光譜（Spectrum），全稱光學頻譜，是復合光經過光的色散系統（如三棱鏡、光柵）分光后，被色散開的單色光按波長（或頻率）大小而依次排列的圖案。隨著光學儀器的發展，儀器產生的光譜也可指譜密度（單位波長區間的光強）隨波長的分布。光譜區（10 nm~1000 μm）包括紫外光區（10～400nm）、可見光區（380~780 nm）和紅外光區（0.78~1000 μm）。光譜中最大的一部分可見光譜是電磁波譜中人眼可見的一部分，在這個波長范圍內的電磁輻射被稱作可見光。光譜并沒有包含人類大腦視覺所能區別的所有顏色，譬如褐色和粉紅色。
歷史上，三棱鏡分光實驗首先由英國科學家艾薩克·牛頓（Sir Isaac Newton）爵士于1665年完成，使得人們第一次接觸到了光的客觀的和定量的特征。從19世紀中葉起，氫原子光譜成為了光譜學研究的重要課題。1853年，瑞典物理學家埃斯特朗（Angstrom Anders Jonas）探測出了氫原子光譜中最強的一條譜線。隨著現代計算機技術的迅速發展，分析儀器實現了數字化，有效地解決了光譜信息提取和背景干擾的問題。光譜分析是基于電磁輻射與物質相互作用產生的特征吸收光譜波長與強度進行物質分析的方法，涉及物質的能量狀態、狀態躍遷以及躍遷強度等方面。
在化學分析中，不同的光譜可分別應用與固體、液體、氣體中的化學元素的檢測，也可用于檢測幾何結構，化學速率等。在生物醫學領域可進行無痛血糖測量，研究生物大分子、酶、細胞和組織等。
歷史
早期發展
1666年，英國科學家艾薩克·牛頓（Newton）在棱鏡分光實驗中發現了太陽光譜，他利用三棱鏡將太陽光分解成紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色的光分散在不同位置上。即形成一道彩虹，這種現象叫光譜。這個實驗就是光譜的起源，這個實驗證明太陽光實際上是復合光。1802年，英國科學家威廉?海德?沃拉斯頓（William Hyde Wollaston）首先觀察到了太陽光譜中存在的暗線，后稱之“約瑟夫·馮·夫瑯和費譜線”。
1814年，德國科學家約瑟夫·馮·夫瑯和費（Joseph von Fraunhofer）發現艾薩克·牛頓之所以沒有能觀察到光譜線，是因為他使太陽光通過了圓孔而不是通過狹縫。在1814至1815年之間，夫瑯和費公布了太陽光譜中的許多條暗線，并以字母來命名，其中有些命名沿用至今。此后便把這些線稱為夫瑯和費暗線。1859年，德國科學家基爾霍夫（Gustav Robert Kirchhoff）和本生（Robert Wilhelm Bunsen）做了用燈焰燒灼食鹽的實驗，得出基爾霍夫定律，并由此判斷太陽大氣中元素吸收導致了太陽光譜暗線的現象，且物質發出和吸收的波長相同。
1859年末，基爾霍夫與本生制備出第一臺結構完整的光譜分析儀器，首次完成了光譜成分的分析，通過光譜分析法首先于1860年從堿金屬中發現新元素Rb和Cs。后人們又相繼發現一系列新元素，如Tl（1862年）、In（1863年）、Ga（1875年）、He（1895年）以及Ne、Ar、Kr、Ge、Sc、Pr、Nd、Sm、Ho、Yb和Tm等，為光譜分析開始了實用階段。此后基爾霍夫與本生提出在一定條件下所有物質都具有各自特殊的光譜，初步建立了光譜研究的理論基礎。
現代發展
從19世紀中葉起，氫原子光譜成為了光譜學研究的重要課題。氫原子光譜中最強的一條譜線是1853年由瑞典物理學家埃斯特朗（Angstrom Anders Jonas）探測出來的。他首先揭示了輻射光譜的雙重特點，指出，譜線既要受電極的制約，而且要受電極之間的氣體制約。此后的20年，在星體的光譜中觀測到了更多的氫原子譜線。1889年，瑞典光譜學家里德伯（Johannes Robert Rydberg）發現了許多元素的線狀光譜系，其中最為明顯的為堿金屬原子的光譜系。盡管氫原子光譜線的波長的表示式十分簡單，不過當時對其起因卻茫然不知。一直到1913年，丹麥物理學家尼爾斯·玻爾（Niels Henrik David Bohr）才對它作出了明確的解釋。
