关于光谱的那些事儿

光谱技术如何影响日常生活

我们中的一些人以简单的方式看待物质世界,接受他们不理解的东西;而另一些人有着与生俱来的好奇心,他们渴望了解周围世界的本质,我们想知道万事万物是如何运作的。

什么是光谱技术?

光谱技术有助于填补这一知识空白,它是一种通过测量光和物质的相互作用来了解分子属性的方法。通过分析一种样品吸收或发射的光量,我们可以确定样品的成分、特性和体积。

我们在基础研究中使用光谱仪进行光谱分析。但同时也在应用科学领域,包括工业、化学、石化、环境、食品和农业、金属和采矿等使用这些仪器。我们利用光谱学来研究地球和遥远行星上的生命。

在日常生活中,我们也能见到光谱仪的身影。设计师在家装店使用简单的光谱仪来分析和匹配油漆颜色,为您重新装饰卧室。研究人员用它来开发癌症治疗方法。光谱仪还可以帮助监测石油泄漏和大气状况。

为什么它如此重要?

光谱技术的好处非常广泛,从提高食物质量到追捕罪犯,它能在一系列意想不到的事情中发挥作用。我们可以在几乎所有科学研究领域应用各种不同的光谱技术,从环境分析、生物医学科学直到空间探索。

我们将深入探讨这项技术,包括讨论拉曼光谱技术、物质分子振动研究、荧光和激励—发射矩阵。

光谱技术科学已经走过了一条漫长的道路。工程师们对探测器、软件和整体设计进行了不断的改进,提高了测量速度,使得光谱仪逐渐小型化,降低了仪器的价格并提高了设备的可靠性。

光谱技术分类

荧光光谱

Read our Spectroscopy Matters articles to learn more about application of Fluorescence spectroscopy techniques in your everyday life.

拉曼光谱

Read Horiba's Spectroscopy Matters articles on how scientists use Raman spectroscopy techniques to identify molecules and study chemical bonding and intramolecular bonds.

电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)

Read our articles on Inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES or ICP-AES) - one of the most powerful analytical tools for determining trace elements in numerous sample types.

近红外光谱

Learn why Near-Infrared (NIR) spectroscopy has become one of the most common spectroscopy techniques in food science and technology research.

荧光光谱

荧光 是一种光致发光现象,某种物质受到光照射,其中的电子吸收光子的能量跃迁到激发状态,激发态的电子通过热弛豫向环境传递能量,然后从最低的单线激发态发射光子。光子发射过程与其他非辐射过程竞争,包括能量传递和热损失。

荧光光谱技术是一种光谱化学分析方法,其中样品的分子被特定波长的光激发,并辐射出不同波长的光。在传统的荧光过程中,辐射光子的波长大于被吸收的光子。荧光光谱技术是一种基于物质荧光特性的表征技术。

从维生素到你用来服下维生素药片的水,下面您将在日常生活中找到许多荧光光谱技术的应用实例。

荧光光谱典型应用

Fluorescence spectroscopy techniques have a broad spectrum of applications in water treatment systems. Spectroscopy helps identify the concentrations of undesirable substances in the water to further eliminate them in the treatment process.

光谱技术:一种新兴的清洁饮水方案

荧光光谱技术是一种基于样品荧光特性来测定溶液中样品浓度的快速、简单和经济的方法。这些特性可以表征所研究样品的某些性质。

水中含有许多有色溶解有机物。了解这些化合物随时间的变化及对水质的影响至关重要。

水处理厂必须测量进出水的物质变化。光谱法是一种能对这些变化进行测量的强大工具。水处理厂必须跟踪这些物质在与粒子发生物理结合或与水中天然有机体发生反应时如何随时间变化。化合物可能以细菌的形式出现,就像径流中分解的树叶的相互作用。科学家们对研究这些化合物的归宿和输移、控制其浓度以及观察这些化合物的副产物很感兴趣。

