可見(jiàn)分光光度計(jì)光學(xué)發(fā)展史
一、可見(jiàn)分光光度計(jì)概述
可見(jiàn)分光光度計(jì)是一種檢測(cè)物質(zhì)濃度的主要儀器,用于分析各種化學(xué)物質(zhì)、生物物質(zhì)和無(wú)機(jī)物質(zhì)等的濃度。它是利用一系列光學(xué)組件將光線聚焦成一個(gè)較小的束,然后通過(guò)樣品,通過(guò)樣品后再進(jìn)行檢測(cè)。可見(jiàn)分光光度計(jì)可用于吸收光譜、熒光光譜、磷光光譜等光學(xué)檢測(cè)。
二、可見(jiàn)分光光度計(jì)技術(shù)要點(diǎn)
1. 光源:光源是一個(gè)較大的燈泡,通常使用一種特殊的電弧燈泡。此外,還有浸漬氣體燈(Neon,Argon,Krypton等等),燈管可根據(jù)不同波長(zhǎng)進(jìn)行選擇,以便讓光波達(dá)到特定的波長(zhǎng)。
2. 光柵:光柵通常由一塊薄片透明材料組成,在薄片的表面上成形一系列的光柵(即光柵表面)。光柵的制作方式有機(jī)械刻劃、干涉法、光刻技術(shù)等多種方式。
3. 光學(xué)路徑:光學(xué)路徑指的是從光源到樣品再到檢測(cè)器之間的路徑。光學(xué)路徑長(zhǎng)短直接影響到測(cè)量的靈敏度。為了減少光路中的雜光和信號(hào)噪聲,通常使用一個(gè)較長(zhǎng)的光學(xué)路徑。
4. 檢測(cè)器:檢測(cè)器一般采用光電倍增管或光導(dǎo)法接收光信號(hào),然后將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。電信號(hào)隨后通過(guò)一個(gè)放大器進(jìn)行放大,并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。
5. 數(shù)據(jù)處理:在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,需要使用一些特定的數(shù)學(xué)公式來(lái)計(jì)算樣品中的成分濃度或其他相關(guān)參數(shù)。這些公式通常是基于光的吸收特性和比色法等原理來(lái)計(jì)算得出的。
三、應(yīng)用
可見(jiàn)分光光度計(jì)是生物和化學(xué)領(lǐng)域常用的儀器之一,廣泛應(yīng)用于分析分子結(jié)構(gòu)、測(cè)量樣品的吸收光譜和熒光光譜等。主要在生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、制藥和化學(xué)工藝等方面發(fā)揮著重要的作用。
四、 優(yōu)勢(shì)和局限
1. 優(yōu)勢(shì):
可見(jiàn)分光光度計(jì)相對(duì)于其他分析儀器而言,具有的靈敏度和選擇性,其性能可以讓它被廣泛應(yīng)用于各種生物和化學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室。同時(shí),其價(jià)格相對(duì)較低,容易操作和維護(hù)。
2. 局限:
可見(jiàn)分光光度計(jì)在實(shí)際中的應(yīng)用受到一些因素的限制,例如光的散射和樣品的著色對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響;同時(shí),光柵的大多數(shù)波長(zhǎng)范圍受到特定的限制,這意味著可能需要更換光柵才能滿足不同的實(shí)驗(yàn)需求。
A、公元前390年前
我國(guó)春秋戰(zhàn)國(guó)之際,墨翟和他的弟子們記載了關(guān)于光的直線傳播和光在鏡面(凹面和凸面)上的反射等現(xiàn)象,并提出了一系列經(jīng)驗(yàn)規(guī)律,把物和象的位置與大小與所用鏡面的曲率了起來(lái)。
B、公元50-168年間
克萊門(mén)德和托勒密研究了光的折射現(xiàn)象,zui先測(cè)定了光通過(guò)兩種介質(zhì)分界面時(shí)的入射角和折射角。培根(R.Bacon,公元1214-1294年)提出用透鏡校正視力和采用透鏡組構(gòu)成望遠(yuǎn)鏡的可能性,并描述過(guò)透鏡焦點(diǎn)的位置。
C、到十五世紀(jì)末和十八世紀(jì)初
