光与物质作用的描述与表征

讲述了光与物质作用的基础性描述和表征,并给出了目前常见几种光谱,如吸收、反射、发射的一般特征和调制光谱(以傅里叶变换光谱为例)的特征。嗣后,又给出了不连续脉冲光在与物质作用中展示的“慢光”、“快光”、“已停光”和“抑制光”的概念及其相应研究成果。最后,还简略的指出了与经典光学因果律的异同。     

光散射的逆向思考

长期以来人们已习惯于光被物质散射的思考而形成的“光谱物理学”,而对它的逆向思维、即物质(如原子)被‘光’散射的诸多专题问津的较少;其中的某些问题,如物质(如原子)被光(散射)作用的经典物理图像;物质(如原子)被光加(减)速;物质(如原子)被光俘获、陷落、致冷和速度的聚束。此外,密度效应、光场与原子的互作用,(量子化)光(电磁)场对物质(如原子)散射等是近期取得的成果,都将在该文中给出。     

光散射的逆向思考

长期以来人们已习惯于光被物质散射的思考而形成的“光谱物理学”,而对它的逆向思维、即物质(如原子)被‘光’散射的诸多专题问津的较少;其中的某些问题,如物质(如原子)被光(散射)作用的经典物理图像;物质(如原子)被光加(减)速;物质(如原子)被光俘获、陷落、致冷和速度的聚束。此外,密度效应、光场与原子的互作用,(量子化)光(电磁)场对物质(如原子)散射等是近期取得的成果,都将在该文中给出。     

一种与光镊结合的显微拉曼光谱技术

论述了一种与光镊结合的显微拉曼光谱即"光镊-显微拉曼光谱"系统的构建方案。给出了利用该系统测得的活细胞(大白鼠血细胞,酵母细胞)的微区拉曼光谱,并将红外光镊束缚下的Ar+激光激发的血细胞的拉曼光谱,与用单一Ar+激光光镊束缚并同时激发的血细胞拉曼光谱,以及血细胞直接贴在基底上的拉曼光谱进行了分析对比。实验表明,前者比后两种实验方案的血细胞拉曼光谱信号有显著提高。分析了红外1064 nm光镊激光和可见514.5 nm Ar+激光对活细胞的损伤效应,发现高功率的红外激光对细胞的损伤作用远小于低功率的Ar+激光。并将该系统应用于碳纳米管材料分析,获得了单壁碳纳米管的拉曼光谱。     

光与物质作用的能量转换机理探究

经典的光学理论都将光的波动性和粒子性区别来看。在利用光量子学说来解释光与物质作用时,也只强调光的粒子性,并且没有明确给出光与物质作用的力学机制,故而在光的波粒二象性的统一性方面存在着不足。本文提出了光子波驱动力模型假设,利用原子核一电子简谐振子力学模型对光与物质的作用机制进行了分析和修正,以三种半导体材料为例,较为合理地解释了物质对光的吸收,在一定程度上完善了对辐射光本质的描述。     

光声光谱在蜂蜜品质鉴定中的应用

利用单光束光声光谱实验装置,分别测量了葡萄糖溶液、 蔗糖溶液和蜂蜜溶液在可见光波段的光声光谱,并与分光光度法测得的数据进行了比较。上述溶液的光谱特征表明：不同种类的溶液,光谱背景强度和轮廓有明显差异。三种溶液的光谱在485和655 nm处都有较强峰,但二者的强度比在不同溶液中有一定差异。另外,葡萄糖还在475,576和630 nm处有特征峰;蔗糖在632 nm处出现明显特征峰;这些光谱特征为鉴别天然蜂蜜中是否有葡萄糖或蔗糖掺假提供了依据。比较同种溶液的两种光谱发现：光声信号强度随波长的变化更灵敏, 说明在物质成分检测中,光声光谱法具有更高的灵敏度。     

光声光谱在蜂蜜品质鉴定中的应用（英文）

利用单光束光声光谱实验装置,分别测量了葡萄糖溶液、蔗糖溶液和蜂蜜溶液在可见光波段的光声光谱,并与分光光度法测得的数据进行了比较。上述溶液的光谱特征表明:不同种类的溶液,光谱背景强度和轮廓有明显差异。三种溶液的光谱在485和655nm处都有较强峰,但二者的强度比在不同溶液中有一定差异。另外,葡萄糖还在475,576和630nm处有特征峰;蔗糖在632nm处出现明显特征峰;这些光谱特征为鉴别天然蜂蜜中是否有葡萄糖或蔗糖掺假提供了依据。比较同种溶液的两种光谱发现:光声信号强度随波长的变化更灵敏,说明在物质成分检测中,光声光谱法具有更高的灵敏度。     

