1、1二、光谱仪器概念及种类二、光谱仪器概念及种类三、本课程的主要内容三、本课程的主要内容四、参考书四、参考书一、光谱基础及应用一、光谱基础及应用物理、化学、材料、生物、医学、环境、物理、化学、材料、生物、医学、环境、化工、天文、地质、考古、食品、石化、化工、天文、地质、考古、食品、石化、农业、纺织、制药、冶炼、质检、公安、农业、纺织、制药、冶炼、质检、公安、侦察、海关。侦察、海关。太阳光谱中的暗线太阳光谱中的暗线太阳大气中存在钠、铁、镁、铜、锌、钡、镍等太阳大气中存在钠、铁、镁、铜、锌、钡、镍等与光谱相关的学科及应用领域：与光谱相关的学科及应用领域：牛顿棱镜分光牛顿棱镜分光(1666)光谱是鉴定
2、物质结构、定量成分含量的强有力手段光谱是鉴定物质结构、定量成分含量的强有力手段近红外光谱技术近红外光谱技术快速测定粮食中的粗蛋白、粗快速测定粮食中的粗蛋白、粗脂肪、直链淀粉、水分等成分脂肪、直链淀粉、水分等成分含量含量 拉曼光谱技术拉曼光谱技术对药品进行定性检查对药品进行定性检查 对爆炸品对爆炸品/毒品进行快速定性毒品进行快速定性 珠宝珠宝/矿石矿石/古迹古迹/陶瓷等的真伪鉴定陶瓷等的真伪鉴定 辨别食用油的正辨别食用油的正/反式脂肪反式脂肪 CCD立体相机、干涉成像光谱仪、激光高立体相机、干涉成像光谱仪、激光高度计、微波辐射计、太阳宇宙射线检测器度计、微波辐射计、太阳宇宙射线检测器和低能离子探
3、测器等和低能离子探测器等（西安光机所研制）（西安光机所研制）利用月表不同物质被太阳光照射后的反射利用月表不同物质被太阳光照射后的反射光谱来识别区分物质，确定月球表面主要光谱来识别区分物质，确定月球表面主要矿石的分布情况。矿石的分布情况。当一束光射到物质样品上，可能发生：当一束光射到物质样品上，可能发生：吸收、透射、反射、散射吸收、透射、反射、散射或者或者激发荧光激发荧光等。等。以物质吸收、反射、发以物质吸收、反射、发射或散射光的（相对）射或散射光的（相对）强度为纵坐标，以光的强度为纵坐标，以光的波长（或波数或频率）波长（或波数或频率）为横坐标所作的图谱称为横坐标所作的图谱称为光谱。为光谱。光谱
4、的另一种表达：摄谱图光谱的另一种表达：摄谱图对于对于原子原子而言，原子核外的电子在不同轨道而言，原子核外的电子在不同轨道运动，对应具有确定的能量。运动，对应具有确定的能量。对于对于分子分子而言，除了核外电子在运动，同时而言，除了核外电子在运动，同时组成分子的原子之间也在组成分子的原子之间也在振动和转动振动和转动。每一。每一种运动都对应一定的能量。种运动都对应一定的能量。根据量子力学，原子和分子所有这些运动状根据量子力学，原子和分子所有这些运动状态的能量都是分立的、量子化的，称为态的能量都是分立的、量子化的，称为能级能级。原子或分子在不同能级之间的跃迁大多伴随光原子或分子在不同能级之间的跃迁大多
5、伴随光的吸收（从低能级到高能级）或光的辐射（从的吸收（从低能级到高能级）或光的辐射（从高能级到低能级）高能级到低能级），于是形成吸收光谱或发，于是形成吸收光谱或发射光谱。射光谱。hEEE12跃迁能级跃迁能级能量之差能量之差吸收或辐射吸收或辐射光子的能量光子的能量满足：满足：原子光谱与分子光谱之分原子光谱与分子光谱之分rveEEEE分子的总能量主要由以下三项组成：分子的总能量主要由以下三项组成：电子能量电子能量振动能量振动能量转动能量转动能量rveEEE能级符号：能级符号：S V J相邻能级间隔：相邻能级间隔：分子的能级图分子的能级图（S电子能级；电子能级；V振动能级；振动能级；J转动能级）转动
6、能级）电磁波吸收与分子能级变化示意图电磁波吸收与分子能级变化示意图A:转动能级跃迁（远红外区）转动能级跃迁（远红外区）B:转动转动/振动能级跃迁（近红外区）振动能级跃迁（近红外区）C:转动转动/振动振动/电子能级跃迁（可见紫外区）电子能级跃迁（可见紫外区）原子发射光谱（如汞灯钠灯）原子发射光谱（如汞灯钠灯）氢氢 氦氦 锂锂 钠钠 钡钡 汞汞 氖氖原子结构较简单，只涉及原子核外电子能量原子结构较简单，只涉及原子核外电子能量的变化，跃迁在电子能级之间进行，原子的的变化，跃迁在电子能级之间进行，原子的吸收谱或发射谱是分立的锐利的特征谱线。吸收谱或发射谱是分立的锐利的特征谱线。17110)(1)(nm
