時(shí)間分辨光譜是在傳統(tǒng)光譜學(xué)的基礎(chǔ)上結(jié)合光脈沖技術(shù)和微弱、瞬變光信號(hào)檢測(cè)方法而發(fā)展起來的一個(gè)新興學(xué)術(shù)領(lǐng)域。它通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分子體系的電子吸收、熒光發(fā)射以及拉曼散射等光譜學(xué)現(xiàn)象,跟蹤分子在某些物理、化學(xué)過程或呈現(xiàn)特定的生命功能瞬間的構(gòu)型變換、激發(fā)能弛豫、分子間的能量傳遞和電子轉(zhuǎn)移等基元步驟運(yùn)動(dòng)變化過程的化學(xué)動(dòng)態(tài)學(xué)微觀機(jī)理,在原子水平上對(duì)分子運(yùn)動(dòng)變化過程的微觀圖景給出直觀描述,使人們能夠在客觀、準(zhǔn)確的事實(shí)基礎(chǔ)上,揭示物質(zhì)分子的一些物理、化學(xué)行為以及生命現(xiàn)象奧秘,為巧妙、有效地控制某些令人感興趣的分子過程提供重要科學(xué)啟示,并為研究發(fā)展新型功能材料、光電子分子器件(molecularoptoelectronic devices)以及生物工程提供可靠的事實(shí)依據(jù)。
《時(shí)間分辨光譜基礎(chǔ)》是集作者郭礎(chǔ)科研實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、結(jié)合在紐約市立大學(xué)研究生院授課講稿的基礎(chǔ)上寫成的,在系統(tǒng)綜述化學(xué)動(dòng)態(tài)學(xué)微觀過程、激光脈沖技術(shù)、微弱和瞬變光信號(hào)檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理方法的同時(shí),分別介紹幾種主要的時(shí)間分辨光譜測(cè)量及其典型應(yīng)用實(shí)例,其中包括在分子水平上探討光合作用原初過程微觀機(jī)理!稌r(shí)間分辨光譜基礎(chǔ)》適合作為物理化學(xué)、化學(xué)物理專業(yè)本科生和研究生教材,也適合作為功能材料、分子器件以及生物工程等新興交叉學(xué)科研究人員的參考讀物。
《時(shí)間分辨光譜基礎(chǔ)》是作者郭礎(chǔ)結(jié)合個(gè)人科研實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),并在紐約市立大學(xué)研究生院授課講稿的基礎(chǔ)上經(jīng)整理后寫成的,用8章的篇幅試圖向讀者就這一學(xué)科綜合性很強(qiáng)的光譜新學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)予以概述。其中:第1章主要回顧時(shí)間分辨光譜的基本學(xué)術(shù)思想和發(fā)展歷程;第2章集中對(duì)分子在不同狀態(tài)、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的化學(xué)動(dòng)態(tài)學(xué)微觀過程予以簡(jiǎn)要回顧;第3、4章概述時(shí)間分辨光譜測(cè)量中的一些基本實(shí)驗(yàn)技術(shù);第5、6和7章分別介紹吸收、熒光和拉曼散射等幾種主要時(shí)間分辨光譜測(cè)量方法與技術(shù)及其典型應(yīng)用實(shí)例;最后一章簡(jiǎn)要展望時(shí)間分辨光譜方法應(yīng)用在分子水平上探討光合作用原初過程微觀機(jī)理方面尚待研究解決的問題。
