第五章　生物光谱分析技术

第一节　吸收光谱

吸收光谱分析法是目前应用最广泛的一种光谱分析方法。它包括有磁共振，X射线吸收光谱、紫外—可见吸收光谱、红外光谱、微波谱、原子吸收光谱等，但最常用的则是原子吸收光谱、紫外—可见吸收光谱和红外光谱。这些方法的最基本原理是物质对电磁辐射的吸收。

当电磁辐射与物质相互作用时，就会发生反射、散射、透射和吸收电磁辐射的现象，物质之所以能够吸收光是物质本身的能级状态所决定的。例如原子吸收可见光和紫外光，可以使核外电子由基态跃迁到激发态，相应于不同能级之间的跃进都需吸收一定波长的光。因此，如有一波长连续的光照射单原子元素的蒸气（如汞蒸气），将会产生一系列的吸收谱线。由于在一般情况下原子都处于基态，通常只有能量相当于从基态跃迁到激发态的所谓主系谱线出现在原子的吸收光谱中。而分子吸收光谱则比较复杂，它们不是分立的谱线而包括许多吸收带。因为每一个分子的能量包括三部分，即分子的电能量，振动能量和转动能量。每一种能量都是量子化的，它们相应地都存在一定数目的电子能级，振动能级和转动能级。当电子由一个能级跃进到另一能级时，同时可能伴随着许多不同的振动能级和转动能级的跃迁。因此，分子吸收光谱是一系列的吸收带。通常引起原子或分子中外层价电子的跃进需要1.5～8.0电子伏特的能量，其相应的辐射波长在8000～15 000埃之间，是为紫外—可见吸收光谱的波长范围。引起振动跃迁或振动-转动跃迁的能量为0.05～1.2电子伏特之间，相应的辐射波长在1.0～25μm之间，是为红外光谱的波长范围。

Beer定律只适用于单色光，用于吸收光谱分析的光源应为单色光光源。但实际上用于吸收光谱的光源，除原子吸收光谱外，大多为连续波光源如氢灯（紫外区），钨灯（可见区），白炻固体（红外区）等，必须经过绿光和分光，即使运用了最高级的分光技术，获得的光仍然不是单色光，而且经过分光之后，光的强度也大大减弱，所以普通的光源具有很大的缺陷，即用普通光源得到的吸收光谱分辨率低，灵敏度亦低。而激光具有单色性好，强度大，相干性好等优异的特性，它们作为光源应用于吸收光谱分析必将使吸收光谱的分辨率、灵敏度大大提高，特别是可调谐激光器将是吸收光谱分析法的理想光源，它们的普遍应用会使吸收光谱分析方法的面貌为之一新。

归纳起来，激光吸收光谱法的特点是：

对于吸收光谱来说，光源的单色性越好，测定的吸收系数就越接近被测物质吸收峰处的吸光系数，因此灵敏度也就越高。这对于具有窄吸收带物质是非常重要的。因此，激光用于这种窄吸收带物质的测定，其灵敏度比普通光源要高。

吸收光谱法，特别是红外吸收光谱是研究物质分子结构的重要工具，为了获得比较精细的分子吸收光谱图，必须提高吸收光谱的分辨率。在通常的吸收光谱中，分辨率一方面受到吸收谱线的展宽效应的限制，另一个更重要的方面是要受仪器分辨率的限制。在普通的分光光度计中，分辨率决定于分光元件（如光栅，棱镜等）的分辨率和挟缝宽度等因素。如通常的紫外-可见光光度计典型带宽为5～10埃，而红外分光光度计的分辨率最好的也只有0.05cm^-1。

对于激光光源，由于其单色性好，所以分辨率很高。波长可调的激光器的分辨率已达到10^-6cm^-1的数量级（相当于10^-7埃的数量级），有的激光器的分辨率甚至达到10^-8cm^-1。这样，激光吸收光谱的分辨率主要取决于被测物质吸收谱线的展宽。因此，用激光吸收光谱可获得物质的精细分子结构谱图。

此外，由于激光的高强度，有可能使原子和分子产生双光子吸收，如果在双光子吸收过程中的两个光子具有数值相等而方向相反的动量，则此过程没有多普勒展宽。而多普勒展宽则是吸收谱线展宽效应中最主要的一种。