1923年3月，國家標準局顧問，德國物理學家阿諾德·索末菲（Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld）來訪華盛頓哥倫比亞特區，帶來了自己原子論工作中新提出的“內量子數”理論，此理論可以規范譜線多重分裂，是確認不同化學元素的關鍵，對華盛頓光譜研究團隊后期對鉑、鈦、鋯，鈾等元素的成功測量起到了關鍵的推動作用。1955年，科學家艾倫·沃爾什（Alan Walsh）發明原子吸收光譜法（AAS）。自20世紀80年代以來，隨著計算機技術的迅速發展，分析儀器實現了數字化，同時也推動了化學計量學這一學科的發展。通過應用化學計量學的方法，有效地解決了光譜信息提取和背景干擾的問題。
詞源
光譜（Spectrum），復數為Spectra，來自拉丁語spectare，意為“看”。Spectrum詞正式用作科學名詞始于艾薩克·牛頓用棱鏡實現了對可見光的分剖。
原理
在電磁波譜的中等能區（10 nm~1000 μm），涵蓋了從紫外光到遠紅外光的范圍，是光學分析中關鍵的光譜區。在此區域內，物質的原子、離子或分子與光發生相互作用，導致內部的原子能級或分子能級發生躍遷。這些躍遷引起的能量吸收或釋放與特定波長或波數直接相關，并通過儀器記錄為隨波長變化的吸收或發射光強度曲線，形成所謂的光譜。不同的物質粒子（原子、分子、離子）由于其結構的不同，可以產生具有不同特征的光譜。
分類
按波長區域
按波長區域，在可見光譜的紅端之外存在波長更長的紅外線，紫端之外存在波長更短的紫外線；紅外線和紫外線不能為肉眼所覺察，但可通過儀器記錄，因此光譜分為可見光譜、紅外光譜與紫外光譜。
可見光譜
可見光譜是人的視覺可以感受的光譜。在電磁波范圍內，只有一小部分波長能夠引起視覺反應，這部分波長為380~780 nm。這些波長的電磁波振動，能夠依次激發人眼感知紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等顏色，這些顏色統稱為譜色。太陽光中包含了全部可見光譜，因此在人眼中呈現為白色。
可見光譜具有三個維度，分別為波長、強度和純度。其中紅色波長范圍為622~770 nm、橙色為597~622 nm、黃色為577~597 nm、綠色為492~577nm、藍色為455~492 nm、紫色為350~455 nm。這些特性與人的視覺經驗的色調、明度、飽和度有著密切關系。不同波長的光能夠引起不同的色調感覺。光的強度可用照在平面的光的總量來測量，這叫照度。而光的物理強度引起的視覺經驗是明度。通常一個強烈的光看上去會比一個較弱的光明亮。
可見光譜可以應用在檢測糧油食品上，主要是利用可見光的光學性質來測定和鑒定食品成分同時某些食品成分具有可見光吸收，從而可對這些成分進行測定。
紅外光譜
當一定波長的紅外線穿過物質時，物質內部分子可以選擇性吸收某些頻率的紅外輻射而引起自身振動和能級躍遷，通過檢測紅外線被吸收的程度就可得到物質的紅外吸收光譜，即紅外光譜。紅外光譜在可見光區和微波區之間，其波長范圍為0.78~1000 μm（12800~10 cm-1）。通常吸收峰位置用波長（λ）或波數（σ）來表示，吸收強度用透光率（T%）或內吸光度（A）來表示。
