第五章 旋光与圆二色性光谱
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息。
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
旋光仪和圆二色光谱仪
旋光光谱仪
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱） 圆二色光谱仪
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
Jasco圆二色光谱仪(CD/ORD)
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
应用
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
平面偏振光可看成是二个振幅相同，螺旋方向相反的二束光，即： 左圆偏振光和右圆偏振光的矢量和。
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱） 旋光光谱
非旋光活性介质：当一束平面偏振光通过某一介质时，左、右偏振 光的传播速度不变（折射率、散射率相同），入射光的振动方向不 变，这种介质为非旋光活性介质。
反S曲线，左旋
k:：在峰或谷靠短波长一侧的 谱线与旋光度0o 线交点处的波 长
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
圆二色光谱
因旋光活性物质含有生色基团，对特定的波长有吸收，且对 左、右偏振光的吸收能力不同，而使其共振峰幅度不同，这 样不仅导致偏正光的速度不同，而且振幅也不同，这样两个 矢量就不是圆偏振，而是一个椭圆偏振光 圆二色性。
手性化合物的结构分析
CD和ORD可在适当的情况下用来鉴定发色团在手性分子中的位置。
➢ 对映性 ➢ 邻近关系 ➢ 构象
溶剂效应 溶剂—溶质之间的相互作用会影响分子的光学活性。
手性介质诱导的光学活性 若一个处于非手性分子被外部介质所诱导而产生光学活性。
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
拉曼位移：
D 108 108 (cm1) E R
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
拉曼光谱与红外光谱 比较
机理 两者都是振动光谱
红外吸收光谱是由于极性基团和非对称分子在振动 过程中吸收红外光后发生永久偶极矩的变化而产生的。
qd
μ为分子的永久偶极矩，q为分子正负电荷中心的电 荷，d为电荷中心的距离。
拉曼效应：分子散射光谱，它存在于液体和晶体中。
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
激光拉曼光谱的基本原理
光的散射现象 一束单色光进入透明介质（气、液和固）在透射方向以
外所出现的光称为散色光。 ➢ 布里渊（Brillouin)晶体对光的散射 ➢ 等离子体对光的散射 ➢ 康普顿 吴有训自由电子对光的散射 ➢ 丁铎尔(Tyndall)尘埃颗粒对光的散射 ➢ 瑞利散射 ➢ 拉曼散射
拉曼与红外活性判断 没有对称中心分子
红外和拉曼同时存在，互相允许，如H2O, SO2等。
具有对称中心的分子 红外和拉曼活性互相排斥，如CS2, CO2等。
少数分子的振动其红外和拉曼都是非活性的，如 平面乙烯分子等。
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
光谱
拉曼光谱和红外光谱中官能团所对应的吸收峰的频率 是相同的。
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
振动拉曼光谱是产生于分子诱导偶极矩的变化，即当分子中的原子在 平衡位置周围振动时，由于入射光的外电场作用，使分子的电子壳层 发生形变，正负电荷中心发生相对位移所形成诱导偶极矩。
aE
Ρ为诱导偶极矩 α为极化率，E为入射光子的电场
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
一个复杂化合物中并不是所有的吸收带都呈现光学活性； CD谱能非常明确地表现出I吸收峰的正cotton效应与II吸收峰的
负cotton效应； ORD谱虽也表现出吸收带I的正cotton效应与II吸收峰的负cotton
效应，但由于旋光性叠加，不如CD谱清楚。 在没有光吸收的波段，ORD有可能提供某些CD所不能提供的信
旋光活性介质：当一束平面偏振光通过某一介质时，左、右偏振光 的传播速度发生变化，合成后平面偏振光的振动方向发生改变，这 种介质为旋光活性介质。
光学活性物质：不能与它的镜像相互重叠，一定不具有中心对称、 平面对称和旋转对称轴的物质。
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
旋光度α：有旋光性质的介质对于某一单色的平面光所产生的旋转角 度。
圆二色性形成的椭圆的长轴是 ｜El｜+｜Ed｜, 短轴是｜El｜ －｜Ed｜
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱） 椭圆率:θ=tg-1(短轴/长轴）
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱） 若旋光物质对左、右旋偏振光的吸收系数差为：
De el e d
