分子光谱和原子光谱技术概述

分子光谱是分子从一种能态改变到另一种能态时的吸收或发射光谱（包括从紫外到远红外直至微波谱），与分子绕轴的转动、分子中原子在平衡位置的振动和分子内电子的跃迁相对应。分子光谱是提供分子内部信息的主要途径，是有机结构分析的重要方法。

（一）分子光谱分析法的种类

主要包括紫外-可见吸收光谱、红外吸收光谱、拉曼光谱、分子荧光与磷光光谱等。

1. 紫外-可见吸收光谱（UV-VIS）

利用溶液中分子对紫外光和可见光的吸收，引起分子电子能级从基态到激发态的跃迁，产生紫外-可见吸收光谱，根据最大吸收波长可分析化合物结构，根据最大吸收波长强度变化可进行定量分析。

2. 红外吸收光谱（IR）

利用物质的分子对红外辐射的吸收，并由其振动或转动运动引起偶极矩的变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，得到分子振动能级和转动能级变化产生的振动-转动光谱，也称为红外光谱。红外吸收光谱法是定性鉴定化合物及其结构的重要方法之一。

3. 拉曼光谱（RS）

拉曼光谱是建立在拉曼散射效应基础上，利用拉曼位移研究物质结构的方法。拉曼效应起源于分子振动和转动，因此拉曼光谱也反映了分子振动能级和转动能级的变化。红外光谱是直接观察样品分子对辐射能量的吸收情况，而拉曼光谱是分子对单色光的散射引起拉曼效应，因此它是间接观察分子振动能级的跃迁。

4. 分子荧光与磷光光谱（MFS/MPS）

某些物质被紫外光照射激发后，回到基态的过程中发射出比原激发波长更长的荧光，产生分子荧光光谱。任何荧光物质都有激发光谱和发射光谱两种特征的光谱，分子荧光光谱具有较高的灵敏度和选择性，可以用于研究荧光物质的结构，更适合生物大分子的研究，同时通过测量荧光强度还可以进行定量分析。与荧光相比，磷光辐射的波长比荧光长，寿命比荧光长。

（二）分子光谱在食品安全检测中的应用

1. 水果品质的检测

水果品质检测技术一直是农业工程领域的重要研究课题。将近红外光谱技术应用于水果内部品质的检测时，检测时间仅需数秒钟，而且可以同时检测多种成分，实现水果品质的快速分析，对水果生产、加工质量的控制等具有重要的作用。研究者利用可见近红外连续透射光谱技术对苹果内部褐变进行研究，选择715nm、750nm、815nm三个特征波长进行褐变苹果判别分析，样品的正确判别率可以达到95.7%。

2. 牛乳中三聚氰胺快速检测

2008年我国乳制品行业发生了“三聚氰胺掺假事件”。对于牛乳中三聚氰胺的检测，常规的检测方法有重量法、高效液相色谱法等。这些方法在应用上存在的问题是对操作人员要求比较高，而且检测周期长。近红外光谱是一种快速、无损、成本低的检测技术，可以通过近红外光谱对牛乳中是否含有三聚氰胺进行快速定性的鉴别，再通过HPLC等检测技术进行定量检测。

（一）原子光谱分析法的种类

原子光谱分析法是分析化学中最常用的元素成分分析法，是由原子外层价电子在受到辐射作用后，在不同能级之间的跃迁吸收或发射光量子时产生的光谱，每条谱线代表了一种跃迁。主要包括以下几种。(www.xing528.com)

1. 原子发射光谱（AES）

以火焰、电弧、电火花等作为激发光源，使气态原子的外层电子受到激发后从较高的能级跃迁到较低的能级或基态，以光的形式辐射出来，从而产生发射光谱。这样产生的光谱是线光谱，原子的线光谱是元素的特征，不同元素具有不同的特征光谱。原子发射光谱法是利用元素发射出的特征谱线进行定性、定量分析的方法。

2. 电感耦合等离子体发射光谱（ICP-AES）

等离子体是一种高密度电子的离子化气体，以气态形式存在的包含分子、离子、电子等粒子的整体电中性集合体。等离子体内温度和原子浓度的分布不均匀，中间的温度、激发态原子浓度高，边缘反之。电耦合等离子体发射光谱采用等离子体作为激发光源，主要由高频发生器和等离子炬管组成。如果磁场随时间改变，则与等离子体产生感应耦合，ICP就是利用这一原理设计出高温炬管。

3. 微波等离子体发射光谱（MIP-AES）

微波等离子体发射光谱采用微波等离子体作为激发光源，MIP光源激发能量很高，能激发ICP光源不易激发的元素。

4. 原子吸收光谱（AAS）

利用特殊光源发射出待测元素的共振线，并将溶液中离子转变成气态原子后，基于原子由基态跃迁至激发态时对辐射光吸收的定量分析方法。吸收光谱远比发射光谱简单，由谱线重叠引起光谱干扰的可能性很小。

5. 原子荧光光谱（AFS）

原子荧光光谱分析法是通过测定待测原子蒸气在辐射激发下，由基态跃迁到激发态，再由激发态跃迁回到基态，辐射出与吸收光波长相同或不同的荧光来进行分析的方法。

6. X射线荧光光谱（XRF）

X射线是介于紫外线和γ射线之间的一种电磁辐射。X射线的能量与原子轨道能级差的数量级相当，待测元素经X射线照射后，发生X射线吸收，产生光电转换效应，即X射线光子被原子吸收，同时从内部壳层逐出一个电子。光子的部分能量用于克服电子的结合能，其余的能量则以动能的形式转移给电子，故初级X射线光子的能量稍大于分析元素原子内层电子的能量时，才能击出相应的电子。光子与原子作用后，在内壳层形成空穴，使原子处于不稳定的高激发态，随后较外层轨道上的电子跃迁填充空穴，原子恢复稳定的电子组态，发射出特征X射线荧光。另外，所发射的能量也可能被原子内部吸收后再次激发出较外层的另一个电子，这种现象称为Auger效应，所逐出的电子称Auger电子。

（二）原子光谱在食品安全检测中的应用

1. 检测食品中的微量元素

目前原子光谱常用于检测乳粉中的一些微量元素。钙、镁、铁、锌、铜等微量元素是人体必需营养元素，也是衡量乳粉品质的重要指标之一。乳粉样品的传统检测方法是消化法及灰化法。这两种方法消耗时间比较长。目前，常用的检测方法是微波消解火焰原子吸收光谱法和非完全消化火焰原子吸收光谱法，这两种方法均具有快速、准确、灵敏等特点。

2. 检测食品中的有害物质

目前，检测重金属采用比较多的方法是原子荧光光谱法，如对鲜牛乳痕量汞的检测；砷及砷化合物被国际癌症机构确认为致癌物，被列为食品卫生的重要检测元素，可以应用原子荧光光谱法检测饮用水和海水中的砷、砷化合物。此外，原子荧光光谱法还常用于测定农产品中的重金属污染。