吸收光谱技术介绍

什么是吸收光谱

吸收光谱又名吸收曲线，是指处于基态和低激发态的原子或分子吸收具有连续分布的某些波长的光而跃迁到各激发态，形成了按波长排列的暗线或暗带组成的光谱，它可以是线状谱或吸收带。研究吸收光谱可了解原子、分子和其他许多物质的结构和运动状态，以及它们同电磁场或粒子相互作用的情况。

通俗的说，吸收光谱是温度很高的光源发出来的白光，通过温度较低的蒸汽或气体后产生的，如让高温光源发出的白光，通过温度较低的钠的蒸汽就能生成钠的吸收光谱。这个光谱背景是明亮的连续光谱。而在钠的标识谱线的位置上出现了暗线。通过大量实验观察总结出一条规律，即每一种元素的吸收光谱里暗线的位置跟他们明线光谱的位置是互相重合的。也就是每种元素所发射的光的频率跟它所吸收的光频率是相同的。

吸收光谱的产生

高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生吸收光谱。

例如，让弧光灯发出的白光通过温度较低的钠气（在酒精灯的灯心上放一些食盐，食盐受热分解就会产生钠气），然后用分光镜来观察，就会看到在连续光谱的背景中有两条挨得很近的暗线，就是钠原子的吸收光谱。各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都与该原子的发射光谱中的一条明线相对应。表明低温气体原子吸收的光，就是这种原子在高温时发出的光。因此，吸收光谱中的暗线，就是原子的特征谱线。

吸收光谱种类有哪些？

吸收光谱具体分类包括原子吸收光谱、分子吸收光谱、紫外吸收光谱。

1、原子吸收光谱

原子吸收光谱，即原子吸收分光光度法，是基于气态的基态原子外层电子对紫外光和可见光范围的相对应原子共振辐射线的吸收强度来定量被测元素含量为基础的分析方法，是一种测量特定气态原子对光辐射的吸收的方法。此法是20世纪50年代中期出现并在以后逐渐发展起来的一种新型的仪器分析方法，它在地质、冶金、机械、化工、农业、食品、轻工、生物医药、环境保护、材料科学等各个领域有广泛的应用。该法主要适用样品中微量及痕量组分分析。

每一种元素的原子不仅可以发射一系列特征谱线，也可以吸收与发射线波长相同的特征谱线。当光源发射的某一特征波长的光通过原子蒸气时，即入射辐射的频率等于原子中的电子由基态跃迁到较高能态（一般情况下都是diyi激发态）所需要的能量频率时，原子中的外层电子将选择性地吸收其同种元素所发射的特征谱线，使入射光减弱。特征谱线因吸收而减弱的程度称吸光度A，与被测元素的含量成正比：

式中K为常数；C为试样浓度；I0v为原始光源强度;Iv为吸收后特征谱线的强度。按上式可从所测未知试样的吸光度，对照着已知浓度的标准系列曲线进行定量分析。

由于原子能级是量子化的，因此，在所有的情况下，原子对辐射的吸收都是有选择性的。由于各元素的原子结构和外层电子的排布不同，元素从基态跃迁至diyi激发态时吸收的能量不同，因而各元素的共振吸收线具有不同的特征。原子吸收光谱位于光谱的紫外区和可见区。

2、分子吸收光谱

分子吸收光谱，特点是转动、振动和电子光谱，实质是电子状态的改变。分子吸收光谱可分为三类——转动、振动和电子光谱。

纯粹的转动光谱只涉及分子转动能级的改变，不产生振动和电子状态的改变，转动能级间距离很小，吸收光子的波长长，频率低。两个转动能级相差10-3—10-2kcal/mol单纯的转动光谱发生在远红外和微波区；

振动光谱反映分子转动能级改变，分子吸收光子后产生振动能级跃迁，在每一振动能级改变时，还伴有能级改变，谱线密集，显示出转动能级改变的细微结构，吸收峰加宽，称为“振动—转动”吸收带，或“振动”吸收。引起这种改变的光子能量比diyi种的高，两个振动能级相距为0.1—10kcal/mol，产生于波长较短，频率较高得近红外区，主要在1—30u的波长区；

分子吸收光子后使电子跃迁，产生电子能级的改变，即为电子光谱。引起这种改变所需的能量比前两种高，为20—300kcal/mol。电子能级的变化都伴随有振动能级与转动能级的改变。所以两个电子能级之间的跃迁不是产生单一吸收谱线，而是由很多相距不远的谱线所组成的吸收带。

