在粉体产品生产研发过程中，为保证产品的的性能、质量、用途不受影响，通常需要对产品进行定性分析、定量分析、结构分析及性能分析。光谱分析法作为化学分析中应用较为广泛的一种技术，能够分析物质的成分和物相结构，检测产品中的细小杂质的种类及含量，是粉体产产品生产研发中的重要检测手段。

原理

由于复色光（如太阳光）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。当复色光通过具有一定几何外形的介质（如三棱镜、光栅等）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，即“光谱”。这个原理亦被应用于牛顿所做的著名实验——太阳光的色散实验。

太阳光色散现象

在牛顿发现了色散现象后，沃拉斯顿、夫琅和费等人又陆续发现了太阳光谱中的暗线，直至1859年，基尔霍夫通过研究多种火焰光谱和火花光谱，发现了每种元素都具有自己的特征谱线，因此可以根据每种物质的光谱来鉴别物质和确定它的组成成分以及物理结构，这种方法被称为光谱分析法。

元素特征谱线

光谱分析法分类

为什么每种元素都具有自己的特征谱线？现代原子理论认为，原子内的电子被定位特定能级的轨道上，最接近原子核的壳具有最低的能量。当能量从外部提供给原子时，它使电子从一个轨道跳到另一个轨道（又称为能级跃迁），而每种原子内的能级轨道都不相同，吸收或者辐射出来的能量也不一致，因此呈现出来的光谱也就不一致。依据物质和辐射相互作用的性质，一般可分为发射光谱法、吸收光谱法、拉曼（散射）光谱法。

能级跃迁

1.发射光谱法

物质通过电致激发、热致激发或光致激发等过程获取能量，变成为激发态的原子或分子，激发态的原子或分子是极不稳定的，它们可能以不同形式释放出能量从激发态跃迁至基态或低能态，如果这种跃迁是以光辐射形式释放多余的能量就会产生发射光谱。

发射光谱显示光谱中的彩色线条

据此理论，将少量的试样放在火焰、电弧或电火花等光源中进行激发，发射出代表每个元素的辐射，经射谱仪展开成光谱，通过观察光谱谱线，查找某些元素所产生的特征线，来识别物质中是否具有该元素，即发射光谱定性分析。而根据该元素的谱线强度与含量之间的关系还可测定试样中该元素的含量，这就是发射光谱定量分析。

发射光谱具有多元素检测，分析速度快的优点，但存在非金属元素不能检测或灵敏度低的问题，如惰性气体、卤素等元素几乎无法分析。适用于微量样品和痕量无机物组分分析以及检测特定的荧光标记物，广泛用于金属、矿石、合金、和各种材料的分析检验。

2.吸收光谱法

吸收光谱法是根据物质对不同波长的光具有选择性吸收而建立起来的一种分析方法。当低温物质暴露于电磁辐射源时，如果光子的能量与两个能级之间的能量相同，则能量处于被较低能级的电子吸收，导致某特定电子的能量增加，跃迁至较高能级中，但是，如果光子的能量不等于两个能级之间的能量差，那么光子就不会被吸收，而是呈现在光谱中。因此吸收光谱区别于发射光谱的做大特征就是，光谱带中会因能量被电子吸收而呈现出暗线条。

由于各种物质具有各自不同的分子、原子和不同的分子空间结构，其吸收光能量的情况也就不会相同，因此，每种物质就有其特有的、固定的吸收光谱曲线。通过与标准光谱对照可以进行定性分析，而根据比尔定律，当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度b成正比，而与透光度T成反相关，故可以通过对光谱图中的黑色暗线的吸光度而进行物质的定量分析。

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射的光。但对于适用性方面，由于光源发出特征性入射光很简单，不需要对物质进行激发就可以直接测定岩矿、土壤、大气飘尘、水、植物、食品、生物组织等试样中70多种微量金属元素，可用于确定样品中的化学成分、浓度和反应动力学等信息，广泛应用于分子分析、药物分析和环境监测等领域。

