◎ 张 剑

（锐德检测认证技术（湖北）有限公司，湖北 荆州 434000）

光谱分析仪器是基于光谱分析原理而设计的一类在现代科技领域有重要应用的检测与分析设备，其发展越来越小型化、便携化与智能化[1]，所具有的功能也越来越多，性能正在逐步改进与完善。本文对光谱分析相关知识以及光谱分析仪器的基本原理进行较为详细的研究，以期为其在各领域更好的应用提供相应的指导。

1 光谱分析相关知识

具有特定结构的物质有特定的特征光谱，该特征光谱对应于该物质自身的结构，所以以物质所表现出来的特征光谱为参考依据，相关人员可对物质的结构进行分析，并测定其化学成分，此即光谱分析。以获得光谱的具体方式作为划分依据，光谱分析方法通常可被分为发射光谱法、吸收光谱法和拉曼散射光谱法3种基本类型。

采用光谱分析方法，能对试样中含有元素的种类及其含量进行测定，一般工作流程如下：在接受测试样品的电极与辅助电极之间接通电流，这时两个电极间的间隙中会有电弧或火花的等离子体形成，当接收到由光源发生器提供的能量之后，等离子体中含有的分子、原子、粒子以及电子会被激发而成为光源并产生光亮，在进一步分光处理之后，这些光会生成相应的光谱，它们会以波长的不同为依据，按从长到短（或从短到长）的顺序分开排列，分别由不同的设备接受，或者执行对光谱的检测任务。

2 光谱分析仪器原理及其应用

2.1 原子吸收光谱分析仪、原子荧光光度计与ICPOES

2.1.1 原子吸收光谱分析仪

原子吸收光谱分析仪的基本原理如下：对接受测试的样品在高温条件下所变成的原子蒸汽进行检测，在由光源灯发射出来的某一特征波长同原子蒸汽出现彼此之间的相互结合现象之时，会有光谱吸收反应发生。对于所有的元素来说，类型不同，会有不一样的光谱图形成，通过对光谱分析仪器的应用，可以达到对这些不同光谱图的区分目的，进而区分各种不同的元素，在得到具体的区分结果之后，通过相应的逻辑处理将光信号转变为电信号，并最终输出对应的数据以供相关人员查看。

原子吸收类型的光谱分析仪可以保证较高的检测准确性，即使浓度较低，分析仪也能将其成分检测出来。此外，此类分析仪还有一定的选择性，能在多种元素同时存在的前提条件下，完成对某一具体元素含量的检测。原子吸收分析仪对于元素分析、有机物分析以及金属形态学分析等工作的开展均有重要的应用意义。①在应用原子吸收光谱分析仪执行对元素的分析任务时，存在于食品、果蔬、鱼以及海鲜中的V、Cr、Mn等20多种元素都能够被检测出来。此外，合金中的痕量重金属、药品中的重金属、水中的微量金属等元素都能通过原子吸收光谱分析仪被检测出来。②在应用原子吸收光谱分析仪进行有机物的分析时，可通过同部分金属元素发生化学反应，实现对氨基酸、维生素的有机化合物等多种类型的有机物的间接检测。③在应用原子吸收光谱分析仪进行金属化学形态分析时，可同气相色谱以及液相色谱等相互结合，以此为基础执行对金属元素相同的不同类型有机化合物的分离及检测。

2.1.2 原子荧光光度计

原子荧光光度计是一种以原子荧光光谱学理论为基础的原子荧光检测仪器，原理如下：将硼氢化钾或硼氢化钠作为还原剂，针对样品溶液中的待分析元素，通过相应的反应将它们还原为带有挥发性的共价气态氢化物或原子蒸汽，在此基础之上，基于载气的支持将它们导入至原子化器中，经过氩—氢火焰的原子化处理最终得到基态原子。在此工作完成之后，基态原子会对光源的能量进行吸收，从而变为激发态，这时，激发态原子又会在进一步的去活化处理中以荧光的形式对所吸收的能量进行释放，此时，荧光信号的强弱同样品中待测元素的含量会表现出线性相关关系，基于这一前提，通过对荧光强度的测量便能完成对样品中待测元素含量的检测任务。

基于光程短、结构相对简单、有比较高的灵敏度、原子化效率可以得到可靠的保证、受到基体的干扰很小等优点，原子荧光光度计现已逐渐发展为国内外进行重金属元素检测所最常用到的检测仪器之一，在卫生防疫、食品安全、地质勘探、水质监测以及环境保护等诸多领域均有相应的应用，可以检测出各种样品中很多有着严重危害的重金属元素的含量，且检测精度有很高的保证。

