在当今科学研究与工业应用领域，光谱分析仪无疑是一种极具价值的分析工具，它能够深入探究光与物质相互作用的奥秘，为我们揭示物质的内在特性与结构信息。光谱分析仪通过将复合光分解为不同波长的单色光，并精准记录其强度分布，从而实现对物质光谱特性的研究。这种技术在农业、天文、半导体、汽车、环保、生物、化学、镀膜等众多领域都发挥着不可或缺的作用。

 

一、光谱分析仪按光作用原理的分类及解析

光谱分析仪按光作用原理可分为吸收光谱、发射光谱以及旋光光谱和圆二色光谱等类型，它们各自基于独特的物理过程，为我们提供了丰富多样的物质分析手段。

吸收光谱

吸收光谱的原理在于，当光穿过物质时，如果特定波长的光子能量恰好与物质分子或原子内部能级（如电子、振动、转动能级）的差值相等，那么这些光子就会被物质吸收，进而导致透射光中相应波长位置的强度下降，形成吸收峰。这一过程就如同物质对特定能量的光子进行了“筛选”，通过观察吸收峰的位置和强度，我们可以获取物质的诸多信息。

在吸收光谱中，有多种代表技术被广泛应用。例如，紫外 - 可见吸收光谱（UV - Vis Absorption Spectroscopy）主要用于测量分子中电子跃迁的吸收情况，它在定量分析（如确定物质的浓度）、定性分析（识别发色团）以及研究配位反应等方面具有重要作用。红外吸收光谱（IR Absorption Spectroscopy）则聚焦于测量分子中化学键的振动和转动能级跃迁的吸收，是鉴定有机化合物官能团、进行分子结构分析的关键工具之一。原子吸收光谱（AAS）利用气态基态原子对特定波长光的吸收特性，主要用于痕量金属元素的高灵敏度、高选择性定量分析。核磁共振波谱（NMR Spectroscopy）虽然常被称为波谱，但其原理同样符合吸收光谱

它通过原子核在磁场中吸收特定频率的射频辐射（属于微波/射频波段），为我们提供分子中原子（如¹H, ¹³C）的化学环境、连接方式等关键信息，是结构解析的核心技术。在吸收光谱的测量中，我们关注的是透射光强度与入射光强度的比值（即透射率）或其对数值（吸光度）随波长的变化情况。

发射光谱

发射光谱的产生基于物质吸收能量（如光、热、电、化学能等）后被激发到高能态（激发态），当激发态粒子返回到较低能态或基态时，会以光的形式释放能量，从而产生特定波长的发射峰。发射光子的能量等于两能级之间的差值（∆E = hν），这一过程就像是物质在“释放”吸收的能量，通过对发射光谱的分析

我们可以了解物质的激发态特性以及元素组成等信息。

发射光谱也包含多种代表技术。原子发射光谱（AES）通常将样品（如溶液）置于高温环境（如电弧、火花、电感耦合等离子体ICP）中，使其蒸发、原子化并被激发，然后测量其元素特征谱线的发射强度，用于元素的定性和定量分析，例如常见的ICP - AES/OES技术。原子荧光光谱（AFS）则是气态基态原子吸收特定波长光后被激发，随后返回基态时发射荧光，它兼具原子吸收和原子发射的优点，如灵敏度高、光谱简单等，常用于As, Hg, Se等元素的分析。分子荧光光谱（Fluorescence Spectroscopy）是某些分子吸收紫外 - 可见光后被激发到单重激发态，然后通过发射比吸收波长更长的光子（即斯托克斯位移）返回基态，它可用于荧光物质的定量、定性分析，以及分子结构、环境极性、动力学研究等领域。分子磷光光谱（Phosphorescence Spectroscopy）与荧光类似，但激发分子经过系间窜越进入三重激发态，再发射更长波长的光返回基态，其发光寿命长于荧光，虽然应用相对较少，但也具有独特的特性。此外，化学发光（Chemiluminescence）是化学反应过程中产生的激发态中间体或产物释放能量时产生的发光现象，它不需要激发光源，在分析化学（如高灵敏度检测）、生物发光检测等方面有着重要应用。