大型水处理厂有分析实验室,其中许多已经开始使用光谱学来检测这些变化。荧光光谱法有助于识别水中物质的浓度。在处理过程中,不良物质可以通过下线消除。

HORIBA 开创性的 Aqualog A-TEEM(吸收-透射荧光激发发射矩阵)荧光和吸收二合一荧光光谱仪用于测量吸收光谱和荧光激发-发射矩阵(EEM),以检测有色溶解有机物。这是目前唯一可用的真正意义上的荧光和吸收光谱系统。Aqualog A-TEEM 光谱仪是一种更快、更经济的有机物监测方法,只需几秒即可完成测量。

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光谱技术用于寻找隐藏于环境中的生命

与水处理厂一样,研究人员使用荧光光谱来测量冰川冰中溶解的有机物。这有助于确定极地冰盖下是否存在或曾经存在过生命。

科学家们在南极洲的多项实验中使用了 Aqualog 荧光光谱仪。他们使用 Aqualog 寻找微生物指纹。

相关知识也增加了我们对其他冰冻星球上生命可能性的理解。

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关于碳量子点你需要知道什么

碳量子点是由纳米级碳制成的微小颗粒。科学家可以从各种来源制造碳量子点,例如散装碳或碳水化合物。甚至还可以用生物质来制造碳量子点,生物质是生物体的总质量。由于这些颗粒易于合成,因此制备成本低廉。

科学家在一个连续的二维碳蜂窝中以几层石墨烯的堆叠形式生产碳量子点。由于尺寸受限,碳量子点带隙有限,可以吸收和发射光。

碳量子点很重要,因为它具有光致发光特性。科学家可以通过改变碳量子点的大小和表面特性来调整其荧光颜色。研究人员使用荧光光谱仪测量这些材料的光致发光现象。

医学从业者将这些纳米材料引入生物细胞,实现细胞着色并追踪生物成分。制造商也在显示技术中使用碳量子点。

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光致发光揭示光伏特性

荧光光谱是光伏材料新研究的关键,目的是开发更高效、更灵活、成本更低的太阳能电池。

一组研究人员使用光致发光来测量太阳能电池的质量,太阳能电池是一种将光转化为电的材料。太阳能电池的发光可以指示太阳能电池晶体的质量。半导体是太阳能电池的基础,它发射某种特定波长的光。

一般来说,材料的发光越好,太阳能电池的效率就越高,因此研究人员通过测量样品的发光表征其潜在的半导体特性。

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光致发光表征半导体特性

光致发光(PL)是由材料吸收激发光光子并上升到激发态引起的发光现象。就半导体而言,这些能级通常高于材料的带隙。当激发态物种跃迁回基态时,它以发射光子的形式释放多余的能量。发射光通常与材料本身或其周围环境的特征有关,发射光甚至可以提供有关发射物种周围局部动态的信息。

光致发光是表征半导体生命周期各个阶段的有力工具。这包括开发、测试、质量控制和故障分析。

大多数现代半导体器件是由晶圆上制造的多层结构制成的工程材料。技术人员将这些材料切割成单个器件。设计基础材料、制造晶圆以及表征由这些晶圆制成的器件的过程都依赖于光致发光技术。

一个研究小组正试图开发新材料。除了硅,他们还利用薄膜光伏材料,如碲化镉、铜、铟、镓和硒化物等开展工作。

该团队隶属于一个研究中心,其长期目标是将光伏发电确立为世界上的主要能源。

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保健品欺诈

罗格斯大学的一名研究人员进行荧光光谱分析发现,非处方药补充剂标签上的内容并不总是与成分相匹配。

研究人员使用 HORIBA Aqualog 荧光光谱仪对鱼油胶囊中的物质进行了表征,鱼油胶囊因其有益健康而广受欢迎。他的团队发现,制造商通过化学方式改变了大约 80% 的测试产品,但未告知消费者补充剂的通用名称发生了变化。

