现代测试技术介绍

现代测试技术介绍 一、元素成分分析 物质都是由各种元素组成的，要知道一个样品是由哪些元素组成，最重要的分析手段就是原子光谱分析。它是利用原子(包括离子)所发射的辐射或原子(或离子)与辐射的相互作用而进行样品分析的一类测试技术。 原子光谱分析中应用最广泛的是原子发射光谱法(AES)、原子吸收光谱法(AAS)、原子荧光光谱法(AFS)和X射线荧光光谱法(XFS)。 前三种方法涉及的是原子(或离子)外层电子的能级跃迁过程中的辐射发射、吸收和荧光的产生。图33-1为火焰发光谱法、原子吸收光谱法和原子荧光光谱法最简单的工作原理示意图。三种原子光谱法的关键都是使试样产生原子蒸气(游离态气体原子或离子)。产生原子蒸气的手段有火焰、电孤、电热原子化器、射频等离子体以及激光等，其中火焰是最简单和广泛使用的原子蒸气源之一。 在原子发射光谱法(图33-lA)中，试样的气态原子蒸气进一步受热激发，使原子(或离子)外层电子由最低能态(称基态)激发到较高能态(称激发态)，当其返回低能态或基态时，便发射出在紫外和可见光区域内的特征辐射，这就是发射光谱。根据原子结构理论，由于原子的电子能级高低和分布是每一种元素所特有的，因此元素都有各自的特征光谱.而谱线的强度与其元素的含量成正比。因此原子发射光谱法可用作元素的定性分析和定量分析。 在原子吸收光谱法(图33-1B)中，辐射源辐射出待测元素的特征辐射通过样品的原子蒸气时，被蒸气中待测元素的基态原子所吸收。由辐射强度的减弱程度即可以求出待测元素的含量。 在原子荧光光谱法(图33-1C)中，当样品的原子蒸气受一次辐射源照射，待测元素基态原子吸收辐射后跃迁到较高能态(激发态)，激发态原子再以辐射跃迁形式过渡到基态。由此而获得的辐射光谱称为原子荣光光谱。荧光光谱的观测方向与一次辐射方向成90°角。通过测量待测元素的原子蒸气在辐射能激发下所产生的原子荧光强度可以非常灵敏地测量元素的含量。 三种原子光谱分析仪除上述各自的特点外，正如图33-1所示，利用单色器对光源进行分光、光源强度的检测和记录是三种仪器所共同的。 X射线荧光光谱法涉及的是原子内层电子能级的跃迁。当用X射线轰击试样中的原子时，一个电子从原子的内层(例如K层)被袭击，此时较高能级电子层(例如L层)的一个电子会立即填补空位，同时多余的能量被释放出来。如果这种能量以辐射形式释放，则产生次级X射线，也称为X荧光，各种元素所发射的X荧光的波长决定于它们的原子序数，原子序数越高，X荧光的波长越短。所以根据X荧光的波长可以对元素进行定性分析.同样.根据谱线的强度可以定量分析。 二、分子结构与含量分析 对分子的结构分析和定量测定是分析化学中最繁重的任务。随着现代科学的发展，特别是生命科学和环境科学的发展，人们不仅要知道一个生物大分子的一级结构，还要知道它的二级、三级甚至更高级的构造。从量的角度来说，现代分析化学早已从常量、微量分析发展到痕、超痕量分析，甚至发展到单个分子的测定。 1．分子光谱法 它是研究分子结构和定量分析中最常：用的方法，包括可见－紫外吸收、红外吸收；分子荧光等方法。 分子对辐射能吸收比单个原子对辐射能的吸收要复杂得多。因为对于分子的能级跃迁而言，除了分子外层价电子跃迁所引起的电子能态的变化外，还有分子中原子或原子团在它们的平衡位置上作相对振动产生的振动能态的变化以及整个分子旋转产生的转动能态的变化。通常在分子每个电子能态下，都有若干个可能的振动能态，而在每个振动能态下又有若干个转动能态。换言之，分子的电子能态的变化所需酌能量比振动能态的变化大，振动能态的变化所需的能量比转动能态大。分子的外层电子跃迁所需的能量通常对应于紫外、可见辐射，而振动跃迁由能量较小的近红外和中红外辐射所引起，至于转动跃迁仅需能量更小的远红外和微波辐射即可。 (1)紫外和可见吸收光谱法 紫外和可见吸收光谱法研究被测物质对可见和紫外区域辐射吸收。当分子吸收了此区域内的辐射，分子的价电子发生跃迁，所以也称为电子不镰。因为分子电子能级改变的同时也伴随着振动能级和转动能级的变化，因此，分子的电子光谱。可见和紫外吸收光谱是应用范围十分广泛的分析方法。