第1章 绪论
1.1 光谱技术概述
1.1.1 光谱技术的起源
光谱学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。根据研究光谱方法的不同，习惯上把光谱学区分为发射光谱学、吸收光谱学与散射光谱学。光谱学是一门从实验发展起来的科学技术，关于光谱学的研究至今已有一百多年的历史了。1666年，牛顿把通过玻璃棱镜的太阳光分解成了从红光到紫光的各种颜色的光谱，他发现白光是由各种颜色的光组成的。这可算是最早对光谱的研究，使得人们第一次接触到了光的客观的和定量的特征。其后一直到1802年，沃拉斯顿观察到了光谱线，其后在1814年夫琅和费也独立地发现了它。牛顿之所以没有能观察到光谱线是因为他使太阳光通过了圆孔而不是通过狭缝。1814～1815年，夫琅和费公布了太阳光谱中的许多条暗线，并以字母来命名，其中有些命名沿用至今。此后便把这些线称为夫琅和费暗线。
实用光谱学是由基尔霍夫与本生在19世纪60年代发展起来的，他们证明光谱学可以用作定性化学分析的新方法，并利用这种方法发现了几种当时还未知的元素，并且证明了太阳里也存在着多种已知的元素。就这样，基尔霍夫和本生找到了一种根据光谱来判别化学元素的方法——光谱分析技术，即根据各种结构的物质的特征光谱，利用光谱学的原理和实验方法来确定物质的结构和化学成分的分析方法。
1.1.2 光谱技术的主要应用领域
光谱技术有着十分广泛的应用。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，它为化学分析提供了重要的定性与定量的分析方法。利用光谱技术，人们发现了许多新元素，例如铷和铯就是从光谱中看到了以前所不知道的特征谱线而被发现的。可以说光谱分析技术开创了化学和分析化学的新纪元。光谱技术除了在化学分析中得到广泛应用外，在研究天体的化学组成中，同样也起到很重要的作用。19世纪初，科学家们在研究太阳光谱时，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，后来在了解了吸收光谱的成因后，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，于是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。
随着数字化、智能化、网络化光谱分析检测技术和光谱仪器的不断发展，目前光谱技术已广泛地用于地质、冶金、石油、化工、农业、医药、生物化学、环境保护等许多方面。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[艾滋病、禽流感、重症急性呼吸综合征（非典型肺炎）、疟疾]控制、大规模战争和恐怖活动控制等领域的分析检测，而且会更多应用在现场、生产线、战场实地工作、无人监守、连网工作的环境下，成为在线测控、野外环境监测等领域必不可少的分析检测手段。并且，今后光谱技术仍会沿着20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（物理、化学、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，国内外已经发展出多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。
1.1.3 光谱技术的应用特点
1）分析速度较快。原子发射光谱用于炼钢炉前的分析，可在1～2min完成，同时给出20多种元素的分析结果。
2）操作简便。有些样品不经任何化学处理，即可直接进行光谱分析，采用计算机技术，有时只需按一下键盘即可自动进行分析、数据处理和打印出分析结果。在毒剂报警、大气污染检测等方面，采用分子光谱法遥测，不需采集样品，在数秒内，便可发出警报或检测出污染程度。
3）不需纯样品。只需利用已知谱图，即可进行光谱定性分析。这是光谱分析中一个十分突出的优点。
4）可同时测定多种元素或化合物，省去复杂的分离操作。
5）选择性好。可测定化学性质相近的元素和化合物。如测定铌、钽、锆、铪和混合稀土氧化物，它们的谱线可分开而不受干扰，成为分析这些化合物的得力工具。
6）灵敏度高。可利用光谱法进行痕量分析。目前，相对灵敏度可达到10-9～10-7g，绝对灵敏度可达到10-9～10-8g。
7）样品损坏少。可用于古物以及刑事侦查等领域。
随着新技术的采用（如应用等离子体光源），定量分析的线性范围变宽，使高低含量不同的元素可同时测定。还可以进行微区分析。
虽然现代光谱检测技术的发展十分迅速，应用领域也更加广泛，但还是存在一定的局限性：光谱定量分析建立在相对比较的基础上，必须有一套标准样品作为基准，而且要求标准样品的组成和结构状态应与被分析的样品基本一致，这常常比较困难。