《光谱分析法》课件

光谱分析法欢迎来到《光谱分析法》课程光谱分析是现代分析化学和物理学研究中不可或缺的重要技术，它通过研究物质与电磁辐射相互作用的现象，揭示物质的结构、组成和性质本课程将系统介绍各种光谱分析方法的基本原理、仪器构造和应用领域课程目标和内容理解原理熟悉仪器掌握各种光谱分析方法的基本原理、特点及优缺点，了解了解各类光谱仪器的基本构造、工作原理及操作方法，具电磁波谱的组成及其与物质相互作用的机制备基本的仪器使用和维护能力掌握方法应用拓展学习不同光谱分析方法的样品制备技术、数据采集和处理方法，培养实际操作能力光谱分析法的定义基本概念相互作用类型光谱分析法是研究物质与电磁辐物质与电磁波的相互作用主要有射相互作用产生的光谱，用以确吸收、发射、散射和荧光等形定物质的组成、结构和含量的分式，每种作用机理对应不同的光析方法它基于物质的原子、分谱分析方法子或离子在特定能量下产生特征光谱的原理分析目的通过检测和分析这些相互作用产生的特征光谱，可以获得物质的定性和定量信息，实现对未知样品的鉴别、表征和测量光谱分析法的分类按照波长分类按照能级分类根据使用的电磁辐射波长区域分为X射线根据能级跃迁类型分为原子光谱（涉及外光谱、紫外光谱、可见光谱、红外光谱、微层电子跃迁）、分子光谱（涉及分子振动和波光谱和射频光谱等转动）、核光谱（涉及核能级变化）按照相互作用分类按照分析目的分类根据物质与辐射的相互作用方式分为吸收根据分析目的分为定性分析（物质种类）光谱、发射光谱、散射光谱、荧光光谱等和定量分析（物质含量）电磁波谱射频波波长最长，频率最低，能量最小用于核磁共振波谱分析波长范围1m，频率300MHz微波用于微波光谱分析波长范围1mm-1m，频率300MHz-300GHz红外线用于红外光谱分析，研究分子振动和转动波长范围700nm-1mm，频率300GHz-430THz可见光用于可见光谱分析波长范围400-700nm，频率430-750THz紫外线用于紫外光谱分析波长范围10-400nm，频率750THz-30PHz射线X用于X射线分析、X射线荧光等波长范围