7、cmX X射线射线 紫外紫外 可见可见 近红外近红外 红外红外 远红外远红外 微波微波波数：波数：g g 射线发射射线发射0.0005-0.14 nm 核核X射线（吸收、发射、射线（吸收、发射、荧光、衍射）荧光、衍射）0.01-10 nm 内层电子内层电子 真空紫外吸收真空紫外吸收10-180 nm1106 to 5104价电子价电子紫外紫外-可见（吸收、可见（吸收、发射、荧光）发射、荧光）180-780 nm5104 to 1.3104价电子价电子近红外、红外吸收，近红外、红外吸收，拉曼散射拉曼散射0.78-300 m mm1.3104 to 3.3101分子振动分子振动/转动转动微波吸收微
8、波吸收0.75-3.75 m mm13-27分子转动分子转动电子自旋共振电子自旋共振3cm0.33电子在磁场中电子在磁场中的自旋的自旋核磁共振核磁共振0.6-10 m1.710-2 to 110-3核在磁场中核在磁场中的自旋的自旋1 1）空间色散法）空间色散法利用棱镜或者光栅分光利用棱镜或者光栅分光棱镜分光棱镜分光光栅分光光栅分光各种光栅各种光栅（周期性排列的结构）（周期性排列的结构）当光栅转动时，不同波长当光栅转动时，不同波长的色光将从出射狭缝射出的色光将从出射狭缝射出CCD光谱仪光路示意图光谱仪光路示意图2 2）干涉法）干涉法利用光的干涉的原理与方法利用光的干涉的原理与方法3 3）其它滤波
9、法）其它滤波法 傅立叶变换（傅立叶变换（FTFT）光谱仪，）光谱仪，F-PF-P干涉仪干涉仪声光可调谐滤波（声光可调谐滤波（AOTFAOTF）光谱仪）光谱仪。光和物质之间的相互作用，使物质对光产生了吸收、发射或光和物质之间的相互作用，使物质对光产生了吸收、发射或散射。将物质吸收、发射或散射光的强度对频率作图所形成散射。将物质吸收、发射或散射光的强度对频率作图所形成的演变关系，称为分子光谱。的演变关系，称为分子光谱。分子光谱包括紫外可见光谱、红外光谱、荧光和拉曼光谱等。分子光谱包括紫外可见光谱、红外光谱、荧光和拉曼光谱等。紫外可见光谱紫外可见光谱红外光谱红外光谱吸收谱吸收谱发射谱发射谱转动光谱转
10、动光谱振动光谱振动光谱电子光谱电子光谱散射谱散射谱拉曼光谱拉曼光谱荧光光谱荧光光谱电子光谱：电子光谱：UV-VisUV-Vis吸收光谱吸收光谱振动光谱：振动光谱：IRIR红外吸收光谱红外吸收光谱转动光谱：远红外吸收和微波转动光谱：远红外吸收和微波光致发光：吸收光辐射光致发光：吸收光辐射 荧光光谱：单重激发态荧光光谱：单重激发态基态基态 磷光光谱：三重激发态磷光光谱：三重激发态基态基态化学发光：化学能激发化学发光：化学能激发光子与试样分子非弹性碰撞能量交光子与试样分子非弹性碰撞能量交换后的散射光谱换后的散射光谱,与分子振动能级跃与分子振动能级跃迁对应迁对应,与红外吸收光谱有相似性与红外吸收光谱有
11、相似性拉曼光谱拉曼光谱分子发光光谱分子发光光谱分子吸收光谱分子吸收光谱有机化合物的紫外有机化合物的紫外可见吸收光谱是可见吸收光谱是三种电子跃迁的结三种电子跃迁的结果：果：电子、电子、电子电子和和 n 电子。电子。*n 123456E紫外可见光谱（紫外可见光谱（UVVIS）对应于电子能）对应于电子能级跃迁，波长范围：级跃迁，波长范围：190nm780nm电子跃迁类型电子跃迁类型bCIIA)(lg0式中：式中：b b为光程，为光程，C C为溶液浓度，为溶液浓度，为摩尔吸光系数为摩尔吸光系数可见，在可见，在b b和和一定的情况下，一定的情况下，C与与A成正比。成正比。这种定量分析方法称为吸收光度法，
12、不仅适这种定量分析方法称为吸收光度法，不仅适用于紫外可见光谱，也适用于原子吸收光谱用于紫外可见光谱，也适用于原子吸收光谱和荧光光谱等。和荧光光谱等。入射光入射光(Io)透射光透射光(I)b样品样品吸收光度法吸收光度法(UV-VIS,IR,AAS,etc.)bCIIA)(lg0 C为溶液浓度，为溶液浓度，为摩尔吸光系数为摩尔吸光系数 化合物化合物 II带带 III带带 溶剂溶剂 max max 苯苯 203.5 7.4103 254 204 正己烷正己烷甲苯甲苯 206 7103 261 225 正己烷正己烷氯苯氯苯 210 7.6103 265 240 乙醇乙醇苯酚苯酚 210.5 6.210
13、3 270 1450 水水苯酚盐苯酚盐 236.5 6.8103 292 2600 碱性水溶液碱性水溶液苯胺苯胺 230 8.6103 280 1430 水水苯胺盐苯胺盐 203 2.5103 254 160 酸性水溶液酸性水溶液苯乙烯苯乙烯 244 1.2104 282 450 乙醇乙醇苯甲醛苯甲醛 244 1.5104 280 1500 乙醇乙醇苯乙酮苯乙酮 240 1.3104 278 1100 乙醇乙醇硝基苯硝基苯 252 1.0104 280 10000 正己醇正己醇 检定物质检定物质 根据吸收光谱图上最大吸收波长和摩尔吸收系根据吸收光谱图上最大吸收波长和摩尔吸收系数检定物质。这在药
