圖文解析16種實(shí)驗(yàn)室儀器工作原理

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(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

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

紅外光譜測試

紅外光譜的特征吸收峰對(duì)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

3.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(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

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(duì)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

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

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

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)

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

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)。

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(duì)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。

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)

自動(dòng)進(jìn)樣過程

熱重分析過程

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)

TMA進(jìn)樣及分析

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(duì)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

10.掃描電子顯微技術(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?？筛鶕?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(duì)大小，由此可對(duì)金屬及其合金的顯微組織進(jìn)行成分分析。

EBSD成像過程

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(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。

接觸模式

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

探針

隧道電流對(duì)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(jí)。

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。

13.原子吸收光譜AAS

分析原理：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

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(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

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：