光譜學(xué)

光譜學(xué)是研究物質(zhì)吸收和發(fā)射光和其他輻射的學(xué)科。它涉及將光(或更準確地說是電磁輻射)分解成其構(gòu)成波長(光譜)，這與棱鏡將光分解成彩虹色的方式大致相同。事實上，舊式光譜法是使用棱鏡和照相底片進行的。

現(xiàn)代光譜學(xué)使用衍射光柵來分散光線，然后投射到 CCD(電荷耦合器件)上，類似于數(shù)碼相機中使用的那些。可以從這種數(shù)字格式中輕松提取二維光譜，并對其進行處理以生成包含大量有用數(shù)據(jù)的一維光譜。

最近，光譜學(xué)的定義已經(jīng)擴展到還包括研究電子、質(zhì)子和離子等粒子之間的相互作用，以及它們與其他粒子的相互作用作為碰撞能量的函數(shù)。

如何使用光譜學(xué)

光譜學(xué)遠非一個專門的、獨特的領(lǐng)域，而是各種學(xué)科不可或缺的一部分。雖然它為輻射和原子結(jié)構(gòu)方面的早期量子研究提供了理論支持，但它還有數(shù)量驚人的其他應(yīng)用用途;磁共振成像 (MRI) 和 X 光機利用射頻光譜學(xué)的一種形式，我們通過光譜和波長測量遙遠星體的獨特構(gòu)成和物理特性，它甚至用于測試運動中的興奮劑。

不同類型的光譜學(xué)通過相互作用中涉及的輻射能量的類型來區(qū)分。在許多應(yīng)用中，光譜是通過測量這種輻射能量的強度或頻率的變化來確定的。光譜學(xué)的類型也可以通過能量和材料之間相互作用的性質(zhì)來區(qū)分。包括以下：

天文光譜學(xué)

這種類型的光譜學(xué)主要關(guān)注空間物體的分析。通過對天體的簡單光譜分析，我們可以測量電磁輻射的光譜并確定其波長。這可以告訴我們物體的化學(xué)成分(作為其光譜和質(zhì)量的一個因素)、溫度、距離和速度(使用它們的波長和光速的函數(shù))。

吸收光譜

吸收光譜涉及使用光譜技術(shù)來測量物質(zhì)中輻射的吸收。我們可以通過測試特定元素在整個電磁波譜中的吸收來確定樣品的原子組成。

生物醫(yī)學(xué)光譜學(xué)

生物醫(yī)學(xué)光譜學(xué)是一種用于生物醫(yī)學(xué)科學(xué)的光譜學(xué)。例如，磁共振波譜(一種與磁共振成像相關(guān)的專門技術(shù))通常用于診斷和研究大腦中可能導(dǎo)致從抑郁癥到身體腫瘤的任何化學(xué)變化，以及分析肌肉的代謝結(jié)構(gòu)。這是通過在大腦中繪制與已知光譜相對應(yīng)的波長光譜，并仔細分析這些模式中的模式和像差來實現(xiàn)的。

能量色散 X 射線光譜

能量色散 X 射線光譜(也稱為 EDS/EDX)用于識別和量化樣品中的元素。Phenom ProX Desktop SEM使用了該技術(shù)。它還可以與透射電子顯微鏡 (TEM) 和掃描透射電子顯微鏡 (STEM) 結(jié)合使用，以在直徑小至幾納米的區(qū)域中創(chuàng)建空間分辨元素分析。

質(zhì)譜法

質(zhì)譜學(xué)是測量光與物質(zhì)之間的相互作用，以及輻射強度和波長的反應(yīng)和測量。換言之，質(zhì)譜法是研究和測量特定質(zhì)譜的方法，廣泛應(yīng)用于樣品材料的光譜分析。

質(zhì)譜法是一種光譜法的示例，它通過質(zhì)荷比測量化學(xué)樣品中的質(zhì)量。這通常是通過用大量電子電離粒子，然后讓它們通過磁場，將它們分成不同的偏轉(zhuǎn)階段來完成的。一旦粒子被分離，它們就會被電子倍增器測量，我們可以通過每個離子質(zhì)量的重量來識別樣品的組成。通常，掃描電子顯微鏡會根據(jù)應(yīng)用提供光譜測定選項。