14、物分析上有着很广泛的应用。数检定物质。这在药物分析上有着很广泛的应用。推测化合物的分子结构推测化合物的分子结构 络合物组成的测定络合物组成的测定 反应动力学研究反应动力学研究 有机物分析有机物分析。550nm处定标拟合曲线处定标拟合曲线不同浓度葡萄糖液的吸收光谱不同浓度葡萄糖液的吸收光谱 葡萄糖在一定条件下（葡萄糖葡萄糖在一定条件下（葡萄糖氧化酶、过氧化物酶与氧化酶、过氧化物酶与4-氨基氨基氨替比林作用下）氨替比林作用下）,转化生成转化生成醌类化合物（红色）。醌类化合物（红色）。同理，通过控制适当显色同理，通过控制适当显色条件，可测定钴、镍、铜、条件，可测定钴、镍、铜、银、铁等元素的含量。银、
15、铁等元素的含量。应用：水质分析，临床生化检测等。应用：水质分析，临床生化检测等。近红外（近红外（Near InfraredNear Infrared NIR NIR）光谱范围）光谱范围波长：波长：780nm2500nm波数：波数：12820cm-14000cm-1含氢基团含氢基团(X-H,X为为C，O，N，S等等)的倍频或的倍频或组合频谱带在近红外区。组合频谱带在近红外区。基频：对应于相邻振动能级之间的跃迁基频：对应于相邻振动能级之间的跃迁(如如01)倍频：对应于相隔一个或几个振动能级之间的倍频：对应于相隔一个或几个振动能级之间的跃迁跃迁(如如0 2，0 3)近红外光谱很弱，并且近红外光谱很弱
16、，并且重叠严重，不能直接从重叠严重，不能直接从谱图峰位来判断，需要谱图峰位来判断，需要用化学计量学方法处理，用化学计量学方法处理，建模，才能得到正确的建模，才能得到正确的结果。结果。无损、快速、样品无需前处理无损、快速、样品无需前处理石油化工领域石油化工领域汽油、柴油、喷气燃料、润滑油等的组成及性质分析汽油、柴油、喷气燃料、润滑油等的组成及性质分析石油加工过程质量监控石油加工过程质量监控高分子合成与加工领域高分子合成与加工领域聚合过程监测，聚合物结构测定，聚合物类型判别聚合过程监测，聚合物结构测定，聚合物类型判别制药工业制药工业纺织工业。纺织工业。农业食品领域农业食品领域粮食、饲料、奶制品、水
17、果等的蛋白质、脂肪、糖等含量粮食、饲料、奶制品、水果等的蛋白质、脂肪、糖等含量伸缩振动伸缩振动 对称伸缩振动对称伸缩振动弯曲振动弯曲振动 面内弯曲振动面内弯曲振动面外弯曲振动面外弯曲振动不对称伸缩振动不对称伸缩振动红外光谱（红外光谱（InfraredIR）的波长范围：）的波长范围：2.5 m 25m，波数范围：，波数范围：400cm-14000cm-1红外光谱对应于分子的转动能级跃迁。红外光谱对应于分子的转动能级跃迁。C CH HH HC CH HH H伸缩振动伸缩振动对称对称不对称不对称例：例：-CH2-C CH HH HC CH HH HC CH HH HC CH HH H+-弯曲振动弯曲
18、振动面面外外面面内内剪式剪式摇摆摇摆摇摆摇摆扭曲扭曲mk21虎克定律：虎克定律：(Hooks Law)mi 为成键原子的质量，为成键原子的质量，k 为化学键的力常数为化学键的力常数mkc212121mmmmm其中：其中：为约合质量为约合质量CC吸收出现在吸收出现在1200700cm-1；C=C吸收在吸收在17001450 cm-1；CC吸收在吸收在23002100cm-1。如：键能大小顺序为如：键能大小顺序为 CC C=C CCk 当两个振动原子中有一个为氢原子时，当两个振动原子中有一个为氢原子时，就很小，振动频率或波数就大。就很小，振动频率或波数就大。如：如：C-H，O-H，N-H键的伸缩振
19、动吸收键的伸缩振动吸收出现在高波数区（出现在高波数区（3000cm-1 左右）。左右）。例如：丙酮的羰基伸缩振动吸收，气态时例如：丙酮的羰基伸缩振动吸收，气态时出现在出现在1738cm-1，液态时在，液态时在 1715cm-1m/1注：只有当分子的振动可引起分子的偶极矩注：只有当分子的振动可引起分子的偶极矩变化时，才能引起红外吸收。能吸收红外光变化时，才能引起红外吸收。能吸收红外光的物质，称红外光活性物质。否则，称红外的物质，称红外光活性物质。否则，称红外非光活性物质。非光活性物质。入射光的频率与分子中某基团的振动频率入射光的频率与分子中某基团的振动频率相同，且分子的振动能引起分子的偶极矩相同
