物质上时,会发生非弹性散射,在散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分(瑞利散射)外,还有比激发光波长长的和短的成分,后一现象统称为拉曼效应。这种产生新波长的光的散射被称为拉曼散射,所产生的光谱被称为拉曼光谱或拉曼散射光谱。

  是光学的一个分支学科,它主要研究各种物质的光谱的产生及其同物质之间的相互作用。光谱是电磁辐射按照波长的有序排列,根据实验条件的不同,各个辐射波长都具有各自的特征强度。通过物质与不同频率的电磁波之间的相互作用来研究其性质(的一种方法/一门科学)。通过光谱的研究,人们可以得到原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识。但是,光谱学技术并不仅是一种科学工具,在化学分析中它也提供了重要的定性与定量的分析方法。

  1) 发射光谱可以区分为三种不同类别的光谱:线状光谱、带状光谱和连续光谱。线状光谱主要产生于原子,带状光谱主要产生于分子,连续光谱则主要产生于白炽的固体或气体放电。现在观测到的原子发射的光谱线已有百万条了。每种原子都有其独特的光谱,犹如人的指纹一样是各不相同的。根据光谱学的理论,每种原子都有其自身的一系列分立的能态,每一能态都有一定的能量在分子的发射光谱中,研究的主要内容是二原子分子的发射光谱。在分子中,电子态的能量比振动态的能量大50~100倍,而振动态的能量比转动态的能量大50~100倍。

  所研究的是物质吸收了那些波长的光,吸收的程度如何,为什么会有吸收等问题。研究的对象基本上为分子。

  吸收光谱的光谱范围是很广阔的,大约从10纳米到1000微米。在200纳米到800纳米的光谱范围内,可以观测到固体、液体和溶液的吸收,这些吸收有的是连续的,称为一般吸收光谱;有的显示出一个或多个吸收带,称为选择吸收光谱。所有这些光谱都是由于分子的电子态的变化而产生的。选择吸收光谱在有机化学中有广泛的应用,包括对化合物的鉴定、化学过程的控制、分子结构的确定、定性和定量化学分析等分子的红外吸收光谱一般是研究分子的振动光谱与转动光谱的,其中分子振动光谱一直是主要的研究课题。

  。从这些资料可以导出物质结构及物质组成成分的知识。这就是拉曼光谱具有广泛应用的原因。拉曼散射强度是十分微弱的,在激光器出现之前,为了得到一幅完善的光谱,往往很费时间。自从激光器得到发展以后,利用激光器作为激发光源,拉曼光谱学技术发生了很大的变革。激光器输出的激光具有很好的单色性、方向性,且强度很大,因而它们成为获得拉曼光谱的近乎理想的光源,特别是连续波氩离子激光器与氨离子激光器。于是拉曼光谱学的研究又变得非常活跃了,其研究范围也有了很大的扩展。除扩大了所研究的物质的品种以外,在研究燃烧过程、探测环境污染、分析各种材料等方面拉曼光谱技术也已成为很有用的工具。

  6 光谱分析法根据物质发射电磁辐射或物质对辐射的相互作用,建立物质的浓度、结构或某种性质与光学性质的关联,利用检测能量(电磁辐射即光)作用于待测物质后产生的辐射信号(光谱)或所引起的变化(波长和强度)进行定性、定量和结构分析的方法称为

  当物质受到紫外线照射时会发出不同颜色和强度的光, 而照射停止后, 发光也很快随之消失, 这种光就是荧光。

  荧光光谱技术是一种测定分子性质快速、高选择性、操作简单的方法,而且比其他光谱方法具有更高的灵敏度。荧光光谱技术可以定性和定量地检测所测物质,同时具有对样品无损、非接触等优点,使得其在食品检测领域具有很大的应用前景。

  分子荧光光谱技术即分子荧光光谱法,也称为分子荧光光谱分析。是利用荧光强度和波长进行定量、定性检测和分析的技术方法。目前,分子荧光光谱技术主要有下列六种:

  三维荧光法是近20多年发展起来的一门新的分子荧光分析技术,这种技术能够获得激发波长与发射波长或其它变量同时变化时的荧光强度信息。

  ,它的表示方法有两种,一是以发射波长、激发波长、荧光强度各自为轴的三维荧光立体图;二是以发射波长、激发波长为轴的荧光强度等高线图,全面展示了样品的所有荧光信息,可用峰位置、荧光强度、主峰陡度以及走向角等特征参数对样品进行识别。三维荧光光谱能较完整地表达研究体系的荧光信息,三维荧光等高线图具有指纹性,利用这些光谱信息结合化学计量学技术可完成多组分混合物体系中较为复杂的定量与定性分析任务。