由于联邦药品管理局不监管膳食补充剂,假冒的维生素和矿物质只能接受自愿审查。这就只能让研究部门的私营企业来监管这些物质。

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酿酒师如何使用荧光光谱技术

酿酒所使用葡萄的性质会影响葡萄酒的风味、口感和颜色。因此了解这些葡萄成熟过程中的状态至关重要。荧光光谱技术开始在这个过程中扮演更重要的角色。

大多数酒厂都拥有多个品牌和种植领域。酿酒师需要监控这些水果中的酚类物质含量,以使其具有所需的颜色、风味和口感。

测试葡萄的传统方法缓慢、昂贵且繁琐。与传统方法(包括气相色谱-质谱、液相色谱-质谱和傅里叶变换红外光谱)相比,荧光光谱可以更快、更经济、更灵活地表征葡萄和葡萄酒中的酚含量。

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利用荧光光谱技术监管"有机牛奶"

有机牛奶并不总是像宣传的那样。有机牛奶是草饲奶牛的产品。但是绝大多数美国牛奶来自于大型水泥奶牛场的奶牛。农民以铡碎的干草、谷物饲料和粗蛋白饲养奶牛。我们的大部分牛奶均来自这些奶牛场。

一般来说,草饲牛奶富含有益脂肪,如共轭亚油酸和 ω-3 脂肪酸。传统牛奶富含 ω-6 脂肪,而 ω-6 脂肪在饲料谷物中含量更高。

然而,一些无良商家将他们的奶牛场牛奶作为有机产品进行销售。

荧光光谱技术可以通过测量牛奶内容物产生分子的分子指纹,该分子基于响应光束的发光信号。与更昂贵的气相色谱不同,通过荧光光谱分析,测试人员可以立即获得结果。

荧光光谱技术有助于让顾客确定未来这些“有机”声明的有效性。

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光谱技术保障食品质量和安全

光谱技术开始在确保食品符合质量和安全标准方面发挥重要作用。pH 值、极性、温度、压力和粘度会影响食品质量和安全。所有这些特性都可以通过光谱法来测量。

研究人员已经确定了食物中天然存在的荧光分子。他们正在区分那些具有荧光性质的分子,这些分子可以告诉我们食物的物理或化学状态,进而了解这些特性和及其安全性。

pH 值是食物的重要特性。例如,制造商必须注意 pH 值在肉类中的变化,因为错误的 pH 值会产生不良的产品或特性。

多数质量测试解决方案通常需要销毁一些产品进行实验室测试。测试可能是一个漫长的过程。如果测试在现场进行,结果可能需要几个小时。场外测试甚至可能需要几天时间。

色谱法和原子吸收光谱技术历来是农业中用于各种分析的常用分析技术。遗憾的是,每种方法都需要大量的样品制备和长时间的延迟才能得到结果。

荧光光谱技术为这种分析提供了更快、更经济的方法。

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Researchers can use different types of spectroscopy techniques to measure phenolic compounds and determine the makeup of olive oil. But fluorescence spectroscopy, they found, can do it faster.

Fluorescence Spectroscopy Identifies Healthy Olive Oils

荧光光谱技术识别健康橄榄油

橄榄油中含有酚类化合物,科学家认为这有助于降低冠心病、前列腺癌和结肠癌的发病率。酚类化合物也会影响橄榄油的感官性状和氧化稳定性。

酚类化合物的各种生物活性使其具备化学预防特性,如抗氧化、抗癌或抗突变和抗炎作用。

研究人员可以使用荧光光谱、近红外光谱和中红外光谱来测量这些酚类化合物,并确定橄榄油的成分。但是他们发现,荧光光谱可以更快做到这一点。

精制油缺乏抗氧化剂和抗炎剂,而这正是未精制的特级初榨橄榄油具有酚类益处的原因。研究人员发现橄榄油有独特的荧光指纹。

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未来癌症治疗方法

光动力疗法针对一组特定的组织,是一种主要用于治疗靠近身体可及表面的癌症疗法。

光动力疗法需要三要素——光源、作为介质的光动力分子或金属化合物,以及微环境中的氧气。这种反应产生的一种活性单线态氧可以杀死癌细胞。

光谱技术在鉴定激活该过程的最有效的光动力分子中起着重要作用。

在光动力疗法中,癌症患者将光纤插入或置于体外。这种光纤发出可见光。它与光敏剂(光动力)分子反应,并向微环境中的氧气提供能量。这会产生无毒的单线态氧,从而缩小或杀死肿瘤。

