2.2　光譜分析法及其分類

不同能量的電磁輻射，與物質(zhì)間發(fā)生作用的機(jī)理不同，所產(chǎn)生的物理現(xiàn)象也不同，由此可建立各種不同的光學(xué)分析方法。

2.2.1　光譜法

光譜（也稱波譜）是當(dāng)物質(zhì)與輻射能相互作用時(shí)，其內(nèi)部的電子、質(zhì)子等粒子發(fā)生能級(jí)躍遷，對(duì)所產(chǎn)生的輻射能強(qiáng)度隨波長(zhǎng)（或相應(yīng)單位）變化作圖而得。利用物質(zhì)的光譜進(jìn)行定性、定量和結(jié)構(gòu)分析的方法稱為光學(xué)分析法或光譜法。光譜法種類很多，發(fā)射光譜法、吸收光譜法和散射光譜法是光譜法的三種基本類型，在藥物分析、化工分析、衛(wèi)生分析、生化檢驗(yàn)等諸多領(lǐng)域有極廣泛的應(yīng)用。

（1）發(fā)射光譜法

發(fā)射光譜是指構(gòu)成物質(zhì)的原子、離子或分子受到輻射能、熱能、電能或化學(xué)能的激發(fā)，躍遷到激發(fā)態(tài)后，由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)以輻射的方式釋放能量，而產(chǎn)生的光譜。物質(zhì)發(fā)射的光譜有三種：線狀光譜、帶狀光譜和連續(xù)光譜。線狀光譜是由氣態(tài)或高溫下物質(zhì)在離解為原子或離子時(shí)被激發(fā)而發(fā)射的光譜；帶狀光譜是由分子被激發(fā)而發(fā)射的光譜；連續(xù)光譜是由熾熱的固體或液體所發(fā)射的。

利用物質(zhì)的發(fā)射光譜進(jìn)行定性、定量分析的方法稱為發(fā)射光譜法。常見的發(fā)射光譜法有原子發(fā)射、原子熒光、分子熒光和磷光光譜法等。

①原子發(fā)射光譜法　在正常狀態(tài)下，原子外層價(jià)電子處于基態(tài)，在受到外部能量作用而被激發(fā)后，由能量較低的基態(tài)躍遷到能量較高的激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的電子十分不穩(wěn)定，在極短時(shí)間內(nèi)返回到基態(tài)或其他較低的能級(jí)時(shí)，特定元素的原子可發(fā)射出一系列不同波長(zhǎng)的特征光譜線，這些譜線按一定的順序排列，并保持一定強(qiáng)度比例，通過這些譜線的特征來識(shí)別元素，測(cè)量譜線的強(qiáng)度來進(jìn)行定量，這就是原子發(fā)射光譜法。

②熒光或磷光　光譜法氣態(tài)金屬原子和物質(zhì)分子受電磁輻射（一次輻射）激發(fā)后，能以發(fā)射輻射的形式（二次輻射）釋放能量返回基態(tài)，這種二次輻射稱為熒光或磷光，測(cè)量由原子發(fā)射的熒光和分子發(fā)射的熒光或磷光強(qiáng)度和波長(zhǎng)所建立的方法分別稱為原子熒光光譜法、分子熒光光譜法和分子磷光光譜法。同樣作為發(fā)射光譜法，這三種方法與原子發(fā)射光譜法的不同之處是以輻射能（一次輻射）作為激發(fā)源，然后再以輻射躍遷（二次輻射）的形式返回基態(tài)。

分子熒光和分子磷光的發(fā)光機(jī)制不同，熒光是由單線態(tài)-單線態(tài)躍遷產(chǎn)生的。由于激發(fā)三線態(tài)的壽命比單線態(tài)長(zhǎng)，在分子三線態(tài)壽命時(shí)間內(nèi)更容易發(fā)生分子間碰撞導(dǎo)致磷光猝滅，所以測(cè)定磷光光譜需要用特殊溶劑或剛性介質(zhì)“固定”三線態(tài)分子，以減少無輻射躍遷，達(dá)到定量測(cè)定的目的。

（2）吸收光譜法

吸收光譜是指物質(zhì)吸收相應(yīng)的輻射能而產(chǎn)生的光譜。其產(chǎn)生的必要條件是所提供的輻射能量恰好滿足該吸收物質(zhì)兩能級(jí)間躍遷所需的能量。利用物質(zhì)的吸收光譜進(jìn)行定性、定量及結(jié)構(gòu)分析的方法稱為吸收光譜法。根據(jù)物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的輻射能的吸收，建立了各種吸收光譜法。

