分子光谱分析
生物分子的光谱学分析
生物分子的光谱学分析光谱学是一门研究物质在电磁波谱区吸收、发射、散射等现象的学科。
在生物科学领域，光谱学是一项重要的手段，可以帮助研究者了解生物分子的结构和功能。
本文将介绍几种常见的生物分子光谱学分析方法，包括红外光谱、拉曼光谱、荧光光谱和紫外光谱。
一、红外光谱红外光谱是研究物质分子振动和转动的光谱学方法。
红外光谱图能够反映出不同波数下样品分子中的振动和转动状态，从而确定分子结构和化学键的类型。
在生物分子研究中，红外光谱技术广泛应用于蛋白质、核酸、多糖和其他生物分子的研究。
通过红外光谱，可以确定生物分子的结构、构象和组成。
例如，红外光谱可用来确定蛋白质的二级结构，通过测量蛋白质的频率区域来捕捉螺旋、折叠和延伸构象所产生的光谱特征。
同时，红外光谱还可以用来检测分子内的氢键以及某些氨基酸的含量。
这些信息对于了解蛋白质的折叠、稳定性和功能至关重要。
二、拉曼光谱拉曼光谱是一种反映物质分子振动和转动信息的非破坏性光谱学方法。
拉曼光谱通过测量样品与激光光束相互作用的散射光谱来研究样品的分子结构与化学键的类型。
与红外光谱不同，拉曼光谱使用可见或近红外激光与样品相互作用，故有更好的空间分辨率和更小的选型效应。
在生物分子研究中，拉曼光谱可用来确定蛋白质、核酸和多糖的三维结构、二级结构及其组成成分。
最近，拉曼光谱已成为生物分子高效直观的表征方法之一。
拉曼光谱可以消除流的影响，即对生物分子进行研究时分子固定位置不变时的分子振动行为，这与其他方法不同。
此外，由于可见和近红外光是拉曼光谱的激发源，所以样品的浓度不影响其结果，这使得拉曼光谱成为一种理想的组成分析技术。
三、荧光光谱荧光光谱是生物分子的激发发射光谱，指的是在样品受到辐射时，样品吸收光能量并排放出发光，常被用于研究DNA、RNA、蛋白质和细胞等生物大分子的结构、功能和活性。
荧光光谱是一种比较灵敏的分析技术，荧光分子对光的响应很敏锐。
在荧光光谱中，荧光发生最强的波长，也就是荧光峰的位置和强度是研究者需要关注的重点。
《分子光谱分析》课件
对未来学习的建议与展望
深入学习光谱分析理论
掌握先进的光谱分析技术
建议学习者进一步深入学习光谱分析的理 论基础，理解各种光谱分析方法的物理机 制和术和 新方法，了解并掌握最新的光谱分析技术 。
加强实验技能训练
拓展光谱分析应用领域
建议学习者多进行实验操作，提高实验技 能和数据分析能力，培养解决实际问题的 能力。
03
学习如何利用分子光谱分析技术 解决实际问题，培养实验设计和 数据分析的能力。
04
了解分子光谱分析在科研和工业 生产中的应用，培养解决实际问 题的能力。
02
分子光谱分析的基本原理
光的吸收和发射
光的吸收
当光子与分子相互作用时，如果光子的能量与分子某能级差相等，则该能级上 的电子可发生跃迁，从低能级跃迁到高能级，分子吸收光子并吸收能量。
原子光谱
由原子能级间的跃迁产生，包括线状光谱和连续光谱。
分子光谱
由分子振动和转动能级间的跃迁产生，包括带状光谱和漫散光谱。
03
分子光谱分析的实验技术
实验设备与仪器
红外光谱仪
用于测量分子振动和旋转的频率，从而推 断分子的结构和性质。
紫外可见光谱仪
用于测量分子电子跃迁的频率，从而推断 分子的电子结构和性质。
04
分子光谱分析的应用
在化学研究中的应用
化学反应机理研究
通过分子光谱分析，可以 研究化学反应过程中分子 结构和振动、转动变化， 从而揭示化学反应机理。
化学合成过程监控
在化学合成过程中，利用 分子光谱分析可以实时监 测反应进程，指导反应条 件优化和产物纯度控制。
化合物结构鉴定
分子光谱分析能够提供化 合物的特征光谱，通过比 对标准谱库可以确定化合
分子光谱分析Chapter03
4’-N,N-二甲基氨基 羟基黄酮 二甲基氨基-3-羟基黄酮 二甲基氨基 (ICT, 氢键 氢键)
（2）分子激发时偶极矩越大，该荧光分子对溶剂极性变化 ）分子激发时偶极矩越大， 越敏感。 越敏感。 （3）一些例子： ）一些例子： Ethidium Bromide与DNA结合后， 引起激发光谱向红 结合后， 与 结合后 移和荧光量子产率大幅度增加； 移和荧光量子产率大幅度增加； 1-苯氨基 萘磺酸在水中量子产率仅为 苯氨基-8-萘磺酸在水中量子产率仅为 苯氨基 萘磺酸在水中量子产率仅为0.002，与蛋白 ， 结合后量子产率增大到0.4，光谱位移100nm以上； 以上； 结合后量子产率增大到 ，光谱位移 以上 6-丙酰基 （二甲基氨基）-萘在环己烷中发射波长为 丙酰基-2-（二甲基氨基） 萘在环己烷中发射波长为 丙酰基 392nm，在水中为 ，在水中为523nm，位移极大。 ，位移极大。 因为正负电荷分别分布在氨基和羰基上， 因为正负电荷分别分布在氨基和羰基上 ， 这种电荷分 离导致偶极矩变化巨大。 一般来说，在氨基上接上支链， 离导致偶极矩变化巨大 。 一般来说 ， 在氨基上接上支链 ， 尤其是芳香族取代会增加荧光体对溶剂极性的敏感性。 尤其是芳香族取代会增加荧光体对溶剂极性的敏感性。
