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光谱，通俗来说，就是光被“拆解”后按颜色或波长顺序排好的“队伍”。最常见的例子是雨后的彩虹：太阳白光穿过水滴(色散系统)后，被分散成从红到紫的彩色光带。从更准确的物理学角度看，光谱记录了不同颜色的光分别有多亮(即光强随波长的分布情况)。

光谱技术如同火眼金睛，帮助人类透过复杂的物质表象，发现内在本质。光谱全称为光学频谱，是复色光通过色散系统(如光栅、棱镜)进行分光后，依照光的波长(或频率)的大小顺次排列形成的图案。

人眼能看到的“可见光谱”仅仅是庞大光家族中的很小一部分(波长约为390∼770纳米)，它并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色，譬如褐色和粉红色；而广义的光谱还涵盖了我们肉眼看不见的无线电波、微波、红外线、紫外线、X射线以及γ射线等整个电磁波谱。

光谱最核心的价值在于，它是物质的“光学指纹”或“身份证”。因为每种物质内部的原子和分子结构都不一样，它们在发光或吸收光时，只会固定“挑选”特定颜色的光。通过分析这种独一无二的光谱线特征，科学家无需直接接触实物，就能精确推断出该物质的化学成分、内部结构、温度高低甚至它的运动速度。

光谱技术是通过分析物质与光相互作用产生的特征光谱，来识别物质成分和结构的技术。

· 核心原理

物质内部的原子和分子结构不同，在发光或吸收光时只会“挑选”特定波长的光，形成独一无二的“光学指纹”。

a.当物质吸收能量后，电子从基态跃迁至激发态，回落时以光的形式释放能量，产生发射光谱。

b.当连续光穿过物质时，物质选择性吸收特定波长的光，产生吸收光谱。

c.当光照射物质发生非弹性散射时，部分光子能量改变，产生散射光谱。

· 分类特点

a.原子光谱

由原子电子能级变化产生，表现为线光谱，如原子吸收光谱、原子发射光谱、X射线荧光光谱。

b.分子光谱

由分子电子、振动和转动能级变化产生，表现为带光谱，如紫外-可见光谱、红外光谱、拉曼光谱。

c.按作用机制分

发射光谱学(连续光谱、线状光谱、带状光谱)、吸收光谱学、散射光谱学三大类。

通过光谱的研究，可以得到原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识。但是，光谱学技术并不仅是一种科学工具，在化学分析中它也提供了重要的定性与定量的分析方法。在光的作用下，并不是直接看到了分子(即它的内部实质)而是它的“灵魂”，观察的是光与不同自由度的分子之间的作用，每种类型的光谱(不同的光频率)给出不同的图像。

· 光谱技术学科

a.分析化学

红外光谱技术

拉曼光谱技术

表面增强拉曼光谱技术

激光诱导击穿光谱技术

定量分析

b. 光电子技术、激光技术

激光诱导击穿光谱技术

定量分析

可调谐半导体激光吸收光谱技术

太赫兹时域光谱技术

浓度测量

激光诱导离解光谱技术

c. 食品工业

高光谱技术

红外光谱技术

无损检测

品质检测

偏最小二乘法

农药残留

d. 仪器、仪表

成像光谱技术

光谱仪器

傅里叶变换

拉曼光谱技术

信噪比

光学设计

e.环境监测

激光诱导击穿光谱技术

差分吸收光谱技术

环境监测

一氧化碳

傅里叶变换

光谱分析

f.中药学

红外光谱技术

化学成分

中药炮制

人参皂苷

拉曼光谱技术

质量控制

g.农业物理学

高光谱技术

无损检测

支持向量机

模型

主成分分析

叶绿素含量

h.自动化技术及设备

功能性近红外光谱技术

传感器

光谱分析

拉曼光谱技术

红外光谱技术

傅里叶变换

i.物理化学(理论化学)、化学物理学

电化学

光波导分光光谱技术

太赫兹时域光谱技术

拉曼光谱技术

红外光谱技术

表面增强拉曼光谱技术

j.计算技术、计算机技术

高光谱技术

在线拉曼光谱技术

成像光谱技术

偏最小二乘法

傅里叶变换

· 光谱分析法一览

a.发射光谱法

y射线光谱法

X射线荧光分析法

原子发射光谱分析法

原子荧光分析法

分子荧光分析法(常规荧光光谱技术、同步荧光光谱技术、导数荧光光谱技术、时间分辨荧光光谱技术、空间分辨荧光光谱技术、三维荧光光谱技术)

分子磷光分析法

化学发光分析法

b.吸收光谱法

Mossbauer(莫斯鲍尔)谱法

紫外-可见分光光度法

原子吸收光谱法

红外光谱法

顺磁共振波谱法

核磁共振波谱法

c.散射光谱法(拉曼法)

傅里叶变换拉曼光谱

空间位移拉曼光谱

显微拉曼光谱

表面增强拉曼光谱

d.原子光谱法

原子发射光谱法(AES)

原子吸收光谱法(AAS)

原子荧光光谱法(AFS)

X射线荧光光谱法(XFS)

e.分子光谱法

紫外-可见分光光度法(UV-Vis)

红外光谱法(IR)

分子荧光光谱法(MFS)

分子荧光光谱法(MPS)

光谱技术应用方向

· 医疗健康领域

a.皮肤科诊断中，融合高光谱成像与AI分析的技术可早期捕捉黑色素瘤踪迹。

b.血糖监测通过近红外光声信号反演血液葡萄糖浓度。

c.疾病筛查可检测肺癌患者呼出气体中的挥发性有机标志物。

· 环境监测领域

a.实现大气中二氧化硫、二氧化碳等污染物在线监测，测量精度比传统方法提升40%。

b.激光光谱仪可依据水分子光谱波动在极短时间内锁定重金属污染源头。

c.太赫兹光谱技术因非电离特性，适合食品安全检测应用。

· 工业生产领域

a.半导体领域用于Micro-LED表征、大尺寸半导体晶圆分析等高精度制造过程。

b.化工、制药领域实现在线拉曼光谱分析，进行反应过程实时监测与控制。

c.煤矿瓦斯检测中实现甲烷体积分数0-5%范围实时监控，响应时间小于500毫秒。

· 其他应用

a.天文研究中分析恒星光谱的谱线、红移或蓝移，确定恒星元素组成、运动状态和距离。

b.农业领域便携式光谱仪可实时诊断土壤肥力与作物病虫害。

c.海关熏蒸、粮仓残留检测等场景也有应用。