光谱检测常用技术对比（光谱分析检测样品中化学成分的通俗原理）

本篇聊一下涉及本人的专业光谱分析。通过光谱分析获得检测样品的化学成分用途极广，比如通过光谱卫星遥感地面水体、空气等的化学成分及变化，监测如大气污染情况，温室气体二氧化碳变化趋势等；火星、月球探测器可以远距离检测样品中的化学成分，从而分析出与水和生命相关的信息；天文望远镜对恒星光谱的分析可以获知相关元素成分，从而推算出恒星的年龄等。

通俗地说，每一种自然界的物质都有颜色，物体吸收了连续的太阳光谱白光中的一部分光线，没有吸收的部分被反射了出来，我们看见物体的颜色是物体反射部分光线。

比如我们看见绿色的植物，就是植物叶子吸收了紫红色的光线，其他部分被反射了，所以我们看到的是绿色。这是互补色原理。下面的色环图一，与环中心相对的颜色就是各自的互补色，绿色（13）的互补色是紫红色（1）。如红色的花（22）,吸收的光是湖蓝色（10）。

图一、色环

日常生活中我们经常用光谱分析物体的内在情况。比如看见某人红光满面，就知道这个人比较健康，某人脸色暗淡就会说你脸色不好，是不是有病？这里面是有科学道理的，健康的人血液是红色的，流动舒畅就会红光满面。而不健康的人血液暗淡，流动不舒畅就会出现暗黑色。

还有比如我们用光谱分析植物是否健康和果实是否成熟，绿色的植物叶绿素含量饱满，所以健康。发黄的叶子叶绿素含量低，不健康。一般偏红黄色的果实已经成熟，绿色的不成熟。

还有日常烹调做一锅红烧肉时要放酱油，中国的熟练厨师通常拿起酱油瓶子往锅里倒，但从来不会加过头或不够，他主要看什么？科学道理是光谱、水的颜色深浅，颜色的深浅代表某种化学成分的浓度。

上面日常看光谱得出的精度显然不够，只能定性分析，如果要得出定量结果显然不行。所以科学研究要分析一个样品的定量化学成分，要对光谱的分析更加深入。简单地说就是：

1、需要知道分析对象的特征吸收光谱及波长，不会与其他成分相干扰。

2、一个知道浓度值的标准样品，与分析对象在同等条件下做比较，根据浓度的线性关系计算出样品浓度。

举个简单的例子，我们要发现某个奸商销售的红酒是否参水。我们事先将样品的酒按2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%,用蒸馏水稀释，按序放到统一的杯子里。再将要检测的样品酒倒入杯子里到同等刻度，与上述样品酒比较颜色，找出最相近的两个颜色杯，就可以知道这杯酒掺水多少了。这种分析方法在化学分析中叫比色法。

比色法

当然实际的仪器比这个还要精确，用的光线是样品吸收的特征单色光，不会因为奸商在稀释的同时加入其他色素欺骗，其他色素的特征吸收光谱与真酒不一样。仪器实际测出的亮度比人眼更加精确， 这样样品很小的浓度变化也会测出来。

那么一些平常看起来没有特别颜色的土壤固体中有什么金属成分，或者一般水和液体样品中的化学成分是怎样用光谱来分析实现的呢？

这就要用到不同的光谱分析，比如原子发射光谱、原子吸收光谱、红外光谱、紫外光谱、普通光谱。还有与光谱分析匹配的进阶光谱分析法如：离子色谱、液相色谱、气相色谱等等。

原子发射光谱、原子吸收光谱的原理是原子在加热时，原子核外轨道的电子会激发或吸收特征波长的光谱，就像人的指纹，是唯一的。只要分析光谱的成分就知道含有什么金属，或其他元素成分。再根据光谱中特征线的亮度或吸收情况就可以定量分析出这种元素的含量。

原子发射光谱

还有某些特殊的金属如铬元素，就可以利用化学显色分析，原理是加入某种特殊有机物（显色剂），金属离子就会从无色变成有色，而且极低的浓度也可显色，从而用普通光谱测出其化学成分。

红外光谱、紫外光谱是针对样品的不同吸收特征，利用样品中人眼看不见的光波段在紫外和红外波段的吸收特征分析其中化学成分，主要应用于某些有机物分子（红外）和无机离子如硝酸根离子（紫外吸收）等样品成分分析。

离子色谱、气相色谱、液相色谱是针对复杂成分样品进行分离的分析，让样品通过特殊的分离管，由于化学物理性质的微小差异，它们出来时各种成分得以区分，相当于地铁到站后混杂的人群地铁出口，出来的人是一个接一个地被分开一样的道理。将分离出来的单独成分再经过光谱、紫外、红外等检测器分析，从而同时测出样品中不同化学成分，主要针对如混合的液体有机物、无机物或气体复杂成分分析。

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