H2N N C2H5
NH2
+
应用： 应用： 1. 探测未知微环境极性 探测未知微环境极性; 2.判断是否存在特殊溶剂效应 判断是否存在特殊溶剂效应; 判断是否存在特殊溶剂效应 3.定性估计 µ*-µ)的大小 定性估计(µ µ 的大小. 定性估计 的大小 举例： 举例： 1.荧光探针法研究各种表面活性剂胶束微环境 荧光探针法研究各种表面活性剂胶束微环境 (郑用熙 郑用熙:Microchim Acta, 1992, 106:3-9.) 郑用熙 b-CD和SDS有协同增敏 二氨基萘 荧光的作用 和 有协同增敏2,3二氨基萘 荧光的作用. 有协同增敏 二氨基萘-Se荧光的作用 强度变化:b-CD+SDS > SDS (5-6倍) > H2O (30倍) 强度变化 倍 倍 光谱变化:H 光谱变化 2O(650nm)⇒SDS⇒b-CD⇒SDS+b-CD⇒CH(567nm) ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ 可以证明b-CD的cavity 极性小于 的 极性小于SDS胶束环境 胶束环境. 可以证明 胶束环境
分子光谱法
2、
跃迁
处于成键轨道上的 电子跃迁到 反键轨道上，称
为
跃迁。
跃迁吸收峰的波长在20nm附近，其特征是吸 收强度大（ ＞104）。
不饱和有机物，如具有
或
、
等基
团的有机化合物都会产生
跃迁。
第八章 分子光谱法
3、
跃迁
含有杂原子的不饱和基团，如C=O、C=S、N=N等化
合物，其未成键轨道中的n电子吸收能量后，向 反
第八章 分子光谱法
三、分子吸收光谱的基本原理 由光吸收定律及光与物质的相互作用可知，任何一种 物质对不同波长的光的吸收程度都是不相同的。
以溶液为例，将各种不同波长的单色光依次通过一定 浓度和液层厚度的某有色溶液，测量每一波长下该有 色溶液对光的吸收程度（即吸光度），然后以波长为 横坐标，以吸光度为纵坐标作图，即可得一曲线。该 曲线称为吸收曲线或吸收光谱。
分子光谱法分为吸收光谱法（如红外吸收光谱法、紫 外及可见吸收光谱法等）、发射光谱法（如荧光光谱 法）及散射光谱法（如拉曼光谱）三种基本类型。
在一般情况下，分子处于基态，当光与物质发生相互作用时，分子 吸收光能，从低能级跃迁到高能级产生吸收光谱。若分子从高能级 回复到低能级则释放出光能，形成发射光谱。散射光谱是光被物质 散射时，分子内能级的跃迁改变散射光频率而产生的。
第八章 分子光谱法
二、分子吸收光谱中的跃迁类型 化合物分子中主要还有三种类型的价电子，即形成单 键的 电子、形成双键或三键的 电子及未成键的n电子 （也称为p电子）。根据分子轨道理论，分子中这三 种电子的成键和反键分子轨道能级高低顺序为：
分子中不同轨道的价电子具有不同的能量，处于较低能级 的价电子吸收一定能量后，可跃迁到较高能级。在紫外可见光区，吸收光谱主要由 跃迁产生。
分子光谱分析Chapter01
0.3 Differences between emission and absorption of radiation 吸光：基态→电子各激发态跃迁 吸光：基态→电子各激发态跃迁; 发射： υ 发射：S1(υ=0)→S0(υ=i)的辐射跃迁 υ 的辐射跃迁;
分别携带被观察物体的激发态或基态信息 信息， 分别携带被观察物体的激发态或基态信息，可以从不同侧面 激发态 了解物质的内部结构。 了解物质的内部结构。
发光概述?chp1荧光分析?principleoffluorimetry荧光的原理?thefluorescencemechanism荧光方法?characteristicsoffluorescencespectrum荧光光谱特性?fluorescencedecayandlifetime荧光衰减和寿命?quantumyield量子产率?fluorescenceintensity荧光强度01发光现象luminescentphenomena煤气燃烧蓝色火焰炽热铁丝黄色火焰煤气燃烧蓝色火焰炽热铁丝黄色火焰发光介绍introductiontoluminescence荧光灯管电激发发光白炽灯泡发光汞灯365nm3brcarbazole奇特磷光奇特磷光ex363nm光棒化学反应发光汞灯365nmfonkos菌悬浮液takenfromdrternuraevenmanysinglecelledorganismsarebioluminescent
