◎ 張 劍

（銳德檢測認證技術(shù)（湖北）有限公司，湖北 荊州 434000）

光譜分析儀器是基于光譜分析原理而設(shè)計的一類在現(xiàn)代科技領(lǐng)域有重要應(yīng)用的檢測與分析設(shè)備，其發(fā)展越來越小型化、便攜化與智能化[1]，所具有的功能也越來越多，性能正在逐步改進與完善。本文對光譜分析相關(guān)知識以及光譜分析儀器的基本原理進行較為詳細的研究，以期為其在各領(lǐng)域更好的應(yīng)用提供相應(yīng)的指導(dǎo)。

1 光譜分析相關(guān)知識

具有特定結(jié)構(gòu)的物質(zhì)有特定的特征光譜，該特征光譜對應(yīng)于該物質(zhì)自身的結(jié)構(gòu)，所以以物質(zhì)所表現(xiàn)出來的特征光譜為參考依據(jù)，相關(guān)人員可對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行分析，并測定其化學(xué)成分，此即光譜分析。以獲得光譜的具體方式作為劃分依據(jù)，光譜分析方法通?？杀环譃榘l(fā)射光譜法、吸收光譜法和拉曼散射光譜法3種基本類型。

采用光譜分析方法，能對試樣中含有元素的種類及其含量進行測定，一般工作流程如下：在接受測試樣品的電極與輔助電極之間接通電流，這時兩個電極間的間隙中會有電弧或火花的等離子體形成，當接收到由光源發(fā)生器提供的能量之后，等離子體中含有的分子、原子、粒子以及電子會被激發(fā)而成為光源并產(chǎn)生光亮，在進一步分光處理之后，這些光會生成相應(yīng)的光譜，它們會以波長的不同為依據(jù)，按從長到短（或從短到長）的順序分開排列，分別由不同的設(shè)備接受，或者執(zhí)行對光譜的檢測任務(wù)。

2 光譜分析儀器原理及其應(yīng)用

2.1 原子吸收光譜分析儀、原子熒光光度計與ICPOES

2.1.1 原子吸收光譜分析儀

原子吸收光譜分析儀的基本原理如下：對接受測試的樣品在高溫條件下所變成的原子蒸汽進行檢測，在由光源燈發(fā)射出來的某一特征波長同原子蒸汽出現(xiàn)彼此之間的相互結(jié)合現(xiàn)象之時，會有光譜吸收反應(yīng)發(fā)生。對于所有的元素來說，類型不同，會有不一樣的光譜圖形成，通過對光譜分析儀器的應(yīng)用，可以達到對這些不同光譜圖的區(qū)分目的，進而區(qū)分各種不同的元素，在得到具體的區(qū)分結(jié)果之后，通過相應(yīng)的邏輯處理將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并最終輸出對應(yīng)的數(shù)據(jù)以供相關(guān)人員查看。

原子吸收類型的光譜分析儀可以保證較高的檢測準確性，即使?jié)舛容^低，分析儀也能將其成分檢測出來。此外，此類分析儀還有一定的選擇性，能在多種元素同時存在的前提條件下，完成對某一具體元素含量的檢測。原子吸收分析儀對于元素分析、有機物分析以及金屬形態(tài)學(xué)分析等工作的開展均有重要的應(yīng)用意義。①在應(yīng)用原子吸收光譜分析儀執(zhí)行對元素的分析任務(wù)時，存在于食品、果蔬、魚以及海鮮中的V、Cr、Mn等20多種元素都能夠被檢測出來。此外，合金中的痕量重金屬、藥品中的重金屬、水中的微量金屬等元素都能通過原子吸收光譜分析儀被檢測出來。②在應(yīng)用原子吸收光譜分析儀進行有機物的分析時，可通過同部分金屬元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)對氨基酸、維生素的有機化合物等多種類型的有機物的間接檢測。③在應(yīng)用原子吸收光譜分析儀進行金屬化學(xué)形態(tài)分析時，可同氣相色譜以及液相色譜等相互結(jié)合，以此為基礎(chǔ)執(zhí)行對金屬元素相同的不同類型有機化合物的分離及檢測。