0.01-10nm，频率30PHz-30EHzγ射线波长最短，频率最高，能量最大波长范围

0.01nm，频率30EHz光谱产生的基本原理能量吸收物质的原子或分子吸收特定能量的光子，使电子从低能级跃迁到高能级，产生吸收光谱能量释放高能级的电子回到低能级时释放能量以光子形式辐射出来，产生发射光谱散射与发光光子被物质散射或引起物质发光等次级辐射过程，产生散射光谱或荧光光谱光谱产生的本质是物质中的电子在不同能级之间的跃迁过程每种元素或分子因其独特的电子结构，在与光子相互作用时会表现出特有的光谱特征，这成为光谱分析的基础光谱不仅包含了物质成分的信息，还反映了其结构和能量状态能级跃迁与光谱电子跃迁原子中电子在不同能级之间的跃迁，对应于X射线、紫外-可见光和部分红外光谱区域能量差较大振动跃迁分子中原子间距离的周期性变化，主要对应于红外光谱区域能量差中等转动跃迁分子围绕某一轴的旋转状态变化，对应于远红外和微波光谱区域能量差较小核自旋跃迁原子核自旋状态的改变，对应于射频波谱区域，如核磁共振能量差极小光谱分析法的特点指纹特性每种物质都有其独特的光谱特征，就像人的指纹一样，可用于物质的确证和鉴别这种光谱指纹来源于物质特有的分子结构或原子组成高灵敏度现代光谱技术可检测极微量的物质，某些方法的检出限可达ppb甚至ppt级别，适用于微量样品分析快速分析许多光谱分析方法可在短时间内完成测量，有些甚至可实现实时在线分析，提高了分析效率无损分析多数光谱分析方法对样品无损或仅需极少量样品，样品可重复使用或保留，特别适合珍贵样品分析光谱分析仪器的基本组成单色器光源选择特定波长的辐射提供稳定、连续或特征波长的辐射能量样品池放置待测样品并使其与辐射相互作用数据处理系统检测器处理和分析检测信号，输出结果将光信号转换为电信号光源连续光源线光源发射连续波长范围的辐射发射特定波长的辐射•钨灯可见光区域主要光源，发射350-2500nm的连续光谱•空心阴极灯原子吸收光谱的主要光源，发射特定元素的特征谱线•氘灯紫外区域主要光源，发射190-400nm的连续光谱•激光单色性极好的光源，广泛用于拉曼光谱、激光诱导荧•氙灯紫外-可见区宽范围光源，发射200-1000nm的连续光光等技术谱•放电灯如汞灯、钠灯，发射特定波长的谱线•红外光源如热辐射体，发射中远红外区域的连续光谱•射频或微波辐射源用于核磁共振或微波光谱单色器功能与作用常见类型单色器的主要功能是从连续光谱中分离•棱镜单色器利用棱镜对不同波长出特定波长的光在某些光谱分析中，光的折射角不同原理需要使用单色光照射样品或分析样品发•光栅单色器利用衍射光栅对光的射/吸收的不同波长光衍射作用•干涉滤光片利用光的干涉原理选择特定波长•音频光学可调谐滤波器利用声光效应实现快速波长选择重要参数•色散率表示单色器对不同波长光的分离能力•分辨率表示能分辨的最小波长差•带宽通过单色器的光的波长范围•杂散光非需要波长的光透过单色器的程度样品池样品池是盛放样品并使其与入射光相互作用的装置不同的光谱分析方法需要不同类型的样品池在紫外-可见光谱分析中，常用石英或玻璃比色皿；红外光谱分析则需要特殊的盐片或窗片，如NaCl、KBr或ZnSe等气体样品通常使用长光程气体池，以提高灵敏度样品池的选择需考虑多种因素，包括样品的物理状态（固体、液体或气体）、样品量、分析波长范围和所需灵敏度等样品池材料必须在工作波长范围内透明，且不与样品发生反应检测器人眼最早的检测器，仅适用于可见光区域光电元件2光电池、光电倍增管、光电二极管等阵列检测器3光电二极管阵列、CCD、CMOS等热检测器4热电偶、热敏电阻、热释电探测器等特种检测器MCT检测器、电子倍增器、法拉第杯等数据处理系统信号采集将检测器输出的电信号转化为数字信号，进行模数转换和初步的信号处理信号处理对采集的数据进行滤波、平滑、基线校正、峰识别等处理，提高信噪比数据分析利用参比标准、校准曲线、统计方法等对处理后的数据进行定性和定量分析结果输出以图表或报告形式展示分析结果，并可与数据库比对或进行数据挖掘吸收光谱法概述基本原理主要分类吸收光谱法是基于物质对特定波长辐射的选择性吸收，测量样品•紫外-可见吸收光谱（200-800nm）研究物质的电子能级对入射光的吸收程度来获取物质组成和含量信息的方法跃迁•红外吸收光谱（

2.5-25μm）研究分子振动和转动能级跃迁当光照射到样品上时，样品中的原子、分子或离子会吸收特定能量的光子，导致电子、振动或转动能级跃迁，形成特征吸收光•原子吸收光谱研究原子基态电子对特定波长光的吸收谱•X射线吸收光谱研究内层电子的能级跃迁吸收光谱的基本原理光的入射入射光通过样品池照射到样品上，光源可以是连续光源或线光源能量吸收样品中的原子或分子吸收特定波长的光子能量，引起内部电子、振动或转动能级的跃迁强度减弱被吸收波长的光强度减弱，透射光谱中出现吸收带或吸收线吸收测量通过测量入射光强度I₀和透射光强度I的比值，计算吸光度A=logI₀/I朗伯比尔定律-定义公式物理意义朗伯-比尔定律表述为A=εbc吸光度与样品浓度和光程成正比，是定量分析的理论基础在其中A为吸光度，ε为摩尔吸光一定条件下，吸光度与浓度呈线系数，b为光程，c为样品浓度性关系，可建立标准曲线进行定量分析适用条件与限制•样品溶液必须稀溶液（通常

