《光谱分析测试》PPT课件

矿物化学成分分析测试——光谱分析目录光谱分析法分类发射光谱分析法概述发射光谱分析仪器原理、特点及应用吸收光谱分析法概述吸收光谱分析仪器原理特点及应用光谱分析仪器分布（武汉）2020年3月10日3衍射分析：X射线衍射、电子衍射、中子衍射等电子显微分析：透射电镜、扫描电镜、电子探针等光谱分析：穆斯堡尔谱、X射线荧光光谱、紫外可见吸收光谱、原子吸收光谱、原子发射光谱、原子荧光光谱、红外吸收光谱、分子荧光磷光光谱、电子顺磁共振谱、核磁共振谱等电子能谱分析：俄歇电子能谱、X射线光电子能谱、紫外光电子能谱等热分析：热重法、差热分析、差示扫描量热法等色谱分析：气相色谱、液相色谱等质谱分析：质谱法、二次离子质谱法等电化学分析：库仑分析、电解分析等其它：扫描隧道显微镜、原子力显微镜等现代主要分析测试方法光谱分析法光学分析法是根据物质发射的电磁辐射或电磁辐射与物质相互作用而建立起来的一类分析化学方法。光谱法是基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度进行分析的方法。光谱分析法的特点：(1)分析速度较快(2)操作简便(3)不需纯样品（4）可同时测定多种元素或化合物（5）选择性好（6）灵敏度高（7）样品损坏少局限性光谱定量分析建立在相对比较的基础上，必须有一套标准样品作为基准，而且要求标准样品的组成和结构状态应与被分析的样品基本一致，这常常比较困难。2020年3月10日光谱分析法吸收光谱法发射光谱法原子光谱法分子光谱法原子发射原子吸收原子荧光X射线荧光原子吸收紫外可见红外可见核磁共振紫外可见红外可见分子荧光分子磷光核磁共振化学发光原子发射原子荧光分子荧光分子磷光X射线荧光化学发光电磁辐射的本质电磁辐射的传递方式(线状光谱)(带状光谱)一.发射光谱法物质通过电致激发、热致激发或光致激发等过程获取能量，变成为激发态的原子或分子M*，激发态的原子或分子是极不稳定的，它们可能以不同形式释放出能量从激发态跃迁至基态或低能态，如果这种跃迁是以辐射形式释放多余的能量就产生发射光谱。通过测量物质发射光谱的波长和强度来进行定性、定量分析的方法叫做发射光谱法。*MMhv依据光谱区域和激发方式不同，发射光谱有以下几种：★γ射线光谱法★X射线荧光分析法★原子发射光谱分析法★原子荧光分析法★分子荧光分析法★分子磷光分析法★化学发光分析法1.X射线荧光光谱仪xrayFluorescenceSpectroscope(XRF)目前，X射线光谱法发展成熟，多用于元素的定性、定量及固体表面薄层成分分析等。XRF利用样品对x射线的吸收随样品中的成分及其多少而变化来定性或定量测定样品中成分的一种方法.XRF是一种最有效的无损成分分析手段之一2020年3月10日优点(1)速度快，一般测定一种元素(定量)需10－100秒；(2)可检测固态、粉末、液态样品，以及晶质、非晶质等样品的化学成分；(3)非破坏性测试，不损伤样品(但对于某些高分子物质，如有机物，则会引起颜色变化)；(4)是一种物理分析方法，分析元素范围F9－U92，分析的浓度范围1ppm－100%；(5)制样简单，板状样品把被照射面加工成平面即可，粉末样品经粉碎、压片即可；(6)系表面分析，一般测定深度为0.1mm范围，另外也是表面整体分析，即分析整个照射面范围内的元素种类和含量；缺点：(1)难以作绝对分析，因此定量分析时需参照标准物质进行；(2)原子序数低的元素，其检出限及测定误差都相对较大。