2025年大學(xué)《化學(xué)測(cè)量學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫(kù)——激光技術(shù)在光譜分析中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題只有一個(gè)正確答案，請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填入括號(hào)內(nèi)。每小題2分，共20分）1.激光產(chǎn)生的核心條件之一是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這意味著在激光介質(zhì)中，高能級(jí)上的粒子數(shù)（）低能級(jí)上的粒子數(shù)。A.大于B.小于C.等于D.可以為任意數(shù)量2.與普通光源相比，激光的主要特性不包括（）。A.單色性好B.方向性好C.亮度高D.相位發(fā)散3.在激光光譜分析中，利用物質(zhì)對(duì)光的吸收特性進(jìn)行定性或定量分析的基礎(chǔ)是（）。A.光的干涉B.光的衍射C.光的吸收D.光的偏振4.下列哪種激光器通常具有最高的輸出功率和最長(zhǎng)的諧振腔長(zhǎng)度？（）A.氦氖激光器B.二氧化碳激光器C.釹玻璃激光器D.半導(dǎo)體激光器5.當(dāng)激光照射到分子上時(shí)，如果分子的振動(dòng)能級(jí)從較低能級(jí)躍遷到較高能級(jí)，所產(chǎn)生的光譜現(xiàn)象是（）。A.熒光B.磷光C.拉曼散射D.吸收6.拉曼光譜與吸收光譜的主要區(qū)別在于（）。A.儀器結(jié)構(gòu)不同B.產(chǎn)生的光譜區(qū)域不同C.光與物質(zhì)相互作用方式不同D.對(duì)樣品的破壞性不同7.光聲光譜技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)之一是其對(duì)（）具有高度敏感性。A.光散射B.光吸收C.光反射D.光透射8.激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）技術(shù)利用激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生（）進(jìn)行元素分析。A.熒光B.拉曼散射C.等離子體D.折射9.為了增強(qiáng)拉曼散射信號(hào)，常利用貴金屬納米顆粒等材料，這種技術(shù)稱為（）。A.共振拉曼B.原位拉曼C.表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）D.拉曼增強(qiáng)散射10.在激光光譜定量分析中，為了減少系統(tǒng)誤差，常采用（）方法。A.內(nèi)標(biāo)法B.標(biāo)準(zhǔn)加入法C.標(biāo)準(zhǔn)曲線法D.A或B二、填空題（請(qǐng)將正確答案填入橫線上。每空2分，共20分）1.激光器產(chǎn)生激光的三個(gè)必要條件是______、______和光放大。2.激光束具有高度的______和良好的______。3.常見(jiàn)的激光光譜技術(shù)包括吸收光譜、______、______、拉曼光譜和激光誘導(dǎo)擊穿光譜等。4.熒光是物質(zhì)吸收激光能量后，以______發(fā)射的光輻射。5.拉曼光譜的產(chǎn)生源于激光光子與分子振動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間的______。6.提高激光光譜分析靈敏度的常用方法有增大激光功率、______和采用高靈敏度探測(cè)器等。7.在進(jìn)行樣品激光光譜分析前，樣品的______和______對(duì)分析結(jié)果至關(guān)重要。8.激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）是一種典型的______分析技術(shù)。9.表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）具有極高的靈敏度，其增強(qiáng)機(jī)制主要與______有關(guān)。10.激光光譜分析技術(shù)的選擇需要考慮樣品性質(zhì)、分析要求（如______、______）以及成本等因素。三、簡(jiǎn)答題（請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題。每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述激光器產(chǎn)生激光的基本過(guò)程。2.簡(jiǎn)述熒光分析技術(shù)的基本原理及其主要應(yīng)用領(lǐng)域。3.與傳統(tǒng)的拉曼光譜相比，表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）具有哪些顯著的優(yōu)勢(shì)？4.簡(jiǎn)述激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）技術(shù)的基本原理及其在快速無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用前景。四、計(jì)算題（請(qǐng)列出計(jì)算步驟，并給出最終結(jié)果。每題6分，共12分）1.某樣品對(duì)某波長(zhǎng)激光的吸光度為0.500，已知該波長(zhǎng)下的摩爾吸光系數(shù)為1.2×103L/(mol·cm)，樣品池光程為1.0cm，求該樣品中溶質(zhì)的濃度（單位：mol/L）。2.某拉曼光譜儀使用波長(zhǎng)為532nm的激光激發(fā)，測(cè)得樣品的拉曼散射強(qiáng)度與瑞利散射強(qiáng)度的比值為10??。若已知該比值與拉曼散射截面σ_raman和瑞利散射截面σ_raman之比成正比，求樣品的拉曼散射截面σ_raman。（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）五、論述題（請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，全面、深入地回答下列問(wèn)題。