0.01mol/L）•入射光必须是单色光•吸光物质不发生关联或解离•溶液中不能有散射或荧光干扰紫外可见光谱分析法-190-380nm紫外区检测不饱和键、共轭系统等发色基团380-780nm可见区研究有色化合物的吸收特性1-5nm典型带宽现代紫外-可见光谱仪的分辨能力⁻⁻⁴⁸10-10mol/L检测限可检测的样品浓度范围紫外-可见光谱分析法主要用于研究分子中价电子的跃迁，特别适合检测含有π电子或非键电子的有机分子常见的发色基团包括C=C、C=O、N=N、芳香环等该方法广泛应用于有机化合物的结构鉴定、定量分析以及生物分子的研究紫外可见光谱仪的结构-单光束光谱仪双光束光谱仪结构简单，价格较低，适合常规分析光束通过样品后才被检精度高，稳定性好，适合精密分析光束被分为参比光束和样品测，需要分开测量参比和样品主要组成部分光束，同时测量，可消除仪器漂移主要组成部分•光源氘灯（紫外区）和钨灯（可见区）•光源同单光束仪器•单色器棱镜或光栅•分光系统将光分为参比光和样品光•样品池石英或玻璃比色皿•单色器通常为光栅式•检测器光电倍增管或光电二极管阵列•检测器双检测器系统•数据处理系统自动计算吸光度紫外可见光谱的应用-结构分析定量分析生物分子研究通过特征吸收峰鉴别化合物基于朗伯-比尔定律，利用标测定蛋白质、核酸等生物大中的发色基团，帮助确定有准曲线法或标准加入法测定分子的含量和性质如机化合物结构不同的发色样品中特定组分的含量广DNA/RNA在260nm处有强吸基团在特定波长处有特征吸泛应用于药物含量分析、食收，蛋白质在280nm处有特收，如苯环在255nm左右有品添加剂检测等领域征吸收，常用于纯度检测强吸收反应动力学监测化学反应过程中吸光度的变化，研究反应速率和机理通过固定波长下的吸光度变化，可获得反应动力学参数红外光谱分析法基本原理波长区域红外光谱分析基于分子吸收红外辐射引起振动和转动能级变化的•近红外区NIR12800-4000cm⁻¹，主要是基频振动的倍原理当红外光照射样品时，分子吸收特定频率的红外辐射，导频和合频致化学键的振动或分子的转动，产生特征吸收光谱•中红外区MIR4000-400cm⁻¹，最常用区域，分子基频振动区只有那些引起分子偶极矩变化的振动才能吸收红外光，这就是红外活性不同的官能团在特定波数范围内有其特征吸收，形成•远红外区FIR400-10cm⁻¹，主要为分子骨架振动和晶格振动指纹区，用于结构鉴定中红外区又可分为官能团区4000-1300cm⁻¹和指纹区1300-400cm⁻¹官能团区反映分子中官能团的存在，指纹区则反映整个分子的结构特征红外光谱仪的类型分散型红外光谱仪早期的红外光谱仪，使用棱镜或光栅作为分散元件，逐点扫描获取光谱优点是结构简单，缺点是扫描速度慢，信噪比低，现已基本被傅里叶变换光谱仪取代傅里叶变换红外光谱仪FTIR采用迈克尔逊干涉仪代替传统单色器，通过傅里叶变换将干涉图转换为光谱具有高分辨率、高灵敏度、快速扫描等优点，是现代红外光谱仪的主流红外显微光谱仪将红外光谱与显微技术结合，可分析微小区域样品广泛应用于材料科学、法医分析、艺术品鉴定等领域，能对微量样品进行无损分析便携式红外光谱仪体积小、重量轻、操作简便，适合现场分析通常采用干涉仪原理，配备先进的数据处理软件，可进行快速的现场鉴别分析红外光谱样品制备方法不同物理状态的样品需要采用不同的制备方法固体样品常用的制备方法包括KBr压片法（将样品与KBr混合研磨后压制成透明片）、漫反射法（适用于粉末样品）和ATR法（衰减全反射，适用于各种固体表面分析）液体样品可采用液膜法（将液体样品滴加在NaCl或KBr盐片之间形成薄膜）或ATR法气体样品则通常使用长光程气体池，以增强微弱的吸收信号对于薄膜、涂层等样品，可直接使用透射或反射方式测量红外光谱的应用定量分析通过特征峰的吸收强度测定样品质控制反应监测品中特定组分的含量可采用药品、食品等产品的纯度检验标准曲线法、标准加入法或内实时跟踪化学反应过程中官能和掺假鉴别通过比对待测样标法进行定量团的变化，研究反应机理和动品与标准样品的指纹区谱图，力学参数如聚合反应、催化结构鉴定可快速判断样品的一致性反应等材料表征利用不同官能团的特征吸收带识别有机化合物的分子结构高分子材料、涂层、薄膜等物如C=O在1700cm⁻¹附近，OH质的组成和结构分析可研究在3300-3600cm⁻¹，NH在材料的结晶度、取向度、共聚3300-3500cm⁻¹物组成等特性原子吸收光谱分析法基本原理原子化过程原子吸收光谱AAS基于基态原将样品转化为基态自由原子的过子对特定波长光的选择性吸收程称为原子化，是AAS中的关键当特定元素的特征光照射到该元步骤主要方式包括火焰原子素的基态原子气体上时，原子中化、电热原子化、冷原子化等的电子会吸收光能量跃迁到激发效率和完全性直接影响测定的准态，导致透射光强度减弱确度和灵敏度关键特点•高度的元素选择性，几乎无光谱干扰•灵敏度高，检出限可达ng/mL级别•适用元素广，可测定70多种元素•线性范围通常为2-3个数量级原子吸收光谱仪的结构检测系统光学系统通常使用光电倍增管，将光信号转原子化系统包括透镜、狭缝、单色器等，用于换为电信号现代仪器还配有先进光源系统将样品转化为基态原子蒸气的装聚焦光束并选择特定波长的光单的数据处理系统，可自动校准、计主要使用空心阴极灯HCL或无极放置，包括火焰原子化器、电热原子色器通常为光栅式，分辨率需达算浓度并显示结果电灯EDL，发射被测元素的特征谱化器、冷原子化器等火焰原子化

