紫外吸收光譜 UV 分析原理:吸收紫外光能量,引起分子中電子能級的躍遷 譜圖的表示方法:相對吸收光能量隨吸收光波長的變化 提供的信息:吸收峰的位置,、強(qiáng)度和形狀,,提供分子中不同電子結(jié)構(gòu)的信息 物質(zhì)分子吸收一定的波長的紫外光時(shí),分子中的價(jià)電子從低能級躍遷到高能級而產(chǎn)生的吸收光譜較紫外光譜,。紫光吸收光譜主要用于測定共軛分子,、組分及平衡常數(shù)。 光線傳輸 光衍射 探測 數(shù)據(jù)輸出 紅外吸收光譜法 IR 分析原理:吸收紅外光能量,,引起具有偶極矩變化的分子的振動(dòng),、轉(zhuǎn)動(dòng)能級躍遷 譜圖的表示方法:相對透射光能量隨透射光頻率變化 提供的信息:峰的位置、強(qiáng)度和形狀,,提供功能團(tuán)或化學(xué)鍵的特征振動(dòng)頻率 紅外光譜測試 紅外光譜的特征吸收峰對應(yīng)分子基團(tuán),,因此可以根據(jù)紅外光譜推斷出分子結(jié)構(gòu)式。 以下是甲醇紅外光譜分析過程: 甲醇紅外光譜結(jié)構(gòu)分析過程 核磁共振波譜法 NMR 分析原理:在外磁場中,,具有核磁矩的原子核,,吸收射頻能量,產(chǎn)生核自旋能級的躍遷 譜圖的表示方法:吸收光能量隨化學(xué)位移的變化 提供的信息:峰的化學(xué)位移,、強(qiáng)度,、裂分?jǐn)?shù)和偶合常數(shù),提供核的數(shù)目,、所處化學(xué)環(huán)境和幾何構(gòu)型的信息 NMR結(jié)構(gòu) 進(jìn)樣 樣品在磁場中 當(dāng)外加射頻場的頻率與原子核自旋進(jìn)動(dòng)的頻率相同時(shí),,射頻場的能量才能被有效地吸收,因此對于給定的原子核,,在給定的外加磁場中,,只能吸收特定頻率射頻場提供的能量,由此形成核磁共振信號(hào),。 核磁共振及數(shù)據(jù)輸出 質(zhì)譜分析法 MS 分析原理:分子在真空中被電子轟擊,,形成離子,通過電磁場按不同m/e分離 譜圖的表示方法:以棒圖形式表示離子的相對峰度隨m/e的變化 提供的信息:分子離子及碎片離子的質(zhì)量數(shù)及其相對峰度,,提供分子量,,元素組成及結(jié)構(gòu)的信息 以下是FT-ICR質(zhì)譜儀工作過程: 離子產(chǎn)生 離子收集 離子傳輸 FT-ICR質(zhì)譜的分析器是一個(gè)具有均勻(超導(dǎo))磁場的空腔,,離子在垂直于磁場的圓形軌道上作回旋運(yùn)動(dòng),回旋頻率僅與磁場強(qiáng)度和離子的質(zhì)荷比有關(guān),,因此可以分離不同質(zhì)荷比的離子,,并得到質(zhì)荷比相關(guān)的圖譜。 離子回旋運(yùn)動(dòng) 傅立葉變換 氣相色譜法 GC 分析原理:樣品中各組分在流動(dòng)相和固定相之間,,由于分配系數(shù)不同而分離 譜圖的表示方法:柱后流出物濃度隨保留值的變化 提供的信息:峰的保留值與組分熱力學(xué)參數(shù)有關(guān),,是定性依據(jù);峰面積與組分含量有關(guān) 氣相色譜儀檢測流程 氣相色譜儀,主要由三大部分構(gòu)成:載氣,、色譜柱,、檢測器。每一模塊具體工作流程如下,。 注射器 色譜柱 檢測器 凝膠色譜法 GPC 分析原理:樣品通過凝膠柱時(shí),,按分子的流體力學(xué)體積不同進(jìn)行分離,大分子先流出 譜圖的表示方法:柱后流出物濃度隨保留值的變化 提供的信息:高聚物的平均分子量及其分布 根據(jù)所用凝膠的性質(zhì),,可以分為使用水溶液的凝膠過濾色譜法(GFC)和使用有機(jī)溶劑的凝膠滲透色譜法(GPC),。 只依據(jù)尺寸大小分離,大組分最先被洗提出 色譜固定相是多孔性凝膠,,只有直徑小于孔徑的組分可以進(jìn)入凝膠孔道,。大組分不能進(jìn)入凝膠孔洞而被排阻,只能沿著凝膠粒子之間的空隙通過,,因而最大的組分最先被洗提出來。 