凹面鏡、凸面鏡、眼鏡、透鏡以及暗箱和幻燈等光學(xué)元件已相繼出現(xiàn)。在這時(shí)期建立了光的反射和折射定律,奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。荷蘭李普塞在1608年發(fā)明了*架望遠(yuǎn)鏡。十世紀(jì)初延森(Z.Janssen,1588-1632)和馮特納zui早制作了復(fù)合顯微鏡。1610年伽里略(1564-1642年)用自己制造的望遠(yuǎn)鏡觀察星體,發(fā)現(xiàn)了繞木星運(yùn)行的衛(wèi)星,這給哥白尼關(guān)于地球繞日運(yùn)轉(zhuǎn)的日心說(shuō)提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。開(kāi)普勒(1571-1630年)匯集了前人的光學(xué)知識(shí),他提出了用點(diǎn)光源照明時(shí),照度與受照面到光源距離的平方成反比的照度定律。他還設(shè)計(jì)了幾種新型的望遠(yuǎn)鏡,特別是用兩塊凸透鏡構(gòu)成的開(kāi)普勒天文望遠(yuǎn)鏡。至于折射定律的公式則是斯涅耳(W.Snell,1591-1626年)和笛卡兒(R.Descares,1596-1650年)提出的。接著費(fèi)馬(P.de Fermat,(1601-1665)在1657年首先指出光在介質(zhì)中傳播時(shí)所走路程取極值的原理,并根據(jù)這個(gè)原理推出光的反射定律和折射定律。綜上所述,到十七世紀(jì)中葉,基本上已經(jīng)奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。意大利人格里馬第(F.M.Grimaldi,1618-1663年)首先觀察到光的衍射現(xiàn)象,1672-1675年間胡克(R.Hooke,1635-1703年)也觀察到衍射現(xiàn)象,并且和波義耳(R.Boyle,1627-1691年)獨(dú)立地研究了薄膜所產(chǎn)生的彩色干涉條紋,所有這些都是光的波動(dòng)理論的萌芽。十七世紀(jì)下半葉,牛頓(I.Newton,1642-1727年)和惠更斯(C.Huygens,1629-1695年)等把光的研究引向進(jìn)一步發(fā)展的道路。牛頓還仔細(xì)觀察了白光在空氣薄層上干涉時(shí)所產(chǎn)生的彩色條紋—牛頓圈,從而認(rèn)識(shí)了顏色和空氣層厚度之間的關(guān)系。牛頓于公元1704年提出了光是微粒流的理論。他認(rèn)為這些微粒從光源飛出來(lái),在真空或均勻物質(zhì)定律,然而在解釋牛頓直線運(yùn)動(dòng),并以此觀點(diǎn)解釋光的反射和折射定律。然而在解釋牛頓圈時(shí),卻遇到了困難,同時(shí),這種微粒流的假設(shè)也難以說(shuō)明光在繞過(guò)障礙物之后所發(fā)生的衍射現(xiàn)象?;莞狗磳?duì)光的微粒說(shuō),認(rèn)為光是在“以太”中傳播的波?;莞共粌H成功地解釋了反射和折射定律,還解釋了方解石的雙折射現(xiàn)象。這一時(shí)期中,在以牛頓為代表的微粒說(shuō)占統(tǒng)治地位的同時(shí),由于相繼發(fā)現(xiàn)了干涉、衍射和偏振等光的波動(dòng)現(xiàn)象,以惠更斯為代表的波動(dòng)說(shuō)也初步提出來(lái)了。
D:十九世紀(jì)光學(xué)的發(fā)展
到了十九世紀(jì),初步發(fā)展起來(lái)的波動(dòng)光學(xué)體系已經(jīng)形成。楊(T.Young,1773-1829年)和菲涅耳(A.J.Fresnel,1788-1827年)的著作在這里起著決定性的作用。1801年楊氏zui先用干涉原理令人滿意地解釋了白光照射下薄膜顏色的由來(lái)和用雙縫顯示了光的干涉現(xiàn)象,并*次成功地測(cè)定了光的波長(zhǎng)。1815年菲涅耳用楊氏干涉原理補(bǔ)充了惠更斯原理,形成了人們所熟知的惠更斯——菲涅耳原理。1808年馬呂(E.L.Malus,1775-1812年)偶然發(fā)現(xiàn)光在兩種介質(zhì)界面上反射時(shí)的偏振現(xiàn)象。為了解釋這些現(xiàn)象,楊氏在1817年提出了光波和弦中傳播的波相仿的假設(shè),認(rèn)為它是一種橫波。菲涅耳進(jìn)一步完善了這一觀點(diǎn)并導(dǎo)出了菲涅耳公式。1845年法拉第(M.Faraday,1791-1867年)發(fā)現(xiàn)了光的振動(dòng)面在強(qiáng)磁場(chǎng)中的旋轉(zhuǎn),提示了光現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象的內(nèi)在。1856年韋伯(W.E.Weber,1804-1891年)和柯?tīng)杽谒梗≧.Koh-Lrausch,1809-1858年)在萊比錫做的電學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)電荷的電磁單位和靜電單位的比值等于光在真空中的傳播速度,即3×108米/秒。麥克斯韋(J.C.Maxwell,1831-1879年)在1865年的理論研究中指出,電場(chǎng)和磁場(chǎng)的改變不會(huì)局限在空間的某部分,而是以數(shù)值等于電荷的電磁單位與靜電單位的比值的速度傳播的,即電磁波以光速傳播,這說(shuō)明光是一種電磁現(xiàn)象。這個(gè)理論在1888年被赫茲(H.R.Hertz,1857-1894年)的實(shí)驗(yàn)證實(shí),他直接從頻率和波長(zhǎng)來(lái)測(cè)定電磁波的傳播速度,發(fā)現(xiàn)它恰好等于光速,至此,就確立了光的電磁理論基礎(chǔ)。