0.2-2nm，以分离出元素的特征共线HCL的阴极由被测元素制成，器使用空气-乙炔或氧化亚氮-乙炔振线充入低压惰性气体，通电后产生该火焰，温度可达2000-3000℃元素的原子蒸气，发射特征谱线原子化方式火焰原子化电热原子化冷原子化最常用的原子化方式，样品溶液被雾化样品置于石墨管或平台中，通过电加热特殊原子化方式，主要用于汞等易挥发后进入火焰，在高温下分解为游离原方式逐步干燥、灰化和原子化元素，在室温下将元素还原为原子蒸子气•优点灵敏度高，样品用量少μL•优点操作简便，稳定性好，重现性级，检出限低•优点灵敏度极高，无光谱和化学干高扰•缺点干扰较多，操作复杂，分析周•缺点原子化效率低，需要较大体积期长•缺点仅适用于少数元素，如Hg、样品As等•适用元素难挥发元素和微量元素分•适用元素挥发性较高的元素，如析•适用元素汞、砷、硒、锑等Na、K、Ca等•检出限通常在

0.01-1ng/mL范围•检出限汞可达

0.001ng/mL•检出限通常在

0.1-10μg/mL范围原子吸收光谱的应用环境分析冶金分析食品安全环境水、土壤和空气中重金属污染物的检金属材料和矿石中主量、微量和痕量元素食品中有害金属元素含量的测定，如农产测是原子吸收光谱最广泛的应用领域可的测定通过选择适当的原子化方式和预品、水产品中的汞、铅、镉等重金属残留测定环境样品中的铅、镉、汞、砷等有毒处理方法，可准确分析各种合金成分、矿量，是保障食品安全的重要手段结合微金属，检测限可达ppb甚至ppt级别，对环石品位和杂质含量，满足冶金工业的质量波消解等前处理技术，可实现快速、准确境保护具有重要意义控制需求的有害元素筛查发射光谱法概述基本原理特点与优势发射光谱法是测量原子、离子或分•可同时测定多元素子从激发态返回低能态时发射的辐•灵敏度高，特别是对碱金属和射，据此判断物质组成和含量的分碱土元素析方法通过高温、电弧、电火花•样品用量少，分析速度快或等离子体等能量源使样品中的原•部分方法可进行固体直接分子或离子激发，然后测量其发射的析，无需溶解特征谱线主要分类•火焰发射光谱法•电弧电火花发射光谱法•等离子体发射光谱法•激光诱导击穿光谱法LIBS发射光谱的基本原理能量激发样品被加热、电离或受到其他形式能量，使原子或分子中的电子从基态跃迁到更高能级激发态处于高能级的电子状态不稳定，电子倾向于回到较低能态辐射发射电子从高能级回到低能级时释放能量，以光子形式辐射出特定波长的光光谱形成每种元素有独特的能级结构，因此发射特定波长的光线，形成4特征发射光谱火焰发射光谱法原理与特点仪器组成火焰发射光谱法FES是利用火焰激发样品溶液中的原子，测量•雾化系统将样品溶液转变为气溶胶其发射的特征辐射的方法样品溶液经雾化器进入火焰，在高温•火焰系统提供激发能量，常用空气-乙炔或氮氧化物-乙炔下原子被激发，发射特征光谱火焰这种方法特别适合测定容易激发的元素，如碱金属Li、Na、K•光学系统收集辐射并进行波长分离和碱土金属Ca、Sr、Ba等由于火焰温度有限~3000K，对•检测系统测量特定波长处的发射强度难激发元素灵敏度较低现代火焰光度计通常使用干涉滤光片选择特定波长，结构简单，价格适中，是测定alkali和alkaline earth元素的经济有效手段电弧电火花发射光谱法电弧激发电火花激发样品要求利用低压约30V高电利用高压数千伏高频主要分析固体导电样品流1-30A的电弧放电率间歇放电的电火花激如金属、合金等非导激发样品，温度可达发样品，温度高达电样品需研磨混合导电4000-8000K电弧激10000-40000K电火粉末如石墨粉制成电发能量较低但稳定，适花激发能量高，适合难极样品应洁净、均匀，合痕量元素分析，但精激发元素分析，精密度表面平整密度较差好但灵敏度较低应用领域广泛应用于冶金、地质、材料等领域的元素分析特别适合金属材料的快速全元素分析、合金成分鉴定、钢铁品质控制等能同时检测数十种元素，分析速度快等离子体发射光谱法等离子体源高温电离气体，温度可达6000-10000K1样品引入与激发2样品经雾化进入等离子体，被激发和电离光谱分离发射光经光学系统分离为各波长组分光谱检测光电检测器测量各特征波长的强度数据处理计算机系统处理数据并转化为元素含量发射光谱的应用金属与合金分析地质与矿产勘探环境监测发射光谱法是冶金工业中必不可少的分析地质样品中常含有复杂的元素组成，发射环境样品中重金属和有害元素的测定是发工具，可快速、同时测定金属材料中的主光谱法可快速筛查岩石、矿石中的元素组射光谱法的重要应用领域ICP-AES可同量、次量和微量元素特别是直读光谱仪成，为矿产勘探提供重要信息ICP-AES时测定水、土壤、沉积物等环境样品中多可在短时间内完成全元素分析，广泛用于因其高灵敏度和宽线性范围，成为地质分种元素，具有高通量和高精度的特点，已钢铁、有色金属的质量控制和成分鉴定析的有力工具成为环境监测的常规方法荧光光谱分析法基本原理发光过程荧光光谱分析基于分子吸收光子后被激发到高能态，随后发射较