直徑小于孔徑的組分進(jìn)入凝膠孔道 小組分可進(jìn)入大部分凝膠孔洞,,在色譜柱中滯留時(shí)間長,,會(huì)更慢被洗提出來。溶劑分子因體積最小,,可進(jìn)入所有凝膠孔洞,,因而是最后從色譜柱中洗提出。這也是與其他色譜法最大的不同,。 依據(jù)尺寸差異,,樣品組分分離 體積排阻色譜法適用于對未知樣品的探索分離。凝膠過濾色譜適于分析水溶液中的多肽,、蛋白質(zhì),、生物酶等生物分子;凝膠滲透色譜主要用于高聚物(如聚乙烯,、聚丙烯,、聚苯乙烯、聚氯乙烯,、聚甲基丙烯酸甲酯)的分子量測定,。 熱重法 TG 分析原理:在控溫環(huán)境中,,樣品重量隨溫度或時(shí)間變化 譜圖的表示方法:樣品的重量分?jǐn)?shù)隨溫度或時(shí)間的變化曲線 提供的信息:曲線陡降處為樣品失重區(qū),平臺(tái)區(qū)為樣品的熱穩(wěn)定區(qū) 自動(dòng)進(jìn)樣過程 熱重分析過程 靜態(tài)熱―力分析 TMA 分析原理:樣品在恒力作用下產(chǎn)生的形變隨溫度或時(shí)間變化 譜圖的表示方法:樣品形變值隨溫度或時(shí)間變化曲線 提供的信息:熱轉(zhuǎn)變溫度和力學(xué)狀態(tài) TMA進(jìn)樣及分析 透射電子顯微術(shù) TEM 分析原理:高能電子束穿透試樣時(shí)發(fā)生散射,、吸收,、干涉和衍射,使得在相平面形成襯度,,顯示出圖象 譜圖的表示方法:質(zhì)厚襯度象,、明場衍襯象、暗場衍襯象,、晶格條紋象,、和分子象 提供的信息:晶體形貌、分子量分布,、微孔尺寸分布,、多相結(jié)構(gòu)和晶格與缺陷等 TEM工作圖 TEM成像過程 STEM成像不同于平行電子束的TEM,它是利用聚集的電子束在樣品上掃描來完成的,,與SEM不同之處在于探測器置于試樣下方,,探測器接收透射電子束流或彈性散射電子束流,經(jīng)放大后在熒光屏上顯示出明場像和暗場像,。 STEM分析圖 入射電子束照射試樣表面發(fā)生彈性散射,,一部分電子所損失能量值是樣品中某個(gè)元素的特征值,由此獲得能量損失譜(EELS),,利用EELS可以對薄試樣微區(qū)元素組成,、化學(xué)鍵及電子結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析。 EELS原理圖 掃描電子顯微術(shù) SEM 分析原理:用電子技術(shù)檢測高能電子束與樣品作用時(shí)產(chǎn)生二次電子,、背散射電子,、吸收電子、X射線等并放大成象 譜圖的表示方法:背散射象,、二次電子象,、吸收電流象、元素的線分布和面分布等 提供的信息:斷口形貌,、表面顯微結(jié)構(gòu),、薄膜內(nèi)部的顯微結(jié)構(gòu)、微區(qū)元素分析與定量元素分析等 SEM工作圖 入射電子與樣品中原子的價(jià)電子發(fā)生非彈性散射作用而損失的那部分能量(30~50eV)激發(fā)核外電子脫離原子,,能量大于材料逸出功的價(jià)電子從樣品表面逸出成為真空中的自由電子,,此即二次電子。 電子發(fā)射圖 二次電子探測圖 二次電子試樣表面狀態(tài)非常敏感,,能有效顯示試樣表面的微觀形貌,,分辨率可達(dá)5~10nm。 二次電子掃描成像 入射電子達(dá)到離核很近的地方被反射,,沒有能量損失,;既包括與原子核作用而形成的彈性背散射電子,,又包括與樣品核外電子作用而形成的非彈性背散射電子。 背散射電子探測圖 用背反射信號(hào)進(jìn)行形貌分析時(shí),,其分辨率遠(yuǎn)比二次電子低,。可根據(jù)背散射電子像的亮暗程度,,判別出相應(yīng)區(qū)域的原子序數(shù)的相對大小,,由此可對金屬及其合金的顯微組織進(jìn)行成分分析。 