二、发光的类型 (Type of luminescence )？ • Photoluminescence (光致发光 光致发光): 光致发光 Fluorescence/Fluorimetry; Phosphorescence/Phosphorimetry; • Chemiluminescence (化学发光 化学发光); 化学发光 • Bioluminescence (生物发光 生物发光); 生物发光 • Radioluminescence (辐射发光 辐射发光); 辐射发光 • Electroluminescence(电致发光 电致发光); 电致发光 • Sonoluminescence(声致发光 声致发光); 声致发光
分子光谱分析实例模板
稳定的红色络合物，于波长532nm处有最大吸 光度。
采气体积2m3，定容体积25.0mL，使用光程 10mm比色皿，本方法的检出浓度为1.0×104mg/m3。
仪器
玻璃漏斗Φ2.5cm。 中流量采样器。 烟尘采样器。 过滤乙烯滤膜，玻璃纤维滤膜。 玻璃纤维滤筒。
计算
镉（Cd , mg / m3） (W W0 ) St Vnd 1000 Sa
适用于饮用水、地表水、生活污水和废 水中硼的测定。
仪器
分光光度计，10mm比色皿。 恒温水浴锅：温度为55℃±3℃。 聚乙烯烧杯：50mL。标准系列和水样所用全部蒸
发皿，其大小、形状均应用相同，为塑料容器。 搅拌：塑料棒或在玻璃棒外套以聚乙烯管，并使管
端封闭，其长短和蒸发皿相适应。
计算
由于一定波长的红外线可被二氧化碳选择吸收， 在一定浓度范围内二氧化碳对红外线吸收的强度 于二氧化碳的浓度成正比，故可对水样总碳（TC） 和无机碳（IC）进行定量测定。
总碳与无机碳的差值，即为总有机碳（TOC）。
（2）直接法测定总有机碳
将水样酸化后曝气，将无机碳酸盐分解生成二 氧化碳驱除，再注入高温燃烧管中，可直接测定 总有机碳。
容量瓶：50mL、100mL和1000mL。 玻璃砂芯漏斗：G-1型40mL。 采样瓶：玻璃瓶。
计算
总萃取物量 水样中总萃取物量C1（mg/L）按下式计算：
C1
[X
A1,2930
Y
A1,2960
Z ( A1,3030
A1,2930
/
F )] V0 D l VW L
式中：X、Y、Z、F——校正系数；
石油类中所含的芳烃类虽较烷烃类少，但其毒 性要大得多。
（二）红外分光光度法（A）
分子光谱分析实验报告
一、实验目的1. 理解分子荧光光谱分析的基本原理和操作方法；2. 掌握荧光光谱仪器的组成及各部分作用；3. 分析影响荧光强度的内部结构因素和外部环境因素；4. 了解光谱分析法的应用范围。
二、实验原理分子荧光光谱分析是利用某些物质分子受光照射时所发生的荧光的特性和强度，进行物质的定性分析或定量分析的方法。
当分子吸收紫外和可见光后，电子跃迁到激发态，随后以发射辐射的方式释放能量，再回到基态。
如果发射的波长与吸收的波长相同或不同，这种现象称为光致发光，其中最常见的光致发光现象是荧光和磷光。
荧光光谱分析主要包括激发光谱、发射光谱、同步光谱和三维荧光光谱。
激发光谱表示激发光波长与荧光强度之间的关系，发射光谱表示荧光光波长与荧光强度之间的关系。
同步光谱是指激发光波长和发射光波长同时改变时，荧光强度的变化情况。
三维荧光光谱是指在三维坐标系中，激发光波长、发射光波长和荧光强度之间的关系。
影响荧光强度的因素包括内部结构因素和外部环境因素。
内部结构因素主要包括分子的共轭程度、取代基、分子结构等。
外部环境因素主要包括溶剂、温度、pH值、浓度等。
三、实验内容与步骤1. 实验仪器与试剂：荧光光谱仪、激发光源、样品池、标准样品、溶剂等。
2. 实验步骤：（1）将荧光光谱仪开机预热，调整好仪器参数；（2）将标准样品放入样品池，调整样品池位置；（3）设置激发光波长，进行激发光谱扫描；（4）设置发射光波长，进行发射光谱扫描；（5）设置同步光谱参数，进行同步光谱扫描；（6）设置三维荧光光谱参数，进行三维荧光光谱扫描；（7）记录实验数据，分析数据，得出结论。
四、实验结果与分析1. 激发光谱扫描结果显示，标准样品在特定波长范围内有明显的荧光峰，说明该样品在该波长范围内具有荧光特性。
2. 发射光谱扫描结果显示，标准样品在激发光波长下具有明显的发射峰，说明该样品在该激发光波长下具有荧光发射特性。
3. 同步光谱扫描结果显示，激发光波长和发射光波长同时改变时，荧光强度也随之变化，说明激发光波长和发射光波长对荧光强度有显著影响。
仪器分析原理4分子电子光谱分析
(d)
s轨道 重叠
p轨道 重叠
未成键电子称为非键电子或n电子。
有机化合物分析吸收紫外-可见辐射后，主要涉及两种 类型的电子跃迁：
(1) 成键轨道和反键轨道之间的跃迁 σ→σ*、π→π*
(2) 非键电子激发到反键轨道的跃迁
n→σ*、n→π*
*
反键
* * *
反键
* *
能量 n
n
n 非键
成键
原因: 极性溶剂使π、π*轨道和n电子的能级都下降，但
是n电子由于与极性溶剂形成氢键，使n电子基态的能
量降低更多(稳定)，所以，n→π*能量差增加，吸收带
