§6 §6 生物光谱生物光谱

§6 §6 生物光谱生物光谱

§6.1 原子吸收光谱 §6.2 顺磁共振 §6.3 核磁共振 §6.4 原子核的衰变

§6.1 §6.1 原子吸收光谱原子吸收光谱

原子光谱法 根据原子外层电子跃迁所产生的光谱进行分析的方法。

原子吸收光谱法： 基于测量试样所产生的原子蒸汽中基态原子基态原子对其特征谱线特征谱线的吸收，从而定量测定化学元素的方法。测定过程：

光源 原子化器 单色器 检出系统

原子吸收光谱法的基本原理原子吸收光谱法的基本原理共振线吸收线 :

电子从基态跃迁到能量最低的激发态为共振跃迁 ,

所产生的谱线共振线发射线 当电子从第一激发态跃会基态时 , 则发射出同样频率的谱线特征谱线 各种元素的原子结构和外层电子排步不同 , 不同元素的原

子从基态 第一激发态时 , 吸收和发射的能量不同 , 其共振线不同 , 各有其特征性 .

原子吸收法的定量基础 :原子吸收服从朗伯定律： 若将入射强度为 I0 的不同频率的光通过原子蒸汽，

吸收后其透过光的强度 Iv 与原子蒸汽的厚度 b 的关系，服从朗伯定律。

bI0 Iv

原子蒸汽

由于物质对不同频率的入射光的吸收具有选择性，因而透过光的强度 Iv 和吸收系数 Kv 将随着入射光的频率而变化。

v-K bv 0I = I e

Iv 的变化规律 Kv 的变化规律原子蒸汽在 v0

原子蒸汽在 v0 频率处有吸收

中心频率（波长） - 最大吸收系数所对应的频率（波长） 吸收轮廓（半宽度 ） - 吸收系数一半所对应的频率（波长）

I0

I

0

I 与 的关系

原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪火焰原子吸收光谱仪示意图火焰原子吸收光谱仪示意图

光源光源 -- 空心阴极灯空心阴极灯作用：法射待测元素的特征光谱作用：法射待测元素的特征光谱要求：（要求：（ 11 ）发射待测元素的共振线）发射待测元素的共振线 （（ 22 ）发射锐线光谱 ）发射锐线光谱 （（ 33 ）强度大、稳定、寿命长）强度大、稳定、寿命长空心阴极灯：空心阴极灯：

原子化器系统原子化器系统 MM ＊＊

脱溶剂 离解 激发

MX(MX( 试液试液 ) ) MX( MX( 气态气态 ) ) M + X M + X

电离电离

MM++

火焰原子化装置火焰原子化装置

（（ 11 ）雾化器：将试液雾化）雾化器：将试液雾化（（ 22 ）燃烧器：形成火焰，是进入火焰的试样微粒原子化）燃烧器：形成火焰，是进入火焰的试样微粒原子化（（ 33 ）火焰：提供一定能量，促使试样雾滴蒸发、干燥）火焰：提供一定能量，促使试样雾滴蒸发、干燥并经过热离解或还原在作用，产生大量基态原子并经过热离解或还原在作用，产生大量基态原子

燃气助燃气

试样

预混合室

燃烧器

废液排放口

雾化器

火焰原子化装置火焰原子化装置

非火焰原子化装置非火焰原子化装置（（ 11 ）石墨炉原子化器）石墨炉原子化器测定过程：①干燥阶段，②灰化阶段，测定过程：①干燥阶段，②灰化阶段， ③ ③ 原子化阶段，④烧净阶段原子化阶段，④烧净阶段

（（ 22 ）氢化物原子化器）氢化物原子化器

分光系统分光系统组成：组成：分光系统：由色散元件、凹面镜和狭缝组成分光系统：由色散元件、凹面镜和狭缝组成作用：作用：将待测元素的共振线与邻近谱线分开将待测元素的共振线与邻近谱线分开单色器的位置：单色器的位置：放在原子化器后的光路中放在原子化器后的光路中检测系统检测系统组成：组成：检测器、放大器、读数和记录系统检测器、放大器、读数和记录系统