1.激发分子吸收光子能量，电子从基态跃迁到激发单重态低能量光子返回基态的现象荧光波长通常长于激发波长，这种

2.振动弛豫电子在激发态失去部分能量，降至最低振动能级波长差称为斯托克斯位移荧光强度与发光物质浓度成正比在低浓度范围内，是极其灵敏

3.荧光发射电子从激发单重态回到基态，发射荧光的微量分析方法荧光分析的灵敏度比吸收光谱高2-3个数量

4.内转换与系间窜越其他非辐射能量损失途径级，可检测浓度低至10⁻⁹-10⁻¹²mol/L只有具有刚性结构的分子才具有强荧光，如喹啉、蒽、荧蒽等荧光寿命通常为10⁻⁹-10⁻⁷秒，消失快荧光光谱仪的结构激发单色器光源选择适当波长的光照射样品高强度氙灯或汞灯，提供连续或线光谱样品室荧光池通常为四面透明的石英比色皿检测器发射单色器高灵敏度光电倍增管或CCD检测器4分离样品发出的不同波长荧光荧光光谱的应用生物分子分析荧光光谱在生物化学、分子生物学研究中应用广泛DNA、RNA、蛋白质等生物大分子可通过荧光标记进行定量分析和结构研究荧光原位杂交FISH、荧光免疫分析等技术已成为生物医学研究的基本工具药物分析许多药物分子本身具有荧光特性或可衍生化为荧光物质，荧光分析用于药物含量测定、纯度检查和药代动力学研究高灵敏度使其成为检测体液中微量药物的理想方法荧光显微镜将荧光原理与显微技术结合，可观察细胞内结构和分子分布共聚焦荧光显微镜和超分辨率荧光显微技术突破了光学衍射极限，实现纳米级分辨率观察环境监测多环芳烃等环境污染物具有强荧光，可通过荧光法进行快速检测荧光传感器可实时监测水质、空气质量和特定污染物的浓度变化拉曼光谱分析法基本原理拉曼效应拉曼光谱是基于入射光与分子非弹拉曼散射可分为斯托克斯散射光子性散射产生的现象当单色光照射失去能量，频率降低和反斯托克斯样品时，大部分光子发生弹性散射散射光子获得能量，频率增加瑞利散射，频率不变；极少部分通常测量斯托克斯散射，频率差即光子与分子振动能级相互作用，发拉曼位移，反映分子振动频率生非弹性散射，频率发生变化，这就是拉曼散射与红外光谱比较•拉曼活性要求分子极化率变化，红外活性要求偶极矩变化•拉曼对称振动强，不对称振动弱；红外相反•拉曼可测水溶液，红外受水干扰大•两者互补，结合使用可获得更完整的分子振动信息拉曼光谱仪的结构激发光源通常使用单色性好、功率稳定的激光器常用激光包括氩离子激光器488nm,