紫移，而π→π*跃迁能量差变小，所以，吸收带红移。
如图：
无溶剂效应
*
E1 E2
能量
n
溶剂效应
*
E1' E2'
n
溶剂的选择 ： (1) 尽量选择极性低的溶剂； (2) 能很好地溶解被测物，并且有良好的化学和 光化学稳定性； (3) 溶剂在样品的吸收光谱区无明显吸收。
§4.1.2 金属配合物的吸收带 (有机显色剂与金属配合物)
电荷转移跃迁
金属配合物的吸收
配位场跃迁
键合跃迁
1. 电荷转移跃迁 配合物由配合中心离子M和配位体L组成。配合物分子吸 收辐射后，分子中的电子从主要定域在金属离子M的轨 道上转移到配位体的轨道上，或按相反方向转移，这种 跃迁叫做电荷转移，产生的光谱为电荷转移光谱。
2020/6/2
3. 非平行光束引起的偏离 非平行光使入射角增大，反射光的强度随之而增加，从而 增加了反射分数，使吸光度增大，产生正偏差。 另外，非平行使光程增加引起的系统误差(正偏差)。
环境分析中分子光谱分析的应用
环境分析中分子光谱分析的应用随着环境污染的持续加剧，环境污染的检测和防治变得越来越重要。
在检测和分析污染物的各种方面，分子光谱分析技术发挥着重要作用。
分子光谱分析技术是一种灵敏的、高灵敏度的分析方法，用于检测和定量分析环境中的污染物。
本文将介绍分子光谱分析的应用原理和方法，以及分析环境中污染物的特征。
一、分子光谱分析的基本原理分子光谱分析技术是一种测量物质的光谱特征，以此来检测定量分析物质成分。
该技术是基于物质分子受光谱分散和系统性移动的原理，根据物质分子结构的不同，它产生不同的光谱移动特征。
分子光谱的测量和分析，有助于识别环境污染物的特征。
分子光谱分析技术包括激光光谱分析技术、气溶胶光谱分析技术以及质谱分析技术。
这三种技术的原理分别是：激光光谱分析技术是基于激光束穿过物质时，激光光谱波数变化的原理；气溶胶光谱分析技术是基于气溶胶中有机和无机物质产生的光谱峰差异的原理；质谱分析技术是基于分子质量结构特征，利用压缩离子产生质谱图谱的原理。
二、分子光谱分析技术的应用分子光谱分析技术在环境分析中有重要应用，可用于检测环境污染物，包括大气污染物、水体污染物和土壤污染物等。
通过这些技术，可以测量出污染物的光谱特征，从而定量分析污染物的成份、浓度和分布。
（1）激光光谱分析技术应用于环境监测激光光谱分析技术是近年来应用于环境分析中比较流行的技术之一，可用的仪器灵敏度较高，可检测空气中污染物浓度较低的情况。
通过激光光谱分析，可以快速准确地检测出空气中的污染物，为环境污染防治提供依据。
（2）气溶胶光谱分析技术应用于环境检测气溶胶光谱分析技术也可以用于检测空气中的污染物，它的检测灵敏度高于激光光谱分析，可以检测到污染物浓度很低的情况下。
此外，在检测水体污染物时，也可以采用气溶胶光谱分析技术，比如检测水体中有机污染物、金属离子和无机物质等。
（3）质谱分析技术应用于环境检测质谱分析技术也是应用于环境污染检测中比较常用的技术之一，它可以用于测定污染物的精确分子量。
有机小分子结构检测用的四大光谱
有机小分子结构检测用的四大光谱
有机小分子的结构检测是一项非常重要的工作，其中使用的四大光
谱是红外光谱、紫外可见光谱、核磁共振光谱和质谱。
（一）红外光谱
红外光谱是一种常用的检测有机小分子结构的方法。
它基于物质分子
中原子之间的振动和转动，对分子进行谱学分析。
红外光谱可以用来
确定分子中的基团、官能团以及它们之间的化学键。
它的特点是原位、快速、准确，不需要特殊处理样品。
（二）紫外可见光谱
紫外可见光谱是通过辐射颜色为紫外和可见光区间的电磁波来对物质
进行分析。
它可以用来检测有机小分子中的双键、三键、环状结构等。
（三）核磁共振光谱
核磁共振光谱是一种非常常用的检测有机小分子结构的方法。
它可以
用来分析分子内原子核之间的相对位置和化学环境，进而确定分子的
化学结构。
通过对比化学位移和峰形的变化，可以确定分子中不同位
置的氢原子和碳原子。
（四）质谱
质谱是一种通过对物质分子进行电离和质量分析来确定分子结构的方法。
它是一种高灵敏度和高分辨率的技术，可以检测极微量的分子，是分析高分子材料、有机小分子和生物分子结构的有力工具。
综上所述，红外光谱、紫外可见光谱、核磁共振光谱和质谱是常用于检测有机小分子结构的四大光谱。
它们各有特点，可以相互协调使用来提高检测的准确性和效率。
分子光谱分析法资料讲解
强带
有机化合物的紫外与可见吸收光谱中，凡摩尔吸光系数值大于104的 吸收带称为强带。
这种电子跃迁往往是几率很大的允许跃迁。
弱带
有机化合物的紫外与可见吸收光谱中，凡摩尔吸光系数最大值小于 104的吸收带称为弱带。
这类跃迁很可能是不符合允许跃迁选律的禁阻跃迁。
吸收带位置移动的术语说明
无机盐阴离子的n-*跃迁
在许多固体中引起这样一个跃 迁所需要的能量是极高的，但 在另一些固体中，尤其是在包 含重元素的固体中，跃迁发生 在可见／紫外区，材料成为光 电导性的，例如，某些硫族化 合物的玻璃是光电导性的。