在现代分析化学中差不多有60％左右的分析任务是由该方法完成的。该方法利用化合物的吸收过程波长的变化可以对许多的有机化合物，特别是具有共轭体系的有机化合物进行定性分析，而利用被测物对某一波长的辐射的吸收程度(称吸光度)进行定量分析。这在化合物的定量分析中占有重要的地位。 (2)红外吸收光谱法 利用物质分子受红外辐射照射后，分子吸收部分红外辐射使分子的振动能级和转动能级跃迁而产生的吸收光谱。红外吸收光谱与分子结构有着密切的关系。因为分子结构的微小变化，都会引起分子振动能级的改变，所以，除了光学异构体外，凡是具有结构不同的两个化合物其红外吸收光谱必然不同。通常，红外吸收带的波长和吸收谱带的强度反映了分子结构的特性，可以用于鉴定未知物的结构或确定某些基团。同时，吸收谱带的吸收强度与分子组成或其化学基团的含量有关，因此可以进行定量分析和纯度鉴定。 (3)分子荧光光谱法 利用许多化合物分子吸收紫外可见区域的辐射后，会再发射出波长相同或不同的特征辐射，即分子荧光，通过测量其荧光强度，对痕量化合物进行定性定量分析。分子荧光光谱法的最大特点是具有很高的灵敏度和非常好的选择性，它比紫外和可见吸收光谱的灵敏度高2～3个数量级，因此，它在生命科学中有着重要的应用。 2．核磁共振波谱法 核磁共振波谱是鉴定有机化合物结构的最重要的手段之一。它实际上也是一种吸收光谱，只不过研究的是在外加磁场的存在下，原子核能级的跃迁。在强磁场存在下，一些具有磁性的原子核的能量可以分裂为两个或两个以上量子化的能级。此时，如果外加一个能量，使其恰好等于裂分后相邻两个能级的能量差，则该核就可能吸收能量，发生能级跃迁，从而产生核磁共振吸收信号。在核磁共振吸收中所吸收的能量非常低，其数量级相当于频率范围为0.1到100兆赫的电磁波(属于无线电波范畴，简称射频)。目前在核磁共振波谱法中，应用量广的是1H氢核的按磁共振谱，同时13C、15N核磁共振谱也得到应用。以1H氢核的核磁共振谱为例，因为在有机化合物的分子体系中每个氢原子核都被不断运动着的电子云所包围，致使原子核实际上受到的磁场作用减弱，不同的分子结构，每个氢原子核周围所处的电子云环境不同，则在磁场中反映每个氢核的共振吸收频率的不同。核磁共振波谱法正是利用此效应（称化学位移）可以达到鉴别有机化合物结构的目的。 3．质谱分析法 质谱分析法同样是作为有机化合物结构分析的重要手段，同时还对无机化合物分析，特别是同位素分析具有着独特的优点。质谱法的基本原理是荷电分子(常称分子离子)或分子裂片阳离子在磁场下，依其质荷比进行分离和分析的方法。质谱分析所使用的仪器－质谱仪的类型虽然很多，但一般均由原子源、质量分析器、离子检测器和一个高真空系统组成。离子源中的试样在高能量的离子源(例如电子轰击源、场效电离源、激光电离源、ICP离子源等)轰击下，被电离成分子离子或进一步使分子中某些化学健断裂，产生各种各样的分子裂片阳离子，离子—分子复合物等。在加速电场的作用下，把这些阳离子进行加速和聚焦成离子束，进入质量分析器。质量分析器其作用如同光学光谱法的单色仪，能把具有不同质荷比(m/e)的离子依其质荷比大小顺序分别聚焦和分离开。这个过程一般是利用电磁场对电荷的偏转性质来实现的。例如以图33-2所示的半圆形单聚焦质谱仪中，进入分析器的离子束具有相同的动能，因此离子束在分析中运动轨道的曲率半径R与离子的质荷比(m/e)之间具有如下关系： 三、晶体结构分析 对于固体物质，仅仅知道它的化学组成和含量是远远不够的，还需要确定固体物质中的原于排布和分子的主体结构。自然界中的固态物质绝大多数是晶体。晶体是由原子、离子或分子在空间周期性地排列的固体。 X射线衍射法是目前测定晶体结构的最主要的测试技术。晶体中周期性重复排列的原子，其间距大小一般是以pm来量度的，例如C－C单键的长度是154.15pm，而X射线的波长也是这个数量级。例如，铜的α射线波长是154.45pm，恰恰可与它相比拟。所以晶体可作为X射线的衍射光栅。当入射X线按一定方向射入晶体并与晶体中电子发生作用后，再向各个方向发射X射线的现象称为散射，原子散射X射线的能力和原子中所含电子数成正比，电子越多，散射能力越强。