由De对做图，可得圆二色光谱图。
C8H 17 CH3
C8H 17 CH3 CH3
1
CH3
2
C8H 17
3
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱)
C 8H 17 CH3
C 8H 17 CH3
O
4
O
C H
O
5
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
旋光谱考察参数：
a振幅：峰与谷的高 b宽幅：峰与谷之间的水平距离 Cotton 效应：正S曲线，右旋
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
旋光谱线的类型
平滑谱线 S型谱线（Cotton 效应） 正性谱线 负性谱线
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
平滑谱线
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
S型谱线（Cotton 效应）
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
[q]（q）M/ 100 = 3300∆ε
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
CD谱线与ORD谱线的比较：
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
CD与ORD的关系
在一定波长范围内，若样品化合物没有特征的吸收，在旋光 光谱中给出平滑旋光曲线，那么，它们的De值很小，得不到 具有特征的吸收带圆二色性谱。
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
若用椭圆率q 来替代De:
De e l e d
qt
tgq
0.576lC(e l
ed )
0.576lCDe
其中: l为样品中旋光物质的厚度，C为旋光物质的浓度。
比椭圆率：
（q）q / c l
其中 l: dm, c: g/ml
摩尔椭圆率：
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱） 瑞利散射
光子与物质分子碰撞时为弹性碰撞，碰撞过程没有能量交换， 光的频率不发生改变，光传播方向发生改变。
即：u散射 u入射
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
拉曼散射 光子与物质分子产身非弹性碰撞，发生能量交换，光子不但
改变了方向，而且能量也发生变化：能量减少stokes线，能量增加 anti-stokes线。
的研究 聚合物结晶过程监测和结晶度的测定
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
➢ 生物高分子的研究
乙酸对DNA空间结构微观损伤的Raman光谱特征
光谱学与光谱分析，2001, Vol.21, No. 6.
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱） 腺苷在银电极上的原位拉曼光谱
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
现代分析测试技术
主讲： 何品刚
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
第五章 旋光与圆二色性光谱
圆二色性（circular dichroosim,简称CD）和旋光色 散（Optical rotatory dispersion,简称 ORD）是研究分子结 构不对称的方法，可用来检测生物大分子样品在溶液状态 下的构象，它能和X射线衍射法有很好的互补性。 X射线 衍射法能够在晶体状态下了解分子结构，提供最详细的资 料，但不能提供有机生物大分子在溶液状态下的构象信息。
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
手性化合物的结构分析
➢ 用于研究蛋白质的构象：蛋白质的α螺旋以及β折叠 ➢ 用于研究DNA结构
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
第六章 激光拉曼光谱
拉曼光谱有印度物理学家拉曼在在1928年发现，并以他的名 字命名的一种分子光谱技术。
由于拉曼效应很弱，因此拉曼光谱的应用和发展受到严重的 影响，在上世纪四十年代到六十年代时，其应用和影响要远远小 于红外光谱；直到上世纪六十年代以后激光问世，人们把激光这 种新型光源引入拉曼光谱，产生了新的激光拉曼光谱，它替代了 原有的拉曼光谱，并克服了原由拉曼光谱的缺点，而使激光拉曼 光谱成为分子光谱学中的一个重要分支。
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
仪器 拉曼光谱仪入射光的频率可改变，能使拉曼跃迁出现在可
见区域，因而对相应的仪器元件如光学元件和样品池等材料要比 红外光谱仪简单。
样品 拉曼光谱可用于测定粉末、单晶、聚合物及红外所不能的
水溶液等。
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
激光拉曼光谱的实验装置
激光光源 （气体激光器如：氦氖激光器，氩离子激光器和氪离子激光器等） 样品装置 达到最有效地将辐射照射到样品上并聚焦散射。 单色器 要求单色性能好，成像质量好，分辨率高，杂散光小，通常采用双光
