发布时间：2023-10-10 15:35:05
绪论：一篇引人入胜的光谱学分析，需要建立在充分的资料搜集和文献研究之上。搜杂志网为您汇编了三篇范文，供您参考和学习。
中图分类号：G307 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2012）15-0262-01
1 引言：
电子从高能级跃迁到低能级时，发射的光子能量hv为两能级间的能量差，
hv=E(m)-E(n) （m > n）
以波数?啄＝1/?姿表示， 则上式为 ?啄＝■=T(n)-T(m)=R■(■-■)
式中RH为氢原子的里德伯常数。
从图1中可知，从m≥3至n =2跃迁，光子波长位于可见光区，其光谱符合规律?啄=R■（■-■） （m=3，4，5…）
这就是1885年巴耳末发现并总结的经验规律，称为巴耳末系。
2.实验原理：
OMA光路见图2。光源S经透镜L成像与多色仪的入射狭缝S1，入射光经平面反射镜M1转向90°，经球面反射镜M2反射后成为平行光射向光栅G。衍射光经球面反射镜M3和平面镜M4成像于观察屏P。由于各波长光的衍射角不同，P处形成以一波长λ0为中心的一条光谱带，使用者可在P上直观地观察到光谱特征。转动光栅G可改变中心波长，整条谱带也随之移动。多色仪上有显示中心波长的波长计。转开平面镜M4，可使M3直接成像于光电探测器CCD上，它测量的谱段与观察屏P上看到的完全一致。
由于Hα线波长为656.28nm，Hδ波长为410.17nm，波长间隔246nm超过CCD一帧159nm范围，无法在同屏中观察到，故需分两次观察测量。第一次测量Hβ、Hγ、Hδ三条线，第二次单独测量Hα线。第一次测量使用汞灯的546.07nm（绿光）、435.84nm（蓝光）、404.66nm（紫光）三条谱线作为标准谱线手动定标；第二次用汞灯的546.07nm（绿光）、576.96nm（黄光）、579.07nm（黄光）及三条紫外光的二级光谱线312.567×2=625.13nm、313.17×2=626.34nm、334.17×2=668.34nm来定标。
3 实验步骤：
1)将多色仪起始波长调到390 nm、入射狭缝S1的宽度为0.1mm。
2)用笔形汞灯作光源，调节L·S与多色仪共轴，并令光源S成像于入射狭缝处，这时在多色仪的观察屏P上观察到清晰、明亮的水银谱线。
3)转动M4使光谱照到CCD上，调节入射狭缝，使谱线变锐。选择适当的曝光时间以获得清晰、尖锐的谱线。由于谱线强度不同，对不同的谱线可选用不同的曝光时间。
4)用水银的几条标准谱线定标，使横坐标表示波长（nm）。
5)改用氢灯，转动M4，使谱线成像于观察屏P上，调节氢灯的位置，使谱线强度为最强。
6)转动M4，测量Hβ、Hγ、Hδ线的波长。
7)将多色仪的起始波长调至540nm，用汞灯定标后，测出Hα线的波长。
4 实验数据及处理： 图3（a）中1、2、3号谱线对应氢光灯Hβ、Hγ、Hδ三条线;（b）中1号谱线对应Hα线
实验数据记录如下表 以δ为纵坐标■-■为横坐标经过Origin拟合后，可见斜率即为里德伯常量RH=1.10215×107 ，与标准值的相对误差仅为0.435％。
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）16-0050-02