十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)初,光學(xué)的研究深入到光的發(fā)生、光和物質(zhì)相互作用的某些現(xiàn)象,例如熾熱黑體輻射中能量按波長(zhǎng)分布的,特別是1887年赫茲發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)。1900年普朗克(1858-1947年)提出了輻射的量子論,認(rèn)為各種頻率的電磁波只能是電磁波(或光)的頻率與普朗克常數(shù)乘的整數(shù)倍,成功地解釋了黑體輻射問(wèn)題。1905年愛(ài)因斯坦(1879-1955年)發(fā)展了普朗克的能量子假設(shè),把量子論貫穿到整個(gè)輻射和吸收過(guò)程中,提出了杰出的光量子(光子)理論,圓滿解釋了光電效應(yīng),并為后來(lái)的許多實(shí)驗(yàn)例如康普頓效應(yīng)所證實(shí)。1924年德布羅意(L.V.de Broglie,1892- )創(chuàng)立了物質(zhì)波學(xué)說(shuō)。他大膽地設(shè)想每一物質(zhì)的粒子都和一定的波相,這一假設(shè)在1927年為戴維孫(C.J.Davisson,1881-1958)和革末(L.H.Germer,1896-1971年)的電子束衍射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。
E、現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期
從本世紀(jì)六十年代起,特別在激光問(wèn)世以后,由于光學(xué)與許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域緊密結(jié)合、相互滲透,一度沉寂的光學(xué)又煥發(fā)了青春,以的規(guī)模和速度飛速度飛速發(fā)展,它已成為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)一塊重要的前沿陣地,同時(shí)又派生了許多嶄新的分支學(xué)科。 1958年肖絡(luò)(A.L.Schawlow)和湯斯(C.H.Townes)等提出把微波量子放大器的原理推廣到光頻率段中去,1960年梅曼首先成功地制成了紅寶石激光器。自此以后,激光科學(xué)技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn),在激光物理、激光技術(shù)和激光技術(shù)和激光應(yīng)用等各方面都取得了巨大的進(jìn)展。同時(shí)全息攝影術(shù)已在全息顯微術(shù)、信息存貯、象差平衡、信息編碼、全息干涉量度、聲波全息和紅外全息等方面獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。光學(xué)纖維已發(fā)展成為一種新型的光學(xué)元件,為光學(xué)窺視(傳光傳像)和光通訊的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件,它已成為某些新型光學(xué)系統(tǒng)和某些特殊激光器的組成部分??梢灶A(yù)期光計(jì)算機(jī)將成為新一代的計(jì)算機(jī),想象中的光計(jì)算機(jī),由于采取了光信息存儲(chǔ),并充分吸收了光并行處理的特點(diǎn),它的運(yùn)算速度將會(huì)成千倍地增加,信息存儲(chǔ)能力可望獲得極大的提高,甚至可能代替人腦的部分功能??傊?,現(xiàn)代光學(xué)與其他科學(xué)和技術(shù)的結(jié)合,已在人們的生產(chǎn)和生活中發(fā)揮著日益重大的作用和影響,正在成為人們認(rèn)識(shí)自然、改造自然以及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的越來(lái)越強(qiáng)有力的。
F、光的波粒二相性
人們對(duì)電磁輻射兩重性的認(rèn)識(shí)爭(zhēng)論了很久,有兩種說(shuō)法:一是粒子說(shuō),把光看成微粒子,認(rèn)為光與物質(zhì)相互作用的現(xiàn)象(如吸收、發(fā)射、反射等)表明光是具有不連續(xù)能量的微粒,光具有粒子性;二是波動(dòng)說(shuō),把光看成一種波,它可以反射、衍射、干涉、折射、散射、傳播等,它可用速度、頻率、波長(zhǎng)等參數(shù)來(lái)描述,這表明光具有波的性質(zhì)。到1900年,普朗克提出量子論,把電磁輻射的粒子說(shuō)和和波動(dòng)說(shuō)起來(lái),并提出了光量子(光子)能量與電磁輻射的頻率有關(guān),其數(shù)學(xué)表達(dá)式為
E=hv=hc/λ
E:輻射的光子能量J
h:普朗克常數(shù)
v:輻射的頻率
c:光速
λ:波長(zhǎng)
從普朗克的理論我們發(fā)現(xiàn):光具有波的性質(zhì),同時(shí)又具有粒子的性質(zhì)。
λ