  比较起来,传统的荧光发射(激发)光谱只是在某一个激发(发射)波长下扫描,而事实上,荧光是激发波长和发射波长两者的函数,所以传统的荧光发射(或激发)光谱并不能完整地描述物质的荧光特征。一个化合物荧光信息完整的描述需要三维光谱才能实现。这是进行光谱识别、表征的必要条件。另外,对一个含多种组分的荧光光谱(发射/激发)重叠的对象,传统的峰值定量法很难解决组分之间的干扰问题,需要从对象更完全的信息中寻找选择性的区域,或结合其它的优化手段才可能准确地实现多个组分的同时分析。

  所以,三维光谱以其高选择性、可观性、高信息量等优点在食品、医疗、环境、气象等方面有着广阔的应用前景。

  近红外光(NIR)是人们最早发现的非可见光区域,是一种介于可见光(VIS)和中红外光(MIR)之间的电磁波,具有波粒二象性,它的应用最为广泛。根据美国材料检测协会(ASTM)的定义,近红外光谱区域的波长范围为780~2526nm,即波数范围为12821~3959cm-1。光谱记录的主要是有机分子中含氢基团X-H(X=O,N,S,P)等振动的倍频和合频吸收信息。不同物质在近红外区域都有丰富的吸收光谱,每种成分都有特定的吸收特征,这是近红外分析技术的定性或定量分析物质组成成分的基础。

  现代近红外光谱分析是光谱测量技术、计算机技术与化学计量学技术的有机结合。它是采用化学计量学方法,对训练集样品测量的光谱数据和用标准方法或测定的样本组成或性质的基础数据进行关联,建立数学校正模型。然后通过对未知样品近红外光谱的测定,依据所建立的定量模型或判断模型来快速预测其组成或性质的一种分析方法。近红外光谱分析技术作为一种快速、无损的手段,目前已被广泛应用于食品、农产品的品质检测中。主要优缺点如下:

  分析效率高,通过一次光谱测量和已建立的相应校正模型,可同时对样品的多个组分或性质进行测定,提供定性、定量结果;

  自上世纪80年代起光谱成像技术融合了成像技术与光谱探测分析技术的优势,在对观测对象进行定位探测的同时还可定性定量地分析说明光谱成像技术,是种多学科综合的一项复杂技术,包括大气科学、光电工程、计算机技术、航空学、应用数学与统计学等。光谱成像技术可以提供双维度信息,即空间维与光谱维信息,图像测量的重点在于获取目标的空间变化特性,光谱测量是对所测目标的光学特性进行研究。

  ,△≈10,光谱分辨率数量级在100nm左右,光谱通道数一般为10到20个,适用于地带分类和土地适用评估;

  ,△≈100,光谱分辨率数量级在10nm左右,光谱通道数一般为100到400个,常用于农业、矿产、森林、陆地河流调查以及海岸地区分析等领域,高光谱图像通常是指在400~2500nm的波长(λ)范围内,光谱分辨率达到10-2λ数量级以内的高维大数据量图像。高光谱图像不同于以往的多光谱等传统的图像,具有许多新的特点:①高维性。可以为每个高光谱图像含有的像元提供几十、数百甚至上千个波段;②大数据量。随着高光谱图像含有的波段数的增加,数据量成指数增加;③波段连续。在一定的光谱范围内提供几乎连续的地物光谱;④数据冗余大。由于相邻波段高度相关,冗余信息也相对增加。这些特点使得高光谱图像处理所应用的技术不同于以往图像,需要不断探索新的技术和方法提高高光谱图像的处理精度。高光谱包含的光谱信息是一类直接描述地物特征的方式,可以用连续的光谱清晰反映地表物质的特性。

  高光谱技术将光谱技术与计算机视觉相结合,实现外部品质检测的同时,也能反映内部生物化学信息的变化,能对实验对象进行更全面的检测。当光辐射射入到物体时,会发生光辐射的反射。光辐射经过物体表面时直接发生反射,其一定程度上反应了物体的内部构造和生理的信息。③

