光谱学是研究电磁辐射与物质之间相互作用的科学。它是分析化学中最强大的工具之一，提供关于几乎所有样品类型的分子结构、电子构型和元素组成的信息。电磁波谱从高能伽马射线（λ < 10 pm）延伸到X射线、紫外（UV）、可见光（Vis）、红外（IR）、微波，再到低能无线电波（λ > 1 m）。每个区域探测不同的分子或原子跃迁。

当辐射与物质相互作用时，可能发生三种主要现象：吸收（分子吸收光子能量并跃迁到激发态）、发射（激发态物种通过释放光子而弛豫）和散射（辐射发生偏转，有或无能量变化——分别为拉曼散射和瑞利散射）。吸收光谱学应用最广泛，吸收与浓度之间的关系由比尔-朗伯定律支配：A = εbc，其中 A 是吸光度，ε 是摩尔吸光系数，b 是光程长度，c 是浓度。

分子光谱学涉及分子内量子化能级之间的跃迁——电子跃迁（UV-Vis）、振动跃迁（IR、拉曼）和转动跃迁（微波）。原子光谱学涉及自由原子中电子的跃迁，通常需要在高温下（火焰、石墨炉或等离子体）原子化以断裂化学键。原子吸收（AAS）、原子发射（AES、ICP-OES）和原子荧光（AFS）是主要的原子光谱技术。

所有光谱仪器共享共同组件：辐射源（连续光源或线光源）、波长选择器（单色器或滤光片）用于分离分析波长、样品架（比色皿、火焰或等离子体）以及检测器（光电倍增管、光电二极管或电荷耦合器件）将光强度转换为电信号。**信噪比（SNR）**决定最小可检测信号，可通过信号平均、调制和锁相放大来改善。现代仪器通常配备自动进样器、计算机控制的数据采集以及用于光谱解卷积的高级化学计量学软件。