红外光谱作为有机化合物、高聚物结构研究、纺织助剂分析鉴定等强有力的工具，在日常分析和科学研究中已得到广泛地应用，特别是随着现代科学技术的发展，红外光谱仪器测试的先进性、快捷性、准确性得到了很大提升，因此，它已成为科学研究必不可少的工具[1]。红外光谱课程是化学类相关专业的工具课，但是，以往的教学并没有针对不同专业学生的知识背景，采用相应的教学模式，这造成理论教学与实际应用的衔接不连贯，致使学生在学习时比较困难，思路不清[2]。同时，不同班级以及班级内学生之间差异较大，表现在知识水平、学习风格、学习兴趣等多方面，而在实际教学中如何根据学生的个体差异以及非智力因素，制定具有特色的教学内容及方式，对于提升整体教学质量具有重要意义。鉴于此，本文就红外光谱的教学提出了特色化改革方案。
一、依据专业背景特色，调整教学内容，激发学习兴趣
红外光谱分析课程是面向应用化学、轻化工程、制药工程、化学工程与工艺等专业本科生和研究生开设的专业必修课，旨在通过学习本课程，使学生了解红外光谱测试仪器、方法和技术在相关学科领域中的基本应用，了解并初步掌握仪器的基本原理、操作技术和实际应用，培养学生在科研工作过程中综合运用现代分析测试方法和技术解决实际问题的能力。由于各个专业的培养目标差异较大，学生的知识背景、智力水平以及学习兴趣也各不相同，因此，在红外光谱教学过程中，应根据这些差异，适当调整教学内容，在基础理论讲解完成的前提下，设计具有专业特色的例题，让学生通过较为熟悉的、具有本专业特色的化合物，学习各种化学键及官能团的特征吸收，如学生的有机化学基础薄弱，应适当增加基础知识的讲解，将新知识与基础知识融会贯通，便于学生理解新知识，并学会应用基础知识，达到学以致用的目的；同时，将所选择的化合物与日常生活和工作相联系，让学生深切体会红外光谱课程在今后学习和工作中的应用价值，激发学习兴趣。
二、改进教学手段和方法，提高教学效率
随着计算机技术的发展，基于多媒体技术的课堂辅助教学日益加强。多媒体技术可以根据教学目标和教学对象的特点，通过教学设计、合理选择和运用现代教学媒体，并与传统教学手段相结合的方式，形成合理的教学过程，使学生在最佳的学习条件下进行学习[3]。例如：在讲解红外光谱仪器的基本原理中，一味的口述很难讲解清楚，而板书讲解速度较慢，此时将多媒体技术引入，很容易将仪器原理以及光路系统形象化，便于学生对知识点的理解与运用。再如：红外光谱中化学键的特征频率是个很重要的概念，而化学键的特征频率是红外光谱解析的基础，学生在初学时，总觉得化学键的吸收频率范围难以记忆，因此在讲解双原子分子振动时，将谐振子模型形象化，通过公式推倒，让学生深刻理解化学键的特征频率是与化学键本身的性质以及原子的折合质量有关，在后续的教学中以相同的方式讲解特征区、指纹区以及影响吸收峰位的几个因素，从而让学生将知识前后联系，加深理解。
在红外光谱教学过程中，引入多媒体技术可使教学化静为动，更加形象，同时又寓教于乐，增加感染力，而且，有利于培养和激发学生的学习兴趣，；有利于学生对知识点的理解和记忆；还能节省传统的板书时间，拓宽知识面，增加信息量，提高学习效率。
三、结合实验教学，提升实践能力
红外光谱是一门应用型课程，实验教学占有很重要的地位。掌握实验操作，通常是化学及其相关学科的大学生和研究生必须的技能之一[4，5]。
在红外光谱实验教学中，首先应让学生了解红外样品以及红外谱图的基本要求，讲解红外光谱的适用范围，气体、固体、液体样品的制样方法，仪器的操作方法以及复习红外谱图解析的基本步骤，期间穿插生动的正反实例，如样品浓度过大或过小时的处理方法，压片过厚或过薄可能产生的后果及处置方法；然后，指导学生具体的实验操作，包括盐片的处理、玛瑙研钵使用的注意事项、可拆卸液体池的组装、各种样品的制作方法、仪器软硬件操作及注意事项等；最后由学生亲自动手完成实验，并对实验数据进行处理，采取小组讨论的形式，让学生阐述各自谱图的解析过程以及制样过程中的心得和体会，诸如：实验各步骤的操作要领和注意事项，谱图解析式如何对所测得的化合物红外吸收峰进行官能团的归属、推断分子结构等，同时，引导学生了解小分子谱图与高聚物谱图的差异，理解红外光谱的优缺点，通过实验教学切实提高学生的实践能力。