514.5nm、氦氖激光器

632.8nm、氪离子激光器和固态激光器选择合适波长可避免样品荧光干扰样品室包括聚焦系统和样品台拉曼散射信号很弱，需要高效的收集系统，通常采用180°背散射或90°侧向散射构型现代仪器常与显微镜结合，形成拉曼显微镜系统分光系统用于分离拉曼散射光和弹性散射光通常包括陷波滤光片阻挡瑞利散射和高分辨率光栅分光系统滤波的效率直接影响拉曼信号的质量检测系统现代拉曼光谱仪多采用高灵敏度的CCD检测器或光子计数器CCD允许同时检测整个拉曼光谱，极大提高了测量效率拉曼光谱的应用材料表征药物分析生物医学应用拉曼光谱是研究碳材料如石墨、金刚石、拉曼光谱用于药物成分鉴定、多形态分析表面增强拉曼光谱SERS和拉曼成像技术碳纳米管、石墨烯的重要工具通过特征和纯度检测由于可直接分析片剂、粉末在生物样品分析中日益重要拉曼光谱可拉曼峰可确定材料结构、晶格缺陷、层数而无需复杂前处理，拉曼技术已成为药物无损检测活细胞内生物分子的分布和变和应力等信息同时，它也广泛用于聚合生产过程控制和质量监测的快速工具便化，应用于疾病诊断、组织病理学分析和物、陶瓷、半导体等材料的无损检测和质携式拉曼光谱仪还用于打击假冒药品生物分子相互作用研究量控制射线荧光光谱分析法X射线激发X高能X射线照射样品，使内层电子被电离电子空穴形成内层电子被击出，在内层形成电子空穴电子跃迁外层电子跃迁填补内层空穴特征射线发射X释放能量差以特征X射线形式辐射射线荧光光谱仪的结构X射线源X通常采用X射线管，由阴极钨灯丝和阳极通常为铑、钨、银等组成高压下产生高能X射线，用于激发样品现代仪器还可使用同步辐射光源，提供更高亮度的X射线样品系统包括样品台和样品室样品制备简单，可分析固体、粉末、液体甚至气体固体样品可直接分析或压制成片，液体样品需装入特殊样品杯分光系统波长色散型WDXRF使用分析晶体按布拉格定律分离不同波长X射线；能量色散型EDXRF使用高分辨率能量探测器直接分辨不同能量的X射线检测系统WDXRF通常使用流气正比计数器或闪烁计数器；EDXRF主要使用SiLi半导体探测器或硅漂移探测器SDD，能同时检测多种元素射线荧光光谱的应用X冶金和材料地质分析金属合金成分分析、材料中杂质检测以及涂矿石、岩石、土壤等地质样品中元素组成的层厚度测量XRF是钢铁、有色金属行业的分析，对采矿业和矿物勘探至关重要XRF1常规分析方法可快速测定主量元素和常见微量元素环境监测3土壤、沉积物和飘尘中重金属污染检测便携式XRF仪器可进行现场快速筛查质量控制考古与文物工业生产过程中的在线元素分析和质量监控如水泥、玻璃、陶瓷等行业4陶器、青铜器、古代绘画等文物的无损成分分析，帮助确定年代、来源和制作工艺质谱分析法概述基本原理质谱产生过程质谱分析法是将样品分子电离，根•电离将中性分子转化为带电离据质荷比m/z分离离子，并测量不子同离子的数量，从而确定分子结构•加速离子在电场作用下加速和含量的分析技术它不同于光谱•分离根据质荷比在电场或磁场方法，但由于其强大的分析能力，中分离常与光谱技术并列为现代分析的基•检测测量各类离子的丰度础方法主要特点•极高的灵敏度，可达pg级甚至更低•可提供分子量和结构信息•适用于各类有机和无机化合物•分析速度快，样品用量少质谱仪的基本结构进样系统离子源将样品导入质谱仪的装置将样品分子电离为气相离子12数据系统质量分析器处理信号并生成质谱图根据质荷比分离不同离子3真空系统检测器提供离子传输所需的高真空环境检测离子并转换为电信号离子源电子轰击源化学电离源软电离技术EI CI最传统的离子化方式，使用高能电子通使用反应气体如甲烷、氨被电离后与样包括电喷雾电离ESI、大气压化学电离常70eV轰击气态分子，使其电离并发生品分子反应，产生[M+H]⁺等准分子离APCI、基质辅助激光解吸电离MALDI碎裂子等•优点碎片模式稳定，可查询标准谱•优点碎片少，分子离子信息丰富•优点碎片化少，适合大分子和热不库稳定物质•缺点灵敏度较低，选择性受限•缺点碎片化严重，分子离子峰往往•缺点结构信息较少，需要串联质谱•适用需要分子量信息的分析很弱•适用小分子化合物，挥发性好的样•适用蛋白质、多肽、聚合物等大分品子质量分析器四极杆质量分析器最常用的质量分析器，由四根平行金属杆构成通过改变杆上的射频和直流电压，使特定m/z的离子有稳定轨道通过分析器结构简单，价格适中，扫描速度快，但分辨率有限通常4000飞行时间质量分析器TOF基于不同质量离子在相同能量下飞行速度不同的原理具有理论上无限的质量范围和高分辨率50000与MALDI源结合特别适合大分子分析响应速度快，适合快速扫描和色谱联用离子阱质量分析器包括三维离子阱3D和线性离子阱LIT可捕获并存储离子，依次弹出不同m/z的离子进行检测特别适合多级串联质谱MSⁿ分析，用于复杂结构确认灵敏度高但质量准确度一般磁场质量分析器传统的高分辨分析器，通过磁场使不同m/z的离子在不同半径上运动双聚焦质量分析器结合电场和磁场，可获得极高分辨率100000适合精确质量测定和同位素分析，但体积大、价格高、扫描速度慢检测器电子倍增器微通道板法拉第杯阵列检测器MCP最常用的质谱检测器，利用由成千上万个微小的电子倍简单的离子收集器，当离子可同时检测多个质荷比的离二次电子发射原理放大离子增管组成的平板式检测器撞击金属杯时，转移电荷产子，提高灵敏度和采集速度信号结构包括一系列打孔每个通道直径仅10-25μm，生电流具有精确的定量能包括光电二极管阵列和电荷的金属板倍增极，当离子可同时检测多个离子响应力和宽动态范围，主要用于耦合器件CCD等主要用撞击首极板，产生多个二次时间极短纳秒级，特别适同位素比值测定响应线性于磁场扇形仪器和一些特殊电子，这些电子再撞击下一合TOF质谱仪具有高灵敏好，但灵敏度较低，主要用应用中，可大幅提高数据采极板，引发级联放大放大度和高时间分辨率，但寿命于稳定同位素质谱和环境质集效率倍数可达10⁶-10⁸，响应快有限，价格较高谱分析速，适用于大多数质谱应用质谱分析的应用质谱分析广泛应用于各个科学领域在生命科学中，蛋白质组学利用质谱技术鉴定和定量数千种蛋白质，代谢组学分析细胞代谢产物谱，脂质组学研究复杂脂质混合物环境科学中，质谱法用于检测水、土壤、大气中的持久性有机污染物、农药残留和新型污染物在药物研究领域，质谱贯穿于新药发现、开发和质量控制的各个环节此外，质谱还应用于法医毒理学、食品安全、石油化工、临床诊断和考古研究等众多领域核磁共振波谱分析法基本原理主要特点核磁共振NMR波谱基于具有自旋的原子核如¹H、¹³C、³¹P等•无损分析样品可完全回收在外加磁场中的行为这些原子核具有磁矩，置于强磁场中时，•高分辨率可提供原子级结构信息自旋状态发生能级分裂当施加特定频率的射频辐射时，原子核•适用范围广可分析液体、固体和半固体可吸收能量发生共振，随后返回平衡状态时释放能量，产生可检•多种核素¹H、¹³C、¹⁵N、¹⁹F、³¹P等多种核素可测测的信号•动态信息可研究分子运动和化学交换原子核的共振频率受其化学环境影响，这种微小变化称为化学•定量准确信号强度与核数成正比位移，是NMR谱图的核心信息，反映了分子结构核磁共振波谱仪的结构超导磁体产生强大稳定的磁场，通常