2.1.2 原子熒光光度計

原子熒光光度計是一種以原子熒光光譜學(xué)理論為基礎(chǔ)的原子熒光檢測儀器，原理如下：將硼氫化鉀或硼氫化鈉作為還原劑，針對樣品溶液中的待分析元素，通過相應(yīng)的反應(yīng)將它們還原為帶有揮發(fā)性的共價氣態(tài)氫化物或原子蒸汽，在此基礎(chǔ)之上，基于載氣的支持將它們導(dǎo)入至原子化器中，經(jīng)過氬—氫火焰的原子化處理最終得到基態(tài)原子。在此工作完成之后，基態(tài)原子會對光源的能量進行吸收，從而變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，這時，激發(fā)態(tài)原子又會在進一步的去活化處理中以熒光的形式對所吸收的能量進行釋放，此時，熒光信號的強弱同樣品中待測元素的含量會表現(xiàn)出線性相關(guān)關(guān)系，基于這一前提，通過對熒光強度的測量便能完成對樣品中待測元素含量的檢測任務(wù)。

基于光程短、結(jié)構(gòu)相對簡單、有比較高的靈敏度、原子化效率可以得到可靠的保證、受到基體的干擾很小等優(yōu)點，原子熒光光度計現(xiàn)已逐漸發(fā)展為國內(nèi)外進行重金屬元素檢測所最常用到的檢測儀器之一，在衛(wèi)生防疫、食品安全、地質(zhì)勘探、水質(zhì)監(jiān)測以及環(huán)境保護等諸多領(lǐng)域均有相應(yīng)的應(yīng)用，可以檢測出各種樣品中很多有著嚴重危害的重金屬元素的含量，且檢測精度有很高的保證。

2.1.3 ICP-OES（電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀）

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀原理分為3步： ①等離子體通過能量的提供對樣品進行蒸發(fā)處理，形成氣態(tài)性質(zhì)的原子（或離子），之后，使他們激發(fā)而產(chǎn)生光輻射。②在色散分解作用之下，使光源發(fā)出的復(fù)合光按照波長由短至長的順序分解為對應(yīng)的譜線，并在此基礎(chǔ)上形成光譜。③用檢測儀器對光譜中譜線的強度進行檢測，根據(jù)已知條件（溫度一定時，譜線強度會正相關(guān)于待測元素的濃度），通過定量分析將待測元素的具體含量確定下來。

相較而言，ICP-OES主要有以下特點：①高效穩(wěn) 定，能對多種元素進行連續(xù)而又快速的測定，檢測精確度比較高。②中心氣化溫度可以達到10 000 K，有利于樣品的充分氣化。③工作曲線所表現(xiàn)的線性關(guān)系簡潔明了，有較廣的線性范圍。④與計算機軟件的結(jié)合能實現(xiàn)全譜直讀結(jié)果，方便性與快捷性可以保證。

2.2 近紅外光譜分析儀與紫外可見分光光度計

2.2.1 近紅外光譜分析儀

紅外光譜波長范圍包括3個譜區(qū)，分別為近紅外譜區(qū)（780～2 500 nm）、中紅外譜區(qū)（2 500～25 000 nm）、 遠紅外譜區(qū)（25000～1000000 nm）。其基本原理如下：當近紅外光照射至接受檢測的樣本的表面之時，樣品內(nèi)部會發(fā)生分子振動現(xiàn)象，且由基態(tài)向高能級躍遷，對有著特定波長的紅外光進行吸收，以此為基礎(chǔ)形成紅外光譜，所形成的此類紅外光譜具有接受測試的樣品內(nèi)部的機構(gòu)以及組成信息。樣品不同，內(nèi)部的組成及其結(jié)構(gòu)也會存在差異，進而生成的光譜所具有的特征也會存在差異。