遠紅外線區一般分為近紅外光區、中紅外光區和遠紅外光區。分子的紅外吸收光譜一般是研究分子的振動光譜與轉動光譜的，其中分子振動光譜一直是主要的研究課題。近紅外光譜是由分子的倍頻、合頻產生的，波長范圍為0.78~2.5 μm（12800~4000 cm-1），能級躍遷類型為O—H、N—H和C—H鍵伸縮振動的倍頻吸收；中紅外光譜屬于分子的基頻振動光譜，波長范圍為2.5~50 μm（4000~200 cm-1），能級躍遷類型為分子振動和轉動；遠紅外光譜則屬于分子的轉動光譜和某些基團的振動光譜，波長范圍為50~1000 μm（200~10 cm-1），能級躍遷類型為分子骨架震動和轉動。遠紅外線具有良好的穿透性，物質內部含氫基團（X-H）通過紅外光的反射、透射等作用方式對其進行選擇性吸收。
分析比對紅外光譜圖信息可以了解物質所含基團及內部結構，可用于羰基化合物、錳釩雜多化合物、短鏈脂肪酸化合物等的鑒別。
紫外光譜
在紫外光譜中，波長單位用nm（納米）表示。紫外光的波長范圍是10～400nm，它分為兩個區段。波長在10～200 nm稱為遠紫外區，這種波長能夠被空氣中的氮、氧、二氧化碳和水所吸收，因此只能在真空中進行研究工作，故這個區域的吸收光譜稱真空紫外。波長在200～400nm稱為近紫外區，一般的紫外光譜是指這一區域的吸收光譜。
紫外光的能量較高，在引起價電子躍遷的同時，也會引起只需要低能量的分子振動和轉動。結果是紫外吸收光譜不是一條條譜線，而是較寬的譜帶。讓不同波長的紫外線連續通過樣品，以樣品的吸光度對波長作圖，就可以得到紫外吸收光譜。紫外光譜的測定大都是在溶液中進行的，若紫外光譜在非極性溶劑的稀溶液或氣態中測定，則圖譜的吸收峰上因振動吸收而會表現出鋸齒狀精細結構。
紫外-可見光譜法可用于藥物的定量分析，其原理基于朗伯-奧古斯特·比爾定律，即光被吸收的量與光程中產生光吸收的分子數量成正比。因此可以通過測定光通過藥物溶液前后光強度的變化來確定藥物的含量。
按產生方式
發射光譜
原子發射光譜法是物質在光、電或熱等外部能量的作用下，分解形成激發態的原子或離子并發射特征輻射，通過測量這些特征輻射的波長及其強度來對各種元素進行定性和定量分析的方法。1762年，德國學者馬格拉夫（A.S.Andreas Sigismund Marggraf）首次觀察到鈉鹽或鉀鹽使酒精燈火焰呈黃色或紫色的現象，也就是“焰色反應”，并提出可依此區分并鑒定Na和K元素，而后來人們知道“焰色反應”就是原子發射光譜。
發射光譜可分為三種不同類別的光譜：線狀光譜、帶狀光譜和連續光譜。線狀光譜是氣態原子或離子被激發而發射的光譜，由各種不同特征系列分明的線狀的潛線光譜組成，其中由原子激發產生的光譜叫原子光譜，由離子激發產生的光譜叫離子光譜；帶狀光譜是氣態分子被激光而發射的光譜，也稱為分子帶狀光譜，由數個分立的譜帶組成，而每個譜帶又由許多密聚的譜線組成；連續光譜是熾熱的固體或液體受激發而發射的光譜，由波長連續的光譜組成，沒有分立的譜線和譜帶，熾熱的放映弧光可發射近似日光的連續光譜。
連續光譜和帶狀光譜不能用于發射光譜分析，只有線狀光譜能用做發射光譜分析，因為每種元素都有其特征的線狀光譜，可利用原色特征譜線的波長來進行定性分析；試樣中某元素的含量越高，則激發時發射的光強度越大，因此可根據特征譜線的強度來進行定量分析。
吸收光譜
在白光通過氣體時，氣體將從通過它的白光中吸收與其特征譜線波長相同的光，使白光形成的連續譜中出現暗線。測量某種物質對不同波長單色光的吸收，并加以集合，以波長為橫坐標，內吸光度為縱坐標作圖，可得到物質的吸收光譜，又稱為吸收曲線。此時，這種在連續光譜中某些波長的光被物質吸收后產生的光譜被稱作吸收光譜。通常情況下，在吸收光譜中看到的特征譜線會少于線狀光譜。