①原子吸收光譜法　原子中的電子總是處于某一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之中。每一種狀態(tài)具有一定的能量，屬于一定的能級(jí)。當(dāng)原子蒸氣吸收紫外-可見光區(qū)中一定能量光子時(shí)，其外層電子就從能級(jí)較低的基態(tài)躍遷到能級(jí)較高的激發(fā)態(tài)，從而產(chǎn)生所謂的原子吸收光譜。通過測(cè)量處于氣態(tài)的基態(tài)原子對(duì)輻射能的吸收程度來測(cè)量樣品中待測(cè)元素含量的方法，稱為原子吸收光譜法。

②分子吸收光譜法　分子吸收光譜產(chǎn)生的機(jī)理與原子吸收光譜相似，也是在輻射能的作用下，由分子內(nèi)的能級(jí)躍遷所引起。但由于分子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)所涉及的能級(jí)變化比較復(fù)雜，因此分子吸收光譜比原子吸收光譜要復(fù)雜得多。根據(jù)照射輻射的波譜區(qū)域不同，分子吸收光譜法可分為紫外分光光度法、可見分光光度法和紅外分光光度法等。

a.紫外分光光度法（ultraviolet spectrophotometry，UV），又稱紫外吸收光譜法。紫外線波長(zhǎng)范圍為10～400nm，其中10～200nm為遠(yuǎn)紫外區(qū)，又稱真空紫外區(qū)；200～400nm為近紫外區(qū)。與之對(duì)應(yīng)的方法有遠(yuǎn)紫外分光光度法和近紫外分光光度法。遠(yuǎn)紫外線能被空氣中的氧氣和水強(qiáng)烈地吸收，利用其進(jìn)行分光光度分析時(shí)需將分光光度計(jì)抽真空，因此遠(yuǎn)紫外分光光度法的研究與應(yīng)用不多。通常所說的紫外分光光度法指的是近紫外分光光度法。近紫外線光子能量約為6.2～3.1eV，能引起分子外層電子（價(jià)電子）的能級(jí)躍遷并伴隨振動(dòng)能級(jí)與轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷，故吸收光譜表現(xiàn)為帶狀光譜。

b.可見分光光度法（visible spectrophotometry，VIS），可見光波長(zhǎng)范圍為400～760nm，光子能量為3.1～1.6eV。能引起具有長(zhǎng)共軛結(jié)構(gòu)的有機(jī)物分子或有色無機(jī)物的價(jià)電子能級(jí)躍遷，同時(shí)伴隨分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷，吸收光譜也為帶狀。

紫外分光光度計(jì)上一般具有可見波段，因此常把紫外分光光度法和可見分光光度法合稱為紫外-可見分光光度法（UV-VIS）。

c.紅外分光光度法（infrared spectrophotometry，IR），又稱紅外吸收光譜法，簡(jiǎn)稱紅外光譜法。紅外線波長(zhǎng)為0.76～1000μm，分近、中、遠(yuǎn)紅外三個(gè)波段。其中中紅外區(qū)（2.5～50μm）最為常用，通常所指的紅外分光光度法即中紅外分光光度法（Mid-IR；MIR）。中紅外光子能量約為0.5～0.025eV，可引起分子振動(dòng)能級(jí)躍遷并伴隨著轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷，因此，其吸收光譜屬于振-轉(zhuǎn)光譜，為帶狀光譜。紅外光譜因由基團(tuán)中原子間振動(dòng)而引起，故主要用于分析有機(jī)分子中所含基團(tuán)類型及相互之間的關(guān)系。

（3）散射光譜法

當(dāng)光照射到物質(zhì)上時(shí)，會(huì)發(fā)生非彈性散射，在散射光中除有與激發(fā)光波長(zhǎng)相同的彈性成分（瑞利散射）外，還有比激發(fā)光波長(zhǎng)長(zhǎng)的和短的成分，后一現(xiàn)象統(tǒng)稱為拉曼效應(yīng)。這種現(xiàn)象于1928年由印度科學(xué)家拉曼所發(fā)現(xiàn)，因此這種產(chǎn)生新波長(zhǎng)的光的散射被稱為拉曼散射，所產(chǎn)生的光譜被稱為拉曼光譜或拉曼散射光譜。

2.2.2　非光譜法

非光譜法不涉及物質(zhì)內(nèi)部能級(jí)的躍遷，僅是測(cè)量電磁輻射的某些基本性質(zhì)（反射、折射、干涉、衍射和偏振）的變化，主要有折射法、旋光法、濁度法、X射線衍射法和圓二色法等。