电子顺磁共振及其生物学中的应用

电子顺磁共振（ Electron Paramagnetic

Resonance 简称 EPR ）处于两能级间的电子发生受激

跃迁，导致部分处于低能级中的电子吸收电磁波的能量跃迁到高能级中 --------电子顺磁共振现象。

Bg B

电子顺磁共振波谱仪

§6.2§6.2 顺磁共振顺磁共振

在实际应用中，谁磁性原子当中的电子常会受到临近原子的影响，这时，在同一磁场下，原子的能级分裂的宽度可能是不等间隔的，由于每一个能级会产生一个共振峰，因此，调节B会产生不同的共振峰。出现多个共振峰成为波谱的精细结构，显然，根据共振普可以探知顺磁性原子的能级结构以及受环境因子的影响。

一般说来，共振峰下的面积有能够产生共振的物质所决定，据此，如果利用含有已知浓度的摩物质的共振峰作为标准，就可以根据共振峰面积的大小来估测物质的浓度。

对于生物体中的铜和非血铁红素，它们在可见和紫外区不吸收辐射，但其氧化态却能产生 EPR ，因此利用这些 EPR信号的出现与否可以检查和诊断癌症。

顺磁共振是研究具有未成对电子的物质，如配合物 . 自由基和含有奇数电子的分子等顺磁性物质结构的一种重要方法，它又称为电子顺磁共振（ EPR ）或电子自旋共振（ ESR ）。电子的自旋磁矩 μs 在磁场方向的分量 μsz 为

式中 g 为电子自旋因子， m s 为自旋磁量子数，取值为 ±1/2 ， βe 为玻尔磁子。

顺磁共振吸收频率 ν 和磁感应强度 B 的关系为：

SZ S egm

1/ 2, 1/ 2 / 2

1/ 2, 1/ 2 / 2

s e

s e

m E g B

m E g B

eh g B

若顺磁共振仪选用 B=0.34T ，对于 g=2 的物质，顺磁共振吸收频率为：

⑴测定自由基的浓度⑵测定未成对电子所处的状态和环境⑶测定 g 值，了解配合物的电子组态

顺磁共振法应用 :

99.527 10 Hz

原子和原子核的大小：

卢瑟福原子模型（核式结构模型）

在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕核旋转，原子的核式结构学说可完满解释α 粒子散射实验。

原子核大小约 m

原子核的结构

§6.3 核磁共振

15 1410 ~ 10

原子的核式结构的发现：

电子的发现：汤姆生发现电子，电子是原子的组成部分 汤姆生原子模型：（枣糕模型）

原子是一个球体，正电荷均匀分布，电子象枣糕的枣子嵌在原子里

α 粒子散射实验 :

①绝大多数的 α 粒子不发生偏转；②少数 α 粒子发生了较大偏转；③ 极少数 α 粒子出现大角度的偏转。（甚至被反弹回来）实验结果与汤姆生模型推出来的结果根本不符合

玻尔的原子模型、能级：

原子发生定态跃迁时，要辐射（或吸收）一定频率的光子。即

原子的能量状态量子化和对应的可能轨道分布量子

化。即

原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽绕核运动，但并不向外辐射能量，这些状态称为定态。

（ n=1,2,3…… ）

其中

hv E E 初 末

2 11 2,n n

Er n r E

n

101 10.53 10 , 13.6r m E ev

能级

能级的概念：原子的各个定态的能量值叫做它的能级。能级的跃迁原子处于基态时稳定，处于激发态时不稳定，总有跃迁到基态的趋势。原子从末能级跃迁到另一能级的过程叫能级的跃迁。从较低能级跃迁到较高的能级是吸收能量的过程；从较高的激发态向较低的能给跃迁是辐射能量的过程。这个能量以光子的形式辐射出去这就是原子发光现象。

衰变

α 衰变：

β 衰变：

β ＋衰变：

原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化称为衰变

注意：衰变方程中两边的质量数和电荷数都守恒。

半衰期放射性元素的原子核有半数发生了衰变需要的时间 T叫半衰期

4 42 2

A AZ ZX Y He

01 1

A AZ ZX Y e

01 1

A AZ ZX Y e

原子核的人工转变

用人工的方法使原子核发生变化的过程称为原子核的人工转变

质子的发现 卢瑟福用 α 粒子轰击氮，获得氧和质子，核反应方程为：

中子的发现 查德威克用 α 粒子轰击铍，得到中子射线，核反应方程为：

14 4 17 17 2 8 1N He O H

9 4 12 14 2 6 0Be He C n

核能

核力和核能由于核子之间存在核力，所以原子核分裂成核子需要吸收能量，而核子结合成原子核需要放出能量，这叫原子的结合能，称为核能。

质量亏损 △m ＝ m1 － m2

组成原子核子的质量与原子核的质量之差（或者参加核反应的原子核总质量与生成新原子核的总质量之差）叫质量亏损 ; 原子核的质量亏损并不破坏质量守恒定律，光子具有动质量，与损失的质量相当。　　　爱因斯坦质能方程──核能的计算爱因斯坦以相对论中得出了质量和能量之间有如下关系：