對于同一物質，即使在不同的濃度下，其最大吸收波長的位置及吸收光譜的形狀保持不變。不同物質的光譜吸收特征有明顯區別。每種物質對不同波長光的吸收具有選擇性，表現為最高峰的位置和吸收光譜的形狀互不相同。吸收光譜主要是由分子電子能級之間的躍遷引起的。在電子躍遷的同時，通常還伴隨著振動能級和轉動能級的躍遷，從而產生電子-振動-轉動光譜。這種光譜具有一定的頻率范圍，形成所謂的吸收帶。
吸光度的變化在最大吸收波長處最為明顯，因此該波長下的吸光度變化可以作為濃度分析的依據，即用于定量分析。由于吸收光譜可以精確地測量鍵長，X射線吸收光譜是表征單原子催化劑材料的重要工具。
散射光譜
當光照射到物質上時，會發生非彈性散射，在散射光中除有與激發光波長相同的彈性成分（瑞利散射）外，還有因光與粒子相互碰撞發生能量交換而產生的新波長的光（比激發光波長長的和短的成分），這種散射稱為拉曼散射，拉曼散射光波長與人射光波長不一致的現象統稱為拉曼效應，所產生的光譜被稱為拉曼光譜或拉曼散射光譜。拉曼光譜分析法是印度科學家C.V.拉曼（Chandrasekhara Venkata Raman）發現的。
拉曼散射中，散射光的頻率與入射光的頻率不同，這種頻率的變化稱為拉曼位移。拉曼位移的大小可以反映物質分子的振動和轉動能級的信息。通過測量散射光的頻率和強度，拉曼光譜法可以提供有關分子結構的詳細信息。拉曼光譜是有機化合物結構解析的重要手段，由于水對拉曼光的散射相對較弱，拉曼光譜特別適用于水溶液中的生物樣品和化合物的分析。
拉曼光譜無需特殊的樣品準備，能夠進行快速、簡單且可重復的定性和定量分析，已被廣泛應用于環境監測、文物鑒定、化妝品研究、纖維材料研究、半導體研究等多個領域。
按產生本質
按產生本質，光譜可分為分子光譜與原子光譜。
分子光譜
分子光譜是分子從一種能態改變到另一能態時的吸收或發射光譜。在分子中，電子態的能量比振動態的能量大50～100倍，而振動態的能量又比轉動態的能量大50～100倍。因此在分子的電子態之間的躍遷中，總是伴隨著振動躍遷和轉動躍遷的，因而許多光譜線就密集在一起而形成分子光譜。因此，分子光譜又叫做帶狀光譜。分子光譜涵蓋了從紫外光譜到遠紅外光譜，直至微波譜的廣泛頻率范圍。
分子光譜占據了各個譜帶，可分為純轉動光譜、振動-轉動光譜帶和電子光譜帶。轉動光譜是分子繞其重心的轉動；振動-轉動光譜是分子中原子核在平衡位置附近的振動；電子光譜是分子內電子相對于原子核的躍遷。分子光譜與這三種運動形式相對應，許多光譜線密集在一起便形成了分子光譜，因此分子光譜又稱為帶狀光譜。當光照射到物質時，物質內部的分子吸收能量并從較低的能量狀態躍遷到較高的能量狀態，這些躍遷反映在光譜的特征上。
在分子光譜學中，頻率可作為標尺，用于測定連續波激光在樣波探測中的頻率。此外，實驗中可使用頻率梳激發原子樣波的熒光，并將此技術擴展應用于分子領域的研究。
原子光譜
原子在受高溫火焰、電弧或其他一些方法激發時，會發射出特定波長的光譜線，稱為原子發射光譜。若用分光鏡觀察原子發射光譜，可發現一條條不連續的明亮的光譜線條，即原子光譜是不連續光譜，也叫線狀光譜。
原子光譜是現代光譜分析的重要組成部分，不同元素的原子光譜，它們的譜線特征，不僅波長不同，而且復雜程度也不相同。氫原子光譜是所有元素原子光譜中最為簡單的一個。在高純低壓氫氣放電時，氫分子離解成氫原子并被激發，放出玫瑰紅色的可見光及其他光譜。這些光譜通過分光系統可以分解為按波長次序排列的不連續線狀光譜線，包括在可見光范圍內的五條不同顏色的光譜線，對應五個特征波長的光輻射。
利用譜線的波長可進行定性分析，以確定樣品中的元素組成，根據譜線的強度可進行定量分析，以確定各組成元素的含量。原子吸收分光光度法可測定水質中鋇的含量，以及西洋參、丹參、芍藥、三七、海蝶蛸、珍珠等中藥材料中的重金屬和有害元素的含量。