类型iV
（iV）一个电子从一个能带(价 带)激发到另一个较高能量的能 带(导带)上。
在半导体(Si，Ge等)中带隙的 数值可以用光谱方法测定；一 种典型的半导体有1eV， 96kJmol-1的带隙，处于可见 区和紫外区间。
（1）含、和n电子的吸收谱带
有机化合物在紫外和可见光区域内电子跃迁的方式一般为-*、n*、n-*和-*这4种类型 。
图12-1 有机分子电子(能级)跃迁类型
-*跃迁
吸收波长在真空紫外区。 饱和烃无一例外地都含有电子，它们的电子光谱都在远紫外区。
n-*跃迁
吸收波长在150~250nm范围，绝大多数吸收峰出现在200nm左右。 含有未共享电子对杂原子(O、N、S和卤素等)的饱和烃衍生物可发生
某些无机盐阴离子由于可以发生n-*跃迁而有紫外光谱吸收峰。 例如，硝酸盐(313nm)、碳酸盐(217nm)、亚硝酸盐(360nm和
280nm)、迭氮盐(230nm)，以及三硫代碳酸盐(500nm)离子等。
(2)含d和f电子的吸收谱带（配位场跃迁）
配位场跃迁包括d-d和f-f两种跃迁。 过渡金属离子吸收光能后可以产生d-d跃迁，而镧系和锕系元素离子
生物大分子的光谱学分析
生物大分子的光谱学分析在生物学领域中，大分子的结构和功能对于了解细胞和生命体系是非常重要的。
大分子包括DNA, RNA, 蛋白质和多糖等。
通过对大分子的光谱学分析，可以更深入地了解它们的性质和功能。
一、DNA和RNA的光谱学分析DNA和RNA是负责存储和传递遗传信息的大分子。
它们由核苷酸构成。
核苷酸是由磷酸基、五碳糖和一种氮碱基（嘌呤或嘧啶）组成的。
DNA和RNA的紫外吸收光谱图谱主要集中在260纳米处。
这是由于DNA和RNA中含有大量的嘌呤和嘧啶碱基，它们的共轭π 电子体系吸收了260纳米处的紫外光。
通过测量紫外光谱图谱，可以确定DNA或RNA的浓度和纯度。
此外，核苷酸的红外吸收光谱图谱也能提供一些信息。
例如，嘌呤和嘧啶环的振动模式有所不同，从而可以区分它们。
二、蛋白质的光谱学分析蛋白质是生命中最重要的大分子之一，它们在细胞内扮演着许多重要的角色。
蛋白质的结构和功能直接关系到它们的结构。
蛋白质的紫外吸收光谱图谱主要由酪氨酸、苯丙氨酸和组氨酸残基的紫外吸收贡献。
酪氨酸的主要吸收在280纳米处，而苯丙氨酸和组氨酸的吸收在220到240纳米处。
通过测量紫外光谱图谱，可以确定蛋白质的浓度和纯度，以及它们的二级结构。
红外光谱图谱也是一个非常有用的工具，可以确定蛋白质中的特殊基团。
蛋白质的胺基酸残基各自具有不同的振动模式。
通过红外光谱图谱，可以确定各种不同的胺基酸残基的存在情况，从而获得蛋白质的组成。
三、多糖的光谱学分析多糖是一类非常常见的生物大分子，包括淀粉、纤维素、壳多糖、肝素、透明质酸等。
多糖的光谱学分析主要集中在红外光谱。
多糖中的糖基有独特的振动模式，如C-O-C和C-C键的弯曲振动，C-O键的伸展振动以及C-H振动。
不同的多糖具有不同的振动模式。
通过紫外光谱图谱，可以确定多糖的组成和结构。
总之，光谱学是一种非常重要的生物学工具，能够提供关于大分子结构和功能的有用信息。
对于生物学家来说，理解和应用这些技术是非常有益的。
化学分析中的分子光谱分析原理
化学分析中的分子光谱分析原理光谱分析是分析化学中一种常用的方法。
其基本原理是通过对样品的辐射或吸收光谱进行分析，得出样品的组成和性质。
其中，分子光谱分析是一种基于分子中吸收或发射电磁波的某一特定波长的光谱现象进行定性、定量分析的方法。
分子光谱分析的原理可概括为两种主要类型：紫外-可见光谱和红外光谱。
下面分别对这两种光谱原理进行详细阐述。
紫外-可见光谱紫外-可见光谱(UV-Vis)是通过对样品中吸收紫外光和可见光的光谱进行分析的方法。
在分光光度计中，取得的样品光被一分光器分成两个束，一个穿透样品，一个作为对照，再经过一个检测器转化成电信号，最终形成一个光谱曲线。
物质分子在紫外-可见光谱区域内吸收辐射波长，这个波长可以识别该物质分子的特性。
可以使用紫外-可见光谱测量未知物质与已知物质之间的吸收差异，因此可以得出未知物质的含量和质量。
从紫外-可见光谱图中可以得到一个物质分子吸收最大峰(p-max)的波长，这个波长和实验条件有关。
同时，不同的化合物分子所吸收的波长不同，分辨率较高，因此可以通过比较和标准库来确定化合物的种类和浓度。
红外光谱红外光谱(FTIR)是通过对样品中吸收红外光谱进行分析的方法。
通过加热样品让其发出的辐射波长重合于B型偏振器切换，然后进行检测，最终得到一个光谱曲线。
红外光谱是通过捕获样品的表面或物质辐射光谱，显示样品分子的振动和化学键，进而确定其分子结构和化学组成。
在化学上，人们习惯性地将红外吸收峰按波数排序，按频率排列。