基于空间特征的光谱分类算法研究

随着成像光谱仪器的广泛应用,利用数据立方体进行物质分类与识别成为一项重要的研究内容,分类算法对最终的目标识别准确度与精度具有很大的决定作用。目前常见的分类算法主要利用了光谱维信息,从光谱匹配的角度进行物质分类。由于仪器探测的物质反射光谱不仅反映了物质种类,还与物质表面的几何结构,表面粗糙度等有关,因此仅仅利用物质的反射光谱进行物质分类识别具有一定的误差。该文在利用可见光反射光谱进行分类的基础上,结合图像空间特征,对分类过程进行控制,达到提高分类准确度的目的。利用该分类算法进行真假叶片识别,结果表明其具有较好的空间连续性,很大程度上克服了"麻点"效应,验证了算法的有效性。     

分子光谱家族的新成员——表面增强喇曼光谱

 光谱作为研究分子、原子的一种手段,在工农业生产和科学研究中正发挥着巨大的作用.我们在这里要介绍的表面增强喇曼光谱是一个新的光谱效应,并且已展现出许多引人注目的新的应用,对它的研究必将导致人们对光与物质相互作用以及分子状态的深入认识,为工农业生产提供新的方法和手段.光谱、光散射和喇曼光谱什么是光谱呢?大家一定很熟悉光谱就是:光被色散后,光的强度按频率(或波长)的分布.     

多色宽带相干反斯托克斯拉曼散射过程的理论与实验研究

宽带相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS)光谱技术能够同时获取完整的分子CARS光谱信息,以准确识别和定量分析混合物中的不同成分或未知成分.在宽带CARS光谱技术中,由于超连续谱激光有效光谱范围内各光谱成分的作用不同,分别会产生双色和三色CARS过程.这里我们在理论上分析了宽带激发条件下两种CARS过程的产生条件,以及不同CARS光谱信号强度与各激发光功率之间的关系.在此基础上,搭建了基于SC激光的宽带CARS光谱系统,分别实现了双色和三色CARS过程.通过对获得的苯甲腈样品的CARS光谱信号进行函数拟合分析,实验验证了上述两个过程中CARS信号的强度与各激发光强度之间的函数关系.理论和实验研究结果为进一步优化宽带时间分辨CARS光谱探测和显微系统,实现同时获取物质分子完整的CARS光谱信号提供了指导.     

基于光波导光模光谱的固液界面受体配体反应动力学研究

为了探讨血管内皮细胞生长因子和其受体作用的动力学特征,在3-氨基3-乙氧基硅烷修饰的光波导传感器芯片表面通过戊二醛将血管内皮细胞生长因子固定,用光波导光模光谱法对溶液中的血管内皮细胞生长因子受体与固定化血管内皮细胞生长因子作用的反应动力学进行了研究。通过对不同浓度的受体分子的在线结合、解离的光波导光模光谱数据的分析,拟合出相应的结合、解离反应速率常数分别为6.86×105L.(mol.s)-1和1.15×10-3s-1。结果表明,非标记的光波导光模光谱法适用于高效、准确的受体配体作用反应动力学特征测量,所建立的基于光波导光模光谱技术的体外研究模型,是相关药物的开发和作用机理研究的方便快捷的平台。     

