分析光谱学

分析光谱学通过测量物质吸收、发射或散射电磁辐射的方式，来识别和量化化学物质。

Definition

分析光谱学是分析化学的一个分支，它利用电磁辐射与物质之间的相互作用来确定样品中分析物的身份和数量。

Scope

该领域涵盖了分析实验室中常规使用的光谱化学方法：紫外、可见和红外区域的吸收和发射，用于元素分析的原子光谱法，拉曼散射，以及分子发光。它涉及仪器（光源、波长选择器、探测器）、分析物信号的物理基础，以及将测量信号与浓度联系起来的定量关系。它不包括属于结构化学的磁共振和X射线方法，以及在质谱学中单独涵盖的基于质量的方法。

Sub-topics

• 原子吸收和发射光谱法
• 红外和拉曼光谱
• 分子荧光光谱法
• 紫外-可见吸收光谱法

Core questions

• 测量的光学信号如何与分析物浓度定量关联？
• 哪种光谱区域和跃迁（原子、振动、电子）最能有效地探测给定的分析物？
• 光谱方法如何校准，以及什么限制了它们的检测限和线性范围？
• 如何识别和校正光谱化学测量中的干扰和基质效应？

Key theories

比尔-朗伯定律

吸光度与摩尔吸光系数、光程长度和分析物浓度成正比，为吸收光谱学提供了基础的定量关系；在高浓度、杂散光和化学平衡存在时会出现偏差。

原子吸收和发射

自由气态原子在由其电子能级设定的尖锐波长处吸收和发射辐射；由玻尔兹曼分布控制的基态和激发态布居数决定了吸收或发射是否能产生更强的分析信号。

Mechanisms

分析物通过量子化跃迁与光子相互作用：紫外-可见光区的电子跃迁，红外和拉曼散射中的振动跃迁，以及火焰和等离子体光源中的原子电子跃迁。仪器隔离一个波长带，使辐射穿过样品或从样品收集辐射，并通过光电倍增管、光电二极管阵列或热探测器将光学信号转换为电信号。定量基于将信号与浓度关联起来的校准，最常见的是通过比尔-朗伯定律进行吸收测量，或通过工作曲线进行发射和发光测量。

Clinical relevance

光谱方法是常规定量分析的主力：临床化学检测、饮用水和环境金属监测、药物含量均一性以及食品和农业检测都严重依赖紫外-可见光、原子和红外光谱法，因为它们灵敏、快速且通常成本较低。

History

光谱化学分析起源于19世纪本生和基尔霍夫发现每种元素都会发出特征谱线，这奠定了定性光谱分析的基础。定量吸收测量建立在布格、朗伯和比尔早期光度学工作的基础上。艾伦·沃尔什于1955年引入原子吸收光谱法，将元素分析转变为一种常规的定量技术。

Key figures

• August Beer
• Robert Bunsen
• Gustav Kirchhoff
• Alan Walsh

Seminal works

• skoog2017
• harris2020
• ingle1988

Frequently asked questions

原子光谱学和分子光谱学有什么区别？

原子光谱学探测自由气态原子，产生用于量化单个元素的尖锐线光谱；分子光谱学探测完整的分子，产生反映电子、振动或旋转跃迁的较宽带光谱。

为什么比尔-朗伯定律在高浓度下会失效？

在高浓度下，分析物分子会相互作用，折射率会发生变化，杂散光和仪器限制变得显著，因此吸光度不再与浓度严格成正比，校准曲线会发生弯曲。