20、，且分子的振动能引起分子的偶极矩变化。变化。a)40001500cm-1 为特征谱带区（官能团区）为特征谱带区（官能团区）40002500cm-1，为含氢基团的伸缩振动区，为含氢基团的伸缩振动区，通常称为通常称为“氢键区氢键区”。OH、NH、CH、SH等。等。25002000cm-1，叁键和累积双键振动区。如，叁键和累积双键振动区。如CC、CN、C=C=C、N=C=O等。等。20001500cm-1，双键振动区。如，双键振动区。如C=C、C=O、C=N、C=S、N=O以及苯基的伸缩振动。以及苯基的伸缩振动。b)1500400cm-1，指纹区。，指纹区。包括包括CC、CO、CN等单键的伸缩振等单
21、键的伸缩振动和含氢基团动和含氢基团OH、NH、CH等的弯曲振动等的弯曲振动都出现在这一区域内。都出现在这一区域内。这一区域谱带较密集，难辨认，象人的指这一区域谱带较密集，难辨认，象人的指纹。每个化合物在这一区域都有不同于其纹。每个化合物在这一区域都有不同于其它分子的特征谱带，可以用来鉴定化合物。它分子的特征谱带，可以用来鉴定化合物。乙苯的红外光谱图乙苯的红外光谱图苯环的苯环的=C-H伸缩振动伸缩振动烷基烷基-C-H伸缩振动伸缩振动苯环的骨架振动苯环的骨架振动16001450cm-1C-H弯曲振动弯曲振动红外光谱分析的特征性强、测定快速、不破红外光谱分析的特征性强、测定快速、不破坏试样、试样用量
22、少、操作简便、能分析各坏试样、试样用量少、操作简便、能分析各种状态的试样、分析灵敏度较低。种状态的试样、分析灵敏度较低。红外光谱具有鲜明的特征性，其谱带的数目、红外光谱具有鲜明的特征性，其谱带的数目、位置、形状和强度都随化合物不同而各不相位置、形状和强度都随化合物不同而各不相同。因此，红外光谱法是定性鉴定和结构分同。因此，红外光谱法是定性鉴定和结构分析的有力工具。析的有力工具。如：利用标准谱图对已知物进行鉴定，对未如：利用标准谱图对已知物进行鉴定，对未知物结构进行测定。知物结构进行测定。总结：总结：1928年印度物理学年印度物理学家家Raman C V 发现发现拉曼散射效应，获拉曼散射效应，获
23、得得1930年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。Raman C VE0基态，基态，E1振动激发态；振动激发态；E0+h 0，E1+h 0 激发虚态激发虚态拉曼位移：散射光与入射光频率差拉曼位移：散射光与入射光频率差或波数差，或波数差，对应于振动能级差，所以可用拉曼谱来研究分子振动。对应于振动能级差，所以可用拉曼谱来研究分子振动。Rayleigh散射散射Raman散射散射 h 瑞利散射和拉曼散射及其光谱瑞利散射和拉曼散射及其光谱Stokes 与与Anti-Stokes对称分布，强度不同对称分布，强度不同采用不同的激采用不同的激发光源，但拉发光源，但拉曼位移相同曼位移相同？硫磺的拉曼光谱硫磺的拉曼光谱瑞利散射
24、被瑞利散射被notch滤波片抑制滤波片抑制瑞利散射、拉曼散射（瑞利散射、拉曼散射（Stokes 与与Anti-Stokes）、共振拉曼和红外吸收跃迁能级比较）、共振拉曼和红外吸收跃迁能级比较具有测试样品非接触、非破坏性、检测具有测试样品非接触、非破坏性、检测灵敏度高、时间短、样品所需量小及样灵敏度高、时间短、样品所需量小及样品无需制备等特点。被广泛应用于医学、品无需制备等特点。被广泛应用于医学、药物、文物考古、宝石鉴定和法庭科学药物、文物考古、宝石鉴定和法庭科学等方面等方面。艺术品文物考古鉴定艺术品文物考古鉴定颜料、涂料、粘合剂颜料、涂料、粘合剂公安法庭取证公安法庭取证爆炸物、墨迹爆炸物、墨迹
25、宝石鉴定宝石鉴定天然钻石在天然钻石在1332 cm-1显示很强的拉曼峰显示很强的拉曼峰医学、制药工业。医学、制药工业。毒品药材鉴别毒品药材鉴别盐酸吗啡、盐酸海洛因、盐酸蒂巴因、盐酸那可汀和盐酸盐酸吗啡、盐酸海洛因、盐酸蒂巴因、盐酸那可汀和盐酸可卡因等毒品。中药材（燕窝、灵芝、黄芪等）的真伪。可卡因等毒品。中药材（燕窝、灵芝、黄芪等）的真伪。左旋咪唑盐酸盐拉曼散射谱左旋咪唑盐酸盐拉曼散射谱麻黄素盐酸盐拉曼散射谱麻黄素盐酸盐拉曼散射谱在麻黄素中几个最大强在麻黄素中几个最大强度的拉曼谱线在度的拉曼谱线在831、1001、3053cm-1；而左旋咪唑拉曼谱最大而左旋咪唑拉曼谱最大强度出现在强度出现在9