中药关键质量属性快速评价(Ⅱ):NIR光谱解析策略例证

近红外光谱(near infrared spectroscopy, NIR)作为目前中药关键质量属性快速评价热门技术,广泛应用于提取、浓缩、醇沉、纯化等中药生产过程质量控制领域。由于谱带严重重叠,谱峰较宽,吸收信号弱等特征,NIR需采用化学计量学建立模型。当前,光谱解析是NIR分析的研究热点,结合作者的研究成果,率先综述国内外NIR光谱解析的研究进展及主要方法。其中包括：物质吸收的光谱差异对特征信号提取的主成分分析法;光谱波段筛选,寻找物质特征吸收波段,解析物质结构与特征波段关系的偏最小二乘法;针对扰动(温度、浓度、压力等)引起的光谱变化,通过同步、异步光谱相关峰对光谱进行分析,解析引起光谱变化的特征基团的二维相关光谱法;用量子力学方法对物质结构的能量变化进行计算,解析分子能量变化与光谱变化关系的密度泛函理论法。最后,结合实例,考虑中药组分复杂性特点,从单一药效指标成分出发,采用氘代DMSO技术指认不同浓度的绿原酸NIR吸收特征,验证金银花提取过程中在线NIR模型绿原酸成分变量筛选的可靠性,阐明间隔偏最小二乘法筛选的特征波段与绿原酸光谱特征吸收的一致性,建立了一种中药NIR关键质量属性的光谱解析策略,为中药NIR关键质量属性快速准确评价提供支撑。     

利用散射光增强弱吸收固体混合物中主要光吸收物质的光声光谱特征

在传统的透射和反射光谱中, 散射光通常是误差的主要来源之一, 然而对光声光谱, 散射光有可能成为促进光谱测量的积极因素. 本文研究了弱吸收固体混合物–-奥氮平药片及其粉末的光声光谱. 为了排除光声池吸收散射光所产生背景光声信号的干扰, 取试样与其空白物的差值谱进行碳黑归一化, 得到了只与试样自身性质相关的归一化光声光谱.实验发现通过将药片碾成粉末, 可以使奥氮平药片的主成分奥氮平原料药的光声光谱特征凸显出来. 分析表明光散射效应是这一现象产生的主要原因. 传统光谱技术的障碍–-散射光却能促进光声光谱测量, 这显示出光声技术在光谱测量领域的独特优势. 上述实验提供了一种初步快速鉴别弱吸收固体混合物中少量光吸收物质的新方法, 这一方法有望应用于固体药物、矿物和土壤分析等领域. 关键词： 光声光谱 散射光 弱吸收固体混合物 奥氮平     

二维材料的变温拉曼光谱研究

拉曼散射是光与物质相互作用过程中发生的一种非弹性光散射现象.由于拉曼散射光通常带有散射物质结构的特征信息,拉曼光谱一直广泛应用于表征材料结构的研究.近年来,拉曼光谱已成为表征低维纳米材料不可或缺的实验内容,因此也对拉曼光谱技术本身的发展提出新的要求.面向表征层状纳米材料的前沿研究,北京大学基础物理实验教学中心在拉曼光谱检测仪器和技术方面进行了一系列的探索.本文主要介绍北京大学近两年在变温拉曼光谱仪研制及二维材料结构表征应用的一些阶段性工作成果.     

荧光光谱及平行因子分析法在植物油鉴别中的应用

利用FS920荧光光谱仪测量市售的八种植物油(大豆油、玉米油、橄榄油、稻米油、花生油、核桃油、葵花籽油和芝麻油)共22个样品的荧光光谱,并对其数据矩阵(EEMs)进行平行因子分析,结合荧光谱分析的直观物质表征和平行因子法对灰色体系的组分识别优势,实现了植物油的种类区分与鉴别。综合分析植物油在特定范围内(激发波长为250～550 nm,发射波长为260～750 nm)的三维荧光光谱和等高线光谱图,给出了各植物油峰位、峰数和峰强等特征信息,确定了植物油各荧光谱峰相应的荧光物质(不饱和脂肪酸类、维生素E及其衍生物、叶绿素及类胡萝卜素);将平行因子模型应用于植物油光谱数据矩阵的分析,确定了平行因子分析模型的因子数及各因子的物质基础(维生素E及其衍生物、亚油酸和亚麻酸、脂肪酸氧化产物、植物油氧化产物)。建立了植物油的4因子激发-发射光谱轮廓图和样品因子投影得分图。通过对植物油荧光光谱的图谱特征和其数据阵平行因子模型的分析,证实荧光光谱技术和平行因子分析法对植物油进行分析和种类鉴别的有效性。     