四、结合科研项目，提升创新能力
本课程是化学相关学科的工具课，在科学研究中具有很强的实际应用价值，因此在教学中结合科研项目，有利于提高学生的创新能力。在教学过程中搜集相关教师承担的科技服务课题，结合红外光谱的优缺点分析，不仅可以提高授课水平和学生的兴趣，同时也要阐明对于特殊样品，尤其是未知混合物分析，由于可能包括多种化合物，甚至是高分子材料，如简单通过红外光谱确定其分子结构，较为草率。例如，纺织助剂是纺织品生产加工过程中必须的化学品。纺织助剂对提高纺织品的产品质量和附加价值具有不可或缺的重要作用，对提升纺织工业的整体水平以及在纺织产业链中的作用是至关重要的。纺织助剂产品约80%是以表面活性剂为原料，约20%是功能性助剂。对于这样一个混合物的剖析与制备，需要大量的分离、分析工作，其中红外光谱的测试与谱图解析起到了重要作用，但是对于混合物的解析不能只用单一的红外光谱测试，而往往需要多种分析测试手段相互佐证，以精确化合物的结构。将红外光谱教学与类似的科研项目相结合，不仅可让学生切实理解红外光谱的优缺点以及应用范围，而且可让学生理解在实际科研与日常工作中，往往需要多种分析手段相结合，如Raman、XPS等分析技术，甚至是实践经验，对样品结构进行深入分析。
五、结语
通过红外光谱的特色化教学，我们取得了较好的教学效果，主要体现在：学生学习兴趣明显提高，课堂氛围良好；学生对红外光谱基础知识以及解谱方法的了解和掌握较扎实；学生熟悉了红外光谱制样、测试方法；学生对红外光谱在工作和科研中应用的优缺点有了进一步的理解，为后面的应用打下了较好的基础。在进一步的教学改革中，拟将红外光谱教学与大型综合实验相结合，针对性地设置相关的合成与测试表征实验，将多种分析技术相结合，切实提高学生对红外光谱的理解和实际应用能力。
参考文献：
[1]李润卿.有机结构波谱分析[M].天津：天津大学出版社，2002.
[2]刘祖华.从“消极差别化”到“积极差别化”——义务教育资源配置政策的创新逻辑[J].武汉理工大学学报（社会科学版），2008，2：268-273.
1．1在病原微生物检测中的应用
微生物细胞膜表面有大量已知的生化成分可以看作是微生物的特征性标志，因而可以作为菌种快速识别和鉴定的判断标准。利用拉曼光谱可以在不依赖培养基的情况下直接对患者体内分离下来的或实验室中保存的单一菌种或混合菌群进行快速鉴别及分析［8］。美国华盛顿州的研究人员利用拉曼光谱对从临床患者和医院环境中分离得到的7株副溶血弧菌进行了分析，结果发现7株菌株都有其各自不同于其他菌株的特征峰。他们还将其中2株副溶血弧菌菌株分别按照1∶2、1∶1和2∶1的比例混匀后分别利用拉曼光谱检测，结果显示可以通过2株细菌各自的特征峰将两者明确区别开来，其中一株副溶血弧菌的特征峰出现在了1002cm－1、1177cm－1和1532cm－1处，而另一株副溶血弧菌的特征峰却分别出现在了525cm－1、738cm－1、1319cm－1和1639cm－1处，证明拉曼光谱无论在单一菌种标本还是混合菌群标本中均具有良好的分析鉴定能力［9］。另有研究发现结合使用拉曼光谱和化学计量法可以鉴别微生物的种类及各自血清型，已有实验利用银纳米颗粒作为基底对绿豆芽中的李斯特菌、霍乱弧菌、金黄色葡萄球菌等6种食物源性致病菌进行了拉曼光谱的鉴定和区分［10］。