说明：本文华算科技介绍了紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、核磁共振光谱（NMR）、质谱（MS）、拉曼光谱（Raman）、荧光光谱（Fluorescence）、X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射光谱（XRD）等八大光谱表征技术的原理、优势、局限及核心应用场景。
光谱技术基于电磁波与物质的相互作用，通过分析光信号的波长、强度等特征，揭示物质的组成、结构、化学态及物理性质，是化学、材料、生物、环境等领域不可或缺的核心表征手段。从宏观的物质定性到微观的分子构型分析，光谱技术凭借快速、精准、低耗等优势，贯穿科研与工业生产全流程。
本文将梳理 8 类主流光谱表征技术，系统解析其核心逻辑与应用边界。
图1：光与物质的相互作用示意。DOI：10.1038/s43586-024-00322-6
1. 原理
物质分子或离子吸收紫外 – 可见光（200-800nm）后，价电子发生 σ→σ*、n→σ*、π→π* 等跃迁，形成特征吸收峰。吸收峰的波长对应电子跃迁能量（E=hc/λ），吸光度遵循朗伯 – 比尔定律（A=εbc），可定量分析浓度。
2. 优势
操作便捷快速，无需复杂样品前处理；样品用量少，且多为无损检测；仪器成本较低，普及率高；可同时实现定性与定量分析，适用于常规筛查。
3. 局限
定性特异性弱：不同物质可能因共轭体系相似出现重叠峰，难以单独靠 UV-Vis 区分同分异构体或结构相近化合物。
适用范围有限：对无共轭双键、孤对电子的饱和化合物响应极弱，无法有效表征。
基质干扰显著：样品中的杂质、溶剂或 pH 变化可能影响吸收峰位置与强度，定量需严格控制实验条件。
图2：UV-Vis光谱表征。DOI：10.1038/s41467-022-28409-2
1. 原理
红外光（4000-400 cm⁻¹）照射样品时，分子的化学键发生伸缩、弯曲等振动跃迁，吸收特定频率的红外光，形成与官能团一一对应的特征吸收峰（“指纹区” 400-1500 cm⁻¹ 可区分物质）。
2. 优势
官能团识别精准，“指纹区” 具有唯一性，可快速定性物质；样品形态兼容性强；分析速度快，样品用量极少，基本无损。
3. 局限
干扰因素较多：水和二氧化碳对红外光有强吸收，需在干燥、惰性气体环境下检测，含水样品需特殊处理。
无机材料表征薄弱：对金属、陶瓷等无机化合物的振动响应弱，难以提供有效结构信息。
混合物解析困难：复杂混合物的吸收峰易重叠，需结合分馏、色谱等分离技术才能精准定性。
图3：FT-IR 吸收光谱。DOI：10.1038/s41598-025-15190-7
1. 原理
单色光（多为激光）照射样品时，光子与分子发生非弹性散射，分子振动 / 转动能级变化导致散射光频率偏移（拉曼位移），位移值对应分子振动模式，反映化学键类型与分子结构。
2. 优势
与 FT-IR 互补：红外 “禁戒” 的振动模式可能在拉曼光谱中出现；可直接检测水溶液样品，无需干燥；样品无需制备，可原位、无损检测。
3. 局限
信号强度微弱：拉曼散射截面小，信号强度仅为入射光的 10⁻⁶~10⁻⁹，易被荧光背景掩盖。
灵敏度不足：对低浓度（）样品检测困难，需借助表面增强拉曼（SERS）等技术提升灵敏度。
金属样品干扰：金属表面易产生等离子体共振，导致拉曼峰形畸变或信号淬灭，不适用于纯金属样品。
图4：平衡与非平衡共振拉曼散射。DOI：10.1038/s41467-025-62245-4
1. 原理
物质分子吸收激发光后，电子从基态跃迁至激发态，经无辐射跃迁弛豫至最低激发态后，再跃回基态并释放光子（荧光）。荧光波长（发射峰）、强度与寿命反映分子结构、浓度及微环境。
2. 优势
灵敏度极高：检出限可达 10⁻⁹~10⁻¹² mol/L，适用于痕量分析；选择性好：不同物质的激发 / 发射波长组合具有特异性，可实现多组分同时检测；可用于分子成像（如生物组织标记、细胞内物质追踪）。