栅单色器。 检测和记录系统 可见光区可采用光电倍增管，红外区域可采用光子计数器。
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
光的偏振
光具有波粒二相性。可将光看成是光量子的简谐振动，这种振 动是与光的传播方向垂直，在各个方向上的振动。若自然光通过 某种特殊的晶体如：方解石等，则晶体只容许振动面平行于晶轴 的光通过。因此，这种光是只有特定振动方向的光，这种光称： 平面偏振光或称平面圆偏振光。这种自然光通过某种晶体后变成 平面偏振光的现象称为光的偏振。
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
Jasco-日本分光Vent
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
美国Almega
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
应用
➢ 有机结构分析 ➢ 高分子聚合物的研究（立规性、结晶度、取向度）
聚合物共混物的相容性研究 聚合物固化过程监测 聚合反应过程监控 聚合物水溶液和凝胶体系中水的结构和分子间作用力
激光拉曼光谱的新进展 表面增强拉曼技术(Surface enhanced Raman Scattering,SERS) 傅立叶变换拉曼光谱(FT-Raman)法 高温Raman光谱技术 空间分辨(深度剖析)拉曼光谱技术
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
在一定波长范围内，若样品化合物有特征的吸收，在旋光光 谱中出现cotton效应的正S型或反S型的旋光曲线，则在接近
k处的绝对值将变化较大，给出具有特征的吸收带圆二色性
谱。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
假想化合物的UV、CD和ORD谱图比较：
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
[ ]lc
[α] 比旋光度或旋光率： 单位为度.毫升.克－1.分米－1，l 光 程，c 浓度。
α与两园偏振光折射率差值的关系为：
a l (nl nd )
由于在不同波长下，光的折射率不同，旋光度也不相同，因此， 当以波长为横坐标，旋光度为纵坐标，可得旋光光谱谱线。
分子结构不同，旋光谱线的谱形也不相同。
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
旋光仪和圆二色光谱仪
旋光光谱仪
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱） 圆二色光谱仪
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
Jasco圆二色光谱仪(CD/ORD)
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
应用
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
平面偏振光可看成是二个振幅相同，螺旋方向相反的二束光，即： 左圆偏振光和右圆偏振光的矢量和。
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱） 旋光光谱
非旋光活性介质：当一束平面偏振光通过某一介质时，左、右偏振 光的传播速度不变（折射率、散射率相同），入射光的振动方向不 变，这种介质为非旋光活性介质。
反S曲线，左旋
k:：在峰或谷靠短波长一侧的 谱线与旋光度0o 线交点处的波 长
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
圆二色光谱
因旋光活性物质含有生色基团，对特定的波长有吸收，且对 左、右偏振光的吸收能力不同，而使其共振峰幅度不同，这 样不仅导致偏正光的速度不同，而且振幅也不同，这样两个 矢量就不是圆偏振，而是一个椭圆偏振光 圆二色性。
手性化合物的结构分析
CD和ORD可在适当的情况下用来鉴定发色团在手性分子中的位置。
➢ 对映性 ➢ 邻近关系 ➢ 构象
溶剂效应 溶剂—溶质之间的相互作用会影响分子的光学活性。
手性介质诱导的光学活性 若一个处于非手性分子被外部介质所诱导而产生光学活性。
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
拉曼位移：
D 108 108 (cm1) E R
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
拉曼光谱与红外光谱 比较
机理 两者都是振动光谱
红外吸收光谱是由于极性基团和非对称分子在振动 过程中吸收红外光后发生永久偶极矩的变化而产生的。
qd
μ为分子的永久偶极矩，q为分子正负电荷中心的电 荷，d为电荷中心的距离。
拉曼效应：分子散射光谱，它存在于液体和晶体中。
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
激光拉曼光谱的基本原理
光的散射现象 一束单色光进入透明介质（气、液和固）在透射方向以
外所出现的光称为散色光。 ➢ 布里渊（Brillouin)晶体对光的散射 ➢ 等离子体对光的散射 ➢ 康普顿 吴有训自由电子对光的散射 ➢ 丁铎尔(Tyndall)尘埃颗粒对光的散射 ➢ 瑞利散射 ➢ 拉曼散射