这种排序方式可以帮助人们在光谱图中看出对于特定物质分子振动的波数和强度的吸收。
在制定红外谱上，有几种不同的振动类型。
最常见的是伸缩振动和弯曲振动。
有些分子只有伸缩振动，而有些分子同时具有伸缩振动和弯曲振动。
分子中不同的原子之间以共价键相连，当其结构发生变化时，会引起化学键的伸缩或弯曲，从而导致红外光的吸收。
因此，分子中不同原子的原子量和结构可以通过其振动光谱来确定。
分子光谱分析技术
分子光谱分析技术分子光谱分析技术是一种重要的分析方法，可用于分析物质的结构、成分和性质。
它基于分子与辐射相互作用的原理，通过测量分子与不同波长的电磁辐射相互作用的吸收、散射、发射等现象，来了解分子的特性和特征。
本文将介绍常见的分子光谱分析技术，包括紫外可见光谱、红外光谱、拉曼光谱和核磁共振光谱。
紫外可见光谱（UV-Vis）是一种常用的分子光谱分析技术。
它使用紫外可见光波段的电磁辐射，测量样品对辐射的吸收和透射情况。
根据分子的电子跃迁和能级差异，可以得到样品的吸收光谱图。
紫外可见光谱分析广泛应用于化学、生物、环境等领域，用于定性和定量分析物质的含量、浓度，以及分子结构和构型的研究。
红外光谱（IR）是一种通过测量分子对红外波段的电磁辐射的吸收情况，来研究分子结构、成分和相互作用的分析技术。
红外光谱的原理是分子在红外辐射下，各种共振振动、转动等模式的振幅发生变化，从而吸收特定波长的光线。
红外光谱可以用于研究有机物、无机物、聚合物等的结构和功能，如分析化合物的官能团、鉴定无机材料的晶型等。
拉曼光谱是一种非常敏感的分子光谱分析技术，可以用于研究分子的振动、转动和电子状态。
拉曼光谱的原理是分子在激发光的作用下，部分光子的能量发生改变而被散射，产生拉曼散射光。
拉曼光谱可以提供分子的特征指纹，用于鉴定物质的结构、成分和态。
由于其高灵敏度和无需样品处理的特点，拉曼光谱在材料科学、药物研发、环境监测等领域得到广泛应用。
核磁共振光谱（NMR）是通过核自旋与外界磁场相互作用产生的能级差异来研究分子结构、成分和动力学的分析技术。
核磁共振光谱的原理是分子中的核自旋能级在磁场中发生差异，通过核磁共振仪器测量不同核自旋能级的吸收和发射，可获取样品的NMR光谱图。
核磁共振光谱可以提供关于分子的化学环境、空间结构和分子运动等信息，用于鉴定有机分子、研究分子间相互作用等。
综上所述，分子光谱分析技术是一种非常重要的分析工具，可用于研究分子的结构、成分和性质。
分子光谱分析及其应用
分子光谱分析及其应用分子光谱分析是一种研究分子结构、成分、性质等的方法，具有高灵敏度、高分辨率、非破坏性等特点，在化学、医药、生物等领域得到广泛应用。
一、基本原理分子光谱分析主要利用分子中的原子、键、基团等在特定波长下的吸收、发射谱线来判断分子的性质。
其中，紫外可见吸收光谱是一种非常常用的分析方法，它可以用于分析分子中的双键、芳香环等结构。
红外光谱则可以用于分析分子中的键的拉伸、弯曲振动等，以及分析分子中的官能团，如羧基、氨基等。
拉曼光谱可以用于分析分子中的振动状态和分子间的相互作用等。
分子光谱分析的基本原理是光的谱线与物质相互作用导致的能量、电荷转移等现象。
当光通过物质时，部分能量被物质吸收或散射，形成光谱线。
不同波长的光谱线被吸收或散射的程度也不同，由此可以判断物质的性质。
二、应用领域1.化学领域分子光谱分析在化学领域中应用广泛，可以用于分析有机物、无机物、杂化物、金属配合物等化学物质的结构、成分和质量等。
例如，通过分析分子中的官能团红外光谱可以确定有机物的结构；通过拉曼光谱可以确定无机物的结构和晶体缺陷等。
2.生物领域分子光谱分析在生物领域中也应用广泛，可以用于分析蛋白质、核酸、细胞等生物分子和组织的结构、成分和功能等。
例如，通过红外光谱可以研究蛋白质的二级结构，并可以用于分析疾病相关的生物标志物。
3.医药领域分子光谱分析在医药领域中广泛应用于药物的研究和分析。
例如，通过红外光谱可以确定药物的结构和含量，以及分析药物的稳定性和纯度等。
4.环境领域分子光谱分析还可以用于环境领域的污染物的检测和分析。
例如，通过紫外可见吸收光谱可以检测水中的有机污染物，通过红外光谱可以检测大气中的苯、甲醛等有机气体污染物，以及检测土壤中有机物含量等。
三、新技术发展随着科技的发展，分子光谱分析也在不断发展和创新。
例如，强化拉曼光谱、替代基光谱、二维红外光谱、超快拉曼光谱等新技术不断涌现。
其中，超快拉曼光谱是一种新兴的技术，具有高灵敏度、非破坏性、非接触性等特点，可以应用于生物医药领域、化学领域和材料科学领域等，有望成为未来分子光谱分析的重要方向。
分子振动和分子光谱分析
分子振动和分子光谱分析分子振动和分子光谱分析是物理化学领域中重要的研究手段。
通过研究分子的振动和光谱特性，可以深入了解分子结构、电子态以及化学反应动力学等方面的信息。