有研究报道对日常生活中主要的食物源性致病菌进行了拉曼光谱分析，从而对细菌进行等级划分，第一级便是区分革兰阳性菌和革兰阴性菌，另外通过各自特征峰区别不同细菌菌属，结果显示各级的识别结果准确度均在91％以上［11］。利用拉曼光谱技术与微流控芯片相结合的办法，毛丽华等人设计并建立了拉曼光谱－微流控芯片自动化检测系统，检测并统计了珠蛋白生成性障碍贫血型红细胞与健康人红细胞的拉曼光谱值，通过在1004cm－1、1130cm－1、1450cm－1等拉曼光谱特征峰的数据对比，发现了珠蛋白生成障碍性贫血型红细胞的血红蛋白宽度较健康人红细胞广，并以此发现了新的快速、便捷的检测珠蛋白生成障碍性贫血的检验医学技术。另有研究者也利用拉曼光谱技术与微流控芯片相结合的办法从十多种细菌混合的菌群中对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌进行了快速分析研究。结果表明耐甲氧西林金黄色葡萄球菌较其他细菌有其独特的拉曼波峰，并且整个检测过程用时只需20s时间，在检验精度上也与传统PCR技术、免疫学检测技术所得到的结果相似［12］。该方法简便快速，安全可靠，非常适合用于卫生稽查部门的快速检验。
1．2在肿瘤检验中的应用
目前在全世界范围内依然没有很好的针对肿瘤的治疗手段，肿瘤的分期对预后起着决定性的影响，那么对肿瘤的早发现、早诊断、早治疗就摆在了尤为突出的地位［13］。在肿瘤组织中，在细胞发生病理学手段可观测到的形态恶变之前，其实已经存在由细胞增殖分裂分化或一些信号蛋白的产生等引起的细胞中遗传物质、蛋白质和脂类的结构和含量改变，而这些细微的改变可以及时通过拉曼光谱检测反映出来［14］。因而在肿瘤检验中拉曼光谱技术具有传统病理学检测所无法替代的功能用途，对肿瘤的早期诊断有巨大帮助。实验证明拉曼光谱可用于癌变组织与正常组织的鉴别。早在1991年就有人率先对拉曼光谱的肿瘤检验学价值进行了报道。他们发现正常乳腺组织与肿瘤组织甚至良性肿瘤与恶性肿瘤的拉曼光谱在700～1900cm－1存在着明显差别，且对应的各自拉曼峰相对强度也存在显著差异［15］。从此掀开了拉曼光谱应用于早期肿瘤诊断的新时代。Gawinkowski等［16］对拉曼光谱技术进行改进设计了快速近红外拉曼光谱检测系统，进一步提高了检测效率，可在5s内快速测得活体皮肤的拉曼光谱。随即该科研团队利用此系统对肺癌组织进行拉曼光谱检测，结果显示肺癌组织的拉曼光谱特征与正常肺组织之间存在明显差别。此后，该科研小组又成功获得了亚洲人种皮肤黑色素组织的拉曼光谱数据。在对胃癌的在体拉曼检测中研究人员将拉曼光谱技术与微型摄像机、图像分光仪、双极管激光发生器等结合建立了新型拉曼内镜系统，也推动了内镜技术的发展［17］。有学者利用激光作为拉曼光谱的激发光源，对15例手术切除且经病理确诊为基底细胞癌的组织标本进行拉曼照射，同时与正常皮肤组织进行对比分析，结果显示通过拉曼光谱检测可以实现对基底细胞癌的高灵敏度诊断［18］。在对鼻咽癌组织和正常鼻咽组织的拉曼光谱比较中也有相似发现，它们在1290～1320cm－1，1420～1470cm－1和1530～1580cm－1这3处波段区间均存在明显特征差异，可以作为鉴别要点。另有研究人员选用830nm波长激光对甲状旁腺腺瘤组织标本及增生组织标本中的结节区域进行拉曼照射，重复了四十多次试验，比较发现二者的拉曼光谱比较相似，但在蛋白质、脂质等某些特定波段仍存在可区别的差异，建立线性分析的数学模型可以很好地将二者区别开来［19］。对人体多处肿瘤组织的拉曼检测均得到了较好的鉴别指标，预示着拉曼光谱在肿瘤学检验中将有宽广的发展空间。