基于檢測速度快、檢測效率高，不會對環(huán)境產(chǎn)生較大的污染,操作上也相對便捷等優(yōu)勢，近紅外光譜分析儀有著相對廣泛的應(yīng)用。近紅外光譜分析儀在近年來的發(fā)展依舊很快，通過結(jié)合計算機軟件或化學(xué)計量學(xué)光譜軟件，近紅外光譜分析儀可實現(xiàn)對部分相對復(fù)雜的樣品的檢測。在食品檢測領(lǐng)域，近紅外光譜分析儀可以以不損壞食品為前提，在很短的時間內(nèi)完成對食品各種成分的檢測。在藥物檢測領(lǐng)域，近紅外光譜分析儀又可以很快地定性與定量判定藥物的具體成分，同時，對藥材進行鑒別。此外，近紅外光譜分析儀還可以定量檢測水果中的農(nóng)藥殘留量、分析茶葉成分、執(zhí)行環(huán)境檢測以及寶石鑒定等一系列任務(wù)。

2.2.2 紫外可見分光光度計

紫外光譜波長范圍大概為400～900 nm[2],其原理如下：由于分子中的某些基團吸收紫外可見輻射光后，發(fā)生電子能級躍遷而產(chǎn)生的吸收光譜。由于各種物質(zhì)具有各自不同的分子、原子和不同的分子空間結(jié)構(gòu)，其吸收光能量的情況也就不同，因此，每種物質(zhì)就有其特有的、固定的吸收光譜曲線，可根據(jù)吸收光譜上的某些特征波長處的吸光度的高低判別或測定該物質(zhì)的含量，這就是分光光度定性和定量分析的基礎(chǔ)。

目前，紫外可見分光光度計在環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)產(chǎn)品與食品分析、植物生化分析以及飼料等的分析中有相對廣泛的應(yīng)用。在進行環(huán)境水的監(jiān)測時，由于成分上的復(fù)雜多變性，待測物的濃度與干擾物通常有很大的濃度差別，應(yīng)用該儀器進行檢測必須將分析方法確定好；農(nóng)產(chǎn)品與食品的分析可借助該儀器將蛋白質(zhì)、賴氨酸、葡萄糖等諸多成分檢測出來；植物生化分析可以進行葉綠素、全氮與酶的活力的檢測；飼料的分析則可基于此儀器進行煙酸、棉酚以及磷化氫等的檢測。

2.3 氣相分子吸收光譜分析儀

氣相分子吸收光譜分析儀的基本原理如下：對接受檢測樣品中的離子或由分子轉(zhuǎn)化生成的氣態(tài)化合物進行檢測，當氣體分子被有著特定波長的光進行輻射之時，會有分子振動現(xiàn)象產(chǎn)生，在這一過程中，分子振動所需要的能量是特定的，不會發(fā)生明顯的變化，而所需要的這種特定能量便是分子特征譜線?；诖耍憧赏ㄟ^對氣相狀態(tài)下分子在特定波長下的吸光率的檢測來明確陰陽離子以及分子等相應(yīng)物質(zhì)實際含有的量。

基于檢測速度快、檢測工作歷時短，儀器操作起來容易上手、流程相對簡單等優(yōu)點，氣相分子吸收光譜分析儀現(xiàn)階段有著比較高的市場占有率以及較廣泛的應(yīng)用[3]。就當前的實際應(yīng)用情況來看，投入到市場中并得到相應(yīng)應(yīng)用的氣相分子吸收光譜儀具有比較強大的對很多陽離子以及陰離子進行檢測的功能，可以檢測的離子主要包括以及Hg+等。對于環(huán)境中含有多種有機物以及無機化合物的分離檢測而言，氣相分子吸收光譜分析儀的應(yīng)用優(yōu)勢均比較明顯，而在紡織業(yè)、食品加工、衛(wèi)生防疫、化學(xué)試劑以及土木建筑等諸多領(lǐng)域中，氣相分子吸收光譜分析儀的應(yīng)用同樣比較廣泛，所發(fā)揮的重要作用不容忽視。

3 結(jié)語

受光譜范圍以及技術(shù)等因素的影響，不同類型的光譜分析儀器在發(fā)展與應(yīng)用過程中均有各自的不足存在，這對其使用范圍及進一步擴大形成制約。今后，相關(guān)研究人員應(yīng)進一步改進與完善光譜分析技術(shù)，發(fā)揮其在各個領(lǐng)域應(yīng)有的作用，對相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展形成強有力的推動。