在发射光谱中，还有一种特殊的光谱——拉曼光谱（Raman Spectroscopy）。拉曼光谱本质上是一种散射光谱，它是光与物质相互作用时发生的非弹性散射现象，入射光频率会发生改变。在拉曼散射过程中，入射光子（频率ν₀）使分子从基态跃迁到一个“虚态”，然后分子再从这个不稳定的“虚态”回到激发态（产生斯托克斯线，频率ν₀ - νᵥ，能量损失，光波长变长）或从激发态回到基态（产生反斯托克斯线，频率ν₀ + νᵥ，能量增加，光波长变短），其中νᵥ对应于分子的振动/转动能级。由于拉曼散射信号极其微弱且紧邻极强的瑞利散射光，因此必须使用高性能的光栅光谱分析仪或傅里叶变换光谱分析仪（FT - Raman）来探测这一微小的频率位移。拉曼光谱能够提供与红外光谱互补的分子振动、转动信息，对水的干扰小，适用于水溶液、玻璃、生物样品等多种物质的分析。在发射光谱的测量中，我们关注的是样品发射光的强度随波长的分布情况，即发射光谱图。

旋光光谱和圆二色光谱

旋光光谱（Optical Rotatory Dispersion, ORD）和圆二色光谱（Circular Dichroism, CD）主要用于测量样品对偏振光的特殊作用。旋光性是指线偏振光通过某些物质（通常是手性分子）时偏振面发生旋转的现象，而圆二色性则是指手性物质对左右旋圆偏振光的吸收程度不同。ORD描述了旋光度随波长的变化情况，CD则描述了左右旋圆偏振光吸收差（∆A = A_L - A_R）随波长的变化。这两种光谱技术在研究手性化合物的绝对构型、构象（特别是生物大分子的二级结构，如蛋白质、核酸）以及手性化合物的含量测定等方面具有重要应用价值。

二、光谱分析仪按应用对象的分类及特点

光谱分析仪按应用对象可分为分子光谱和原子光谱，它们分别以分子和原子为研究对象，通过探测不同的能级跃迁过程，为我们提供了关于物质微观结构和组成的详细信息。

分子光谱

分子光谱的研究对象是分子（原子团），其基本原理是探测由分子整体（主要是价电子、分子骨架的振动/转动运动）引起的能级跃迁。由于分子能级跃迁涉及的能量较低，因此对应的波长较长。分子光谱中的能级跃迁类型包括电子跃迁（UV - Vis）、振动跃迁（IR）、转动跃迁（远IR/微波）以及混合（如振转）跃迁等。

分子光谱包含多种代表技术，如紫外 - 可见吸收光谱（UV - Vis）、红外吸收光谱（IR）、拉曼光谱（Raman）、分子荧光光谱（Fluorescence）、核磁共振波谱（NMR）、旋光光谱（ORD）/圆二色光谱（CD）以及微波光谱等。这些技术能够为我们提供分子的官能团、化学键类型、结构（包括构型、构象）、分子间作用力、浓度、反应历程等丰富信息。分子光谱的谱带通常较宽，并且在气态下可能包含精细结构。

原子光谱

原子光谱的研究对象是原子（气态、自由态），其基本原理是探测原子外层或内层电子在原子能级（不涉及分子键）间的跃迁。由于原子能级跃迁涉及的能量较高，因此对应的波长较短。通常情况下，需要将样品原子化（如通过高温处理）才能进行原子光谱的测量。

原子光谱中的能级跃迁类型主要是价电子跃迁（主要在紫外、可见区），其代表技术包括原子吸收光谱（AAS）、原子发射光谱（AES/OES - ICP - AES/OES, 电弧/火花AES）、原子荧光光谱（AFS）以及X射线荧光光谱（XRF）等。这些技术能够为我们提供元素（尤其是金属和某些非金属）的种类（定性）和含量（定量）等信息。原子光谱的谱线通常窄锐，是离散的线状光谱，即使在溶液中检测，只要实现了原子化，也能保持这种特性。

三、光谱分析仪按分光元件的分类及性能比较

光谱分析仪按分光元件可分为棱镜光谱分析仪、衍射光栅光谱分析仪和干涉光谱分析仪等类型，它们各自基于不同的原理将复色光分解成单色光，具有不同的性能特点和应用范围。

棱镜光谱分析仪

棱镜光谱分析仪的原理是利用光学棱镜对不同波长光具有不同折射率（即色散效应）。当复色光通过棱镜时，波长越短（如蓝光），折射角越大；波长越长（如红光），折射角越小，从而将不同波长的光在空间上分离开来。