本文将重点介绍分子振动和分子光谱分析的原理、方法以及应用。
一、分子振动分析分子振动是指分子中化学键的径向拉伸、角度弯曲以及面内振动等运动。
这些振动运动可以通过测量分子的红外光谱来研究和解析。
在红外光谱中，不同基团和键的振动模式表现出明显的特征峰。
例如，C-H键和C=O键的振动分别对应着不同的吸收峰。
通过测量样品吸收光谱，可以确定分子中存在的基团和键的类型及其相对丰度。
分子振动分析的方法主要包括红外吸收光谱和拉曼散射光谱。
红外光谱主要测量分子吸收红外辐射的能力，得到红外图谱，并使用基团频率表对吸收峰进行解析。
而拉曼散射光谱则是测量物质散射的光谱，通过分析散射光的频率和强度来推断分子中的振动信息。
分子振动分析广泛应用于材料科学、生物化学、环境监测等领域。
例如，在药物研发中，通过分子振动分析可以确定药物的活性结构和药效。
在环境监测中，可以通过测量样品振动光谱来分析有机物的组成和浓度。
此外，分子振动分析还可以用于研究分子固体的结构和性质，进一步推导出材料的特性和用途。
二、分子光谱分析分子光谱分析是研究分子与电磁辐射相互作用的一种方法。
通过分析分子对不同波长的光的吸收、发射以及散射等行为，可以了解分子的能级结构、电子态转移以及化学反应动力学等重要信息。
分子光谱分析包括紫外可见吸收光谱、荧光光谱和拉曼光谱等。
其中，紫外可见吸收光谱主要研究分子的电子能级结构和电子态转移。
通过测量不同波长的入射光在样品中的吸收强度，可以得到能级跃迁的信息，进而推断分子的化学结构和物理性质。
荧光光谱则是通过激发分子的电子态到激发态后产生的荧光信号来研究分子的结构和动力学行为。
通过测量样品在激发光作用下的发射光谱，可以得到荧光峰的位置、强度和寿命等信息，从而研究分子的电子结构和光激发过程。
分子光谱分析
3.判断异构体 ⑴结构异构体：多利用双键位置不同推断，例：
λmax 208nm ε 5000～15000 同环双烯
295.5nm 12000～28000 异环双烯
⑵顺反异构体： 反式λmax和ε >顺式λmax和ε 例：
H
C H
λmax ε
C
C C H
H 顺式 280nm 10500
反式 295.5nm 29000
二、分子光谱产生原因： 分子能级跃迁
三、分子光谱分析： 利用分子的电子、振动、转动能级跃迁所产生的分子光谱对物质进行定 性、定量和结构分析的方法。 1.一般过程： 光源
单色分光
样 品 池
检测器
信号显示记录
2.分类：分为三类 ⑴吸收光谱：红外、紫外-可见吸收光谱分析 ⑵发射光谱：分子荧光光谱分析 ⑶散射光谱：拉曼光谱分析
例：测定m、n两物质的UV谱，得： 溶液 浓度(mol/L) A(450nm) m 5×10-4 0.8 n 2×10-4 0.6 m、n混合 未知 1.0 求：混合液中m、n的浓度Cm、Cn (吸收池厚1cm) 解： A450=ε450mCm L+ε450nCnL ⑴ A700=ε700mCm L+ε700nCnL ⑵ 又：A450m =ε450mCm0 L= 5×10-4 ε450m=0.8 A450n =ε450nCn0 L= 2×10-4 ε450n=0.6 A700m =ε700mCm0 L= 5×10-4 ε700m=0.3 A700n =ε700nCn0 L= 2×10-4 ε700n=0.3 将求得的4个ε和L=1cm代入式⑴、⑵得： A450=1600Cm+3000Cn=1.0 A700= 600Cm+1500Cn=0.4 解之可得：Cm和Cn (mol/L)
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650 - 4000 cm-1 @ 4 cm-1 分辨率 单次反射金刚石衰减全反射ATR 坚固稳健-温度、振动、坠落、防水
FT 检测方式
FT IR仪器应用—医药鉴别
人血白蛋白鉴别
内容纲要
分子光谱基础 近红外光谱技术及应用 红外光谱技术及应用
20世纪80年代
20世纪90年代
机械光栅扫描； 阵列式光谱仪； FT-NIR； PLS
21世纪初
数字光栅扫描技术； 高精度FT技术； MEMS技术； 改进的PLS； ANN； 模型传递效果更好； 网络化模型管理；
仪器
滤光片光谱仪；
化学计量学 MLR 方法
模型
模型种类少； 模型传输性差； 应用范围有限；
主成分分解
PLS建模方法
PLS建模方法
建模
PLS建模第一步，做矩阵分解，其模型为： X=TP+E Y=UQ+F 其中T和U分别为X矩阵和Y矩阵的得分矩阵，P和Q分别为X矩阵和 Y矩阵的主成分矩阵，E和F分别为用PLS模型拟合X和Y时所引进的误差。 PLS建模第二步，将T和U作线性回归 U=TB B为关联系数矩阵
MLR（多元线性回归） PCR（主成分回归） PLS（偏最小二建模方法
挑选数个波长的吸光度值X与Y，求出Y与X系数b。