郭礎(chǔ),先后就讀于北京大學(xué)、清華大學(xué)、北京石油學(xué)院(現(xiàn)中國(guó)石油大學(xué))。公派赴莫斯科大學(xué)化學(xué)系化學(xué)動(dòng)力學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)并獲副博士學(xué)位。回國(guó)后,在中國(guó)科學(xué)院化學(xué)物理研究所、中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所和北京理工大學(xué)歷任副、正研究員。1986年應(yīng)邀赴英國(guó)皇家學(xué)會(huì)戴維一法拉第實(shí)驗(yàn)室任短期訪問教授。1990年起,應(yīng)聘任紐約市立大學(xué)研究生院客座教授、結(jié)構(gòu)和界面分析中心高級(jí)研究員。入選紐約科學(xué)院會(huì)員和Sigma—Xi科學(xué)研究會(huì)會(huì)員。
第1章 時(shí)間分辨光譜概述 1.1 時(shí)間分辨光譜的基本原理 1.2 時(shí)間分辨光譜發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧第2章 分子運(yùn)動(dòng)變化的微觀動(dòng)態(tài)學(xué)過程 2.1 分子的狀態(tài)描述及其能量計(jì) 第1章 時(shí)間分辨光譜概述 1.1 時(shí)間分辨光譜的基本原理 1.2 時(shí)間分辨光譜發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧第2章 分子運(yùn)動(dòng)變化的微觀動(dòng)態(tài)學(xué)過程 2.1 分子的狀態(tài)描述及其能量計(jì)算方法 2.2 分子在不同狀態(tài)間的躍遷概率 2.3 分子在不同量子狀態(tài)間的輻射躍遷——愛因斯坦輻射躍遷概率和Franck-Condon原理 2.4 分子在不同量子狀態(tài)間的無輻射躍遷 2.5 激發(fā)能傳遞 2.5.1 共振傳能機(jī)理 2.5.2 非彈性碰撞傳能和激子能量傳遞 2.6 電子轉(zhuǎn)移 2.6.1 電子轉(zhuǎn)移速率的經(jīng)典理論描述 2.6.2 電子轉(zhuǎn)移速率的量子理論描述 2.7 分子轉(zhuǎn)動(dòng)擴(kuò)散 2.8 激發(fā)態(tài)分子過程動(dòng)力學(xué) 2.8.1 不同波形脈沖激發(fā)的簡(jiǎn)單激發(fā)態(tài)分子過程的動(dòng)力學(xué)規(guī)律 2.8.2 6脈沖激發(fā)的復(fù)雜激發(fā)態(tài)分子過程的衰變動(dòng)力學(xué)規(guī)律 附錄2.1 相互可逆轉(zhuǎn)換的激發(fā)態(tài)分子衰變過程的動(dòng)力學(xué)方程第3章 光脈沖技術(shù)的基本知識(shí) 3.1 脈沖放電閃光燈 3.2 脈沖激光器 3.2.1 固體激光器 3.2.2 氣體激光器 3.2.3 半導(dǎo)體激光器 3.2.4 有機(jī)液體染料激光器 3.3 光束傳輸參數(shù)變換 3.3.1 光束空間傳播方向變換——折射、聚焦和準(zhǔn)直 3.3.2 光束偏振特性的選擇和控制 3.3.3 光束的波長(zhǎng)選擇 3.3.4 光束傳播的時(shí)間選通 3.4 激光器的Q調(diào)制和鎖模 3.4.1 激光器的O調(diào)制 3.4.2 激光器的鎖模 3.5 單一激光脈沖“選取” 3.6 激光脈沖的光譜頻率調(diào)制 3.6.1 光學(xué)混頻 3.6.2 諧波產(chǎn)生 3.6.3 光參量振蕩 3.6.4 受激拉曼散射 3.7 激光脈沖的能量放大 3.7.1 激光脈沖振輻變換過程分析 3.7.2 激光脈沖能量放大系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.7.3 激光脈沖能量放大方法中的幾個(gè)技術(shù)考慮 3.8 激光脈沖的時(shí)間特性調(diào)制——脈沖寬度“壓縮”第4章 微弱、瞬變光譜信號(hào)探測(cè)及數(shù)據(jù)處理 4.1 光信號(hào)探測(cè)器的基本特性參數(shù)及噪聲 