光谱技术研究最新进展

复色光经过色散系统分光后按波长的大小依次排列的图案，如太 阳光经过分光后形成按红橙黄绿蓝靛紫次序连续分布的彩色光谱。有 关光谱的结构，发生机制，性质及其在科学研究、生产实践中的应用 已经累积了很丰富的知识并且构成了一门很重要的学科～光谱学。光 谱学的应用非常广泛，每种原子都有其独特的光谱，犹如人们的“指 纹”一样各不相同。它们按一定规律形成若干光谱线系。原子光谱线 系的性质与原子结构是紧密相联的，是研究原子结构的重要依据。
四．光谱分析的应用
1.在检查半导体材料硅和锗是不是达到了高纯度的要求时，就要用到 光谱分析;
2.在历史上，光谱分析还帮助人们发现了许多新元素，例如：铷和铯 就是从光谱中看到了以前所不知道的特征谱线而被发现的; 3.光谱分析对于研究天体的化学组成也很有用。十九世纪初，在研究 太阳光谱时，发现它的连续光谱中有许多暗线。最初不知道这些暗线 是怎样形成的，后来人们了解了吸收光谱的成因，才知道这是太阳内 部发出的强光经过温度比较低的太阳大气层时产生的吸收光谱。仔细 分析这些暗线，把它跟各种原子的特征谱线对照，人们就知道了太阳 大气层中含有氢、氦、氮、碳、氧、铁、镁、硅、钙、钠等几十种元 素。
以满足诸如现代航空航天、环境生态保护、自然灾害预测预报、 全球性传染病(爱滋、禽流感、非典、疟疾)控制、大规模战争和恐怖 活动控制等领域的分析检测要求，会发展大量新的高灵敏、高分辨、 高可靠、多维信息的科学型光谱仪器或系统，并得到快速推广应用; 而且会更多地出现可在现场、生产线、战场实地工作、无人监守、联 网工作的种种新颖的实用型光谱仪器或系统，成为大批量生产在线测 控、野外环境监测等领域必不可少的分析检测手段。这种光谱仪器必 须跳出实验室设备%、大型精密贵重仪器%的框子，能忍受现场、野外 (包括太空)的严酷工作环境及强、乱、变化多端的干扰(如强电磁干 扰、恶劣气候变化等)、能无人值守、脱离电网长期工作、自动监测、 自动调整最佳工作状态、自动联网交换信息。因此，大型精密研究级 光谱仪器与现场、在线测控实用级光谱仪器或系统，今后一二十年都 会受到重视会得到显著发展。
6.2
SERS在生物样品检测中的应用
6.2.1 蛋白质检测：
研究较早的蛋白质主要是那些有色的蛋白质，有临床意义的主要 包括儿茶酚胺、神经递质、血红蛋白、黄素、视网膜色素、胆色素和 晶状体提取物。目前对蛋白质的SERS技术实现了多种技术的综合，例 如，利用主成分分析（PCA）方法比较皮疹患者和健康人血清拉曼信 号的差异；利用以静电效应改变为基础的SERS，可以实现对血凝素的 可靠、在再生、快速方便的检测；设计一个3D分层血浆纳米结构可实 现 SERS 对蛋白质生物标记物的敏感检测；基于镀银聚苯乙烯探珠用 SERS可以探究大肠杆菌的 FtsZ蛋白， FtsZ蛋白是一种重要的细菌分 裂物质。
应用光谱学的原理和实验方法可以进行光谱分析，每一种元素都 有它特有的标识谱线，把某种物质所生成的明线光谱和已知元素的标 识谱线进行比较就可以知道这些物质是由哪些元素组成的，用光谱不 仅能定性分析物质的化学成分，而且能确定元素含量的多少。光谱分 析方法具有极高的灵敏度和准确度。在地质勘探中利用光谱分析就可 以检验矿石里所含微量的贵重金属、稀有元素或放射性元素等。用光 谱分析速度快，大大提高了工作效率，还可以用光谱分析研究天体的 化学成分以及校定长度的标准原器等。
象是弯曲的管状物(只摸到象鼻)或象是圆柱状的(只摸到象腿)的 单维信息造成的片面或错误理解或判断，不但可给出象的整体描述， 而且可以给出例如象皮粗糙程度、象体重量、象走动速度、象体不 同部位温度分布等多维信息。新世纪科技、经济、社会、军事发展， 迫切需求掌握事物的实时多维信息，用很多台只能分别给出不同单 维信息的仪器去描述、记录，评判复杂、多变、多相关的科技、经 济、社会和军事对象，给出一大堆互不相关、难以比对分析的信息， 确实已不能适应新发展形势的新要求。 光谱仪器事业继续沿着全方位发展的道路持续发展光谱技术和光 谱仪器在现代科技、现代大产业(大规模自动化生产、大规模可控科 技农业等)的持续发展要求下，不但会继续发展高精度、多功能大型 光谱分析检测仪器或相应的系统，