棱镜光谱分析仪的优点在于结构相对简单，使用单一棱镜时无色差。然而，它也存在一些缺点，例如色散不均匀，其色散率与波长三次方成反比，这意味着短波（如紫外、蓝光）的色散较大，而长波（如红光、红外）的色散较小，同一台仪器在光谱不同区域的分辨率差异很大；此外，其分辨率相对较低，难以达到很高的分辨率，并且光路中反射面较多，能量损失较大。因此，棱镜光谱分析仪现在多用于低分辨、宽范围波长的分光，或在教学演示仪器中，在要求高分辨率的场合已逐渐被光栅光谱分析仪所取代。

衍射光栅光谱分析仪

衍射光栅光谱分析仪利用光的衍射和干涉原理进行分光。当光照射到刻有大量精密平行等宽等间距狭缝（称为刻线）的光学元件（光栅）时，不同波长的光在不同方向上满足衍射加强（干涉）条件，形成特定衍射角θ，从而在空间上分离开来。

衍射光栅光谱分析仪具有诸多优点，如色散均匀线性，其色散率近乎常数，光谱在整个波长范围内均匀分布；分辨率高，能够达到很高的分辨率（取决于刻线密度和尺寸）；适用波段宽，可从紫外到远红外广泛应用；能量效率较高，通过优化刻线形状（如闪耀光栅），可以使能量集中到特定方向特定波段。然而，它也存在一些缺点，例如可能存在不同级次光谱重叠的问题，需要通过滤光片或前置单色器来消除；制造精密光栅的成本较高。尽管如此，衍射光栅光谱分析仪仍然是现代光谱分析仪中绝对的主流分光元件，广泛应用在各个波段（从X射线到远红外）的光谱分析中，包括单色仪（逐波长输出单色光）和光谱分析仪（同时记录光谱）等多种类型。

干涉光谱分析仪

干涉光谱分析仪利用光的干涉现象（多光束干涉）进行分光。与棱镜和光栅的空间色散法不同，干涉仪将复色光分解成干涉条纹（干涉图），干涉图中包含了所有频率成分及其强度的信息。通过数学变换（主要是傅里叶变换），可以将干涉图复原成传统的光谱图（强度vs波数/波长）。

干涉光谱分析仪的代表仪器是傅里叶变换红外光谱分析仪（FTIR），其核心是迈克尔逊干涉仪。干涉光谱分析仪具有高通量（Jacquinot优点 / Fellgett优点）的特点，由于没有狭缝限制，通光孔径大，样品或光源发出的光利用率高，或者在相同时间内能够采集到所有频率的信息（多路传输优点），信噪比高，扫描速度快（可动镜一次扫描即得全谱）；同时，它还具有高精度的特点，使用单色激光精确测定干涉图采样点位置，波数精度和重复性非常好；此外，它能够覆盖宽光谱范围。然而，干涉光谱分析仪也存在一些缺点，例如需要精确控制可动镜的移动，对环境振动敏感；计算复杂，需要高速计算机进行傅里叶变换；并且不能直接“看到”单色光。干涉光谱分析仪主要用于红外光谱（FTIR是红外光谱的绝对主流），也用于远红外、近红外、拉曼光谱、核磁共振波谱（FT - NMR）等需要高灵敏度、快速扫描或高精度的场合。

在众多光谱分析仪产品中，景颐光电的JY2000光谱分析仪具有独特的优势。它采用线阵CCD探测器，具有高量子效率，能够更有效地捕捉光信号；同时，其可编程增益放大和高速16位AD转换功能，使其具有较大的动态范围，能够更准确地测量不同强度的光信号。JY2000光谱分析仪是一款性价比较高的产品，它携带方便，适用于搭建众多光谱测量系统，如光谱测量分析、光谱反射率检测、光谱透光率测量、光谱荧光检测等等。其波段为紫外 - 可见（200 - 850nm）或者可见 - 近红外（400 - 1100nm），用户还可根据自身需求进行定制。景颐光电一直致力于光谱分析仪技术的研发与创新，不断提升产品性能和质量，为广大用户提供优质光谱分析解决方案。

光谱技术的分类并非绝对割裂，很多技术可以划归到多个分类维度下。例如，红外光谱（IR）按原理是吸收光谱，按应用对象是分子光谱

原子吸收光谱（AAS）按原理是吸收光谱，按应用对象是原子光谱，按分光元件通常是光栅单色仪；拉曼光谱（Raman）按作用本质是非弹性散射，其结果（光谱图）在形式上类似于“发射”（有位移的谱线），按应用对象是分子光谱，按分光元件是高分辨率光栅光谱分析仪或FT光谱分析仪。这种多维度的分类方式为我们全面理解和应用光谱技术提供了更广阔的视角，也为不同领域的科研和工业应用提供了丰富多样的选择。

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