在粉體產品生產研發過程中，為保證產品的的性能、質量、用途不受影響，通常需要對產品進行定性分析、定量分析、結構分析及性能分析。光譜分析法作為化學分析中應用較為廣泛的一種技術，能夠分析物質的成分和物相結構，檢測產品中的細小雜質的種類及含量，是粉體產產品生產研發中的重要檢測手段。

原理

由于復色光（如太陽光）中有著各種波長（或頻率）的光，這些光在介質中有著不同的折射率。當復色光通過具有一定幾何外形的介質（如三棱鏡、光柵等）之后，波長不同的光線會因出射角的不同而發生色散現象，投映出連續的或不連續的彩色光帶，即“光譜”。這個原理亦被應用于牛頓所做的著名實驗——太陽光的色散實驗。

太陽光色散現象

在牛頓發現了色散現象后，沃拉斯頓、夫瑯和費等人又陸續發現了太陽光譜中的暗線，直至1859年，基爾霍夫通過研究多種火焰光譜和火花光譜，發現了每種元素都具有自己的特征譜線，因此可以根據每種物質的光譜來鑒別物質和確定它的組成成分以及物理結構，這種方法被稱為光譜分析法。

元素特征譜線

光譜分析法分類

為什么每種元素都具有自己的特征譜線？現代原子理論認為，原子內的電子被定位特定能級的軌道上，最接近原子核的殼具有最低的能量。當能量從外部提供給原子時，它使電子從一個軌道跳到另一個軌道（又稱為能級躍遷），而每種原子內的能級軌道都不相同，吸收或者輻射出來的能量也不一致，因此呈現出來的光譜也就不一致。依據物質和輻射相互作用的性質，一般可分為發射光譜法、吸收光譜法、拉曼（散射）光譜法。

能級躍遷

1.發射光譜法

物質通過電致激發、熱致激發或光致激發等過程獲取能量，變成為激發態的原子或分子，激發態的原子或分子是極不穩定的，它們可能以不同形式釋放出能量從激發態躍遷至基態或低能態，如果這種躍遷是以光輻射形式釋放多余的能量就會產生發射光譜。

發射光譜顯示光譜中的彩色線條

據此理論，將少量的試樣放在火焰、電弧或電火花等光源中進行激發，發射出代表每個元素的輻射，經射譜儀展開成光譜，通過觀察光譜譜線，查找某些元素所產生的特征線，來識別物質中是否具有該元素，即發射光譜定性分析。而根據該元素的譜線強度與含量之間的關系還可測定試樣中該元素的含量，這就是發射光譜定量分析。

發射光譜具有多元素檢測，分析速度快的優點，但存在非金屬元素不能檢測或靈敏度低的問題，如惰性氣體、鹵素等元素幾乎無法分析。適用于微量樣品和痕量無機物組分分析以及檢測特定的熒光標記物，廣泛用于金屬、礦石、合金、和各種材料的分析檢驗。

2.吸收光譜法

吸收光譜法是根據物質對不同波長的光具有選擇性吸收而建立起來的一種分析方法。當低溫物質暴露于電磁輻射源時，如果光子的能量與兩個能級之間的能量相同，則能量處于被較低能級的電子吸收，導致某特定電子的能量增加，躍遷至較高能級中，但是，如果光子的能量不等于兩個能級之間的能量差，那么光子就不會被吸收，而是呈現在光譜中。因此吸收光譜區別于發射光譜的做大特征就是，光譜帶中會因能量被電子吸收而呈現出暗線條。

由于各種物質具有各自不同的分子、原子和不同的分子空間結構，其吸收光能量的情況也就不會相同，因此，每種物質就有其特有的、固定的吸收光譜曲線。通過與標準光譜對照可以進行定性分析，而根據比爾定律，當一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質時，其吸光度A與吸光物質的濃度c及吸收層厚度b成正比，而與透光度T成反相關，故可以通過對光譜圖中的黑色暗線的吸光度而進行物質的定量分析。

值得注意的是，各種原子的吸收光譜中的每一條暗線都跟該種原子的發射光譜中的一條明線相對應.這表明，低溫氣體原子吸收的光，恰好就是這種原子在高溫時發射的光。但對于適用性方面，由于光源發出特征性入射光很簡單，不需要對物質進行激發就可以直接測定巖礦、土壤、大氣飄塵、水、植物、食品、生物組織等試樣中70多種微量金屬元素，可用于確定樣品中的化學成分、濃度和反應動力學等信息，廣泛應用于分子分析、藥物分析和環境監測等領域。