钠的发射光谱与吸收光谱

3.拉曼光谱

拉曼光谱又叫散射光谱，是研究分子和光相互作用的散射光的频率。

当一定频率的激光光照射到物质上时，发生弹性散射和非弹性散射。当外来光子入射到分子时，如果分子吸收一个光子后跃迁到一个实际上不存在的虚能级，并立即回到原来所处的基态而重新发射与激发光波长相同的成分，这个过程被称为弹性散射，也称瑞利散射。

而如果分子跃迁到虚能级不回到原来所处基态，而落到另一个振动或转动能级状态中，在基态与新状态间的能量差会使得释放光子的频率与激发光线的波长不同。如果最终能级状态的分子比初始状态时能量高，为保证系统的能量守恒，则所激发出来的光子频率则较低，这个频率的改变被称为斯托克斯拉曼散射。如果最终能级状态的分子比初始状态时能量低，则所激发出来的光子频率则较高，这一频率的改变则被称为反斯托克斯拉曼散射。斯托克斯线和反斯托克斯线统称为拉曼谱线。

拉曼效应

散射光频与激发光频之差，取决于分子振动能级的改变，与入射光的波长无关，所以它与吸收光谱、发射光谱一样，每种分子或样品都会有其特有的拉曼光谱，拉曼谱线的数目，位移的大小可以用来进行化学鉴别、形态与相、内压力/应力以及组成成份等方面的研究和分析，但在适用性方面，拉曼光谱还具有以下特点：

（1）由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。

（2）拉曼光谱一次可以同时覆盖50-4000波数的区间，可对有机物及无机物进行分析。

（3）拉曼光谱谱峰清晰尖锐，更适合定量研究以及运用差异分析进行定性研究。

（4）拉曼显微镜物镜可将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小，因此相对其他两种光谱，可分析更小面积的样品。

光谱分析仪结构

光谱分析法类型多样，不同的光谱分析仪器结构差异也很大，但不管光谱分析仪器结构的复杂程度如何，光谱分析仪器普遍都包括五个基本单元：光源、分光系统、样品容器、检测器和数据处理系统。

光源：吸收光谱仪则由光源发射的光直接(如光源为连续光，则可能需要经过分光)通过样品容器。发射光谱仪一般光源与样品容器并为一个整体，样品在样品容器中由光源提供足够能量而发光，发射光经分光系统分光后检测；

分光系统：多采用光栅，它是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件，利用多缝衍射原理，使不同波长的光在不同方向传播，从而在检测系统上形成多条光束。

如图所示为原子吸收光谱仪的结构示意图，物质在原子化后经光源照射，光源被物质吸收一部分能力后经分光系统分光，形成的光谱投射到检测系统上，利用数据处理系统对光谱进行比对分析，从而得到物质的定性定量分析结果。

光谱分析法优势

1.直接检测：无需添加其他化学试剂可直接检测，利用已知光谱图，通过计算机技术，即可直接对样品进行定性定量分析。同时测定铌、钽、锆、铪和混合稀土氧化物扥化学性质相近的元素和化合物时，它们的谱线可分开而不受干扰。

2.无需分离：可同时测定多种元素或化合物省去复杂的分离操作。

3.分析速度快：原子发射光谱用于炼钢炉前的分析，可在l～2分钟内，同时给出二十多种元素的分析结果。

4.试样消耗少：适用于微量样品和痕量无机物组分分析。

光谱分析法局限性

光谱分析法最大的局限性就是建立在相对比较的基础上，检测时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。同时光谱分析法 易受光学系统参数等外部或内部因素影响，经常出现曲线非线性问题，对检测结果的准确度影响较大。

总结

光谱分析法主要利用物质的某种物理现象（如吸收、发射、散射等）或化学性质的改变，通过对该物质的特征光谱进行测定，不仅可以提供物质的量的信息，还可以提供物质的结构信息，并广泛地应用于化学、物理、环境、生物和材料等领域，特别是在物质组成研究、结构分析、生物大分子几何构型的确定、表面分析等方面，发挥着重要作用。目前，光谱分析法凭借分析速度快、操作简单、适用于微量分析的特点已成为粉体产产品生产研发中的重要检测手段。

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