1998 年， Engeln 等首次提出了光腔增强吸收光谱概念。 2003年，Fiedler等使用氙弧灯做光源记录了氧气分子和气相 甘菊环烃的吸收光谱，并首次引出了非相干宽带腔增强吸收 光谱技术，使其更接近一种直接吸收测量方法。到目前为止 宽带腔增强已成功测量了一大批大气痕量气体，如O2 、H2O、 NO3 、 NO2 、 HONO 、 I2 、 IO 、 CHOCHO 等。因 IBBCEAS （非相干 宽带腔增强吸收光谱技术）使用非相干宽带光源，能够同时 对多种目标物质进行检测，相较于CRDS 技术，该技术对于光 学元件及电子元件要求更低且装置更为简单，光路的对中也 更加方便快捷，因此非常适合外场观测。
光谱技术研究最新进展
光波是由原子内部运动的电子产生的，各种物质的原子 内部电子运动情况不同，所以它们发射的光波也不同，研 究不同物质的发光和吸收光的情况，有重要的理论和实际 意义，已成为一门专门的学科——光谱学
二．光谱分类
发射光谱：发射光谱物体发光直接产生的光谱。 发射光谱有两种类型：连续光谱和明线光谱。连续分布的 包含有从红光到紫光各种色光的光谱叫做连续光谱。炽热的固 体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱。例如电灯丝发出 的光、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。 明线光谱：只含有一些不连续的亮线的光谱。
三．光谱分析原理
光谱分析由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光 谱来鉴别物质和确定它的化学组成，这种方法叫做光谱分析。做光 谱分析时，可以利用发射光谱，也可以利用吸收光谱。这种方法的 优点是非常灵敏而且迅速。某种元素在物质中的含量达 10-10克， 就可以从光谱中发现它的特征谱线，因而能够把它检查出来。
6.1
表面增强拉曼光谱（SERS）
1974 年 ， 表 面 增 强 拉 曼 光 谱 （ Surface-enhance Raman scattering，SERS）第一次被报道，Fleischman等发现了吸附在被电 化 学 腐 蚀 的 银 电 极 上 的 嘧 啶 的 表 面 增 强 拉 曼 光 谱 。 1977 年 ， Van Duyne和Creighton等通过系统的理论和实验研究，证明当一些分子被 吸附在某些粗糙的金属（如银、铜、金等）表面上时，它们的拉曼散 射强度会极大地增强。后来科学界把这一现象命名为表面增强拉曼散 射效应，简称SERS。
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间接检测通常是将具有明确谱峰并且拉曼信号很强的分子（这类 分子一般具有很大的 π 共轭体系，或在所采用的激发光波长处具 有共振增强效应）标记在具有 SERS 效应的纳米粒子上，然后在 SERS标记的纳米粒子上修饰具有特异识别能力的生物分子（如抗 体、DNA、适配子等），进而将SERS（SERRS）标记的纳米粒子靶 向到细胞特定的位点。
明线光谱中的亮线叫做谱线，各条谱线对应于不同波长的 光。稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱。明线光谱 是由游离状态的原子发射的，所以也叫原子光谱。
观察气体的原子光谱，可以使用光谱管，它是一支中间比较 细的封闭的玻璃管，里面装有低压气体，管的两端有两个电极。 把两个电极接到高压电源上，管里稀薄气体发生辉光放电，产 生一定颜色的光。 观察固态或液态物质的原子光谱，可以把它们放到煤气灯的 火焰或电弧中去烧，使它们气化后发光，就可以从分光镜中看 到它们的明线光谱。实验证明，原子不同，发射的明线光谱也 不同，每种元素的原子都有一定的明线光谱。每种原子只能发 出具有本身特征的某些波长的光，因此，明线光谱的谱线叫做 原子的特征谱线。利用原子的特征谱线可以鉴别物质和研究原 子的结构。
现代科技在高集成器件技术(如芯片技术 )、传感器、微型器 件、硅工艺方面的成果日新月异，其功能、性能常有惊人的进 展，而现代信息理论、数学处理方法、计算软件系统也在不断 发展，这些成果都会很快被吸收入新颖光谱仪器事业的持续发 展进程中。例如，传统的一维信息获取、处理思维正在被多维 信息获取和处理思维所取代，这必然将目前一台仪器只能针对 一个检测目标获取单一分析检测信息的光谱仪器 ? 进化 % 到借助 复合多维、多功能传感器和多维信息实时处理、运算手段，从 而同时给出实时多维信息的全新面貌;也就是说，一台光谱仪器 不单可以给出检测试样的光谱曲线 ( 从而获得试样成分信息 ) ， 而是可同时给出试样成分及其变化，以及诸如化学结构、物理 形态、活性状态等相关信息及其变化等。发展多维信息化光谱 仪器就可避免瞎子摸象式只能给出?