鈉的發射光譜與吸收光譜

3.拉曼光譜

拉曼光譜又叫散射光譜，是研究分子和光相互作用的散射光的頻率。

當一定頻率的激光光照射到物質上時，發生彈性散射和非彈性散射。當外來光子入射到分子時，如果分子吸收一個光子后躍遷到一個實際上不存在的虛能級，并立即回到原來所處的基態而重新發射與激發光波長相同的成分，這個過程被稱為彈性散射，也稱瑞利散射。

而如果分子躍遷到虛能級不回到原來所處基態，而落到另一個振動或轉動能級狀態中，在基態與新狀態間的能量差會使得釋放光子的頻率與激發光線的波長不同。如果最終能級狀態的分子比初始狀態時能量高，為保證系統的能量守恒，則所激發出來的光子頻率則較低，這個頻率的改變被稱為斯托克斯拉曼散射。如果最終能級狀態的分子比初始狀態時能量低，則所激發出來的光子頻率則較高，這一頻率的改變則被稱為反斯托克斯拉曼散射。斯托克斯線和反斯托克斯線統稱為拉曼譜線。

拉曼效應

散射光頻與激發光頻之差，取決于分子振動能級的改變，與入射光的波長無關，所以它與吸收光譜、發射光譜一樣，每種分子或樣品都會有其特有的拉曼光譜，拉曼譜線的數目，位移的大小可以用來進行化學鑒別、形態與相、內壓力/應力以及組成成份等方面的研究和分析，但在適用性方面，拉曼光譜還具有以下特點：

（1）由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學化合物的理想工具。

（2）拉曼光譜一次可以同時覆蓋50-4000波數的區間，可對有機物及無機物進行分析。

（3）拉曼光譜譜峰清晰尖銳，更適合定量研究以及運用差異分析進行定性研究。

（4）拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進一步聚焦至20微米甚至更小，因此相對其他兩種光譜，可分析更小面積的樣品。

光譜分析儀結構

光譜分析法類型多樣，不同的光譜分析儀器結構差異也很大，但不管光譜分析儀器結構的復雜程度如何，光譜分析儀器普遍都包括五個基本單元：光源、分光系統、樣品容器、檢測器和數據處理系統。

光源：吸收光譜儀則由光源發射的光直接(如光源為連續光，則可能需要經過分光)通過樣品容器。發射光譜儀一般光源與樣品容器并為一個整體，樣品在樣品容器中由光源提供足夠能量而發光，發射光經分光系統分光后檢測；

分光系統：多采用光柵，它是由大量等寬等間距的平行狹縫構成的光學器件，利用多縫衍射原理，使不同波長的光在不同方向傳播，從而在檢測系統上形成多條光束。

如圖所示為原子吸收光譜儀的結構示意圖，物質在原子化后經光源照射，光源被物質吸收一部分能力后經分光系統分光，形成的光譜投射到檢測系統上，利用數據處理系統對光譜進行比對分析，從而得到物質的定性定量分析結果。

光譜分析法優勢

1.直接檢測：無需添加其他化學試劑可直接檢測，利用已知光譜圖，通過計算機技術，即可直接對樣品進行定性定量分析。同時測定鈮、鉭、鋯、鉿和混合稀土氧化物扥化學性質相近的元素和化合物時，它們的譜線可分開而不受干擾。

2.無需分離：可同時測定多種元素或化合物省去復雜的分離操作。

3.分析速度快：原子發射光譜用于煉鋼爐前的分析，可在l～2分鐘內，同時給出二十多種元素的分析結果。

4.試樣消耗少：適用于微量樣品和痕量無機物組分分析。

光譜分析法局限性

光譜分析法最大的局限性就是建立在相對比較的基礎上，檢測時必須有一套標準樣品作為基準，而且要求標準樣品的組成和結構狀態應與被分析的樣品基本一致。同時光譜分析法 易受光學系統參數等外部或內部因素影響，經常出現曲線非線性問題，對檢測結果的準確度影響較大。

總結

光譜分析法主要利用物質的某種物理現象（如吸收、發射、散射等）或化學性質的改變，通過對該物質的特征光譜進行測定，不僅可以提供物質的量的信息，還可以提供物質的結構信息，并廣泛地應用于化學、物理、環境、生物和材料等領域，特別是在物質組成研究、結構分析、生物大分子幾何構型的確定、表面分析等方面，發揮著重要作用。目前，光譜分析法憑借分析速度快、操作簡單、適用于微量分析的特點已成為粉體產產品生產研發中的重要檢測手段。

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