26、98、1464、2873和和2963cm-1。这幅悬挂于意大利教堂的这幅悬挂于意大利教堂的12世世纪壁画需修复。原来用的是什纪壁画需修复。原来用的是什么颜料呢？拉曼光谱清楚地呈么颜料呢？拉曼光谱清楚地呈现了原本采用的是什么颜料。现了原本采用的是什么颜料。原颜料原颜料 赭色赭色 石膏石膏荧光和磷光的产生荧光和磷光的产生：激发态分子从最低激发单线态（自旋配对）激发态分子从最低激发单线态（自旋配对）S1或三线态或三线态（自旋不配对）（自旋不配对）T1经辐射回到基经辐射回到基态的发光过程可表示如下：态的发光过程可表示如下：吸收光谱与荧光光谱呈镜象对称吸收光谱与荧光光谱呈镜象对称 固定某一发射波长，测定
27、该波长下的荧光发射强度随激发固定某一发射波长，测定该波长下的荧光发射强度随激发波长变化的光谱，便得到波长变化的光谱，便得到荧光激发光谱荧光激发光谱。固定某一激发波长，测定荧光发射强度随发射波长变化的固定某一激发波长，测定荧光发射强度随发射波长变化的光谱，得到光谱，得到荧光发射光谱荧光发射光谱，又称荧光光谱，又称荧光光谱。灵敏度很高；灵敏度很高；（检测限比吸收光谱法低（检测限比吸收光谱法低13个数量级）个数量级）选择性好选择性好;试样用量少和方法简便试样用量少和方法简便;应用范围不如紫外可见吸收光度法广。应用范围不如紫外可见吸收光度法广。荧光物质荧光物质最大吸收光谱最大吸收光谱最大发射光谱最大发
28、射光谱异硫氰酸荧光素异硫氰酸荧光素 (FITC)(FITC)490490495nm495nm520520530nm 530nm（黄绿色）（黄绿色）四乙基罗丹明四乙基罗丹明 (RB200)(RB200)570570575nm575nm595595600nm600nm（橙红色）（橙红色）四甲基异硫氰酸罗丹四甲基异硫氰酸罗丹明明 (TRITC)(TRITC)550nm550nm620nm620nm（橙红色）（橙红色）藻红蛋白（藻红蛋白（PEPE）490-560nm490-560nm595nm595nm（红色）（红色）7-7-氨基氨基-4-4-甲基香豆甲基香豆素素354nm354nm430nm430n
29、m（蓝色）（蓝色）EuEu3+3+螯合物螯合物340nm340nm613nm613nm荧光探针技术就是利用荧光探测剂（小分子荧荧光探针技术就是利用荧光探测剂（小分子荧光化合物，如光化合物，如ANS、DNS），使其与荧光较弱），使其与荧光较弱或不发荧光的物质共价或非共价地结合，形成或不发荧光的物质共价或非共价地结合，形成发强荧光的络合物，测定络合物的荧光。发强荧光的络合物，测定络合物的荧光。用荧光探针技术可测定蛋白质分子的疏水微区、用荧光探针技术可测定蛋白质分子的疏水微区、二基团之间的距离，以及酶和底物结合过程中二基团之间的距离，以及酶和底物结合过程中蛋白质构象的变化等。蛋白质构象的变化等。直接
30、荧光抗体染色直接荧光抗体染色 间接荧光抗体染色间接荧光抗体染色 荧光免疫技术是将抗原抗体反应的特异性与荧光免疫技术是将抗原抗体反应的特异性与荧光技术的高度灵敏性相结合，对抗原或抗荧光技术的高度灵敏性相结合，对抗原或抗体进行定性、定位或定量检测。体进行定性、定位或定量检测。荧光素标记抗体与切片中组织细胞抗原反荧光素标记抗体与切片中组织细胞抗原反应，洗涤分离后荧光显微镜观察呈现特异应，洗涤分离后荧光显微镜观察呈现特异荧光的抗原抗体复合物及其部位，对组织荧光的抗原抗体复合物及其部位，对组织细胞抗原进行定性和定位检测，或对自身细胞抗原进行定性和定位检测，或对自身抗体进行定性和滴度测定。抗体进行定性和滴
31、度测定。能刺激机体产生特异性免疫反应，并能与之发生特异性能刺激机体产生特异性免疫反应，并能与之发生特异性结合的物质称为抗原（如细菌或其毒素、病毒等）；结合的物质称为抗原（如细菌或其毒素、病毒等）；抗体是由抗原刺激机体或动物后产生的具有特异性的免抗体是由抗原刺激机体或动物后产生的具有特异性的免疫球蛋白。疫球蛋白。病原体检测病原体检测寄生虫寄生虫细菌（藤黄微球菌细菌（藤黄微球菌 )免疫病理检测免疫病理检测肿瘤（人肝癌细胞）肿瘤（人肝癌细胞）原子中的电子由较高能级跃迁到较低能级时，两能级间原子中的电子由较高能级跃迁到较低能级时，两能级间的能量差以光辐射的形式释放，形成的能量差以光辐射的形式释放，形成