光譜定性分析
由于每種原子都有自己的特征譜線，因此可以根據光譜來鑒別物質和確定它的化學組成。這種方法叫做光譜定性分析。做光譜分析時，可以利用發射光譜，也可以利用吸收光譜。這種方法的優點是非常靈敏而且迅速。某種元素在物質中的含量達千克時，就可以從光譜中發現它的特征譜線，因而能夠把它檢查出來。
定性分析方法常有以下兩種：
標準試樣光譜比較法
只檢查少數幾種指定的元素，而這幾種元素的純物質又比較容易得到時，采用此法分析是比較方便的。做法是將欲檢查元素的純物質與試樣在同一感光板上并列攝譜，然后在映譜儀上比較兩者的光譜。若試樣光譜中，在同一波長位置出現元素純物質的譜線，表明試樣中存在該元素。此法多用于不經常遇到的元素或譜圖上沒有的元素分析。
元素光譜圖比較法
若要進行光譜定性全分析或同時進行多元素鑒定時，上述簡單方法已不適用，此時可采用“元素光譜圖"比較法。“元素光譜圖”是在一張張放大20倍的不同波段的鐵光譜圖上，將各元素的靈敏線按波長位置標插在鐵光譜圖的相應位置上而制成的。元素光譜圖是由波長標尺、鐵光譜和元素譜線及其名稱組成。鐵的光線較多，在常用的210~660nm波長范圍內約有4600條譜線，分布均勻；而且每條譜線的波長都已作了精確的測定，因此，將鐵光譜作為波長比較的標尺是很適宜的。
定性分析時，將純鐵和試樣并列攝譜于同一感光板上，然后將攝得的鐵光譜和試樣光譜在映譜儀上與“元素光譜圖”進行比較。以鐵光譜線作為波長的表尺，逐一檢查試樣中欲查元素的靈敏線，若試樣光譜中的元素譜線與元素光譜圖中標明的某一元素的靈敏線相重合，則表明試樣中存在該元素。攝取的試樣光譜與元素光譜圖進行比較的過程稱為識譜。需要指出的是，當試樣組成較復雜時，常常發生譜線的干擾，因此不能僅算檢查一條譜線就做出結論。一般來說，至少要查出兩條靈敏線，才可以確認某元素的存在。
相關應用
化學分析
光譜是物質的指紋，通過光譜學研究，可以解析原子與分子的能級與幾何結構、特定化學過程的反應速率、物質在太空中特定區域的濃度分布等微觀與宏觀性質。這些研究能揭示原子和分子的能級結構、能級壽命、電子組態、分子幾何形狀、化學鍵性質和化學動力學等多方面的物質結構知識。此外，人們還可以利用物質的特定組成結構來產生具有特殊光學性質的光譜。
激光等離子體發射光譜作為一種多功能的光譜技術，廣泛應用于化學分析中。這種技術使用激光產生的高溫等離子體來分析不同材料中的元素，具有多元素痕量分析、固體表面分析、氣體分析和液體分析等主要應用。其中多元素痕量分析材料范圍廣、靈敏度高，能夠分析金屬、陶瓷、均聚物等多種材料中的元素含量；固體表面分析可以精確控制激光的作用區域，通過相對移動樣品和光束，能夠測量固體中各種元素的含量及其空間分布情況；氣體分析利用激光火花產生的等離子體，可以對氣體或火焰中的元素進行分析；利用發射光譜分析技術，也可以檢測液體中的元素。
生物醫學
德國多特蒙德的光譜化學和應用光譜學研究所的專家們開發了一種新的無痛血糖測量方法。這種方法使用遠紅外線線照射糖尿病患者的嘴唇或指尖，利用血糖含量對紅外光的吸收量不同這一原理，通過分析被反射的紅外光來確定血糖水平。使用分光光度計可以精確地測量出血糖含量，從而為糖尿病患者提供了一種更為便捷和無痛的血糖監測方式。此外，隨著激光和信號探測技術的進步，光聲光譜技術在生物醫學領域已廣泛應用于生物大分子、酶、細胞、微生物、器官和組織的研究。
參考資料 >
The Development of Atomic Absorption Spectroscopy (AAS).analytik jena .2024-05-09
物理學咬文嚼字之五 譜學：關于看的魔幻藝術.中國科學院物理研究所.2024-05-09