六．瑞利散射和拉曼散射
一束单色光入射到试样后有3个可能去向：一部分光透射；一部分 光吸收；还有一部分光则被散射。散射光中的大部分波长与入射光相 同，这种散射称为瑞利散射（ Rayleigh scattering ）；而一小部分 波长由于试样中分子振动和分子转动的作用而发生偏移，这种波长发 生偏移的散射，就是拉曼散射，也称为拉曼光谱（Raman spectra)。
吸收光谱：高温物体发出的白光(其中包含连续分布的一切波 长的光 ) 通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱， 叫做吸收光谱。 例如，让弧光灯发出的白光通过温度较低的钠气(在酒精灯的 灯心上放一些食盐，食盐受热分解就会产生钠气 ) ，然后用分光 镜来观察，就会看到在连续光谱的背景中有两条挨得很近的暗线， 这就是钠原子的吸收光谱。值得注意的是，各种原子的吸收光谱 中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应 . 这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发 出的光。因此，吸收光谱中的谱线(暗线)，也是原子的特征谱线， 只是通常在吸收光谱中看到的特征谱线比明线光谱中的少。
6.2.2 DNA检测： 根据是否有探针特异性标记可分为免标记检测和标记检测，前 者通过 DNA- 银纳米粒子的混合物拉曼信号，可获得 DNA 的碱基 、 磷酸盐骨架及DNA构造等信息；后者通常是先把拉曼活性物分子与 寡核苷酸链结合形成拉曼检测探针，然后利用此探针与目标链杂 交，将信号分子转移到金属基底表面上，从而产生表面增强拉曼 信号。 6.2.3 细胞检测： 基本方法分为：直接方法和间接方法。直接检测主要是将待测 的生物样品（如蛋白、DNA、细胞等）直接作用于SERS活性基底， 获得该生物样品自身的分子振动信息。
七．在线光谱测量方法在环境排放中的应用
7.1 非相干宽带腔增强吸收光谱技术
从 20 世纪 80 年代起，高精密光腔光谱测量方法不断得到 发展。以腔衰荡光谱技术（cavity ringdown spectroscopy， CRDS）为代表的新型技术，通过测量激光在高精度光学谐振 腔内的衰荡时间，可推算出腔内介质的浓度。经过多年发展， CRDS已经成为大气环境研究的一种有效测量手段。
可以预计，虽然光机电%基本组成也会随着全球高科技发展 而不断更新，例如 2004 年德国 Zeiss 公司推出应用连续光源、 交叉色散系统的 contrAA 连续光源原子吸收分光光度计构成的 核心组成的不断吸收最新高科技发展成果而不断更新，而且使 光谱仪器发生出人意料的革命性变化，将是今后若干年光谱仪 器事业持续发展的主流方向。例如，在数字化高科技基础上将 光谱分析技术与光学成像技术巧妙结合发展出光谱成像技术， 将光谱技术?进化%到既能完成定性、定量分析，又可进行定位 分析的新科技，满足新世纪提出的 ? 看到人脑组织中化学、生 化成分分布图%之类的新要求。
五．光谱技术和光谱仪器持续向高科技知识密 集化方向发展
20世纪末已经发展和成熟的数字化、智能化、网络化光谱分析 检测技术和光谱仪器，目前已成为光谱技术和光谱仪器持续发展 的主要方向 ; 以光学原理为基础、以精密机械为构架、以电子信 号处理为显示的传统光-机-电一体化光谱仪器已经退缩为现代光 谱仪器中的二等地位组成，而数字化、智能化、网络化等部分已 成为仪器的核心组成。近期国内外新颖光谱仪器新产品层出不穷， 其主要变化或进展大部分都体现在核心数字化组成方面，光机电 %基本组成没有实质性的变化。