  ,△≥1000,光谱分辨率数量级在1nm左右,光谱通道数可达1000个左右,通常用于微粒、大气探测等需求精细光谱结构的工作中。通过光谱成像技术所获取的数据为数据立方体(cube),图像空间信息一般用X和表示,波长信息一般用乙表示,数据立方体中的每一点均对应相应的辐射强度每一个点(XY)代表一个像元,每个像元均可提取一条连续的光谱曲线。成像光谱仪通常结合面阵探测器或者焦平面阵列(FPA)来产生3D立方数据,一般有两个步骤:1)顺序采集每个像元的数据信息,每个数据均具有完整的波长信息;2)顺序采集一个窄带空间的图像信息(宽度为1个像元,长度为多个像元)。5)激光诱导击穿光谱技术

  LIBS技术的基本原理是通过将从激光器中发出的一束高功率激光脉冲,经过透镜聚焦后入射到待测样品表面,使待测物样本被烧蚀激发,形成一个10-400μm的分析点,样品在高功率激光脉冲的作用下瞬间气化,产生高温、高密度的等离子体。激发产生的等离子体中包含更多的激发态的原子、离子和中性电子,当激发态的离子或原子发生能量跃迁时,发射特定波长的光波。通过用光谱仪对特定发射谱线光波数据的收集和分析,获得特定波段内元素的光谱信息,然后使用化学计量学分析方法对样本进行定性和定量分析

  6)拉曼光谱法拉曼散射是光与物质分子间相互作用下产生的联合光散射现象,它普遍存在于一切分子中,无论是气体、液体或固体。拉曼光谱分析法是基于拉曼散射效应对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息,可应用于包括固体、液体、气体等样品的分析检测。拉曼光谱技术可以提供快速、简单且无损伤的定性定量分析,它不需要对样品做任何修饰,样品可以直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英或塑料制成的透明容器壁收集拉曼信号。在工业生产中,人们往往偏向于选用拉曼光谱技术而弃用其他更成熟分析技术的主要原因就在于此。

  类似于傅里叶红外光谱仪,傅里叶拉曼光谱仪利用近红外光(1064nm)作为激发光源,能更好地从内在降低荧光干扰,测量波段宽,热效应小,也适用于扫描光不稳定的化合物;

  此外,在仪器构造方面,傅里叶光谱仪采用干涉仪而不存在任何狭缝或色散原件,一次扫描就可以得到全光谱,且扫描时间较短,使用方便,故傅里叶拉曼光谱在化学、生物学和生物医学样品的非破坏性结构鉴定方面有广泛应用,尤其在阐述络合生物体系和荧光化合物结构方面具有优势。

  空间位移拉曼光谱(SORS)作为一种新型分析技术,使用相对较低能量的激光,在分层扩散的散射系统中,分离单个层次的拉曼光谱,在激发点样品表面上的空间位移区域收集拉曼光谱,并随着空间位移的增加观察光谱信号的变化。由于光子在不同激光表面发生扩展,且拉曼光谱和荧光组分(同一层)具有相同的空间分布。因此,SORS技术能有效地消除物质表面的荧光干扰。因为不同位移处的拉曼光谱都有不同程度的表面和次表面的组分,可通过简单的数值方法分离不同层之间的拉曼光谱。这种方法使得采集不透明容器中的物质光谱成为可能。

  实验表明,强散射塑料可以掩盖未知材料的光谱特征,但通过偏移采集光谱,容器的拉曼信号强度降低,可以降低干扰的化学信号特征,也就是减弱了容器材料干扰的信号。

  显微拉曼光谱是将拉曼散射光谱仪与显微镜联用,保留显微镜的目镜便于观察样品,通过在散射光路上安装针孔,利用显微镜的激光聚焦到微米级,实现对样品的逐点扫描,以获得高分辨率的图谱。其结构主要有5个部分组成:激光光源、显微镜采样系统、外光路系统、光谱仪系统和计算机处理系统。当激光入射时,照射到待测样品上,外光路系统首先将激光光源的输出信号经过准直、滤光使其转变为平行光引入显微镜,再将反馈回的拉曼信号导入光谱仪。光谱仪包括光栅单色器和CCD检测单元,分别负责将拉曼散射信号按波长在空间分开,收集已分开的光信号并转化为电信号,导入计算机处理系统,根据建立的模型对拉曼光谱进行分析。

