2.2　光谱分析法及其分类

不同能量的电磁辐射，与物质间发生作用的机理不同，所产生的物理现象也不同，由此可建立各种不同的光学分析方法。

2.2.1　光谱法

光谱（也称波谱）是当物质与辐射能相互作用时，其内部的电子、质子等粒子发生能级跃迁，对所产生的辐射能强度随波长（或相应单位）变化作图而得。利用物质的光谱进行定性、定量和结构分析的方法称为光学分析法或光谱法。光谱法种类很多，发射光谱法、吸收光谱法和散射光谱法是光谱法的三种基本类型，在药物分析、化工分析、卫生分析、生化检验等诸多领域有极广泛的应用。

（1）发射光谱法

发射光谱是指构成物质的原子、离子或分子受到辐射能、热能、电能或化学能的激发，跃迁到激发态后，由激发态回到基态时以辐射的方式释放能量，而产生的光谱。物质发射的光谱有三种：线状光谱、带状光谱和连续光谱。线状光谱是由气态或高温下物质在离解为原子或离子时被激发而发射的光谱；带状光谱是由分子被激发而发射的光谱；连续光谱是由炽热的固体或液体所发射的。

利用物质的发射光谱进行定性、定量分析的方法称为发射光谱法。常见的发射光谱法有原子发射、原子荧光、分子荧光和磷光光谱法等。

①原子发射光谱法　在正常状态下，原子外层价电子处于基态，在受到外部能量作用而被激发后，由能量较低的基态跃迁到能量较高的激发态。处于激发态的电子十分不稳定，在极短时间内返回到基态或其他较低的能级时，特定元素的原子可发射出一系列不同波长的特征光谱线，这些谱线按一定的顺序排列，并保持一定强度比例，通过这些谱线的特征来识别元素，测量谱线的强度来进行定量，这就是原子发射光谱法。

②荧光或磷光　光谱法气态金属原子和物质分子受电磁辐射（一次辐射）激发后，能以发射辐射的形式（二次辐射）释放能量返回基态，这种二次辐射称为荧光或磷光，测量由原子发射的荧光和分子发射的荧光或磷光强度和波长所建立的方法分别称为原子荧光光谱法、分子荧光光谱法和分子磷光光谱法。同样作为发射光谱法，这三种方法与原子发射光谱法的不同之处是以辐射能（一次辐射）作为激发源，然后再以辐射跃迁（二次辐射）的形式返回基态。

分子荧光和分子磷光的发光机制不同，荧光是由单线态-单线态跃迁产生的。由于激发三线态的寿命比单线态长，在分子三线态寿命时间内更容易发生分子间碰撞导致磷光猝灭，所以测定磷光光谱需要用特殊溶剂或刚性介质“固定”三线态分子，以减少无辐射跃迁，达到定量测定的目的。

（2）吸收光谱法

吸收光谱是指物质吸收相应的辐射能而产生的光谱。其产生的必要条件是所提供的辐射能量恰好满足该吸收物质两能级间跃迁所需的能量。利用物质的吸收光谱进行定性、定量及结构分析的方法称为吸收光谱法。根据物质对不同波长的辐射能的吸收，建立了各种吸收光谱法。

①原子吸收光谱法　原子中的电子总是处于某一种运动状态之中。每一种状态具有一定的能量，属于一定的能级。当原子蒸气吸收紫外-可见光区中一定能量光子时，其外层电子就从能级较低的基态跃迁到能级较高的激发态，从而产生所谓的原子吸收光谱。通过测量处于气态的基态原子对辐射能的吸收程度来测量样品中待测元素含量的方法，称为原子吸收光谱法。

②分子吸收光谱法　分子吸收光谱产生的机理与原子吸收光谱相似，也是在辐射能的作用下，由分子内的能级跃迁所引起。但由于分子内部的运动所涉及的能级变化比较复杂，因此分子吸收光谱比原子吸收光谱要复杂得多。根据照射辐射的波谱区域不同，分子吸收光谱法可分为紫外分光光度法、可见分光光度法和红外分光光度法等。

a.紫外分光光度法（ultraviolet spectrophotometry，UV），又称紫外吸收光谱法。紫外线波长范围为10～400nm，其中10～200nm为远紫外区，又称真空紫外区；200～400nm为近紫外区。与之对应的方法有远紫外分光光度法和近紫外分光光度法。远紫外线能被空气中的氧气和水强烈地吸收，利用其进行分光光度分析时需将分光光度计抽真空，因此远紫外分光光度法的研究与应用不多。通常所说的紫外分光光度法指的是近紫外分光光度法。近紫外线光子能量约为6.2～3.1eV，能引起分子外层电子（价电子）的能级跃迁并伴随振动能级与转动能级的跃迁，故吸收光谱表现为带状光谱。

b.可见分光光度法（visible spectrophotometry，VIS），可见光波长范围为400～760nm，光子能量为3.1～1.6eV。能引起具有长共轭结构的有机物分子或有色无机物的价电子能级跃迁，同时伴随分子振动和转动能级跃迁，吸收光谱也为带状。

紫外分光光度计上一般具有可见波段，因此常把紫外分光光度法和可见分光光度法合称为紫外-可见分光光度法（UV-VIS）。

c.红外分光光度法（infrared spectrophotometry，IR），又称红外吸收光谱法，简称红外光谱法。红外线波长为0.76～1000μm，分近、中、远红外三个波段。其中中红外区（2.5～50μm）最为常用，通常所指的红外分光光度法即中红外分光光度法（Mid-IR；MIR）。中红外光子能量约为0.5～0.025eV，可引起分子振动能级跃迁并伴随着转动能级跃迁，因此，其吸收光谱属于振-转光谱，为带状光谱。红外光谱因由基团中原子间振动而引起，故主要用于分析有机分子中所含基团类型及相互之间的关系。

（3）散射光谱法

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。这种现象于1928年由印度科学家拉曼所发现，因此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。

2.2.2　非光谱法

非光谱法不涉及物质内部能级的跃迁，仅是测量电磁辐射的某些基本性质（反射、折射、干涉、衍射和偏振）的变化，主要有折射法、旋光法、浊度法、X射线衍射法和圆二色法等。