3. 局限
环境依赖性强：pH、温度、溶剂极性、离子强度等因素易导致荧光猝灭或峰位偏移，需严格控制实验条件。
适用范围受限：仅含荧光基团的物质能产生荧光，饱和化合物、多数无机盐无荧光活性。
浓度效应明显：样品浓度过高时易发生自吸收，导致荧光强度下降，定量线性范围窄。
如图5分子吸收光子跃迁至激发态，经无辐射弛豫后辐射跃迁产生荧光；可发生系间窜越等过程，导致荧光强度与寿命受环境影响。
图5：Jablonski 能级图。DOI：10.1038/s41592-024-02293-8
1. 原理
样品经原子化器转化为原子蒸气，特定波长的锐线光穿过蒸气时，被待测元素的基态原子吸收，吸光度与原子浓度成正比（朗伯 – 比尔定律），用于元素定量。
2. 优势
检出限低：石墨炉 AAS 检出限可达 pg 级，适用于痕量元素分析；选择性极佳：空心阴极灯发射单色光，仅对待测元素响应，干扰少；定量准确性高，线性范围宽（10⁻⁶~10⁻³ mol/L）。
3. 局限
单元素分析：一次只能检测一种元素，批量样品分析效率低（需更换空心阴极灯）。
难原子化元素受限：对钨、钽等高温难原子化元素，原子化效率低，检测灵敏度差。
样品前处理复杂：固体样品需消解为溶液，过程耗时且可能引入污染或待测元素损失。
图6：AAS 测试原理与装置组成。DOI：10.1039/C3AY42159G
1. 原理
样品经激发源（电弧、火花、ICP）激发后，原子的电子跃迁至高能级，再跃回基态时发射特征波长的光谱，谱线波长用于定性元素，谱线强度用于定量浓度。
2. 优势
多元素同时分析：可一次性检测数十种元素，分析速度快；线性范围宽（可达 5-6 个数量级），适用于高、中、低浓度样品；ICP-AES 稳定性好，干扰少。
3. 局限
基体效应显著：样品基质可能影响激发效率，导致谱线强度偏移，需进行基体匹配或背景校正。
痕量分析灵敏度不足：部分元素的检出限高于 AAS，难以满足超痕量分析需求。
仪器成本高：ICP-AES 设备价格昂贵，维护费用高，对实验室环境要求严格。
图7：AES 的“发射谱线图”。DOI：10.1038/s41467-024-45731-z
1. 原理
单色 X 射线照射样品表面，激发光电子逸出，通过检测光电子的结合能（Eb = hν – Ek），结合能数值对应元素种类，峰位偏移反映化学态。
2. 优势
表面分析能力强：检测深度仅 1-10nm，可精准表征样品表面元素组成与化学态；无损伤分析：不破坏样品表面结构；可进行元素 mapping，实现表面元素分布可视化。
3. 局限
高真空要求：需在 10⁻⁷~10⁻⁹ Pa 真空环境下检测，挥发性、含水样品易分解，无法分析。
空间分辨率有限：常规 XPS 分析区域直径约 100μm，难以检测微区（μm）的元素分布。
轻元素检测盲区：无法检测氢、氦元素，对锂、铍等轻元素的灵敏度极低。
图8：XPS 光电子激发/探测示意。DOI：10.1038/s41467-018-04762-z
1. 原理
原子核在强磁场中发生塞曼分裂，吸收特定频率的射频能量后跃迁至高能级，产生共振信号。化学位移（δ）反映原子核所处化学环境，耦合常数（J）反映核间相互作用，峰面积与核数量成正比。
2. 优势
结构解析能力强：可提供分子骨架、官能团连接方式、空间构型等详细信息；无损伤分析：不破坏样品，可重复检测；适用于多种形态样品（液体、固体、凝胶）。
3. 局限
灵敏度低：核磁共振信号强度弱，样品用量需 mg 级，检测时间长。
仪器成本极高：超导核磁共振仪价格昂贵，维护费用高，操作门槛高。
顺磁性物质干扰：含 Fe、Co、Ni 等顺磁性离子的样品会破坏磁场均匀性，导致峰形宽化、信号消失，无法分析。
图9：NMR 实验与谱图示例。DOI：10.1038/s41467-024-50265-5
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