求出b后，采集未知样品光谱X，即可计算未知样品浓度Y
PLS建模方法
MLR主要用于简单样品，在近红外应用中适应于滤光片式型仪器 常用的NIR建模方法为PLS方法 首先介绍主成分分解
近红外区包含以下化学键的基频振动信息的合频与倍频： C-H, N-H, O-H, S-H, C=O, C=C 倍频吸光系数比中红外基频振动弱数十倍。
近红外光谱的检测方式
漫反射
透射
近红外检测技术
丰富的 模型
近红外 检测技术 化学计量学 软件
高精度 仪器
近红外光谱分析过程
近红外技术发展趋势
近红外、红外与拉曼光谱
近红外光谱谱峰重叠， 需要化学计量学方法 进行解析， 适用于定量分析
红外、
红外和拉曼光谱 具有分子指纹信息， 适合物质定性判定
内容纲要
分子光谱基础 近红外光谱技术及应用 红外光谱技术及应用
拉曼光谱技术及应用
近红外光谱的原理
通过分子吸收近红外区域的光而产生光谱
近红外光谱的原理
预测 X未知=T未知P校正 Y未知=T未知B校正Q校正
PLS建模方法特点
既可以使用全部光谱数据又可以使用部分光谱数据 把数据分解和回归融合在一起 PLS方法比较适用于处理变量多而样本数少建模问题 对于非线性体系和质量参数之间相互干扰的数据回归效果优于多 元线性回归方法
NIR分析模型评价指标
近红外光谱定量分析基础
透射检测理论基础：
郎伯—比尔定律
漫反射检测理论基础：
Kubelka-Muk方程
吸光度与样品浓度呈线性比例关系
近红外光谱定量分析基础
Y 表示样品浓度（组分含量） X 表示吸光度 b 表示系数
近红外光谱定量分析基础
关键是如何求出 系数b 近红外光谱重叠严重、复杂度高，决定近红外光谱 分析必须使用多元信息处理技术
近红外光谱的应用
粮食、油料、饲料、食品……
近红外 育种检测 育种
近红外 收购检测 收购
近红外 储藏品质检测 储藏
原料 油脂检测
榨油加工
面粉加工
近红外 面粉检测 近红外 饲料检测
近红外 地沟油检测
油品流通
饲料原料
饲料
内容纲要
分子光谱基础 近红外光谱技术及应用 红外光谱技术及应用
拉曼光谱技术及应用
红外光谱仪器TruDefender FT
检测指标
水分、蛋白、脂肪 水分、蛋白、脂肪 水分、碘值、酸价 水分、蛋白、脂肪、灰分、纤维、氨基酸
饲料成品
各类谷物 粮食行业 谷物加工产品 石化行业 纺织行业 水果行业 各类燃油 纤维布料 各种水果
水分、蛋白、脂肪、灰分、纤维
水分、蛋白、脂肪 水分、蛋白、脂肪、灰分、淀粉 馏程、馏点、组分含量、抗爆指数 定性判别布料成分、布料成分含量 糖度、酸度、硬度
近红外光谱
中低强度吸收 可以使用光纤
拉曼光谱
弱散射 可以使用光纤
基团吸收重叠少
可提供指纹信息 特殊光学材料
基团吸收重叠严重
指纹信息少 石英玻璃、蓝宝石
光谱重叠不严重
可提供指纹信息 石英玻璃、蓝宝石
需要制样
检测样品厚度有限 有破坏 不能穿透包装 环境影响大
仅需很少制样
光可深入样品内部 非破坏性 某些情况可穿透包装 不能分析含量低的成分
模型种类更加丰富； 可实现模型传递；
仪器分光检测
光栅扫描式分光 连续光谱 仪器精度高
光栅分光阵列检测 连续光谱 稳定性好
FT变换检测 连续光谱 仪器精度高
近红外光谱分析仪器
仪器考察关键指标
波长范围 波长准确性 波长重复性 分辨率 吸光度噪声（信噪比）
N SD SEC RC RV SEP
建模样品个数 建模样品集方差 建模标准偏差 建模相关系数 交互验证相关系数 预测标准偏差
Mean 建模样品集平均浓度
SECV 交互验证标准偏差
RPD
近红外光谱的应用
行业领域 检测对象
油料原料 油脂行业 油粕产品 油脂 饲料原料 饲料行业
分子光谱分析技术
内容纲要
分子光谱基础 近红外光谱技术及应用 红外光谱技术及应用
拉曼光谱技术及应用
电磁波与光
左边波现象明显，能量弱；右边粒子性明显，能量强
电磁波与光谱分类
光谱形成方式分类
发射光谱 原子发射光谱（AES）、原子荧光光谱（AFS）、 X射线荧光光谱法（XFS）、分子荧光光谱法（MFS）等
吸收光谱
紫外－可见光谱（UV-Vis）、原子吸收光谱（AAS）、 红外光谱（IR）、近红外光谱（NIR）、核磁共振（NMR）等 联合散射 拉曼散射光谱（Raman）
光学技术---分子光谱
光谱产生基础：光的波粒二象性 光谱产生机理：分子吸收特定频率光子产生红外和近红外光谱 分子与光子发生非弹性碰撞产生拉曼光谱
拉曼光谱技术及应用
拉曼光谱仪器-TruScan
手持式拉曼光谱仪
原辅料鉴别 包装塑料鉴别 成品确认/打假
拉曼光谱检测原理
拉曼散射 具有量子效应 可被解析
拉曼光谱应用
物料定性鉴别---可鉴别内容物和包装材料 物料打假鉴别工作
拉曼光谱应用适用性
红外、近红外、拉曼光谱比较
红外光谱
强吸收 光纤不适用
仅需很少制样
检测样品表面 非破坏性 某些情况可穿透包装 不能分析荧光和黑色样品