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Fluorescence spectroscopy helps combat coastal erosion

Fluorescence spectroscopy helps combat coastal erosion

荧光光谱技术助力对抗海岸侵蚀

侵蚀问题和向后推进的海岸线威胁着陆地。许多科学家认为,全球变暖可能是海平面上升和洪水泛滥的原因,而洪水又会进一步破坏海岸线。

然而,多年来我们一直从含水层中获取饮用水,这会导致地平面下降,从而加快海水入侵的步伐。

东海岸的一个研究小组已经找到了一种方法,用经过深度处理后的废水补充枯竭的含水层。

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拉曼光谱

拉曼光谱是一种无损化学分析技术,它提供关于化学结构、相和多晶型、结晶度和分子相互作用的详细信息。拉曼光谱基于光与物质内部化学键的相互作用。

拉曼是一种光散射技术,其中分子散射来自高强度激光源的入射光。大多数散射光的波长与激光源相同,不能提供有用的信息,这被称为瑞利散射。然而,少量光以不同的波长散射,这取决于样品的化学结构,这被称为拉曼散射。

研究人员通常使用这种技术来创建样品的结构指纹,并通过其拉曼表征进行识别。

拉曼谱带因光与分子的相互作用导致分子极化率的变化而产生。科学家将这些跃迁绘制成光谱,可以用来识别观察到的分子。研究人员在化学中使用拉曼光谱法来识别分子,并研究化学键和分子内键。

Raman spectroscopy uncovers origins of life in ancient samples.

Raman spectroscopy uncovers origins of life in ancient samples

拉曼光谱法揭示古代样品中的生命起源

古生物学是一门研究古代生命的科学。常用的一种研究方法是观察岩石碎片,寻找地球上最早生命的证据。这些发现很有可能与我们在地球上和地外天体深处发现的样本相似性有关。

研究人员正在寻找岩石中的微生物化石或化学特征。大自然很久以前就消耗了这些细胞的内部,但细菌的细胞壁有时会留下碳特征。碳分子是生命的一个指标。

科学家使用拉曼光谱法来鉴定化石。他们利用从大块岩石上刮下来的岩石薄片进行研究,岩石薄片几近透明。

拉曼光谱法可为研究人员提供任何物质的光谱。若存在碳,则证明生命曾经存在。

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微塑料成为环境大问题

研究人员使用拉曼光谱法来表征侵入我们环境的塑料微粒。这些物质,无论是工程材料还是分解产物,都会对健康造成危害。科学家使用拉曼光谱来追踪微塑料的踪迹,这些塑料已成为我们周围环境的更大威胁。

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拉曼光谱法用于打击犯罪

拉曼光谱技术在执法领域正在取得突破性进展,这将对破案产生深远影响。体液痕迹很重要,因为它们是 DNA 证据的主要来源。目前,警方使用各种生化测试来检测和识别体液。

但是这些测试是破坏性的,它们改变了样品本来的面貌。同时,这些测试属于推定测试,会产生许多假阳性。

拉曼光谱法和 ATR FTIR(傅里叶变换衰减全反射红外光谱法)采用更灵敏的振动技术,能更准确地识别体液。

研究人员正在使用拉曼技术作为开发体液通用验证测试的首选方法。拉曼技术也是一种无损技术,在测试时不会影响样品。

拉曼光谱还可以检查射击残留物,以识别枪击现场使用的武器口径。调查人员可以使用拉曼光谱将受害者或肇事者身上发现的残留物与测试中的射击残留物样本进行匹配。

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拉曼和红外光谱法鉴别假药

在利益的驱使下,非法供应商会伪造昂贵的药物。这其中包括万艾可、西力士、立普妥等生活方式药品,或海捷亚(一种降压药)、达菲(一种流感疫苗)和波立维(一种血液稀释剂)等关键药品。出售这些药品的仿制品可以赚取可观的利润。