質(zhì)譜法的實際用途包括同位素測年和蛋白質(zhì)表征。火星鳳凰號著陸器等獨立漫游太空探索機器人也攜帶質(zhì)譜儀用于分析外來土壤。

質(zhì)譜學(xué)的歷史

質(zhì)譜學(xué)的研究可以追溯到 1600 年代，當(dāng)時艾薩克·牛頓 (Isaac Newton) 首次發(fā)現(xiàn)通過玻璃聚焦光線可以將光線分成彩虹的不同顏色(稱為可見光光譜)。光譜本身是一種明顯可見的現(xiàn)象(它構(gòu)成了彩虹的顏色，并產(chǎn)生了你在水坑表面看到的光澤)，但經(jīng)過幾個世紀的零碎研究，才將對這種現(xiàn)象的研究發(fā)展成為一個連貫的領(lǐng)域，可以用來得出有用的結(jié)論。

威廉·海德·沃拉斯頓 (William Hyde Wollaston) 等科學(xué)家?guī)状说墓ぷ鲗?dǎo)致發(fā)現(xiàn)了看似隨機分布在該質(zhì)譜中的暗線。最終確定這些是地球大氣中吸收化學(xué)物質(zhì)的后遺癥。

簡而言之，當(dāng)自然光從太陽等太空天體過濾時，它會在我們的大氣層中發(fā)生各種反應(yīng)。在此過程中，每種化學(xué)元素的反應(yīng)都略有不同，有些是可見的(人眼可檢測到的 390-700 毫米波長)，有些是不可見的(如可見光譜之外的紅外線或紫外線)。

由于每個原子對應(yīng)并可以由單獨的光譜表示，我們可以使用光譜中的波長分析來識別它們、量化物理特性，并從它們的框架內(nèi)分析化學(xué)鏈和反應(yīng)。

我們使用質(zhì)譜學(xué)的一些實用方面包括：

可以使用獨特的質(zhì)譜來識別太空中物體的化學(xué)組成、溫度和速度。

用于代謝物的篩選和分析，改進藥物的結(jié)構(gòu)。

用于使用質(zhì)譜儀通過質(zhì)荷比測量采樣的化學(xué)品或納米粒子。

質(zhì)譜學(xué)和光譜學(xué)之間的差異

光譜學(xué)是研究物質(zhì)與輻射能量之間相互作用的科學(xué)。它是對物質(zhì)在受到電磁輻射時的吸收特性或吸收行為的研究。光譜學(xué)不會產(chǎn)生任何結(jié)果，它只是科學(xué)的理論方法。

另一方面，質(zhì)譜法是用于獲取光譜定量測量的方法。它是生成結(jié)果的實際應(yīng)用，有助于量化吸光度、光密度或透射率等。

總之，光譜學(xué)是理論科學(xué)，而質(zhì)譜學(xué)是物質(zhì)在原子和分子水平上平衡的實際測量。

光譜儀

光譜儀是用于測量給定范圍(即光譜)內(nèi)物理特性變化的任何儀器。這可能是質(zhì)譜儀中的質(zhì)荷比光譜、核磁共振 (NMR) 光譜儀中核共振頻率的變化，或者光譜儀中光的吸收和發(fā)射隨波長的變化。質(zhì)譜儀、核磁共振光譜儀和光學(xué)光譜儀是世界各地研究實驗室中最常見的三種光譜儀。

光譜儀測量光的波長和頻率，并允許我們識別和分析我們放置在其中的樣品中的原子。在最簡單的形式中，光譜儀就像一種復(fù)雜的衍射形式，有點類似于當(dāng)白光照射到 DVD 或其他光盤的微小凹坑時發(fā)生的光的變化。

光從光源(通過加熱變成白熾燈)傳遞到衍射光柵(很像人工夫瑯和費線)，然后傳遞到鏡子上。由于原始光源發(fā)出的光具有原子穩(wěn)定性的特征，衍射和鏡像首先分散，然后反射，波長變成我們可以檢測和量化的格式。