3、紫外吸收光谱

紫外吸收光谱是吸光物质分子吸收特定能量（波长）的电磁波（紫外光）产生分子的电子能级跃迁而产生的。紫外吸收光谱和可见吸收光谱都属于分子光谱，它们都是由于价电子的跃迁而产生的。利用物质的分子或离子对紫外和可见光的吸收所产生的紫外可见光谱及吸收程度可以对物质的组成、含量和结构进行分析、测定、推断。

在有机化合物分子中有形成单键的σ电子、有形成双键的π电子、有未成键的孤对n电子。当分子吸收一定能量的辐射能时，这些电子就会跃迁到较高的能级，此时电子所占的轨道称为反键轨道，而这种电子跃迁同内部的结构有密切的关系。

在紫外吸收光谱中，电子的跃迁有σ→σ*、n→σ*、π→π*和n→π*四种类型，

各种跃迁类型所需要的能量依下列次序减小： σ→σ*>n→σ*>π→π*>n→π*

影响紫外吸收光谱的因素

跃迁的类型

发色团和助色团的影响

样品溶液浓度的影响

共轭体系的形成使吸收红移

空间效应：空间位阻，

外部因素：溶剂效应 ，PH值影响。

吸收光谱的应用研究

吸收光谱广泛应用于材料的成分分析和结构分析，以及各种科学研究工作。吸收光谱在材料、医学等领域有广泛应用。

观察吸收光谱的方法有以下几种：

①使用具有连续光谱的光源，如白炽灯、连续谱红外光源。光通过样品后经过分光仪器被记录下来，在连续的白光本底上显示暗的吸收光谱。

②使上述光源发出的光先通过分光仪器，成为准单色光。调节分光仪器，使光的频率连续扫描，通过样品并被记录下来，得到吸收光谱的线形。

③使用频率可连续调谐的激光器作光源，不用分光仪器，直接记录吸收光谱。激光技术的发展给吸收光谱方法的研究以巨大的推动，现已具备了为获得极高分辨率、极高灵敏度等所需要的激光吸收光谱技术（见激光光谱学）。

1、在医学方面中分析应用

原子吸收光谱技术强大的功能使得其在化学分析中的各个领域都有着广泛的应用，其中医学方面的应用尤为突出，甚至能够实现对一些含量在PPM 或PPB 级的微量元素的准确检测，目前，我国各级医保单位中的常规项目已经纳入了人体元素检测，并且具有精确可靠的检测结果。由此可见，在疾病控制ZX原子吸收光谱技术也发挥着十分重要的作用。

2、在金属材料中的分析应用

火焰原子吸收光谱法测定烟叶样品中Mn含量的不确定度来源在对一些金属材料例如铝、铝合金、铜合金、钛合金等等，一些电源材料例如银锌电池、铬镍电池、热电池、太阳电池等，这些材料运用原子吸收光谱仪的技术方法所测的实验数据普遍具有较高的准确度，实现了实验条件的优化与完善。

3、在粉末材料中的分析应用

在分析与测试微量与常量的各种混合粉末电源材料时原子吸收光谱技术的应用十分广泛，其中还包括了控制与分析不同中间产物以及Z终产品添加剂及杂质含量的内容。以日本某公司制造的AA- 670 型原子吸收光谱仪为例，其具有很高的准确性，在银粉中能够回收大约97% 的铜铁。

4、在液体材料中的分析应用

分析与测定电解液、电镀液、浸渍液以及其他不同类型的溶液金属离子含量即液体材料溶液分析的工作内容。一般大部分待测金属离子都是存在于溶液之中，因此，采用的检测方法必须具有较高的灵敏度。一旦被测浓度超过了测定范围，那么就需要稀释试样溶液，并结合实际情况，加入一定量的稀释液，例如硝酸铜、柠檬酸铵、以及硝酸等等，以此确保在溶液材料分析中原子光谱吸收仪的应用得以优化，进而使得到的结果更加真实准确。

5、在化学试剂中的分析应用

在化学试剂的分析中，原子吸收仪也有着广泛的应用。例如有的部门将一种TH- 2005红外吸收法二氧化碳分析仪用于环境保护、卫生防疫、劳动保护以及科研项目之中。这种分析仪的组成部分主要有采样装置、流程控制装置、二氧化碳光学检测室以及微机检测、控制、分析系统。此外，美国某公司制造的M-5 型原子吸收光谱仪在化学试剂的微量与常量元素分析中也有着广泛的应用，在化学试剂中学多溶液的杂质含量的相对标准偏差较小，一般在0.5% 左右，可见其具有较高的准确性。