第2章 生物物理技术 波谱技术 1

第2章 波谱技术 摘要: 光谱学作为生物物理学研究中相对成熟的研究手段，有着广泛的应用。本文对光谱学中的一些光谱技术及其应用做了简单介绍。 关键词：光谱学，紫外可见光光谱，荧光光谱，红外光谱 Abstract: As one of the important and mature biological physics research methods, Spectroscopy has an extensive application. This article raises a general introduction on some of the Optical Spectroscopy and its application. Key words: spectroscopy, Ultraviolet visible light spectrum, fluorescence spectroscopy, infrared spectroscopy

目录 1. 绪论 ........................................................................................................................................................... 1 2. 波谱技术具体介绍 ................................................................................................................................... 1 2.1 紫外可见光吸收光谱（UV-vis Spectroscopy） ............................................................................ 2 2.1.1 紫外可见光分光光度计 ....................................................................................................... 2 2.1.2 紫外可见光光谱的应用 ....................................................................................................... 2 2.2 荧光光谱（Fluorescence Spectroscopy） ...................................................................................... 3 2.2.1 荧光光谱仪........................................................................................................................... 3 2.2.2 荧光光谱的应用 ................................................................................................................... 3 2.3 荧光相关光谱（Fluorescence Correlation Spectroscopy） ........................................................... 4 2.3.2 荧光相关光谱的应用 ........................................................................................................... 4 2.4 荧光互相关光谱（Fluorescence cross-correlation spectroscopy） ............................................... 5 2.5 拉曼光谱（Roman Spectroscopy）................................................................................................ 5 2.5.1 拉曼光谱的优点 ................................................................................................................... 5 2.5.2 表面增强拉曼光谱 ............................................................................................................... 5 2.5.2 拉曼光谱的其他应用 ........................................................................................................... 6 2.6 红外光谱（Infrared spectroscopy） ............................................................................................... 6 2.6.1 红外光谱仪........................................................................................................................... 6 2.6.2 红外光谱的应用 ................................................................................................................... 6 2.7 近红外光谱（Near-Infrared spectroscopy） .................................................................................. 7 2.8 二维红外光谱（Two-Dimensional Infrared Correlation Spectroscopy）...................................... 8 3．结论 .......................................................................................................................................................... 8

1. 绪论 光谱学是光学的一个分支学科，它主要研究各种物质的光谱的产生及其同物质之间的相互作用。光谱是电磁辐射按照波长的有序排列，根据实验条件的不同，各个辐射波长都具有各自的特征强度。光谱技术被人们广泛的应用于分子能级、电子组态、分子几何形状、化学键、物质检测等许多方面。

2. 波谱技术具体介绍 根据光谱技术的方法不同，一般把光谱学分为发射光谱学、吸收光谱学、散射光谱学三类。其中发射光谱学主要包括：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；吸收光谱学主要包括：紫外－可见光法（UV-Vis）、原子吸收光谱（AAS）、红外观光谱（IR）、核磁共振（NMR）等；散射光谱学主要是拉曼散射（Raman）。 下面将对主要的波谱技术逐一介绍。

2.1 紫外可见光吸收光谱（UV-vis Spectroscopy） 研究物质在紫外、可见光区的分子吸收光谱的分析方法称为紫外-可见分光光度法。紫外—可见分光光度法是利用某些物质的分子吸收200  800 nm光谱区的辐射来进行分析测定的方法。这种分子吸收光谱产生于价电子和分子轨道上的电子在电子能级间的跃迁，广泛用于无机和有机物质的定性和定量测定。

2.1.1 紫外可见光分光光度计 紫外可见光分光光度计主要分为5大部件，分别是光源、单色器、样品室、检测室及显示设备。

2.1.2 紫外可见光光谱的应用 紫外可见光光谱可用于研究生物大分子。传统的生物学研究，利用含苯环的氨基酸（酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸）在紫外区的吸收峰来测定蛋白质的含量，主要有280nm法和280nm、260nm差法。同样，紫外可见光光谱还可应用于核酸研究，利用核酸在260nm的吸收峰可以测量核酸的量，而利用280nm和260nm的吸光度值，可以检测核酸的纯度。 文献报导牛血清白蛋白(BSA)水溶液在276 nm 和193 nm 有两个吸收峰（薛萍，et al.2002）。前者主要是蛋白质中酪氨酸、色氨酸的光吸收,后者主要是由肽基团的吸收而产生的。由紫外吸光谱的性质知,193 nm 附近的吸收峰是肽链α(螺旋和无规则卷曲构象的主要识别峰) ,而β(折迭构象型的吸收峰) 应在波长198 nm附近。故可推测此BSA 溶液中没有β(折迭构象或极少) 。 紫外可见光光谱也可以应用于纳米粒子的研究。如纳米银具有独特的光谱特性一些研究者研究过纳米银粒子的表面增强拉曼光谱和共振散射光谱，为纳米银在相关领域中的应用奠定了基础（张万忠，et al.2009）。纳米银的共振吸收光谱发生在Uv-vis区域，它与形成粒子的数量和粒径大小有直接的关系，还取决于纳米银粒子与反应介质之间的相互作用。利用紫外可见光光谱，对于不同浓度的前体AgNO3 所得到的纳米银的产量进行研究，如图1所示。当AgNO3浓度从0．05 mol/L增大到0.15 mol/L_1时，形成粒子的共振峰强度依次增大，表明增大微乳体系中前驱体的浓度，有助于获得更多的纳米银粒子。当AgNO3浓度较低时(0.05mol/L)，纳米银的共振吸收不明显，表明体系中银离子的还原不完全。AgNO3浓度增加至0.10mol/L，形成粒子产生规则的共振吸收峰，其峰形较宽(半峰宽较大)、吸收强度较大，表明形成了大量的纳米银粒子，并且形成粒子的粒径较小。当AgNO3浓度继续增加至0.15 mol/L，纳米银粒子的等离子共振峰的半峰宽减小、最大吸收峰发生红移，意味着形成粒子的平均尺寸增大。如果继续增大AgNO3 浓度，体系中产生的纳米银粒子极易发生团聚，形成大尺寸的纳米银颗粒并很快从微乳体系中沉降出来。