拉曼与红外活性判断 没有对称中心分子
红外和拉曼同时存在，互相允许，如H2O, SO2等。
具有对称中心的分子 红外和拉曼活性互相排斥，如CS2, CO2等。
少数分子的振动其红外和拉曼都是非活性的，如 平面乙烯分子等。
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
光谱
拉曼光谱和红外光谱中官能团所对应的吸收峰的频率 是相同的。
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
振动拉曼光谱是产生于分子诱导偶极矩的变化，即当分子中的原子在 平衡位置周围振动时，由于入射光的外电场作用，使分子的电子壳层 发生形变，正负电荷中心发生相对位移所形成诱导偶极矩。
aE
Ρ为诱导偶极矩 α为极化率，E为入射光子的电场
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
一个复杂化合物中并不是所有的吸收带都呈现光学活性； CD谱能非常明确地表现出I吸收峰的正cotton效应与II吸收峰的
负cotton效应； ORD谱虽也表现出吸收带I的正cotton效应与II吸收峰的负cotton
效应，但由于旋光性叠加，不如CD谱清楚。 在没有光吸收的波段，ORD有可能提供某些CD所不能提供的信
旋光活性介质：当一束平面偏振光通过某一介质时，左、右偏振光 的传播速度发生变化，合成后平面偏振光的振动方向发生改变，这 种介质为旋光活性介质。
光学活性物质：不能与它的镜像相互重叠，一定不具有中心对称、 平面对称和旋转对称轴的物质。
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
旋光度α：有旋光性质的介质对于某一单色的平面光所产生的旋转角 度。
圆二色性形成的椭圆的长轴是 ｜El｜+｜Ed｜, 短轴是｜El｜ －｜Ed｜
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱） 椭圆率:θ=tg-1(短轴/长轴）
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱） 若旋光物质对左、右旋偏振光的吸收系数差为：
De el e d
由De对做图，可得圆二色光谱图。
C8H 17 CH3
C8H 17 CH3 CH3
1
CH3
2
C8H 17
3
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱)
C 8H 17 CH3
C 8H 17 CH3
O
4
O
C H
O
5
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
旋光谱考察参数：
a振幅：峰与谷的高 b宽幅：峰与谷之间的水平距离 Cotton 效应：正S曲线，右旋
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
旋光谱线的类型
平滑谱线 S型谱线（Cotton 效应） 正性谱线 负性谱线
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
平滑谱线
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
S型谱线（Cotton 效应）
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
[q]（q）M/ 100 = 3300∆ε
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
CD谱线与ORD谱线的比较：
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
CD与ORD的关系
在一定波长范围内，若样品化合物没有特征的吸收，在旋光 光谱中给出平滑旋光曲线，那么，它们的De值很小，得不到 具有特征的吸收带圆二色性谱。
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
若用椭圆率q 来替代De:
De e l e d
qt
tgq
0.576lC(e l
ed )
0.576lCDe
其中: l为样品中旋光物质的厚度，C为旋光物质的浓度。
比椭圆率：
（q）q / c l
其中 l: dm, c: g/ml
摩尔椭圆率：
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱） 瑞利散射
光子与物质分子碰撞时为弹性碰撞，碰撞过程没有能量交换， 光的频率不发生改变，光传播方向发生改变。
即：u散射 u入射
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
拉曼散射 光子与物质分子产身非弹性碰撞，发生能量交换，光子不但
改变了方向，而且能量也发生变化：能量减少stokes线，能量增加 anti-stokes线。
的研究 聚合物结晶过程监测和结晶度的测定
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
➢ 生物高分子的研究
乙酸对DNA空间结构微观损伤的Raman光谱特征
光谱学与光谱分析，2001, Vol.21, No. 6.