  整个测量过程快速,无污染,无破坏,稳定性好,需要的样品浓度低,在无损检测和原态检测方面具有优势。

  20世纪70年代末开始发展起来的表面增强拉曼光谱(SERS)技术,是结合表面增强机理形成的一种具有高灵敏度的拉曼分析技术,其原理在于当分子接近或吸附在贵金属纳米材料表面时,拉曼信号能被放大多个数量级,具有极高的灵敏度,可实现对痕量物质的检测,检测限可达到单分子水平。

  鉴于多种化合物都能产生表面增强效应,且随着便携式与手持式拉曼光谱仪和表面增强试剂的不断优化,表面增强拉曼光谱仪在食品药品痕量化学检测中广泛应用,如通过制备表面增强基地,与拉曼光谱技术相结合,为快速检出酸性橙Ⅱ、苏丹红、孔雀石绿等食品非法添加剂提供了有效方法。

  检测范围广,一次可以同时覆盖50~4000cm-1波数的区间,覆盖常见的有机物和无机物;无需破坏样品,能实现无损检测,过程无污染;灵敏度高,适用于水溶液的分析,需要的样品少,可用于低浓度检测;可结合计算机技术进行实时、实地在线监测,极大地提高了分析效率拉曼光谱法作为一种新的光谱分析方法,具有简单、快速、灵敏、无损的特点,广泛应用于各生产研究领域。

  太赫兹(THz)波是频率范围为0.1~10 THz,介于微波和红外之间的电磁波。近年来随着新材料和新技术的发展,人们对太赫兹波的研究迎来热潮,

  。近年来太赫兹技术因其重要的理论研究价值和广泛的应用前景引起了科学界的普遍关注。太赫兹光谱技术作为太赫兹科学发展的主要方向之一,可分为

  太赫兹时域光谱(THz-TDS)是太赫兹技术中的典型代表,是一种新兴的、有效的、发展迅速、应用广泛的光谱分析方法,它具有皮秒量级的时间分辨率,几十太赫兹的频带宽度。太赫兹时域光谱技术测量的是太赫兹电磁场随时间的变化,而不单单是强度或者相位,因此太赫兹时域光谱中包含丰富的光谱信息。大分子的振动、转动以及分子间的相互作用的能量都位于太赫兹波段,而大分子尤其是生物和化学分子具有特征官能团,因此太赫兹时域光谱技术能够被用来提取材料的光学参数以识别其化学结构和物理特性。

  THz-TDS技术作为一种较新的太赫兹技术,由于其独有的优点,使其在近十年间得到了快速的发展及广泛的应用。但是目前THz -TDS技术的光谱分辨率与窄波段技术相比还很粗糙,其测量的频谱范围也比傅立叶变换光谱(FTS)技术小。提高光谱分辨率和扩大测量频谱范围将是未来THz -TDS技术发展的主要方向。最近,太赫兹时域光谱技术的频率测量范围已经从远红外扩展到近红外。在不远的将来,THz -TDS技术将成为揭示和分析基础科学,如物理学、化学、和生物学中的超快现象的强有力工具。同时,随着激光器成本的降低,更高效的太赫兹发射器和探测器的出现,以及更先进的光学设计,THz -TDS技术将有着广阔的商业应用前景。

  电磁波谱技术作为人类认识世界的工具,扩展了人们观察世界的能力。人眼借助于可见光可以欣赏五颜六色的世界,利用红外变换光谱技术和拉曼光谱技术等可以了解分子的振动和转动等性质,利用X射线衍射技术可以了解物质的结构信息。而太赫兹光谱技术作为新兴的光谱技术能够与红外、拉曼光谱技术形成互补,甚至在某些方面能够发挥不可替代的作用,从而成为本世纪科学研究的热点领域。

  光谱学是一种通用的方法,它可以适用于很多情形提取你需要的信息(电子的能量、振动态、转动态、分子的结构和对称性、动力学信息)。

  我们希望通过光谱来理解光与物质之间是如何相互作用的并且掌握如何使用光谱来量化地了解样品(获取样品信息)。

  理解了光谱学,就像我们理解其他一般测量的常见工具一样,像表或尺子那样,我们将会发现,光谱学是一组工具

  光谱学实验技术得到长足发展,研究对象已从原子、简单分子扩展至复杂分子、分子聚集体、凝聚态物质,尤其是生物分子、纳米材料……

  连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光谱叫做连续光谱。炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱。例如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。