光谱法研究EGCG-Cu(Ⅱ)与ctDNA的相互作用

研究了EGCG-Cu(Ⅱ)-ctDNA系统的荧光光谱,电子吸收光谱和共振光散射光谱(RLS)。与EGCG-Cu(Ⅱ)二元配合物比较,EGCG-Cu(Ⅱ)-ctDNA三元体系光谱显示以下特征：(1)荧光光谱的发射位置没有变,荧光强度显著增强,并且三元体系的荧光强度随着DNA浓度增大而增大。在适宜的条件下,Cu(Ⅱ)-EGCG 配合物有望成为检测ctDNA的荧光探针;(2)电子吸收光谱有明显的增色效应;(3)共振光散射强度也增强。三种光谱的特征显示,EGCG-Cu(Ⅱ)配合物与核酸之间主要依靠插入作用和静电引力结合。由于配合物的插入,使系统的荧光强度增强,而静电作用使其电子吸收光谱和共振光散射光谱产生增色效应。酸度和离子强度对三元系统荧光强度的影响也进行了实验和讨论。     

量子纠缠实验中SPDC光谱分布的计算分析与实验研究

理论分析了量子纠缠教学实验中用于纠缠光子对产生的Ⅱ类自发参量下转换(SPDC)光场的光谱分布特征,通过数值模拟给出403nm连续激光光源通过BBO晶体产生的Ⅱ类SPDC光场信号光分布曲线.据此设计了SPDC过程产生的806nm光子分布测量实验,实验结果与模拟结果一致.     

瞬态光谱量子分析及其测量

介绍了新近研制的瞬态光谱测量仪，详细分析了瞬态光谱测量中的量子转换过程，进而表述出瞬态光谱信噪比表达式、图像参数和光电转换量子效率、光电成像有效积分时间和CCD光敏面的作用，最后给出了在此理论指导下的实测光谱曲线。     

γ-氨基丁酸和苯甲酸共晶体及其形成条件的振动光谱分析

使用太赫兹时域光谱(THz-TDS)、傅里叶红外光谱(FTIR)和傅里叶拉曼光谱(FT-Raman)技术在室温下对γ-氨基丁酸(GABA)、苯甲酸(BA)及其研磨和溶剂共晶体进行表征分析。FTIR,FT-Raman及THz光谱都能够分辨原料物质及GABA-BA共晶体。其中THz实验结果显示了GABA-BA研磨和溶剂共晶体位于0.93,1.33,1.57THz的吸收峰明显区别于原料物质,这体现了不同物质在THz波段具有明显的指纹特征。为确认GABA-BA共晶体的晶型结构,分别采用FTIR和FT-Raman光谱进行光谱归属。通过FTIR的光谱归属推断GABA-BA共晶体由GABA中的氨基H_23和BA中的羰基O1构成第一个氢键,氨基中的N18结合BA中的羟基H15形成第二个氢键。FT-Raman光谱中,原料物质GABA中位于576,886,1 250,1 283,1 337,1 423和1 470cm~(-1)处归属于—CH_2,—NH_2弯曲振动的Raman散射峰在GABA-BA共晶体内消失,判定GABA中的氮原子N18亦可作为氢键受体,从而验证了GABA-BA共晶体的晶型结构。此外,为了进一步说明溶剂pH值对GABA-BA共晶体的形成条件的影响,利用THz-TDS,FT-Raman光谱确认了该共晶体在溶剂条件2.00≤pH≤7.20可稳定地生成。这一研究结果同时也为利用THz-TDS,FTRaman光谱技术辨别固体物质晶型结构、晶型形成条件提供了实验及理论依据。     

熊果酸的Raman光谱和红外光谱结构特征比较

本文采用HRD2型双光栅单色仪测定了熊果酸的Raman光谱，得到熊果酸的特征Raman光谱结构，采用Philips 100型双光栅单色仪测定了熊果酸的IR光谱，得到熊果酸的特征IR光谱结构；解析了熊果酸的Raman光谱和IR光谱与其结构特征的关系，确定了熊果酸的Raman光谱的结构特征和官能团的归属，给出了熊果酸的两个基本骨架特征区域（A区：1386，1370，1363cm^-1，B区：1304，1269，1237cm^-1）；对熊甲酸的Raman光谱和IR光谱作了比较研究，指出Raman光谱具有比IR光谱更为丰富的结构信息的特征，并且，IR光谱的主要特征峰在Raman光谱中均有对应的谱峰；Raman光谱的谱峰形态清晰可变，使熊果酸的主要结构和官能团得到准确的分析和指认，与IR光谱一样，Raman光谱是天然药物解析的有效手段之一。