4.1.1 光信號(hào)探測(cè)器的基本特性參數(shù) 4.1.2 光信號(hào)探測(cè)器的噪聲 4.2 光電探測(cè)器的類型 4.2.1 光電倍增管 4.2.2 光二極管及列陣式光探測(cè)器 4.2.3 條紋攝像管 4.3 信號(hào)再生技術(shù) 4.3.1 鎖相放大 4.3.2 信號(hào)平均 4.3.3 光子計(jì)數(shù) 4.4 微弱、瞬變超短脈沖信號(hào)的非線性光學(xué)方法測(cè)量 4.4.1 激光超短脈沖寬度測(cè)量 4.4.2 快速分子過程的高時(shí)間分辨跟蹤監(jiān)測(cè) 4.5 脈沖光信號(hào)測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理 4.5.1 基本考慮 4.5.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果修正 4.5.3 解卷積處理的數(shù)學(xué)方法 4.5.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的幾個(gè)實(shí)際問題第5章 時(shí)間分辨吸收光譜方法 5.1 分子吸收光譜的特征參數(shù) 5.1.1 分子吸收光譜的頻率特性 5.1.2 分子吸收光譜的強(qiáng)度 5.1.3 環(huán)境對(duì)電子吸收光譜的影響 5.1.4 吸收光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)量中的幾點(diǎn)技術(shù)考慮 5.2 時(shí)間分辨吸收光譜方法的原型——閃光光解 5.2.1 通用設(shè)備單元及相關(guān)的技術(shù)考慮 5.2.2 動(dòng)力學(xué)光度測(cè)量技術(shù) 5.2.3 閃光光譜測(cè)量技術(shù) 5.2.4 應(yīng)用示例 5.3 激光閃光光解一激發(fā)一探測(cè)雙脈沖時(shí)間分辨吸收光譜方法 5.3.1 樣品選擇激發(fā)用的光脈沖 5.3.2 瞬態(tài)吸收探測(cè)用的激光脈沖 5.3.3 激發(fā)和探測(cè)光脈沖間的時(shí)間同步和相對(duì)時(shí)間延遲 5.3.4 激發(fā)和探測(cè)光路設(shè)計(jì) 5.3.5 瞬態(tài)吸收的時(shí)間分辨吸收光譜的信號(hào)檢測(cè) 5.3.6 典型的激發(fā)一探測(cè)雙脈沖時(shí)間分辨吸收測(cè)量系統(tǒng) 5.4 ns激發(fā)-探測(cè)雙脈沖時(shí)間分辨吸收光譜的典型應(yīng)用實(shí)例——醌類分子的電子激發(fā)三重態(tài)行為 5.5 ps、fs激發(fā)-探測(cè)雙脈沖時(shí)間分辨吸收光譜的典型應(yīng)用 5.5.1 激發(fā)態(tài)分子在不同電子狀態(tài)間的內(nèi)轉(zhuǎn)換——Sn→Sn-1、Tn→Tn-1、系間躥躍等無輻射躍遷過程 5.5.2 分子空間取向弛豫 5.5.3 分子內(nèi)和分子間的電子轉(zhuǎn)移 附錄5.1 一些常用有機(jī)溶劑的性質(zhì)參數(shù)第6章 時(shí)間分辨熒光光譜方法 6.1 分子熒光光譜的幾個(gè)基本特性參數(shù) 6.1.1 分子熒光的頻率特性 6.1.2 分子熒光的偏振特性 6.1.3 分子熒光的時(shí)間特性及熒光量子產(chǎn)率 6.1.4 分子熒光的猝滅現(xiàn)象——Stern-Volmer方程 6.2 熒光強(qiáng)度測(cè)量的影響因素修正 6.2.1 自吸收效應(yīng) 6.2.2 幾何光學(xué)因素考慮 6.2.3 光柵效應(yīng)修正 6.3 分子熒光過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 6.3.1 