  只含有一些不连续的亮线的光谱叫做明线光谱。明线光谱中的亮线叫做谱线,各条谱线对应于不同波长的光。稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱。明线光谱是由游离状态的原子发射的,所以也叫原子光谱。观察气体的原子光谱,可以使用光谱管,它是一支中间比较细的封闭的玻璃管,里面装有低压气体,管的两端有两个电极。把两个电极接到高压电源上,管里稀薄气体发生辉光放电,产生一定颜色的光。

  观察固态或液态物质的原子光谱,可以把它们放到煤气灯的火焰或电弧中去烧,使它们气化后发光,就可以从分光镜中看到它们的明线光谱。

  实验证明,原子不同,发射的明线光谱也不同,每种元素的原子都有一定的明线光谱。每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光,因此,明线光谱的谱线叫做原子的特征谱线。利用原子的特征谱线可以鉴别物质和研究原子的结构。

  吸收光谱高温物体发出的白光(其中包含连续分布的一切波长的光)通过物质时,某些波长的光被物质吸收后产生的光谱,叫做吸收光谱。例如,让弧光灯发出的白光通过温度较低的钠气(在酒精灯的灯心上放一些食盐,食盐受热分解就会产生钠气),然后用分光镜来观察,就会看到在连续光谱的背景中有两条挨得很近的暗线,这就是钠原子的吸收光谱。值得注意的是,各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应.这表明,低温气体原子吸收的光,恰好就是这种原子在高温时发出的光。因此,吸收光谱中的谱线(暗线),也是原子的特征谱线,只是通常在吸收光谱中看到的特征谱线比明线光谱中的少。

  光谱分析由于每种原子都有自己的特征谱线,因此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。做光谱分析时,可以利用发射光谱,也可以利用吸收光谱。这种方法的优点是非常灵敏而且迅速。某种元素在物质中的含量达10-10克,就可以从光谱中发现它的特征谱线,因而能够把它检查出来。光谱分析在科学技术中有广泛的应用:

  光谱分析对于研究天体的化学组成也很有用。十九世纪初,在研究太阳光谱时,发现它的连续光谱中有许多暗线。最初不知道这些暗线是怎样形成的,后来人们了解了吸收光谱的成因,才知道这是太阳内部发出的强光经过温度比较低的太阳大气层时产生的吸收光谱。仔细分析这些暗线,把它跟各种原子的特征谱线对照,人们就知道了太阳大气层中含有氢、氦、氮、碳、氧、铁、镁、硅、钙、钠等几十种元素。

  复色光经过色散系统分光后按波长的大小依次排列的图案,如太阳光经过分光后形成按红橙黄绿蓝靛紫次序连续分布的彩色光谱。有关光谱的结构,发生机制,性质及其在科学研究、生产实践中的应用已经累积了很丰富的知识并且构成了一门很重要的学科~光谱学。光谱学的应用非常广泛,每种原子都有其独特的光谱,犹如人们的“指纹”一样各不相同。它们按一定规律形成若干光谱线系。原子光谱线系的性质与原子结构是紧密相联的,是研究原子结构的重要依据。应用光谱学的原理和实验方法可以进行光谱分析,每一种元素都有它特有的标识谱线,把某种物质所生成的明线光谱和已知元素的标识谱线进行比较就可以知道这些物质是由哪些元素组成的,用光谱不仅能定性分析物质的化学成分,而且能确定元素含量的多少。光谱分析方法具有极高的灵敏度和准确度。在地质勘探中利用光谱分析就可以检验矿石里所含微量的贵重金属、稀有元素或放射性元素等。用光谱分析速度快,大大提高了工作效率,还可以用光谱分析研究天体的化学成分以及校定长度的标准原器等。

  复色光经过色散系统(如棱镜、光栅)分光后,按波长(或频率)的大小依次排列的图案。例如,太阳光经过三棱镜后形成按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫次序连续分布的彩色光谱。红色到紫色,相应于波长由7,700-3,900埃的区域,是为人眼所能感觉的可见部分。红端之外为波长更长的红外光,紫端之外则为波长更短的紫外光,都不能为肉眼所觉察,但能用仪器记录。

  因此,按波长区域不同,光谱可分为红外光谱、可见光谱和紫外光谱;按产生的本质不同,可分为原子光谱、分子光谱;按产生的方式不同,可分为发射光谱、吸收光谱和散射光谱;按光谱表观形态不同,可分为线光谱、带光谱和连续光谱。