2020年3月10日主要用途：样品可以是固体、粉末、熔融片，液体等，分析对象适用于炼钢、有色金属、水泥、陶瓷、石油、玻璃等行业样品。无标半定量方法可以对各种形状样品定性分析，并能给出半定量结果，结果准确度对某些样品可以接近定量水平，分析时间短。薄膜分析软件FP-MULT1能作镀层分析，薄膜分析。测量样品的最大尺寸要求为直径51mm,高40mm.2.原子荧光光度计原子荧光可分为3类：即共振荧光、非共振荧光和敏化荧光，其中以共振原子荧光最强，在分析中应用最广。根据荧光谱线的波长可以进行定性分析。在一定实验条件下，荧光强度与被测元素的浓度成正比。据此可以进行定量分析。原子荧光光谱仪分为色散型和非色散型两类。两类仪器的结构基本相似，差别在于非色散仪器不用单色器。色散型仪器由辐射光源、单色器、原子化器、检测器、显示和记录装置组成。辐射光源用来激发原子使其产生原子荧光。基本原理原子荧光光度计是通过测量待测元素的原子蒸气在辐射能激发下产生的荧光发射强度，来确定待测元素含量的方法。气态自由原子吸收特征波长辐射后，原子的外层电子从基态或低能级跃迁到高能级经过约10-8s，又跃迁至基态或低能级，同时发射出与原激发波长相同或不同的辐射，称为原子荧光。原子荧光分为共振荧光、直跃荧光、阶跃荧光等。原子荧光光谱法的优点（1）有较低的检出限，灵敏度高。特别对Cd、Zn等元素有相当低的检出限，Cd可达0．001ng•cm-3、Zn为0.04ng•cm-3。（2）干扰较少，谱线比较简单，采用一些装置，可以制成非色散原子荧光分析仪。这种仪器结构简单，价格便宜。（3）分析校准曲线线性范围宽，可达3～5个数量级。（4）由于原子荧光是向空间各个方向发射的，比较容易制作多道仪器，因而能实现多元素同时测定。3.X射线光电子（能）谱仪X射线光电子能谱技术（XPS）是电子材料与元器件显微分析中的一种先进分析技术，而且是和俄歇电子能谱技术（AES）常常配合使用的分析技术。由于它可以比俄歇电子能谱技术更准确地测量原子的内层电子束缚能及其化学位移，所以它不但为化学研究提供分子结构和原子价态方面的信息，还能为电子材料研究提供各种化合物的元素组成和含量、化学状态、分子结构、化学键方面的信息。XPS的原理XPS的原理是用X射线去辐射样品，使原子或分子的内层电子或价电子受激发射出来。被光子激发出来的电子称为光电子。可以测量光电子的能量，以光电子的动能/束缚能,(Eb=hv光能量-Ek动能-w功函数)为横坐标，相对强度（脉冲/s）为纵坐标可做出光电子能谱图。从而获得试样有关信息。X射线光电子能谱因对化学分析最有用，因此被称为化学分析用电子能谱（ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis）XPS特点及应用（1）可以分析除H和He以外的所有元素，对所有元素的灵敏度具有相同的数量级。（2）相邻元素的同种能级的谱线相隔较远，相互干扰较少，元素定性的标识性强。（3）能够观测化学位移。化学位移同原子氧化态、原子电荷和官能团有关。化学位移信息是XPS用作结构分析和化学键研究的基础。（4）可作定量分析。既可测定元素的相对浓度，又可测定相同元素的不同氧化态的相对浓度。（5）是一种高灵敏超微量表面分析技术。样品分析的深度约2nm，信号来自表面几个原子层，样品量可少至10-8g，绝对灵敏度可达10-18g。