1．3在药物分析检测中的应用
拉曼光谱较早即应用于药物检验领域。早期便有科研人员用共聚焦拉曼光谱仪对盐酸曲马多进行了检测，所获得的拉曼谱带显示图谱峰形良好，峰强明显，可以较准确地反映出盐酸曲马多的化学结构信息［20］。研究人员分析了倍他米松磷酸钠和地塞米松磷酸钠这两种差向异构体的化学结构差异，分别对其固态及水溶饱和态进行了常规拉曼光谱检测，并进一步对以银胶为基底的这两种药物进行了增强拉曼光谱检测分析，成功建立了这两种差向异构体的拉曼区分系统，可以实现其快速区分鉴别的目的［21］。科研人员采用傅里叶变换拉曼光谱法对不同产地且不同采集时间的野生及人工种植黄芩进行了分析研究，结果显示利用该方法对中药材的质量鉴定较传统鉴别方法更快速简便且不会对受检样品造成破坏，值得推广。有学者在前人基础上开创性地将拉曼光谱技术与光纤传感技术相结合，实现了甲硝唑片的快速无损鉴别，尤其适合于药品监管部门对药品快速检验。
1．4在眼部疾病检验中的应用
晶状体是一具有高浓度蛋白质的双凸面透明组织，其内蛋白变化对晶状体功能改变具有决定性作用，对人眼屈光调节也有重要意义。利用拉曼光谱对晶状体蛋白质的亚结构例如：氨基酸亚基、二硫键、羧基、巯基等的分析可以帮助人们更好地认识晶状体及其调节模式。拉曼光谱技术引入眼部疾病的研究首先是测定了牛晶状体中α、β和γ蛋白的拉曼图谱，结果显示α蛋白主要集中于核部而β蛋白主要集中于皮质部［22］。Short等［23］测试了紫外线诱导下的兔白内障晶状体拉曼光谱，结果显示氨基酸残基中的羟基谱线强度显著增加，无法与水形成氢键，从而科学地解释了白内障晶状体中水分的缺失。与此同时，研究中发现了多肽水解物的组成成分邻氨基苯甲酸，暗示着光化学反应可以造成色氨酸残基的下降。综合现有发现，他们提出了紫外线诱导白内障发生的热损伤学说。研究人员测试了诱发哺乳动物白内障的致病性光谱，以6月龄家兔为阴性对照组，以7月龄糖尿病家兔为糖尿病组，对比发现在900～1700cm－1，并无明显差异，而在800～850cm－1两组差异明显［24］。分析后认为诱发晶状体混浊的主要原因是α、β和γ晶体蛋白的不良聚合反应。
1．5在骨科疾病检测中的应用
绝大部分生物样本都有自体荧光，而荧光的强背景会对拉曼光谱造成很大的干扰，从而影响拉曼光谱的准确性。虽然关于引起骨组织光谱背景的物质尚不明确，但很有可能是一些有机基质中的某些非胶原蛋白分子［25］。如果在未处理的情况下，利用拉曼光谱对骨组织的检测很不准确。随后熊义等［26］发现了通过双氧水法降低骨组织光谱背景的方法，从而为拉曼光谱在骨组织中的研究打开了大门。骨组织在发育成熟后其密度与硬度即随生物力学环境的改变而改变，称为骨重建。在人体整个生命进程中，骨质会伴随着有所改变，利用拉曼光谱可以对这一过程进行深入研究。一旦吸收与沉积的动态平衡被打破，则会造成不同类型的骨科疾病。Oshokoya等［27］建立了以拉曼光谱为研究手段的外力作用下的颅缝早闭模型，研究内容涉及颅骨成分、骨质及基质的相对含量和分布。颅缝早闭症是一种由多病因造成的颅缝发育异常综合征，在婴幼儿属于常见疾病，由于颅缝过早闭合，限制了颅腔的容积，不利于智力的发展。结果显示在非轴向压力的作用下成骨区的前端矿物含量相比无压力的状态下有所下降，其原因可能是矿物沉积不完全［28］。在成骨不全症的研究中，有学者利用拉曼光谱证实了成骨不全症小鼠在6月龄后的骨强度增长不是由于骨形态改变引起的，而是由于骨基质的改进而达成的［29］。