32、原子发射光谱原子发射光谱；不同元素的原子结构不同，激发电位不同；不同元素的原子结构不同，激发电位不同；某元素的原子受到激发所需的最小激发能称为某元素的原子受到激发所需的最小激发能称为共振电位共振电位；从最低激发态跃迁回到基态时发射的谱线称为从最低激发态跃迁回到基态时发射的谱线称为共振发射线共振发射线；一定激发条件下，激发到共振态的原子最多，因此共振线一定激发条件下，激发到共振态的原子最多，因此共振线最强。最强。kclIItexp0元素的基态中性原子吸收特定频率的光辐射能量，跃迁到较元素的基态中性原子吸收特定频率的光辐射能量，跃迁到较高的能级；高的能级；k为原子吸收系数，为原子吸收系数，l为光程
33、，为光程，c为原子浓度为原子浓度光入射到原子蒸气中，某些频率的光被吸收，形成原子的吸光入射到原子蒸气中，某些频率的光被吸收，形成原子的吸收光谱。收光谱。原子发射光谱中的共振线也是原子吸收光谱中最灵敏的谱线；原子发射光谱中的共振线也是原子吸收光谱中最灵敏的谱线；通过原子蒸气后的透射光强度与原子蒸气中参与吸收的原子浓通过原子蒸气后的透射光强度与原子蒸气中参与吸收的原子浓度的关系为：度的关系为：阶跃荧光阶跃荧光：由于热碰撞无辐射跃迁到较低激发态，再跃：由于热碰撞无辐射跃迁到较低激发态，再跃迁到基态发射荧光；或者由于热碰撞再次受激到更高激迁到基态发射荧光；或者由于热碰撞再次受激到更高激发态再向低能级跃
34、迁。发射荧光高能态与受激高能态不发态再向低能级跃迁。发射荧光高能态与受激高能态不同。同。共振荧光：荧光波长与激发光波长相同共振荧光：荧光波长与激发光波长相同原子荧光有两种类型：原子荧光有两种类型：共振荧光、非共振荧光共振荧光、非共振荧光直跃荧光直跃荧光：原子回到亚稳态能级而不返回受激发前的：原子回到亚稳态能级而不返回受激发前的更低能级，荧光波长比激发光波长长。发射荧光低能更低能级，荧光波长比激发光波长长。发射荧光低能态与受激低能态不同。态与受激低能态不同。荧光波长比激发光波长长称为荧光波长比激发光波长长称为斯托克司线（斯托克司线（Stokes）荧光波长比激发光波长短称为荧光波长比激发光波长短称
35、为反斯托克司线（反斯托克司线（Anti-Stokes）非共振荧光：荧光波长与激发光波长不同非共振荧光：荧光波长与激发光波长不同a)共振荧光（锌原子在共振荧光（锌原子在213.86nm）；）；b)非共振荧光直跃荧光（铅原子吸收非共振荧光直跃荧光（铅原子吸收283.31nm后后发射发射405.78nm和和722.90nm荧光）；荧光）；c)非共振荧光阶跃荧光（钠原子吸收非共振荧光阶跃荧光（钠原子吸收330.30nm后后经过无辐射跃迁再发射经过无辐射跃迁再发射589.00nm的荧光；铟原子的荧光；铟原子热碰撞后激发，再吸收热碰撞后激发，再吸收451.18nm，发出，发出410.18nm为反斯托克司线
36、）。为反斯托克司线）。kTEggNNiiiexp00原子从激发态向基态跃迁时发出的光谱强度与浓度和受激原子从激发态向基态跃迁时发出的光谱强度与浓度和受激程度有关；程度有关；在热力平衡条件下，单位体积内某元素的未激发数与激发在热力平衡条件下，单位体积内某元素的未激发数与激发态原子数关系满足波尔兹曼分布：态原子数关系满足波尔兹曼分布：谱线强度直接与温度有关；谱线强度直接与温度有关；激发能级越高，该能级的原子数越少，谱线强度越低；激发能级越高，该能级的原子数越少，谱线强度越低；共振线的跃迁几率最高，谱线强度最高。共振线的跃迁几率最高，谱线强度最高。0ggi和iE 为激发态和基态的统计权重，为激发态和
37、基态的统计权重，为激发电位，为激发电位，k为波尔兹曼常数为波尔兹曼常数4/)(41)(2202gvvAvI按照经典振子理论，激发态原子在没有任何外界影响时，按照经典振子理论，激发态原子在没有任何外界影响时，将产生具有一定宽度的洛仑兹轮廓谱线，称为谱线的自然将产生具有一定宽度的洛仑兹轮廓谱线，称为谱线的自然宽度。（宽度。（约为约为10e-5nm）所有元素的谱线自然宽度差别不大；所有元素的谱线自然宽度差别不大；光谱研究分析中一般忽略谱线自然宽度影响。光谱研究分析中一般忽略谱线自然宽度影响。原子谱线宽度并不是宽度等于零的几何线；原子谱线宽度并不是宽度等于零的几何线；实际中原子光谱线宽度都比自然宽度大