1.5-

23.5特斯拉探头系统包含射频线圈、样品管和温度控制装置控制台射频发生和接收系统、脉冲程序器和放大器计算机系统控制实验参数、数据采集和谱图处理低温系统5液氦和液氮系统维持超导状态核磁共振波谱的应用有机结构分析生物大分子研究医学诊断NMR是有机化学家最重要的结构确证工NMR是X射线晶体学之外研究蛋白质和核核磁共振成像MRI是基于NMR原理的医具，通过综合分析¹H-NMR、¹³C-NMR和酸三维结构的另一重要方法它不仅可以学影像技术，可无创地获取人体内部高分二维NMR数据，可确定未知化合物的分子测定溶液中生物分子的结构，还能研究分辨率图像，广泛用于疾病诊断功能性核结构、立体构型和构象尤其对于复杂天子动力学、分子间相互作用和反应机理磁共振成像fMRI则可研究脑活动和认知然产物和新合成化合物的结构鉴定至关重代谢组学研究也大量依赖NMR技术功能，已成为神经科学重要工具要光谱联用技术联用技术的意义联用技术的优势光谱联用技术是将两种或多种分析技•提高分析的选择性和灵敏度术结合，充分发挥各自优势，提高分•结合分离和鉴定功能于一体析能力的方法通常将色谱分离技术•减少样品处理步骤，降低误差与光谱检测技术联用，实现对复杂样•可同时获取多种信息，提高鉴定品的分而治之可靠性常见联用技术•气相色谱-质谱联用GC-MS•液相色谱-质谱联用LC-MS•液相色谱-紫外/可见光谱联用LC-UV/Vis•液相色谱-红外光谱联用LC-IR•液相色谱-核磁共振联用LC-NMR气相色谱质谱联用-样品注入样品通过进样口注入GC色谱柱色谱分离组分在GC柱中根据挥发性和极性分离接口传输分离的组分经接口进入质谱仪电离与检测组分被电离、分析并生成质谱图液相色谱质谱联用-液相色谱系统通常采用高效液相色谱HPLC或超高效液相色谱UHPLC系统，负责样品的分离由泵、进样器、色谱柱和常规检测器如UV、荧光组成现代LC-MS多采用反相色谱模式，使用C18柱等，流动相通常为水和有机溶剂如甲醇、乙腈的混合物接口技术LC-MS的关键在于接口设计，需要去除大量流动相并使分析物高效电离目前主要使用电喷雾电离ESI、大气压化学电离APCI和大气压光电离APPI等接口技术其中ESI最为广泛，特别适合极性和高分子量化合物分析质谱检测系统常用的质量分析器包括四极杆、离子阱、飞行时间TOF和三重四极杆等串联质谱MS/MS或MSⁿ技术可对特定离子进行碎片化，获取更详细的结构信息，提高灵敏度和选择性数据处理系统复杂的数据处理软件用于色谱峰识别、质谱图解析、化合物鉴定和定量分析现代软件通常集成各种数据库和自动化工作流程，大大提高分析效率光谱分析法在材料科学中的应用形貌分析结构表征光谱技术与显微技术结合（如共聚焦拉曼显微镜）可实现材料微区结构和组成分析，研XRD、红外、拉曼等技术用于确定材料晶体2究相分布和界面特性结构、化学键和分子排列XPS和AES可分析表面元素组成和化学状态性能研究光致发光、紫外-可见光谱等用于研究材料的光学、电子和能带特性电子顺磁共振用于研究磁性材料失效分析5过程监测FTIR、XPS等技术用于研究材料老化、腐蚀原位光谱技术可实时监测材料合成、生长和和失效机理，为材料改进提供依据变化过程，如晶体生长、薄膜沉积和聚合反应等光谱分析法在环境监测中的应用