由于晶体中原子散射的电磁波互相干涉和相互叠加，在某一方面得到加强或抵消的现象称为衍射。其衍射的方向称为衍射方向。晶体衍射x射线的方向与构成晶体的晶胞大小、形状以及入射X线的波长有关。衍射的强度则与晶胞内原子的类型、数量和位置有关。因此，根据晶体的衍射方向和衍射强度可进行晶体结构分析。 X射线衍射技术分为多晶粉末法和单晶衍射法。多晶粉末法常用于测定方晶系的晶体结构的点阵型式、晶胞参数及简单结构的原子坐标，还可对固体样品进行物相分析。X射线衍射仪由X射线发生器、测角仪(样品台)和检测器组成。单晶衍射法是以单晶作为研究对象，它比多晶粉末法更方便、更可靠。目前，测定单晶体结构主要利用四周衍射仪，它是由X射线发生器、四周测角仪(样品台)和检测器所组成。它与多晶衍射仪的主要区别在于试样台能在四个圆的方向运动，使晶体依次转到每个晶面所要求的反射位置，以便探测器收集到晶体的全部反射数据，根据四圆衍射仅收集到的大量衍射点的衍射方向和衍射强度数据，通过计算机的晶体结构解析程序对这些数据进行处理计算，并使结构图像显示出来。单晶结构分析是结构分析中最有效的方法，它能为一个晶体给出精确的晶胞参数，同时还能给出晶体中原子之间的键长、键角等重要的结构化学数据。因此，鉴定一个新合成的化合物，要是没有单晶结构分析的报告，该产品的可信性将会大大降低。 四、表面结构分析 随着现代科学的发展，特别是金属材料、半导体材料和生命科学的发展，对物质的表面结构的分析显得梏外的重要。在现代化学测试技术中有许多方法是用于表面结构分析。例如电子能谱、电子探针以及扫描电镜等。 1．电子能谱技术 在通常的光谱分析方法中。主要研究光和物质相互作用后产生的和信息，而在电子能谱技术中主要研究物质在高能电子或光子的轰击下，样品的电子受到激发而发射出来，通过测量这些电子的能量分布及其强度的关系而获得固体表面结构的有关信息。根据激发不同可以得到不同的电子能谱。用X射线作为激发源的称为X射线光电子能谱(XPS)，用紫外光作为激发源的称为紫外光电子能谱(UPS)。若用X射线或高速运动的电子束作为激发源，测量物质激：发后产生的俄歇电子，则称为俄歇电子能谱(AES)。俄歇电子产生机理是X射线或高速运动的电子束与原子的内层电子作用，内层电子被激发后产生一个空穴，其外层的电子向空穴跃迁，电子跃迁的能量被释放出来，释放的能量如果被更外层的电子吸收，使更外层的电子脱离原了核的束缚而电离出来，这种电子便为俄歇电子。紫外光电子能谱由于反映的是价电子的运动状态，因此，直接与分子结构相关联，可以直接提供分子价电子轨道能级和振动结构等信息。X射线光电子能谱可以显示包括价电子及原子的内层电子在内的完整的轨道能级，可用来识别元素，并可有效地了解分子中原子成键状态。俄歇电子能谱常用于轻元素(原子序数33以下)能谱的研究。 电子能谱是非破坏性分析，主要用于对表层涉及<10mm深度内的化学物质及表面微结构状态进行研究。它是以固体表面几个原子层为研究对象的表面科学赖以发表的主要技术之一。 2．电子探针X射线显微技术 电子探针(EPMA)，它是利用汇集的细电子束轰击物质的表面，使其激发出许多有用的信息，利用这些信息对样品进行结构和成分分析的技术。电子探针因为可以分析μm范围的微区表面且不损坏试样，它还能够做各种扫描图像的观察从而能够获得微区内元素的分布状态、表面物性、结构特征等信息，所以它是表面科学中重要的测试技术之一。 当一束直径约为50nm～lμm具有一定能量(0～50keV)的电子来轰击固体物表面时，它能与物质内的原子或离子发生复杂的物理作用过程。例如，一个入射电子可能与原子核碰撞，也可能与核外的电子碰撞，并且这种碰撞可能会发生多次。当入射电子与原子按碰撞时，入射电子会发生弹性散射而飞出样品表层形成“背散电子”；当入射电子与原子的外层电子或近外层电子发生有效碰撞时，可能会使这些电子打出样品表面而形成二次电子；当入射电子撞击物质、被物质阻挡时会产生连续X射线；当入射电子轰击使原子的内层电子电离产生空穴，次外层的电子向空穴跃迁过程中会产生特征X射线或者俄歇电子。总之，电子探针利用这些信息得到相应的图像，综合研究各种图.