（ E 能量， m 质量， c 光速）这方程表明了：物体的质量跟它的能量有一定的联系即物体具有的能量与它的质量存在着简单的正比关系。

核子结合成原子核时出现了质量亏损 ( m)△ ，正表明它们在互相结合过程中放出了能量 ( E)△ 。△ E 与△m之间的关系也符合质能方程：　△ E＝△mc2

当△m ＝ 1u 时△ E ＝ 931.5Mev 记作 1u ＝ 931.5Mev 。表示 1u 的质量 (1.66×10 － 27kg) 与 931.5Mev 的能量相联系。　　 重核的裂变：　中子轰击重原子核分裂成中等质量的核，这种核反应叫裂变。　　　　　　　　　　

2E mc

链式反应 发生裂变放出中子，如果这些中子使裂变反应不断地进行下去，这种反应叫链式反应。 轻核的聚变轻核结合成质量较大的核叫做聚变。核反应方程为：

轻核聚变的条件 距离在 10-15米，即在核力的作用范围内，利用原子弹引起热核反应（氢弹就是这样制造的）从而实现轻核的聚变。

2 3 4 11 1 2 0H H He n

核磁共振核磁共振 核自旋由核自旋量子数 I及核自旋磁量子数 mI描述 . 核自旋角动量大小（ MN ）决定于 I的数值

I为整数或半整数：质量为偶数 , 质子数为奇数的核， I=1 ， 2 ， 3 ， 4 ，…；质量和质子数都为偶数的核，I=0；质量为奇数的核， I为半整数 .核自旋角动量在z 轴上的分量 MNz 由 mI决定

( 1)2N

hM I I

2

: , 1,..., 1,

ZN I

I

hM m

m I I I I

核磁矩 μN 和核自旋角动量 MN 的关系为

式中 m P 是核的质量， gN 是核的 g 因子

2

( 1)4

( 1)

N N NP

NP

N N

eg M

m

ehg I I

m

g I I

19 34

27

27 1

/ (4 )

(1.6022 10 ) (6.626 10 )

4 (1.6726 10 )

5.051 10

N Peh m

C J s

kg

J T

核磁子

将外磁场 B 加在含有自旋磁矩不为零的核的样品上，核磁矩 μN 与 B 互相作用，将产生核磁偶极能量 E

式中核磁量子数 mI 可能取值为 -I ，…， I。对质子1H ， I=1/2 ， mI 可为 -1/2 和 1/2 。

cos

.

2

2 2

Z

N

N

N NP

N IP

N N I

E B

B

eE g M B

m

e hg m B

m

g m B

式中 是 和 的夹角

跃迁选律为：⊿mI=±1 ，所以 ν 为

若外磁场为 1T ，则 1H 核的吸收频率为

这个频率位于电磁波的射频部分 .

N NE g B

h h

27

34

5.586(5.051 10 / )(1 )42.576

6.626 10 Z

J T TMH

J s

核磁共振应用简介核磁共振应用简介

Information:Larmor 频率 原子核化学位移 : 结构测定 (功能团 )J-偶合 : 结构测定 ( 原子的相关性 )偶极偶合 : 结构测定 ( 空间位置关系 )

弛豫 : 动力学

1H

13C

CH3

>C=CH-H

HC

CCH

HH

H

D

JHH

HC

JCH

C >C=C<CH3

1.21.41.61.82.02.22.4 ppm

ppm

1.01.21.41.61.82.02.22.4 ppm

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2.0

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

分辨率可通过提高外磁场强度和增加谱图的维数而提高 . nD NMR (n=2,3,4)

1D 谱

2D ( 轮廓图 )

NMR NMR 谱仪谱仪

FM Audio

反馈

600

谱仪

NMR NMR 谱仪谱仪

600 MHz

磁体

探头 机柜

RF 产生

RF 放大

信号检测

数据采集控制

数据信息交流

运行控制

磁体控制

前置放大器

计算机

数据储存 ;数据处理 ;总体控制 .

