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质谱学和光谱学有什么区别?

发布时间:2023-04-18
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质谱学和光谱学有什么区别?

光谱学

光谱学是研究物质吸收和发射光和其他辐射的学科。它涉及将光(或更准确地说是电磁辐射)分解成其构成波长(光谱),这与棱镜将光分解成彩虹色的方式大致相同。事实上,旧式光谱法是使用棱镜和照相底片进行的。

现代光谱学使用衍射光栅来分散光线,然后投射到 CCD(电荷耦合器件)上,类似于数码相机中使用的那些。可以从这种数字格式中轻松提取二维光谱,并对其进行处理以生成包含大量有用数据的一维光谱。

最近,光谱学的定义已经扩展到还包括研究电子、质子和离子等粒子之间的相互作用,以及它们与其他粒子的相互作用作为碰撞能量的函数。

如何使用光谱学

光谱学远非一个专门的、独特的领域,而是各种学科不可或缺的一部分。虽然它为辐射和原子结构方面的早期量子研究提供了理论支持,但它还有数量惊人的其他应用用途;磁共振成像 (MRI) 和 X 光机利用射频光谱学的一种形式,我们通过光谱和波长测量遥远星体的独特构成和物理特性,它甚至用于测试运动中的兴奋剂。

不同类型的光谱学通过相互作用中涉及的辐射能量的类型来区分。在许多应用中,光谱是通过测量这种辐射能量的强度或频率的变化来确定的。光谱学的类型也可以通过能量和材料之间相互作用的性质来区分。包括以下:

天文光谱学

这种类型的光谱学主要关注空间物体的分析。通过对天体的简单光谱分析,我们可以测量电磁辐射的光谱并确定其波长。这可以告诉我们物体的化学成分(作为其光谱和质量的一个因素)、温度、距离和速度(使用它们的波长和光速的函数)。

吸收光谱

吸收光谱涉及使用光谱技术来测量物质中辐射的吸收。我们可以通过测试特定元素在整个电磁波谱中的吸收来确定样品的原子组成。

生物医学光谱学

生物医学光谱学是一种用于生物医学科学的光谱学。例如,磁共振波谱(一种与磁共振成像相关的专门技术)通常用于诊断和研究大脑中可能导致从抑郁症到身体肿瘤的任何化学变化,以及分析肌肉的代谢结构。这是通过在大脑中绘制与已知光谱相对应的波长光谱,并仔细分析这些模式中的模式和像差来实现的。

能量色散 X 射线光谱

能量色散 X 射线光谱(也称为 EDS/EDX)用于识别和量化样品中的元素。Phenom ProX Desktop SEM使用了该技术。它还可以与透射电子显微镜 (TEM) 和扫描透射电子显微镜 (STEM) 结合使用,以在直径小至几纳米的区域中创建空间分辨元素分析。

质谱法

质谱学是测量光与物质之间的相互作用,以及辐射强度和波长的反应和测量。换言之,质谱法是研究和测量特定质谱的方法,广泛应用于样品材料的光谱分析。

质谱法是一种光谱法的示例,它通过质荷比测量化学样品中的质量。这通常是通过用大量电子电离粒子,然后让它们通过磁场,将它们分成不同的偏转阶段来完成的。一旦粒子被分离,它们就会被电子倍增器测量,我们可以通过每个离子质量的重量来识别样品的组成。通常,扫描电子显微镜会根据应用提供光谱测定选项。

质谱法的实际用途包括同位素测年和蛋白质表征。火星凤凰号着陆器等独立漫游太空探索机器人也携带质谱仪用于分析外来土壤。

质谱学的历史

质谱学的研究可以追溯到 1600 年代,当时艾萨克·牛顿 (Isaac Newton) 首次发现通过玻璃聚焦光线可以将光线分成彩虹的不同颜色(称为可见光光谱)。光谱本身是一种明显可见的现象(它构成了彩虹的颜色,并产生了你在水坑表面看到的光泽),但经过几个世纪的零碎研究,才将对这种现象的研究发展成为一个连贯的领域,可以用来得出有用的结论。

威廉·海德·沃拉斯顿 (William Hyde Wollaston) 等科学家几代人的工作导致发现了看似随机分布在该质谱中的暗线。最终确定这些是地球大气中吸收化学物质的后遗症。

简而言之,当自然光从太阳等太空天体过滤时,它会在我们的大气层中发生各种反应。在此过程中,每种化学元素的反应都略有不同,有些是可见的(人眼可检测到的 390-700 毫米波长),有些是不可见的(如可见光谱之外的红外线或紫外线)。

由于每个原子对应并可以由单独的光谱表示,我们可以使用光谱中的波长分析来识别它们、量化物理特性,并从它们的框架内分析化学链和反应。

我们使用质谱学的一些实用方面包括:

可以使用独特的质谱来识别太空中物体的化学组成、温度和速度。

用于代谢物的筛选和分析,改进药物的结构。

用于使用质谱仪通过质荷比测量采样的化学品或纳米粒子。

质谱学和光谱学之间的差异

光谱学是研究物质与辐射能量之间相互作用的科学。它是对物质在受到电磁辐射时的吸收特性或吸收行为的研究。光谱学不会产生任何结果,它只是科学的理论方法。

另一方面,质谱法是用于获取光谱定量测量的方法。它是生成结果的实际应用,有助于量化吸光度、光密度或透射率等。

总之,光谱学是理论科学,而质谱学是物质在原子和分子水平上平衡的实际测量。

光谱仪

光谱仪是用于测量给定范围(即光谱)内物理特性变化的任何仪器。这可能是质谱仪中的质荷比光谱、核磁共振 (NMR) 光谱仪中核共振频率的变化,或者光谱仪中光的吸收和发射随波长的变化。质谱仪、核磁共振光谱仪和光学光谱仪是世界各地研究实验室中最常见的三种光谱仪。

光谱仪测量光的波长和频率,并允许我们识别和分析我们放置在其中的样品中的原子。在最简单的形式中,光谱仪就像一种复杂的衍射形式,有点类似于当白光照射到 DVD 或其他光盘的微小凹坑时发生的光的变化。

光从光源(通过加热变成白炽灯)传递到衍射光栅(很像人工夫琅和费线),然后传递到镜子上。由于原始光源发出的光具有原子稳定性的特征,衍射和镜像首先分散,然后反射,波长变成我们可以检测和量化的格式。

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