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱） 腺苷在银电极上的原位拉曼光谱
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
现代分析测试技术
主讲： 何品刚
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
第五章 旋光与圆二色性光谱
圆二色性（circular dichroosim,简称CD）和旋光色 散（Optical rotatory dispersion,简称 ORD）是研究分子结 构不对称的方法，可用来检测生物大分子样品在溶液状态 下的构象，它能和X射线衍射法有很好的互补性。 X射线 衍射法能够在晶体状态下了解分子结构，提供最详细的资 料，但不能提供有机生物大分子在溶液状态下的构象信息。
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
手性化合物的结构分析
➢ 用于研究蛋白质的构象：蛋白质的α螺旋以及β折叠 ➢ 用于研究DNA结构
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
第六章 激光拉曼光谱
拉曼光谱有印度物理学家拉曼在在1928年发现，并以他的名 字命名的一种分子光谱技术。
由于拉曼效应很弱，因此拉曼光谱的应用和发展受到严重的 影响，在上世纪四十年代到六十年代时，其应用和影响要远远小 于红外光谱；直到上世纪六十年代以后激光问世，人们把激光这 种新型光源引入拉曼光谱，产生了新的激光拉曼光谱，它替代了 原有的拉曼光谱，并克服了原由拉曼光谱的缺点，而使激光拉曼 光谱成为分子光谱学中的一个重要分支。
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
仪器 拉曼光谱仪入射光的频率可改变，能使拉曼跃迁出现在可
见区域，因而对相应的仪器元件如光学元件和样品池等材料要比 红外光谱仪简单。
样品 拉曼光谱可用于测定粉末、单晶、聚合物及红外所不能的
水溶液等。
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
激光拉曼光谱的实验装置
激光光源 （气体激光器如：氦氖激光器，氩离子激光器和氪离子激光器等） 样品装置 达到最有效地将辐射照射到样品上并聚焦散射。 单色器 要求单色性能好，成像质量好，分辨率高，杂散光小，通常采用双光
栅单色器。 检测和记录系统 可见光区可采用光电倍增管，红外区域可采用光子计数器。
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
光的偏振
光具有波粒二相性。可将光看成是光量子的简谐振动，这种振 动是与光的传播方向垂直，在各个方向上的振动。若自然光通过 某种特殊的晶体如：方解石等，则晶体只容许振动面平行于晶轴 的光通过。因此，这种光是只有特定振动方向的光，这种光称： 平面偏振光或称平面圆偏振光。这种自然光通过某种晶体后变成 平面偏振光的现象称为光的偏振。
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
Jasco-日本分光Vent
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
美国Almega
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
应用
➢ 有机结构分析 ➢ 高分子聚合物的研究（立规性、结晶度、取向度）
聚合物共混物的相容性研究 聚合物固化过程监测 聚合反应过程监控 聚合物水溶液和凝胶体系中水的结构和分子间作用力
激光拉曼光谱的新进展 表面增强拉曼技术(Surface enhanced Raman Scattering,SERS) 傅立叶变换拉曼光谱(FT-Raman)法 高温Raman光谱技术 空间分辨(深度剖析)拉曼光谱技术
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
现代分析测试技术—光分析技术（激光拉曼光谱）
在一定波长范围内，若样品化合物有特征的吸收，在旋光光 谱中出现cotton效应的正S型或反S型的旋光曲线，则在接近
k处的绝对值将变化较大，给出具有特征的吸收带圆二色性
谱。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
假想化合物的UV、CD和ORD谱图比较：
现代分析测试技术—光分析技术（旋光与圆二色性光谱）
[ ]lc
[α] 比旋光度或旋光率： 单位为度.毫升.克－1.分米－1，l 光 程，c 浓度。
α与两园偏振光折射率差值的关系为：
a l (nl nd )
由于在不同波长下，光的折射率不同，旋光度也不相同，因此， 当以波长为横坐标，旋光度为纵坐标，可得旋光光谱谱线。
分子结构不同，旋光谱线的谱形也不相同。