NMR NMR 谱仪谱仪 :: 机柜机柜

AQX(Digital)

CCUTCUFCURCU

VT unit

BSMSshimlockCCU

AQRASU

RouterACBADCRX22

Amplifier

Amplifier

PTS

NMR NMR 谱仪谱仪 : : 探头探头

RF 接口

RF 线圈+调谐元件( 电容器 )

HelmholtzSolenoid

RF-Coil in NMR ProbesRF-Coil in NMR Probes

磁共振成像术在医学诊断中的应用，是经 CT 后在放射学领域中又一重大成就。核磁成像的物理基础是核磁共振，简称 NMR 或 MR 。它根据在某些物质的原子核内有单数的质子或中子，有可以测量出来的微量磁力，由于人体内有大量的氢离子、 H 核 ( 质子 ) ，是目前被选为做NMR 检查的物质。当这些有磁力的原子核被置于强磁场内时，它们就围绕磁力作旋转运动，各种不同组织的 H‘浓度不同，经过数据处理，这样就使组织的 NMR 图像呈现出不同的灰阶。 MRI 成像具有参数多，软组织分辨能力高，并可随意取得横断面、冠状面、矢状面断层图像，且无辐射损害等独特优点。

磁共振成像术

髋臼及股骨头小片骨折

桡骨远端骨折

高分辨魔角旋转光谱高分辨魔角旋转光谱High Resolution MAS SpectroscopyHigh Resolution MAS Spectroscopy

魔角旋转已被广泛应用在非固体物质的研究中 ,此一技术称为高分辨魔角旋转光谱(Hr-MAS)

combinatorialchemistry

biopsytissues

smallsamples

swollenpolymers

plant,food,soil

metabolismstudies

TLC,electro-phoresis

lipids,membranes

在固体中自旋之间的耦合较强，共振谱较宽，掩盖了其他精细的谱线结构，耦合能大小与核的相对位置在磁场中的取向有关，其因子是 (3cos2β-1) ，如果有一种方法使 β=θ=54.440 （魔角），则 3cosβ-1=0 ，相互作用减小，达到了窄化谱线的目的。魔角旋转技术就是通过样品的旋转来达到减小相互作用的，当样品高速旋转时 β与 θ 的差别就会平均掉。

6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 ppm

当 样品具 有 一 定 的流动性虽能平均掉相当 一 部 分固体具有 的 各向异性 ，但仍不 能达到 象 液体那样 的 分辨率．魔角旋转可以用来平均掉剩余的 线 宽 而接近 液体谱 图 中 的线宽．

液体探头20 Hz || B0

500 MHz 脂肪瘤组织（ human Lipoma tissue ）的氢谱

ＭＡＳ探头5KHz 在魔角

狗的血样品

1H-CPMG- 谱使用 400 MHz HR-MAS （上谱）１２微升样品

hr-MAS 给出更高的分辨率

800 MHz 标准 5mm 探头（下谱） 350 微升

hr-MAS hr-MAS 系统系统

dp 350 vd 4000

bp 1200 va 4000

Accustar

pulse

blank

15V

prot

reset

自动进样器

Sample changer

梯度场放大器GradientAmplifier

气动单元Pneumatic Unit

hr-MAS 探头

转子

转子转移管Rotor transfer tube

hr-MAS hr-MAS 在生物组织的应用在生物组织的应用

受控的细胞与组织的1H-HR-MASCPMG-谱

400 MHz转速 4000Hz

hr-MAS hr-MAS 活体样品的应用（活体样品的应用（ living white living white wormworm ））

Avance 400, 将活的白蠕虫（ enchytraeid) 放在 4mm 转子的盛有容剂　 的容器中 ,

氢谱： cpmg 40 msec, 3200Hz 转速，容剂 9 ０ %H2O/１０ % D2O ．

预饱和ＴＯＣＳＹ谱：3200Hz 转速，容剂9 ５ %H2O/ ５ % D2O

0

25

50

75

100

125

150

ppm

12345ppm

6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 ppm

脂肪瘤组织（ Lipoma tissue ） 的 500 MHz 1H-13C 梯度 -HMBC 谱 MAS 5 kHz; 1 ms 正弦梯度脉冲（ 25G/cm ） . (sample courtesy of Dr. Singer, Brigham and Women’s Hospital).

