化學物質(zhì)可以通過各種分析方法進行定量和定性分析，但其中一個重要的分析領(lǐng)域是光譜學。光譜學研究電磁輻射與物質(zhì)之間的相互作用，這種相互作用會產(chǎn)生電子激發(fā)、分子振動或核自旋排列。

有的同學不禁發(fā)問：“用于化學分析的不同類型光譜學有哪些呢”其實光譜學方法可根據(jù)輻射類型、能量-物質(zhì)相互作用、材料類型和技術(shù)應用進行分類。光譜有很多種，但在化學分析中最常用的是原子光譜、紫外和可見光譜、紅外光譜、拉曼光譜和核磁共振。

1.分類

光譜學可根據(jù)所使用的輻射能量類型來定義。輻射的強度和頻率構(gòu)成要測量的光譜。電磁輻射是一種常見的輻射類型，最早用于光譜研究。紅外線和近紅外輻射以及太赫茲和微波技術(shù)均可使用。電子和中子因其德布羅格利波長也是輻射能量的來源。機械方法可用于輻射固體，聲學光譜學則使用輻射沖擊波。

光譜學的另一種分類方法是根據(jù)能量與材料之間相互作用的性質(zhì)。這些相互作用包括吸收、發(fā)射、共振光譜、彈性和非彈性散射。所使用的材料也可決定光譜學的類型：原子、分子、原子核和晶體。

2.原子光譜

原子光譜是最早開發(fā)的光譜學應用，可分為原子吸收光譜、發(fā)射光譜和熒光光譜。不同元素的不同原子具有不同的光譜，因此原子光譜可用于量化和識別樣品的成分。原子光譜的主要類型有原子吸收光譜(AAS)、原子發(fā)射光譜(AES)和原子熒光光譜(AFS)。

在原子吸收光譜法中，原子吸收紫外線或可見光后會向更高能級移動。原子發(fā)射光譜法測量氣態(tài)原子對基態(tài)光的吸收量。AAS 通常用于檢測金屬。

在 AES 中，火焰、等離子體、電弧或火花的熱量會導致原子發(fā)光。AES 利用發(fā)射光的強度來確定樣品中的元素含量。使用 AES 的技術(shù)包括火焰發(fā)射光譜法、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法和火花或電弧元素發(fā)射光譜法。

在原子發(fā)射光譜中，一束光激發(fā)分析物，使其發(fā)光。然后使用熒光計分析樣品的熒光，這種方法通常用于分析有機化合物。

3.紫外光譜和可見光譜

紫外(UV)和可見(Vis)光譜法利用 10 納米到 700 納米的電磁輻射光譜分析化合物。許多原子都能發(fā)射或吸收可見光，正是這種吸收或反射使被分析的化學物質(zhì)呈現(xiàn)出明顯的顏色。

可見光和紫外線輻射的吸收與電子從低能基態(tài)激發(fā)到高能激發(fā)態(tài)有關(guān)，分子軌道中未結(jié)合的 n 電子和 π 電子可以吸收能量。

所有波長的光都有與之相關(guān)的特定能量，只有具有適當能量的光才能從一個能級躍遷到另一個能級，從而達到吸收的目的。能級之間的間隙越大，支持高能級所需的能量就越多，因此吸收的頻率就越高，波長就越短。

根據(jù)比爾-朗伯定律，吸光度與溶液中物質(zhì)的濃度和路徑長度成正比，紫外和可見光譜可用于測量樣品的濃度。除了測量樣品濃度，紫外和可見光譜法還可用于識別分子中是否存在自由電子和雙鍵。紫外/可見光譜儀不僅是一種可單獨使用的分析技術(shù)，還可用作高效液相色譜法的檢測器。

4.紅外光譜

紅外(IR)光譜利用紅外光譜分析化合物，紅外光譜可分為近紅外、中紅外和遠紅外。近紅外的能量最高，比中紅外和遠紅外能更深地穿透樣品，但靈敏度最低。紅外光譜的靈敏度不如紫外/可見光譜，因為涉及原子振動的能量低于躍遷的能量。

紅外光譜儀使用的原理是，分子在吸收紅外輻射時，通過鍵的伸展和彎曲而振動。紅外光譜的工作原理是將一束紅外光穿過樣品，為了使紅外輻射檢測到躍遷，樣品中的分子在振動時必須發(fā)生偶極矩的變化。如果紅外輻射的頻率與鍵的振動頻率相同，就會發(fā)生吸收，并記錄下光譜。

不同的官能團根據(jù)其結(jié)構(gòu)以不同的頻率吸收熱量，因此振動光譜可用于確定樣品中存在的官能團。通過解讀利用紅外輻射獲得的數(shù)據(jù)，可將結(jié)果與頻率表進行比較，以了解存在哪些官能團，這將有助于確定結(jié)構(gòu)。

5.拉曼光譜

拉曼光譜與紅外光譜類似，也是一種振動光譜方法，但使用的是非彈性散射。拉曼光譜顯示彌散的瑞利線、斯托克斯線和反斯托克斯線，與紅外光譜的不規(guī)則吸收線不同。

拉曼光譜的工作原理是檢測可見光、紅外線或紫外線范圍內(nèi)單色激光的非彈性散射，這也被稱為拉曼散射。要激活拉曼平面上的轉(zhuǎn)變，分子的極性必須發(fā)生變化，電子云的位置必須在振動過程中發(fā)生變化。

這種方法可以提供樣品化學成分和結(jié)構(gòu)的分子指紋，但拉曼散射信號較弱。為了提高拉曼光譜的靈敏度，人們開發(fā)了表面增強拉曼光譜(SERS)等技術(shù)。

6.核磁共振

核磁共振(NMR)利用共振光譜和核自旋狀態(tài)進行光譜分析。每個原子都有核自旋，每個原子的核自旋行為取決于其分子內(nèi)環(huán)境和外加場。

如果某一元素的原子核在同一分子內(nèi)處于不同的化學環(huán)境中，相鄰電子的屏蔽和非屏蔽將導致不同的場強，從而改變共振頻率并決定化學位移值。

自旋-自旋耦合考慮到了原子核的自旋狀態(tài)通過相互電流耦合影響相鄰原子核所經(jīng)歷的磁場這一事實。自旋-自旋耦合將每組原子核的吸收峰分成幾個部分。

核磁共振分析有多種類型，如氫核磁共振、碳 13 核磁共振、DEPT 90 核磁共振和 DEPT 135 核磁共振。化合物的核磁共振譜顯示了樣品中原子核發(fā)出的共振信號，可用于確定化合物的結(jié)構(gòu)。

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