38、，称为实际中原子光谱线宽度都比自然宽度大，称为谱线谱线的增宽的增宽。a)同位素效应增宽同位素效应增宽原子的各同位素结构相差极小，同位素产生的谱线十分接原子的各同位素结构相差极小，同位素产生的谱线十分接近，很多同位素谱线彼此重叠成为谱线包络，形成谱线增近，很多同位素谱线彼此重叠成为谱线包络，形成谱线增宽。宽。导致谱线的增宽的几种原因：导致谱线的增宽的几种原因：0701016.7212rrDATAnRTcvcc0b)多普勒增宽多普勒增宽原子热运动，相对观测者存在相对速度原子热运动，相对观测者存在相对速度v，观测者观测的，观测者观测的发射频率将变成：发射频率将变成：321010例如：铁谱线在例如：铁
39、谱线在T=5000K，波长，波长500nm处的多普勒处的多普勒增宽为增宽为0.003nm，比自然宽度大，比自然宽度大 。原子运动速度服从麦克斯韦分布，得到因热运动造成的谱线原子运动速度服从麦克斯韦分布，得到因热运动造成的谱线多普勒增宽为：多普勒增宽为：多普勒增宽还会造成谱线轮廓的变化。多普勒增宽还会造成谱线轮廓的变化。c)压力增宽压力增宽若激发态原子与同类原子碰撞，将产生振子耦合，引起共若激发态原子与同类原子碰撞，将产生振子耦合，引起共振增宽，同种粒子碰撞引起的增宽比不同类粒子碰撞引起振增宽，同种粒子碰撞引起的增宽比不同类粒子碰撞引起的增宽大的增宽大100倍左右。倍左右。增宽数值与其它粒子的密
40、度有关（压力）；增宽数值与其它粒子的密度有关（压力）；在一个大气压，在一个大气压，3000K条件，压力增宽与多普勒增宽量条件，压力增宽与多普勒增宽量值近似，为值近似，为10e-3nm。原子与不同类原子、分子发生碰撞，相当于振子理论中阻原子与不同类原子、分子发生碰撞，相当于振子理论中阻尼增大，使谱线增宽。尼增大，使谱线增宽。因此，精细光谱分析中必须采用低压气体灯，保证光源具因此，精细光谱分析中必须采用低压气体灯，保证光源具有足够细的谱线；有足够细的谱线；气压变化同时也引起谱线轮廓的改变。气压变化同时也引起谱线轮廓的改变。d)场致增宽场致增宽外磁场不强时，谱线分裂不大，表现为谱线的增宽；外磁场不强
41、时，谱线分裂不大，表现为谱线的增宽；外磁场足够强时，谱线分裂为三条，中间为线偏振外磁场足够强时，谱线分裂为三条，中间为线偏振光；两边谱线为转向彼此相反的圆偏振光；光；两边谱线为转向彼此相反的圆偏振光；外磁场强度很大时，谱线可能分裂成外磁场强度很大时，谱线可能分裂成5或或7条。条。外磁场造成谱线增宽或分裂称为外磁场造成谱线增宽或分裂称为塞曼（塞曼（Zeeman）效应）效应外电场对氢和类氢元素的原子作用很大，谱线的增宽量与外电场对氢和类氢元素的原子作用很大，谱线的增宽量与电场强度的一次方成正比；对其他元素的作用较小，一般电场强度的一次方成正比；对其他元素的作用较小，一般可以不考虑对非类氢元素的影响
42、。可以不考虑对非类氢元素的影响。外电场造成谱线增宽或分裂称外电场造成谱线增宽或分裂称斯塔克（斯塔克（Stark）效应）效应原子处在外界电场或磁场中谱线也会增宽原子处在外界电场或磁场中谱线也会增宽e)谱线自吸谱线自吸自吸效应越严重，谱线增宽越自吸效应越严重，谱线增宽越多；多；严重自吸使谱线中心产生凹陷，严重自吸使谱线中心产生凹陷，称为自蚀，检测观察到称为自蚀，检测观察到2根谱线。根谱线。激发态原子跃迁发出光辐射被激发态原子跃迁发出光辐射被周围基态原子吸收掉一部分，周围基态原子吸收掉一部分，使观测到的发射谱线强度减弱。使观测到的发射谱线强度减弱。基态原子的吸收引起谱线的增宽基态原子的吸收引起谱线的
43、增宽涉及的光辐射从紫外（涉及的光辐射从紫外（UV）、可见到红外（）、可见到红外（IR）应用光的色散、衍射或光学调制原理，将不同频率的光辐应用光的色散、衍射或光学调制原理，将不同频率的光辐射按照一定的规律分解，形成光谱，配合一系列光学、机射按照一定的规律分解，形成光谱，配合一系列光学、机械、电子、计算机系统，实现对光频率和强度的精密测定。械、电子、计算机系统，实现对光频率和强度的精密测定。研究测定光辐射的频率、强度特性及变化规律的仪器研究测定光辐射的频率、强度特性及变化规律的仪器光谱仪器是光、机、电、算综合的仪器光谱仪器是光、机、电、算综合的仪器光光 应用光学及分子原子物理等基本原理应用光学及分
44、子原子物理等基本原理;机机 精密机构实现高精度分光器件转动及波长扫描精密机构实现高精度分光器件转动及波长扫描;电电 高精度、高速控制、信号调理及处理电路高精度、高速控制、信号调理及处理电路;算算 数据后处理、采样噪声抑制、多种数据形式输数据后处理、采样噪声抑制、多种数据形式输出及界面图形显示，软件。出及界面图形显示，软件。光源系统光源系统（包括灯及灯电源）（包括灯及灯电源）光谱仪器的核心部分，将一个被多波长光波照明光谱仪器的核心部分，将一个被多波长光波照明的狭缝变为若干单色的狭缝像的狭缝变为若干单色的狭缝像一般由一般由探测器和信号采集电子电路探测器和信号采集电子电路构成构成发射光谱：光源是被研