2.1.3 ICP-OES（电感耦合等离子体发射光谱仪）

电感耦合等离子体发射光谱仪原理分为3步： ①等离子体通过能量的提供对样品进行蒸发处理，形成气态性质的原子（或离子），之后，使他们激发而产生光辐射。②在色散分解作用之下，使光源发出的复合光按照波长由短至长的顺序分解为对应的谱线，并在此基础上形成光谱。③用检测仪器对光谱中谱线的强度进行检测，根据已知条件（温度一定时，谱线强度会正相关于待测元素的浓度），通过定量分析将待测元素的具体含量确定下来。

相较而言，ICP-OES主要有以下特点：①高效稳 定，能对多种元素进行连续而又快速的测定，检测精确度比较高。②中心气化温度可以达到10 000 K，有利于样品的充分气化。③工作曲线所表现的线性关系简洁明了，有较广的线性范围。④与计算机软件的结合能实现全谱直读结果，方便性与快捷性可以保证。

2.2 近红外光谱分析仪与紫外可见分光光度计

2.2.1 近红外光谱分析仪

红外光谱波长范围包括3个谱区，分别为近红外谱区（780～2 500 nm）、中红外谱区（2 500～25 000 nm）、 远红外谱区（25000～1000000 nm）。其基本原理如下：当近红外光照射至接受检测的样本的表面之时，样品内部会发生分子振动现象，且由基态向高能级跃迁，对有着特定波长的红外光进行吸收，以此为基础形成红外光谱，所形成的此类红外光谱具有接受测试的样品内部的机构以及组成信息。样品不同，内部的组成及其结构也会存在差异，进而生成的光谱所具有的特征也会存在差异。

基于检测速度快、检测效率高，不会对环境产生较大的污染,操作上也相对便捷等优势，近红外光谱分析仪有着相对广泛的应用。近红外光谱分析仪在近年来的发展依旧很快，通过结合计算机软件或化学计量学光谱软件，近红外光谱分析仪可实现对部分相对复杂的样品的检测。在食品检测领域，近红外光谱分析仪可以以不损坏食品为前提，在很短的时间内完成对食品各种成分的检测。在药物检测领域，近红外光谱分析仪又可以很快地定性与定量判定药物的具体成分，同时，对药材进行鉴别。此外，近红外光谱分析仪还可以定量检测水果中的农药残留量、分析茶叶成分、执行环境检测以及宝石鉴定等一系列任务。

2.2.2 紫外可见分光光度计

紫外光谱波长范围大概为400～900 nm[2],其原理如下：由于分子中的某些基团吸收紫外可见辐射光后，发生电子能级跃迁而产生的吸收光谱。由于各种物质具有各自不同的分子、原子和不同的分子空间结构，其吸收光能量的情况也就不同，因此，每种物质就有其特有的、固定的吸收光谱曲线，可根据吸收光谱上的某些特征波长处的吸光度的高低判别或测定该物质的含量，这就是分光光度定性和定量分析的基础。

目前，紫外可见分光光度计在环境监测、农产品与食品分析、植物生化分析以及饲料等的分析中有相对广泛的应用。在进行环境水的监测时，由于成分上的复杂多变性，待测物的浓度与干扰物通常有很大的浓度差别，应用该仪器进行检测必须将分析方法确定好；农产品与食品的分析可借助该仪器将蛋白质、赖氨酸、葡萄糖等诸多成分检测出来；植物生化分析可以进行叶绿素、全氮与酶的活力的检测；饲料的分析则可基于此仪器进行烟酸、棉酚以及磷化氢等的检测。

2.3 气相分子吸收光谱分析仪

气相分子吸收光谱分析仪的基本原理如下：对接受检测样品中的离子或由分子转化生成的气态化合物进行检测，当气体分子被有着特定波长的光进行辐射之时，会有分子振动现象产生，在这一过程中，分子振动所需要的能量是特定的，不会发生明显的变化，而所需要的这种特定能量便是分子特征谱线。基于此，便可通过对气相状态下分子在特定波长下的吸光率的检测来明确阴阳离子以及分子等相应物质实际含有的量。

基于检测速度快、检测工作历时短，仪器操作起来容易上手、流程相对简单等优点，气相分子吸收光谱分析仪现阶段有着比较高的市场占有率以及较广泛的应用[3]。就当前的实际应用情况来看，投入到市场中并得到相应应用的气相分子吸收光谱仪具有比较强大的对很多阳离子以及阴离子进行检测的功能，可以检测的离子主要包括以及Hg+等。对于环境中含有多种有机物以及无机化合物的分离检测而言，气相分子吸收光谱分析仪的应用优势均比较明显，而在纺织业、食品加工、卫生防疫、化学试剂以及土木建筑等诸多领域中，气相分子吸收光谱分析仪的应用同样比较广泛，所发挥的重要作用不容忽视。

3 结语

受光谱范围以及技术等因素的影响，不同类型的光谱分析仪器在发展与应用过程中均有各自的不足存在，这对其使用范围及进一步扩大形成制约。今后，相关研究人员应进一步改进与完善光谱分析技术，发挥其在各个领域应有的作用，对相关领域的发展形成强有力的推动。