0.1ppb85%检测限应用率现代光谱技术的超低检出限环境监测实验室使用光谱技术的比例分钟100+10元素种类分析时间可同时检测的元素种类快速筛查样品所需时间光谱分析技术是环境监测的基石原子吸收光谱和ICP-AES/MS用于水、土壤和大气中重金属污染物的检测气相色谱-质谱和液相色谱-质谱则是有机污染物分析的首选方法，可检测农药残留、多环芳烃、多氯联苯等持久性有机污染物便携式和在线光谱仪器实现了环境污染的现场快速筛查和实时监测，为环境应急响应提供了技术支持远程光谱探测技术如差分吸收光谱DOAS和激光雷达LIDAR可进行大气污染的远程监测光谱分析法在生命科学中的应用蛋白质研究核酸分析细胞与组织研究质谱法是蛋白质组学的核心技紫外-可见光谱用于测定核酸浓度荧光显微技术如共聚焦显微镜、术，可鉴定和定量数千种蛋白和纯度质谱法可测序超分辨率显微镜革命性地改变了质圆二色谱用于研究蛋白质二DNA/RNA并分析修饰荧光技细胞生物学研究拉曼显微成像级结构，荧光和红外光谱用于研术用于DNA测序、基因表达和蛋和红外显微成像可无损研究活细究蛋白质折叠和构象变化核磁白质-核酸相互作用研究近年胞生化过程质谱成像技术则可共振和X射线晶体学则用于解析来，单分子光谱技术实现了对单可视化组织中生物分子的空间分蛋白质三维结构个DNA/RNA分子的实时观测布诊断与临床应用光谱技术已广泛应用于临床诊断，如核磁共振成像、质谱基因分型、红外光谱血液分析和荧光内窥镜检查等基于光谱技术的生物标志物检测为疾病早期诊断提供了新方法光谱分析法的发展趋势微型化与便携化基于微机电系统MEMS和光子集成技术的微型光谱仪正快速发展，实现了口袋实验室便携式拉曼、近红外和XRF已经商业化，用于现场快速分析智能手机光谱仪甚至可将光谱分析能力带到普通消费者手中实时与在线分析过程分析技术PAT将光谱仪器直接集成到生产线，实现实时质量控制原位光谱技术可在反应过程中监测化学变化，无需取样高速光谱技术如快速扫描和多通道检测使亚秒级动态过程监测成为可能光谱成像技术将光谱分析与成像技术结合，同时获取样品的空间分布和光谱信息高光谱成像可同时采集数百个波长的图像，广泛用于地球遥感、农作物监测、食品安全和医学诊断拉曼成像和质谱成像技术正革新组织分析和病理学研究人工智能与大数据机器学习和深度学习算法正改变光谱数据分析方式AI可从复杂光谱中提取隐藏信息，提高检测灵敏度和特异性光谱大数据和云计算平台使全球光谱数据共享和协作分析成为可能，加速科学发现和技术创新总结与展望仪器技术基础理论仪器性能持续提升，向高灵敏、高分辨、微型化和智能化方向发展从量子力学到数据科学，光谱分析的理论基础不断深化和拓展方法创新新技术融合带来方法创新，拓展应用领3域和分析能力未来展望应用拓展人工智能、量子技术和纳米科学将引领光谱分析迈向新高度从传统实验室扩展到工业生产、环境监测、生命科学等多领域。