  由狭窄谱线组成的光谱。单原子气体或金属蒸气所发的光波均有线状光谱,故线状光谱又称原子光谱。当原子能量从较高能级向较低能级跃迁时,就辐射出波长单一的光波。严格说来这种波长单一的单色光是不存在的,由于能级本身有一定宽度和多普勒效应等原因,原子所辐射的光谱线总会有一定宽度(见谱线增宽);即在较窄的波长范围内仍包含各种不同的波长成分。原子光谱按波长的分布规律反映了原子的内部结构,每种原子都有自己特殊的光谱系列。通过对原子光谱的研究可了解原子内部的结构,或对样品所含成分进行定性和定量分析。

  由一系列光谱带组成,它们是由分子所辐射,故又称分子光谱。利用高分辨率光谱仪观察时,每条谱带实际上是由许多紧挨着的谱线组成。带状光谱是分子在其振动和转动能级间跃迁时辐射出来的,通常位于红外或远红外区。通过对分子光谱的研究可了解分子的结构。

  包含一切波长的光谱,赤热固体所辐射的光谱均为连续光谱。同步辐射源(见电磁辐射)可发出从微波到X射线的连续光谱,X射线管发出的轫致辐射部分也是连续谱。

  具有连续谱的光波通过物质样品时,处于基态的样品原子或分子将吸收特定波长的光而跃迁到激发态,于是在连续谱的背景上出现相应的暗线或暗带,称为吸收光谱。每种原子或分子都有反映其能级结构的标识吸收光谱。研究吸收光谱的特征和规律是了解原子和分子内部结构的重要手段。吸收光谱首先由J。V。夫琅和费在太阳光谱中发现(称夫琅和费线),并据此确定了太阳所含的某些元素。具体的元素光谱:红色代表硫元素,蓝色代表氧元素,而绿色代表氢元素。

  20世纪末已经发展和成熟的数字化、智能化、网络化光谱分析检测技术和光谱仪器,目前已成为光谱技术和光谱仪器持续发展的主要方向;以光学原理为基础、以精密机械为构架、以电子信号处理为显示的传统光-机-电一体化光谱仪器已经退缩为现代光谱仪器中的二等地位组成,而数字化、智能化、网络化等部分已成为仪器的核心组成。近期国内外新颖光谱仪器新产品层出不穷,其主要变化或进展大部分都体现在核心数字化组成方面,光机电%基本组成没有实质性的变化。

  可以预计,虽然光机电%基本组成也会随着全球高科技发展而不断更新,例如2004年德国Zeiss公司推出应用连续光源、交叉色散系统的contrAA连续光源原子吸收分光光度计构成的核心组成的不断吸收最新高科技发展成果而不断更新,而且使光谱仪器发生出人意料的革命性变化,将是今后若干年光谱仪器事业持续发展的主流方向。例如,在数字化高科技基础上将光谱分析技术与光学成像技术巧妙结合发展出光谱成像技术,将光谱技术?进化%到既能完成定性、定量分析,又可进行定位分析的新科技,满足新世纪提出的?看到人脑组织中化学、生化成分分布图%之类的新要求。

  现代科技在高集成器件技术(如芯片技术)、传感器、微型器件、硅工艺方面的成果日新月异,其功能、性能常有惊人的进展,而现代信息理论、数学处理方法、计算软件系统也在不断发展,这些成果都会很快被吸收入新颖光谱仪器事业的持续发展进程中。例如,传统的一维信息获取、处理思维正在被多维信息获取和处理思维所取代,这必然将目前一台仪器只能针对一个检测目标获取单一分析检测信息的光谱仪器?进化%到借助复合多维、多功能传感器和多维信息实时处理、运算手段,从而同时给出实时多维信息的全新面貌;也就是说,一台光谱仪器不单可以给出检测试样的光谱曲线(从而获得试样成分信息),而是可同时给出试样成分及其变化,以及诸如化学结构、物理形态、活性状态等相关信息及其变化等。发展多维信息化光谱仪器就可避免瞎子摸象式只能给出?象是弯曲的管状物(只摸到象鼻)或象是圆柱状的(只摸到象腿)的单维信息造成的片面或错误理解或判断,不但可给出象的整体描述,而且可以给出例如象皮粗糙程度、象体重量、象走动速度、象体不同部位温度分布等多维信息。新世纪科技、经济、社会、军事发展,迫切需求掌握事物的实时多维信息,用很多台只能分别给出不同单维信息的仪器去描述、记录,评判复杂、多变、多相关的科技、经济、社会和军事对象,给出一大堆互不相关、难以比对分析的信息,确实已不能适应新发展形势的新要求。

