2024年4月23日（周二）晚19:30-21:00，南京大学校友终身学习辅助计划"诚计划"第97期《光谱分析的前世今生》，在南京大学"暾学堂"开讲。
本次讲座的主讲人是南京大学教授、博士生导师，国家杰青、英国皇家化学会会士王伟教授。王教授从事光谱成像分析等领域的研究，曾获中国青年科技奖、中国化学会青年化学奖、中国颗粒学会青年颗粒学奖、江苏省双创团队领军人才等学术奖励和荣誉。
世界的丰富性展现在她的色彩之中，我们用双眼去体验光与彩的变换、探索自然的奥秘。此次报告介绍人类在认识和利用光谱的过程中的早期努力，着重讲述光谱分析方法在临床检验、法医分析、文物鉴定、资源勘查等领域的前沿应用，以及在天文学和生命科学基础研究中发挥的巨大作用。
王教授围绕光谱分析简介、光谱分析的早期发展阶段、光谱分析的主要应用等三个方面和大家进行分享和探讨。
王教授首先从我们日常生活场景三棱镜入手，介绍光谱分析是关于颜色的分析化学，利用颜色进行物质的定性和定量分析。光谱分析主要做两件事：1、定性分析，回答物质是什么。通过测量发射光谱，比较已知的各种元素的发射光谱的行为，通过光谱峰的位置来进行物质定性。2、定量分析，通过光谱峰的强度进行定量分析。
讲座的第二部分，回顾了光谱分析的早期发展阶段，主要介绍光谱学发展的三个里程碑事件和光谱研究所采用的光电技术。
光谱学发展过程三个里程碑事件。
1、白光分解与复合
1665年，白光的分解与复合实验，宣告了光谱学的诞生。1666年，牛顿发现，如果将一枚棱镜置于一个光源和一块屏幕之间，就会看到彩色的映像。因此，他推断太阳光是由不同折射系数的光线组成的，不同的折射系数决定了这些光线的颜色。
2、红外线与紫外线的发现
1800年，英国天文学家赫舍尔发现，对处在太阳光谱中不同部位的辐射温度更高。
赫舍尔重做了牛顿的实验，将白光分解成了赤橙黄绿青蓝紫，形成一个色带。然后，把一个温度计摆在红光的地方，另外一个温度计摆在紫光的地方，然后观察经过一段时间之后哪一个温度计的温度上升的多。经过一段时间之后，他发现放在红光位置的这个温度计温度上升的比较高，而放在紫光这个地方的温度计温度几乎是不变的。
通过这个实验，发现红光让人感觉到温暖，或者说红光具有比较强烈的热效应。赫舍尔又在红光的外边放置一个温度计，结果发现摆在红光的外边肉眼看上去没有光亮的这些地方，这个温度计温度上升的更多。依据这些事实，赫舍尔推断在红端以外的区域有我们看不见的辐射存在，称为红外辐射。
1801年，德国科学家里特根据不同光谱区域的辐射氯化银的分解作用又推断出了紫外光的存在。
今天我们认识到我们所谈的可见光只是广阔的电磁波谱非常狭窄的一段，即700nm-400nm之间的波谱。那整个的光谱刻度有多长呢？光谱能量最高的这一端包括伽马射线、x射线，在它的左端就是波长很长能量很低的这一端，还有波长能够达到几千米射频的无线电波和微波等等一些信号。
3、对光谱的认识：太阳黑线
1802年，英国人wollaston等人，通过引入狭缝和高质量棱镜，观测到太阳光谱的不连续，在其中发现5条暗线。
1814年，物理学家fraunhofer，通过透镜聚焦和衍射光栅，从太阳光谱中发现数百条暗线。fraunhofer得出一个判断，那些暗线应该是太阳所固有的，而不是仪器的缺陷导致的。他将这些线绘成图，并测量了它们的位置和波长，非常精细的描绘了他观察到的太阳光谱的黑线的分布。
1859年，海德堡大学的物理学家kirchhoff和化学家bunsen，尝试光谱测量与化学分析的第一次结合，使太阳光谱黑线得到了完美解释，由此开创了光谱分析这一研究领域。
今天我们认识到太阳光谱当中的黑线，是因为太阳的大气成长，吸收了太阳内核发射的连续光谱，使得这些地方的一些特定波长的光子，不能够穿透太阳的大气层，表现为一个黑线。所以我们可以从分析太阳的黑线，来了解太阳的大气层当中有什么元素。也可以同样的逻辑分析一个遥远的恒星，看这个恒星的光谱当中有些什么样的黑线、哪些位置有一些黑线，从而断定这些恒星的大气的组成。
kirchhoff和bunsen，在光谱分析法的研究上，两人相互合作，取得了重大成果。他们曾指出，一种元素不管存在于何种化合物，即使元素存在的物质在火焰中发生了变化，甚至不管火焰温度、火焰类型是否相同，在这时，某一元素的特征光谱线不会受到以上任何条件的影响，其位置不变。但是，他们又补充说，以上论点并不是说化合物没有自己的谱线。本生和基尔霍夫认为，任何存在的元素，如果其含量太少，用通常分析法不能检测出它们，就可以采用光谱分析法来解决这一难题。
光谱分析所需的设备：光电技术，主要包括如下几类：
1、发光光源
如太阳光、白炽灯（卤钨灯）、气体放电灯（氙灯、汞灯），发光二极管、激光器。
2、分光设备
如棱镜、光栅、干涉滤光片、电光设备。
3、检测器
如肉眼、光电二极管、光电倍增管、卤化银曝光、ccd、cmos。
4、芯片、计算机、数值信号处理、电磁计算与仿真
讲座的第三部分，介绍光谱分析的主要应用。
1、分子荧光：点亮生命的奥秘
荧光，是最重要的一种光谱技术，可用来提高我们观察细胞的对比度。用荧光对细胞进行染色，可以非常清晰地观察细胞的各种生命过程。
分子荧光的三要素：激发（吸收）、发射、光。
发射光的波长比激发光更长，而且不随激发光波长的变化而变化，是荧光最重要的特征。由于激发光和发射光的波长不同，可以使用滤光片滤除激发光背景，获得极佳的信噪比，可以实现高灵敏检测。
2、化学发光：临床检验和法庭医学
化学发光是化学反应过程中伴随的光发射现象。化学反应的产物分子形成的时候处于激发态，返回基态时以光辐射的形式释放能量。化学反应可以发生在烧瓶中，也可以发生在体内（酶催化），即生物发光。无需激发光源。
最有效的化学发光反应与双氧基化合物的分解有关。典型氧化剂如过氧化氢；催化剂如金属离子(co2 、cu2 、fe3 )，过氧化物酶hrp、血红素hemoglobin。比如法医鉴定，在犯罪现场撒上一定的溶液，同时将灯关掉，原来有血迹的地方，就会发出蓝色的光。那是因为这些地方血红素，催化了卢敏诺和过氧化氢的化学发光的反应。
3、拉曼散射：工艺品无损鉴定
拉曼散射成像技术可用于鉴定一个工艺品比如一幅画到底是真品还是赝品。可通过分析画作的各种组成颜料的成分，分析是氧化铅或者氧化钛，这都是表现出白色的颜料。在光谱分析仪器下，你能准确的区分它到底是氧化铅还是氧化。通过结合一些其他的技术，可以推断这幅画到底是年代很久远的一幅真迹，还是近些年刚刚出来的赝品。
王教授的讲解结合实验和应用场景，条理清晰，深入浅出，通俗易懂。讲座最后，王教授针对直播间校友们的提问进行详细的解答，反响热烈。
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供稿：梁惠惠