每題10分，共20分）1.比較激光光譜分析技術(shù)與化學(xué)計(jì)量學(xué)分析技術(shù)（如色譜、電化學(xué)分析等）在原理、分析速度、樣品要求、應(yīng)用范圍等方面的主要異同點(diǎn)。2.闡述激光光譜分析技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的典型應(yīng)用實(shí)例，并分析其優(yōu)勢(shì)所在。---試卷答案一、選擇題1.A2.D3.C4.B5.C6.C7.B8.C9.C10.D二、填空題1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，諧振腔2.方向性，單色性3.熒光，磷光4.較低能量5.能級(jí)共振（或“能量交換”）6.延長(zhǎng)激光照射時(shí)間（或“增加光程”）7.均勻性，代表性8.無(wú)損（或“快速”、“原位”）9.金屬表面的等離激元共振10.靈敏度，選擇性三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：激光產(chǎn)生需滿足三個(gè)條件。首先是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即高能級(jí)粒子數(shù)多于低能級(jí)。其次是光學(xué)諧振腔，提供光放大和光束方向性。最后是光放大，粒子躍遷時(shí)釋放的光子被諧振腔反射，誘導(dǎo)更多粒子躍遷，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)放大，當(dāng)光強(qiáng)足夠大時(shí)形成激光輸出。2.解析思路：熒光是物質(zhì)吸收激發(fā)光（通常為激光）后，電子躍遷到激發(fā)態(tài)，由于無(wú)輻射躍遷等原因損失部分能量，再返回基態(tài)或較低激發(fā)態(tài)時(shí)，以能量較低的光子形式輻射出來(lái)。根據(jù)熒光波長(zhǎng)與激發(fā)波長(zhǎng)的關(guān)系（長(zhǎng)波移/紅移或短波移/藍(lán)移）可以提供分子結(jié)構(gòu)信息。主要應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)鑒定、痕量分析、生物標(biāo)記、成像等。3.解析思路：SERS相比傳統(tǒng)拉曼光譜的優(yōu)勢(shì)主要在于靈敏度極高（通常增強(qiáng)因子達(dá)10?-1012倍），可以檢測(cè)單分子或單原子水平；對(duì)分析物形態(tài)要求不高（可吸附在貴金屬表面）；可提供傳統(tǒng)拉曼光譜無(wú)法獲得的信息（如表面等離激元共振導(dǎo)致的指紋峰位移和譜峰增強(qiáng)選擇性）。這使得SERS在痕量檢測(cè)、生物分子檢測(cè)、化學(xué)傳感等領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。4.解析思路：LIBS原理是利用高能量密度的激光脈沖照射固體或液體樣品，使樣品表面瞬間產(chǎn)生等離子體。等離子體處于高溫高激發(fā)態(tài)，其發(fā)射的光譜包含了樣品的元素組成信息。通過(guò)采集和分析等離子體發(fā)射光譜，即可實(shí)現(xiàn)樣品的元素分析和成分鑒定。其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)損、快速、樣品制備簡(jiǎn)單、可原位分析，適用于地質(zhì)勘探、爆炸物檢測(cè)、材料分析、工業(yè)過(guò)程控制等場(chǎng)景。四、計(jì)算題1.解析思路：根據(jù)朗伯-比爾定律A=εbc，其中A為吸光度，ε為摩爾吸光系數(shù)，b為光程，c為濃度。要求濃度c，則c=A/(εb)。計(jì)算：c=0.500/(1.2×103L/(mol·cm)×1.0cm)=0.500/1200mol/L=4.17×10??mol/L。2.解析思路：根據(jù)題意，拉曼散射強(qiáng)度I_Raman/I_Rayleigh=σ_Raman/σ_Rayleigh=10??。要求σ_Raman，則σ_Raman=10??×σ_Rayleigh。結(jié)果：σ_Raman=10??×σ_Rayleigh。（由于未給出瑞利散射截面σ_Rayleigh的具體值，最終答案用其表示。若需具體數(shù)值需補(bǔ)充信息，按題目要求保留兩位有效數(shù)字即為6×10?2σ_Rayleigh，但這與題意“結(jié)果保留兩位有效數(shù)字”有歧義，通常指計(jì)算過(guò)程清晰即可，最終表達(dá)式已體現(xiàn)比例關(guān)系）。五、論述題1.解析思路：比較時(shí)需從多個(gè)維度入手。原理上，光譜分析基于物質(zhì)對(duì)特定波長(zhǎng)的輻射能的吸收、發(fā)射或散射，而化學(xué)計(jì)量學(xué)分析則基于物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)（如組分分離、電化學(xué)響應(yīng)）或物理性質(zhì)（如質(zhì)量、體積）。速度上，激光光譜分析（尤其是實(shí)時(shí)在線分析）通常遠(yuǎn)快于色譜分析，可能快于某些電化學(xué)分析。樣品要求上，光譜分析對(duì)樣品形態(tài)要求相對(duì)寬松（液態(tài)、固態(tài)甚至氣體），部分技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)；化學(xué)計(jì)量學(xué)分析（如色譜）常需復(fù)雜的樣品前處理，電化學(xué)分析需電解質(zhì)溶液。應(yīng)用范圍上，光譜分析覆蓋元素和化合物分析，廣泛用于質(zhì)譜、紅外、紫外可見(jiàn)、拉曼等；化學(xué)計(jì)量學(xué)分析各有側(cè)重，色譜分離能力強(qiáng)，電化學(xué)靈敏度高。兩者常可互補(bǔ)。2.解析思路：列舉典型應(yīng)用實(shí)例時(shí)，需具體說(shuō)明是用哪種激光光譜技術(shù)以及分析什么。例如：環(huán)境監(jiān)測(cè)中，利用激光吸收光譜（如TDLAS）在線監(jiān)測(cè)大氣中的C