  光谱仪器事业继续沿着全方位发展的道路持续发展光谱技术和光谱仪器在现代科技、现代大产业(大规模自动化生产、大规模可控科技农业等)的持续发展要求下,不但会继续发展高精度、多功能大型光谱分析检测仪器或相应的系统,以满足诸如现代航空航天、环境生态保护、自然灾害预测预报、全球性传染病(爱滋、禽流感、非典、疟疾)控制、大规模战争和恐怖活动控制等领域的分析检测要求,会发展大量新的高灵敏、高分辨、高可靠、多维信息的科学型光谱仪器或系统,并得到快速推广应用;而且会更多地出现可在现场、生产线、战场实地工作、无人监守、联网工作的种种新颖的实用型光谱仪器或系统,成为大批量生产在线测控、野外环境监测等领域必不可少的分析检测手段。这种光谱仪器必须跳出实验室设备%、大型精密贵重仪器%的框子,能忍受现场、野外(包括太空)的严酷工作环境及强、乱、变化多端的干扰(如强电磁干扰、恶劣气候变化等)、能无人值守、脱离电网长期工作、自动监测、自动调整最佳工作状态、自动联网交换信息。因此,大型精密研究级光谱仪器与现场、在线测控实用级光谱仪器或系统,今后一二十年都会受到重视会得到显著发展。

  今后光谱仪器仍会沿着上世纪末已开始的应用面拓宽、转移的方向发展,将由传统科技基础学科(理、化、天文、生物)、矿物分析、工业产品质量控制等理论研究、物质生产领域继续向生物医学、环境生态、社会安全、国防建设等与人直接相关的领域拓展。近年来,国内外已经发展种种直接与人相关的光谱仪器,可直接获取来自人体皮肤的荧光,从而检测化妆品、药品的应用效果、皮肤增生、头发损伤、紫外线防护效果等,仪器不必样品制备、也无样品池,使用方便;也可用于水质分析、土壤分析、环境分析以及农产品、食品、化妆品分析等。

  可以预计,今后相当长时期内光谱仪器事业仍然将继续拓展应用面:科技部门将不断提出开发出新的应用领域或新的应用要求,尤其是直接与人相关的应用新要求;仪器研发、生产单位会不断根据种种新的应用需求、推出种种新颖光谱仪器,而且市场前景将会成为光谱仪器或系统的研发、生产重点;在多领域大发展形势下,光谱分析检测的应用会不断更新,广大的光谱分析用户会开发出种种新的光谱分析方法,提出新的应用要求和对新颖光谱仪器的开发要求。我们会面临前所未见的光谱仪器事业方方面面的不断获得新应用成果的持续发展局面。

  上世纪后期,由于发展形势提出的要求以及化学计量学%、新颖数学方法、计算机软硬件等方面的发展,近红外光谱分析技术得到复兴,多种近红外光谱仪器不断涌现。由于近红外光谱分析技术有样品制备简便(甚至不需制备处理可直接分析)、可实现在线分析检测、可完成多组分同时分析等优点,全球范围出现近红外光谱的发展热潮;我国石油化工研究院、中国农业大学等单位也正开发出油品检测近红外光谱仪、农产品分析近红外光谱仪等,在科研、应用领域获得很大发展成果。

  传统光谱仪器不但是大型精密、贵重仪器,而且对工作环境条件(温度、湿度、振动、电磁干扰要求严酷,必须要由专业分析人员)。为适应全球发展形势,上世纪后期已有强烈的光谱仪器小型化、便携式、现场化的需求,并已出现光谱仪器小型化的潮流,研发小型化光谱仪器成为各国科技、产业部门的关注重点。至于现代军事科技发展迫切需求的战场、现场快速放射、生物、化学武器侦查的便携式光谱仪,今后若干年会成为全球各国研发重点。

  可以预计,由于新世纪全球多领域的新发展对小型化光谱仪器的研发、生产、应用需求会更加迫切,一定会成为今后相当长时期内备受关注的方向。

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