hr-MAS hr-MAS 在生物组织的应用在生物组织的应用

§ 6.4 原子核的放射性衰变§ 6.4 原子核的放射性衰变 放射性衰变 放射性衰变

如：

重原子核的裂变和轻原子核的聚变都是在一定条件下完成的。事实上绝大多数原子核的同位素不稳定，会自发地衰变为另一种同位素，同时放射出各种射线。

衰变：自发放出氦核

居里 居里夫人

226 222 488 88 2Ra Rn He

- 衰变：

衰变：

电子俘获：

放出电子、反中微子

放出正电子、中微子

一个质子变为中子，放出中微子

衰变

14 14 06 7 1 eC N e v

50 50 023 22 1 eV Ti e v

50 0 5023 1 22 eV e Ti v

0MeV

Co6027

2.50MeV

1.33MeV

Ni6028

衰变：处于激发态的原子核不稳定，要向低能态跃迁，放出 光子。

当原子核发生 衰变时，往往衰变到另一原子核的激发态。

放射性衰变定律放射性衰变定律

半衰期 T1/2 ：

原子核的衰变服从一定的统计规律

-dN = N dt (负号表示原子核数目在减小 )

002

tNN N e

1/2

2 0.693InT

N=N0e (N0 为 t=0 时刻原子核的数目）t

设在 t t+dt 时间内有 dN 个原子核发生 衰变， dN 与当时存在的原子核数 N 成正比，与时间 dt成正比。

N/N0

t

1.0

0.5

0.25

T 2T

放射性原子核的指数衰变规律

1932年，居里夫妇用 α 粒子轰击铍，铝，硼等元素，发现了前所未有的穿透性强的辐射，后来被确定为中子流。

1934年，查德威克在用 α 粒子轰击铍，铝，硼等元素，除了测到中子流外，还探测到了正电子。

有些同位素具有放射性，叫做放射性同位素

放射性同位素

27 4 30 113 2 15 0Al He P n 30 30 0

15 14 1P Si e

放射性同位素同位素的应用放射性同位素同位素的应用

放射性同位素在农业、医疗卫生、和科学研究等放射性同位素在农业、医疗卫生、和科学研究等许多方面得到了广泛的应用．其应用是沿着利用它的射许多方面得到了广泛的应用．其应用是沿着利用它的射线和作为示踪原子两个方向展开的．线和作为示踪原子两个方向展开的．

放射性的应用

射线应用

示踪原子

探伤仪

培育新种

保存食物

消除有害静电

消灭害虫

治疗恶性肿瘤

农作物检测

诊断器质性和功能性疾病

生物大分子结构及功能研究

食品保鲜

棉花育种 放射性同位素造影术

粮食保存

“ 放疗”治疗

放射线测厚仪

作为示踪原子

利用同一种元素的化学性质与其放射性同位素的化学性质完全相同，可以用放射性同位素代替非放射性同位素制成各种化合物，这种化合物的化学性质不发生变化，但它却带上了“放射性标记”，用放射性探测仪就可以探测出来，这种用途的放射性同位素叫做“示踪原子”

放射性污染和防护放射性污染和防护过量的放射性会对环境造成污染，对人类和自然界过量的放射性会对环境造成污染，对人类和自然界产生破坏作用．产生破坏作用．

20世纪人们在毫无防备的情况下研究放射性

遭原子弹炸后的广岛

放射性污染和防护放射性污染和防护

为了防止有害的放射线对人类和自然的破坏，人们为了防止有害的放射线对人类和自然的破坏，人们采取了有效的防范措施：采取了有效的防范措施：

检测辐射装置

全身污染检测仪

辐射检测系统

辐射源的存放

铀

放射性污染和防护放射性污染和防护

核电站的核反应堆外层用厚厚的水泥来防止放射线的外泄：核电站的核反应堆外层用厚厚的水泥来防止放射线的外泄：

参考书目参考书目光学教程（第 4 版） ( 姚启钧 ) 高等教育出版社近代物理学 王永昌 高等教育出版社电磁学 赵凯华 高等教育出版社固体物理学 黄昆 高等教育出版社生物物理学 赵南明 周海梦 高等教育出版社生物物理学 丘冠英 彭银祥 武汉大学出版社生物物理学 林克春 华中师范大学出版社生命科学中的物理学 甘子钊 北京大学出版社