45、究的对象发射光谱：光源是被研究的对象吸收光谱：光源作为研究的工具对被研究物质进吸收光谱：光源作为研究的工具对被研究物质进行照射行照射色散型一般由色散型一般由准直准直、色散色散、聚焦聚焦构成构成 分光系统分光系统 探测显示系统探测显示系统 样品室或进样系统样品室或进样系统 机械电子系统机械电子系统 软件系统软件系统光谱仪器的光学系统原理图光谱仪器的光学系统原理图光源光源,分光系统（单色器）分光系统（单色器）,样品室样品室,检测器检测器,数据处理及记录数据处理及记录光源或光源或炽热固体炽热固体样品容器样品容器分光系统分光系统光电转换光电转换信号处理器信号处理器光源灯或光源灯或激光激光样品容器样品容
46、器分光系统分光系统光电转换光电转换信号处理器信号处理器光源光源+样品样品分光系统分光系统光电转换光电转换信号处理器信号处理器吸收吸收光谱光谱荧光荧光/拉曼拉曼光谱光谱发射光谱发射光谱1、工作光谱区、工作光谱区取决于光学元件的波长特性及接收器件的波长感受范围；取决于光学元件的波长特性及接收器件的波长感受范围；指所能记录和处理的波长区域指所能记录和处理的波长区域如：普通玻璃棱镜光谱仪波长范围为如：普通玻璃棱镜光谱仪波长范围为400nm1000nm 波长小于波长小于400nm时用石英或萤石材料；时用石英或萤石材料；波长大于波长大于1000nm时用石英或红外晶体时用石英或红外晶体)(cos2斜角度为焦
47、面与垂直平面的倾fddddl2、色散率、色散率指光谱在空间按照波长分离的尺度指光谱在空间按照波长分离的尺度dd角色散率：光谱线在空间分离的角度角色散率：光谱线在空间分离的角度线色散率：光谱线在成像焦面上分开的距离，与物镜焦线色散率：光谱线在成像焦面上分开的距离，与物镜焦距距f2 及焦面与垂直平面所成角度有关及焦面与垂直平面所成角度有关实际工作中采用线色散率的倒数，单位为实际工作中采用线色散率的倒数，单位为um/mm，或，或nm/mm表示表示中小型光谱仪的线色散率：中小型光谱仪的线色散率：110nm/mm大型光谱仪：大型光谱仪：0.11nm/mm干涉光谱仪：干涉光谱仪：0.0010.01nm/m
48、m红外光谱区常用波数表示：每红外光谱区常用波数表示：每1cm范围内的波长个数范围内的波长个数光谱线具有不同宽度、强度分布；分辨率同时需光谱线具有不同宽度、强度分布；分辨率同时需考虑谱线宽度、强度和色散率。考虑谱线宽度、强度和色散率。3、分辨率、分辨率例如：例如：c,d 波长差相同、强度轮廓相同但相对波长差相同、强度轮廓相同但相对位置不同（每个波长位置处的波形并不位置不同（每个波长位置处的波形并不是以中心波长为左右对称的形状）（色是以中心波长为左右对称的形状）（色散率不同）时分辨率不同；散率不同）时分辨率不同；a,b 波长差相同，强度分布不同时的波长差相同，强度分布不同时的分辨率不同；分辨率不同
49、；R瑞利判据瑞利判据两强度分布轮廓相同的谱线的最大值和最小值重叠时刚好两强度分布轮廓相同的谱线的最大值和最小值重叠时刚好可以分辨；可以分辨；可被分辨的二谱线波长差为：可被分辨的二谱线波长差为：则分辨率定义为：则分辨率定义为：强度分布相同；强度分布相同；接收系统灵敏度大于或等于接收系统灵敏度大于或等于20%（叠加后强度（叠加后强度轮廓的峰谷差）接近与人眼的灵敏度；目前的轮廓的峰谷差）接近与人眼的灵敏度；目前的光电探测器可以分辨光电探测器可以分辨5%的能量差的能量差在棱镜和光栅光谱仪中，一般都以在棱镜和光栅光谱仪中，一般都以色散元件的口色散元件的口径作为光学系统的径作为光学系统的孔径光阑孔径光阑，
50、并且多数是矩形；，并且多数是矩形；设孔径光阑的宽度为设孔径光阑的宽度为D光谱仪的理论分辨率光谱仪的理论分辨率光谱仪的理论分辨率为色散元件的角色散率和有效孔径色光谱仪的理论分辨率为色散元件的角色散率和有效孔径色散作用面上的宽度散作用面上的宽度D的乘积的乘积。4、光强、光强表示光谱仪器传递光能量的本领表示光谱仪器传递光能量的本领光通量：单位时间通过某一面积的光能量（流明光通量：单位时间通过某一面积的光能量（流明Lumen）光强：单位立体角内的光通量（坎德拉光强：单位立体角内的光通量（坎德拉Candela）光照度：单位面积内的光通量（勒克司光照度：单位面积内的光通量（勒克司Lux）亮度：面光源单位面
