化學物質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域是光譜學。光譜學研究電磁輻射與物質之間的相互作用，這種相互作用會產生電子激發、分子振動或核自旋排列。

有的同學不禁發問：“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輻射類型、能量-物質相互作用、材料類型和技術應用進行分類。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

光譜學可根據所使用的輻射能量類型來定義。輻射的強度和頻率構成要測量的光譜。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能量與材料之間相互作用的性質。這些相互作用包括吸收、發射、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的光譜學應用，可分為原子吸收光譜、發射光譜和熒光光譜。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。原子發射光譜法測量氣態原子對基態光的吸收量。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光。AES 利用發射光的強度來確定樣品中的元素含量。使用 AES 的技術包括火焰發射光譜法、電感耦合等離子體原子發射光譜法和火花或電弧元素發射光譜法。

在原子發射光譜中，一束光激發分析物，使其發光。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呈現出明顯的顏色。

可見光和紫外線輻射的吸收與電子從低能基態激發到高能激發態有關，分子軌道中未結合的 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。

根據比爾-朗伯定律，吸光度與溶液中物質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，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，就會發生吸收，并記錄下光譜。

不同的官能團根據其結構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據，可將結果與頻率表進行比較，以了解存在哪些官能團，這將有助于確定結構。

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變，分子的極性必須發生變化，電子云的位置必須在振動過程中發生變化。

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

6.核磁共振

核磁共振(NMR)利用共振光譜和核自旋狀態進行光譜分析。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環境和外加場。

如果某一元素的原子核在同一分子內處于不同的化學環境中，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通過相互電流耦合影響相鄰原子核所經歷的磁場這一事實。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出的共振信號，可用于確定化合物的結構。

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