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實(shí)驗(yàn)室儀器的技術(shù)原理
1.紫外分光光譜UV
分析原理:吸收紫外光能量,引起分子中電子能級(jí)的躍遷
譜圖的表示方法:相對(duì)吸收光能量隨吸收光波長(zhǎng)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(zhǎng)的紫外光時(shí),分子中的價(jià)電子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)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(cè)定共軛分子、組分及平衡常數(shù)。
2.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(jí)躍遷
譜圖的表示方法:相對(duì)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
3.核磁共振波譜法NMR
分析原理:在外磁場(chǎng)中,具有核磁矩的原子核,吸收射頻能量,產(chǎn)生核自旋能級(jí)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。
當(dāng)外加射頻場(chǎng)的頻率與原子核自旋進(jìn)動(dòng)的頻率相同時(shí),射頻場(chǎng)的能量才能被有效地吸收,因此對(duì)于給定的原子核,在給定的外加磁場(chǎng)中,只能吸收特定頻率射頻場(chǎng)提供的能量,由此形成核磁共振信號(hào)。
4.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(chǎng)按不同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(duì)峰度,提供分子量,元素組成及結(jié)構(gòu)的信息
5.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)
6.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)。
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,因而大的組分被洗提出來。
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(zhǎng),會(huì)更慢被洗提出來。溶劑分子因體積小,可進(jìn)入所有凝膠孔洞,因而是后從色譜柱中洗提出。這也是與其他色譜法大的不同。
7.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)
8.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)
9.透射電子顯微技術(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(chǎng)衍襯象、暗場(chǎng)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。
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(cè)器置于試樣下方,探測(cè)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(chǎng)像和暗場(chǎng)像。
10.掃描電子顯微技術(shù)SEM
分析原理:用電子技術(shù)檢測(cè)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。
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。
11.原子力顯微鏡AFM
分析原理:將一個(gè)對(duì)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(duì)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。
12.掃描隧道顯微鏡STM
分析原理:隧道電流強(qiáng)度對(duì)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(duì)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
13.原子吸收光譜AAS
分析原理:通過原子化器將待測(cè)試樣原子化,待測(cè)原子吸收待測(cè)元素空心陰極燈的光,從而使用檢測(cè)器檢測(cè)到的能量變低,從而得到吸光度。吸光度與待測(cè)元素的濃度成正比。
14.電感耦合高頻等離子體ICP
分析原理:利用氬等離子體產(chǎn)生的高溫使用試樣*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(jí)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(cè)器檢測(cè)特定波長(zhǎng)的強(qiáng)度,光的強(qiáng)度與待測(cè)元素濃度成正比。
15.X射線衍射XRD
分析原理: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(zhǎng)的X射線來測(cè)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(cè)量θ角,從而計(jì)算出特征X射線的波長(zhǎng),進(jìn)而可在已有資料查出試樣中所含的元素。
16.納米顆粒追蹤表征
分析原理:納米顆粒追蹤分析技術(shù), 利用光散射原理,不同粒徑顆粒的散射光成像在CCD上的亮度和光斑大小不一樣,依此來確定粒徑尺寸; 合適濃度的樣品均質(zhì)分散在液體中可以得出粒徑尺寸分布和顆粒濃度信息, 準(zhǔn)確度非常高。