EBSD成像過程 原子力顯微鏡(AFM) 分析原理:將一個(gè)對微弱力極敏感的微懸臂一端固定,,另一端有一微小的針尖,,由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的作用力,通過在掃描時(shí)控制這種力的恒定,,帶有針尖的微懸臂將在垂直于樣品的表面方向起伏運(yùn)動(dòng),。從而可以獲得樣品表面形貌的信息 譜圖的表示方法:微懸臂對應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化 提供的信息:樣品表面形貌的信息 AFM原理:針尖與表面原子相互作用 AFM的掃描模式有接觸模式和非接觸模式,接觸式利用原子之間的排斥力的變化而產(chǎn)生樣品表面輪廓,;非接觸式利用原子之間的吸引力的變化而產(chǎn)生樣品表面輪廓,。 接觸模式 掃描隧道顯微鏡(STM) 分析原理:隧道電流強(qiáng)度對針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)依賴關(guān)系,根據(jù)隧道電流的變化,,我們可以得到樣品表面微小的起伏變化信息,,如果同時(shí)對x-y方向進(jìn)行掃描,就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖,,這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理,。 譜圖的表示方法:探針隨樣品表面形貌變化而引起隧道電流的波動(dòng) 提供的信息:軟件處理后可輸出三維的樣品表面形貌圖 探針 隧道電流對針尖與樣品表面之間的距離極為敏感,距離減小0.1nm,,隧道電流就會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級,。 隧道電流 針尖在樣品表面掃描時(shí),即使表面只有原子尺度的起伏,,也將通過隧道電流顯示出來,再利用計(jì)算機(jī)的測量軟件和數(shù)據(jù)處理軟件將得到的信息處理成為三維圖像在屏幕上顯示出來,。 原子吸收 AAS 原理:通過原子化器將待測試樣原子化,,待測原子吸收待測元素空心陰極燈的光,從而使用檢測器檢測到的能量變低,,從而得到吸光度,。吸光度與待測元素的濃度成正比。 待測試樣原子化 原子吸收及鑒定 電感耦合高頻等離子體ICP 原理:利用氬等離子體產(chǎn)生的高溫使用試樣完全分解形成激發(fā)態(tài)的原子和離子,,由于激發(fā)態(tài)的原子和離子不穩(wěn)定,,外層電子會(huì)從激發(fā)態(tài)向低的能級躍遷,因此發(fā)射出特征的譜線,。通過光柵等分光后,,利用檢測器檢測特定波長的強(qiáng)度,,光的強(qiáng)度與待測元素濃度成正比。 Icp設(shè)備構(gòu)造 形成激發(fā)態(tài)的原子和離子 檢測器檢測 X射線衍射XRD 原理:X射線是原子內(nèi)層電子在高速運(yùn)動(dòng)電子的轟擊下躍遷而產(chǎn)生的光輻射,,主要有連續(xù)X射線和特征X射線兩種,。晶體可被用作X光的光柵,這些很大數(shù)目的原子或離子/分子所產(chǎn)生的相干散射將會(huì)發(fā)生光的干涉作用,,從而影響散射的X射線的強(qiáng)度增強(qiáng)或減弱,。由于大量原子散射波的疊加,互相干涉而產(chǎn)生最大強(qiáng)度的光束稱為X射線的衍射線,。 滿足衍射條件,,可應(yīng)用布拉格公式:2dsinθ=λ 應(yīng)用已知波長的X射線來測量θ角,從而計(jì)算出晶面間距d,,這是用于X射線結(jié)構(gòu)分析;另一個(gè)是應(yīng)用已知d的晶體來測量θ角,,從而計(jì)算出特征X射線的波長,進(jìn)而可在已有資料查出試樣中所含的元素,。 以下是使用XRD確定未知晶體結(jié)構(gòu)分析過程: XRD確定未知晶體結(jié)構(gòu)分析過程
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