條紋攝像技術(shù)用于熒光過程的實(shí)時(shí)測(cè)量的幾個(gè)基本枝術(shù)考慮 6.3.2 典型的條紋攝像測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置 6.4 熒光衰變過程的脈沖取樣測(cè)量 6.4.1 電子學(xué)取樣測(cè)量 6.4.2 光學(xué)取樣測(cè)量 6.5 熒光過程的時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)測(cè)量 6.5.1 基本原理 6.5.2 測(cè)量方法 6.5.3 方法特點(diǎn) 6.5.4 測(cè)量系統(tǒng)和設(shè)備單元 6.5.5 幾點(diǎn)具體的實(shí)驗(yàn)技術(shù)考慮 6.6 熒光衰變過程的相位調(diào)制測(cè)量方法 6.7 熒光衰變過程測(cè)量及熒光發(fā)射光譜譜圖應(yīng)用 6.7.1 熒光強(qiáng)度衰變測(cè)量及典型應(yīng)用 6.7.2 時(shí)間分辨熒光發(fā)射光譜譜圖測(cè)量及典型應(yīng)用 6.8 熒光各向異性弛豫及應(yīng)用 6.8.1 一般理論描述 6.8.2 影響熒光各向異性弛豫過程動(dòng)力學(xué)規(guī)律的一些因素 6.8.3 熒光各向異性弛豫過程的測(cè)量方法及一些技術(shù)考慮 6.8.4 熒光各向異性弛豫過程測(cè)量方法的一些應(yīng)用實(shí)例第7章 時(shí)間分辨拉曼光譜方法 7.1 拉曼散射的產(chǎn)生原理及特性——經(jīng)典理論描述 7.1.1 拉曼散射的產(chǎn)生原理 7.1.2 拉曼散射的光強(qiáng)度及偏振特性 7.2 拉曼散射和分子振動(dòng)的量子理論分析 7.2.1 拉曼散射現(xiàn)象的量子理論描述 7.2.2 拉曼散射的頻率特性——非簡(jiǎn)諧振動(dòng)和費(fèi)米共振現(xiàn)象 7.2.3 拉曼散射的強(qiáng)度特性——共振增強(qiáng)效應(yīng) 7.3 簡(jiǎn)正振動(dòng)頻率計(jì)算 7.3.1 分子振動(dòng)的經(jīng)典理論描述——簡(jiǎn)正振動(dòng)模式 7.3.2 多原子分子振動(dòng)的內(nèi)坐標(biāo)和對(duì)稱坐標(biāo)表述 7.3.3 分子振動(dòng)頻率的定量計(jì)算示例 7.3.4 多原子分子振動(dòng)的簡(jiǎn)正坐標(biāo)分析方法概述 7.3.5 簡(jiǎn)正坐標(biāo)分析用的各種力場(chǎng) 7.4 拉曼散射頻率和分子結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)——光譜譜帶歸屬 7.5 拉曼散射光譜測(cè)量的基本實(shí)驗(yàn)設(shè)備 7.5.1 激發(fā)光源 7.5.2 拉曼散射樣品激發(fā)及散射光信號(hào)采集 7.5.3 分光用的色散單元 7.5.4 拉曼散射的樣品處理 7.5.5 拉曼散射信號(hào)的檢測(cè) 7.5.6 拉曼散射信號(hào)的頻率和強(qiáng)度標(biāo)定 7.6 時(shí)間分辨拉曼散射光譜測(cè)量中的技術(shù)考慮及典型的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7.6.1 拉曼散射信號(hào)增強(qiáng) 7.6.2 熒光背景抑制 7.7 時(shí)間分辨拉曼散射光譜應(yīng)用的典型事例 附錄7.1 拉曼散射光譜譜帶的基團(tuán)頻率 附錄7.2 四苯基卟啉拉曼振動(dòng)模 附錄7.3 光譜信號(hào)的傅里葉變換檢測(cè)第8章 時(shí)間分辨光譜應(yīng)用的新課題 8.1 人們對(duì)光合作用過程已知道了些什么 8.2 時(shí)間分辨光譜研究告訴了人們些什么 8.3 令人感興趣的一個(gè)時(shí)間分辨光譜研究課題