美国食品药品监督管理局法医化学中心的痕迹检验科负责检验这些药品和其他药品的合法性。

研究人员通常使用红外光谱和拉曼光谱相结合的方法来识别用于制作处方片剂的不同成分。

拉曼光谱法有其优点。拉曼光谱法是一种无损技术,可以保存证据。它还允许调查人员分析极小的颗粒。拉曼光谱法让研究人员可以分析一些红外光谱无法分析的颗粒。

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Biomass crane for handling Waste, Slag, Sludge, Straw bale

生物质起重机,用于处理废物、炉渣、污泥、秸秆包

拉曼光谱法助力从可再生资源中制造石油产品

生物质包括木材和粪肥等动植物材料,具有廉价、可再生和来源丰富等特点。工程师们可以用这些材料代替燃料和塑料产品中的石油——使生产更经济、更环保。

首先,要创建将生物质转化为增值产品的反应,研究人员必须了解工程催化剂的反应。为了设计正确的催化剂,研究人员需要知道这些化学反应器内发生了什么。

科学家使用拉曼光谱来观察工程催化剂的反应,并了解其反应过程。然后,他们可以创造化合物,将生物质转化为更有价值的产品,提高转化效率,并为最终产品增加特性。

最终,它可以减少制造我们所依赖的这些商品产生的污染和所需的能源。

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利用拉曼光谱法揭示矿物对抗毒性的有效性

地球上丰富的矿物具有多种功能。有些能帮助身体生长、发育和执行不同的功能。这些功能包括强健骨骼和传递神经冲动。

沸石是一组具有相似特性的矿物,具有相对开放的三维晶体结构。晶体结构增加的表面积使其成为一个很好的吸收器和吸附器。锡钠石,沸石的一种,可以吸收废核燃料的副产品铯。科学家可以用锡钠石清理核废料场。 

研究人员使用拉曼光谱来了解相关的化学过程。这加深了我们对这些矿物如何吸附放射性废物的理解。工业实体也能应用这些知识来扩展大型环境和灾难事件的应用。

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电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)

Detecting Lead in Drinking Water

Detecting Lead in Drinking Water

饮用水中的铅含量检测

2016年,科学家发现他们的饮用水中铅含量达到了不健康的水平,这让密歇根州弗林特的居民陷入了混乱。

两年前,该市将城市饮用水的水源从休伦湖和底特律河改为价格更便宜的弗林特河。由于水处理不足,铅从铅水管中浸出进入饮用水,超过10万居民受到污染影响。

铅对儿童、成人和孕妇有严重的健康危害。

科学家们使用 电感耦合等离子体光学发射光谱技术(ICP-OES) 来检测化学元素,它是测定多种样品类型微量元素的强大分析工具之一。

水元素分析 是ICP-OES的主要应用之一。ICP-OES能够测量元素周期表中的70多种元素,而且不惧复杂基体,是分析不同类型水的理想工具。

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研究人员使用 EDXRF 光谱来识别胶带

绑架、杀人、简易爆炸装置有一个共同元素——胶带。 执法部门区分多达数百种不同胶带材料的能力对破案大有帮助。

通过广泛的研究,联邦调查局为刑事调查建立了一个大型胶带档案数据库。 执法部门通过研究聚合物背衬、胶粘剂以及背衬和胶粘剂之间的织物增强材料的特性来表征这些常见胶带。

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近红外光谱

你的饮食与近红外光谱分析技术息息相关

近红外(NIR)光谱技术 广泛应用于食品科学与技术研究。得益于其低成本、快速处理和无损特性,已成为该领域最常见的分析技术之一。如今,近红外光谱技术已成为小麦和谷物加工业中公认的常规质量评估技术。

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