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(zhǔn)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(shí)上，舊式光譜法是使用棱鏡和照相底片進(jìn)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(jī)中使用的那些?？梢詮倪@種數(shù)字格式中輕松提取二維光譜，并對(duì)其進(jìn)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(kuò)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(yuǎn)非一個(gè)專門的、獨(dú)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(jī)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(yuǎn)星體的獨(dú)特構(gòu)成和物理特性，它甚至用于測試運(yùn)動(dòng)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(qiáng)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(duì)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(gè)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(gè)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(duì)應(yīng)的波長光譜，并仔細(xì)分析這些模式中的模式和像差來實(shí)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(shí)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(qiáng)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(huì)被電子倍增器測量，我們可以通過每個(gè)離子質(zhì)量的重量來識(shí)別樣品的組成。通常，掃描電子顯微鏡會(huì)根據(jù)應(yīng)用提供光譜測定選項(xiàng)。

質(zhì)譜法的實(shí)際用途包括同位素測年和蛋白質(zhì)表征。火星鳳凰號(hào)著陸器等獨(dú)立漫游太空探索機(jī)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(shí)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(gè)世紀(jì)的零碎研究，才將對(duì)這種現(xiàn)象的研究發(fā)展成為一個(gè)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(jī)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(shí)，它會(huì)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(gè)原子對(duì)應(yīng)并可以由單獨(dú)的光譜表示，我們可以使用光譜中的波長分析來識(shí)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(shí)用方面包括：

可以使用獨(dú)特的質(zhì)譜來識(shí)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(jìn)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(duì)物質(zhì)在受到電磁輻射時(shí)的吸收特性或吸收行為的研究。光譜學(xué)不會(huì)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(diǎn)類似于當(dāng)白光照射到 DVD 或其他光盤的微小凹坑時(shí)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(fèi)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。