XPS主要用途：1.固体样品的表面组成分析，化学状态分析，取样深度为～3nm2.元素成分的深度分析（角分辨方式和氩离子刻蚀方式）3.可进行样品的原位处理AES：（1）可进行样品表面的微区选点分析（包括点分析，线分析和面分析）（2）可进行深度分析适合：纳米薄膜材料，微电子材料，催化剂，摩擦化学，高分子材料的表面和界面研究2.吸收光谱法当物质所吸收的电磁辐射能与该物质的原子核、原子或分子的两个能级间跃迁所需的能量能满足的关系时，将产生吸收光谱：通过测量物质对辐射吸收的波长和强度进行分析的方法叫做吸收光谱法。*MhvM吸收光谱法主要有以下几种分析方法：（1）紫外-可见分光光度法：它是利用溶液中的分子或基团对紫外和可见光的吸收，产生分子外层电子能级跃迁所形成的吸收光谱，可用于定性和定量测定。（2）穆斯堡尔（Mössbauer）谱法：由与被测元素相同的同位素作为γ射线的发射源，使吸收体（样品）的原子核产生无反冲的γ射线共振吸收所形成的光谱。（3)原子吸收光谱法:利用待测元素气态基态原子对共振线的吸收进行定量测定的方法。其吸收机理是原子的外层电子能级跃迁,波长在紫外、可见和近红外光区.(4)红外光谱法:利用分子在红外区的振动—转动吸收光谱来测定物质的成分和结构.(5)顺磁共振波谱法:在强磁场的作用下，电子的自旋磁矩与外磁场相互作用分裂为磁量子数Ms值不同的磁能级，磁能级之间的跃迁吸收或发射微波区的电磁辐射。在这种吸收光谱中，不同化合物的耦合常数不同，可用来进行定性分析。根据耦合常数，可用来帮助结构的确定。(6)核磁共振波谱法:在强磁场作用下，核自旋磁矩与外磁场相互作用分裂为能量不同的核磁能级，核磁能级之间的跃迁吸收或发射射频区的电磁波。利用这种吸收光谱可进行有机化合物结构的鉴定，以及分子的动态效应、氢键的形成、互变异构反应等化学研究。原理紫外可见光光度计仪器设计的理论依据是比耳定律。研究的是物质对光的吸收。比耳定律的真正物理意义可以描述为：当一束平行的单色光通过某一均匀的有色溶液时，溶液的吸光度与溶液的浓度和光程的乘积成正比。它是吸收光度分析中定量分析的最基础、最根本的依据，更是紫外可见光光度计的最基本的原理。1.紫外分光光度计仪器特点灵敏度高，选择性好，准确度高，使用浓度范围广，分析成本低，操作简便、快速、应用广泛。紫外-可见分光光度计应用定量分析：广泛用于各种物料中微量、超微量和常量的无机和有机物质的测定。定性和结构分析：紫外吸收光谱还可用于推断空间阻碍效应、氢键的强度、互变异构、几何异构现象等。反应动力学研究：研究反应物浓度随时间而变化的函数关系，测定反应速度和反应级数，探讨反应机理。研究溶液平衡：如测定络合物的组成、稳定常数、酸碱离解常数等。2.Mōssbauer（穆斯堡尔）光谱仪穆斯堡尔谱仪用于测定物质γ射线无反冲共振吸收效应的仪器。其基本原理是：由放射源（γ光源）射出的γ光子被样品中存在的穆斯堡尔核（如57Fe，119Sn）所吸收，形成共振吸收谱，样品中穆斯堡尔核与核外化学环境的相互作用会引起共振吸收谱线的位置、形状、数目的变化。反过来利用所测穆谱的这些变化推出穆核周围化学环境的信息。穆斯堡尔谱仪主要由放射源，振动子，探测器，计算机化的多道分析器等组成。穆斯堡尔谱仪特点及应用①有极高的分辨率，以57Fe的γ共振吸收为例，γ能量(E0)为14.4千电子伏,谱线自然宽度（Γ）为4.6×10-9电子伏，Γ/E0～3.2×10-13，分辨率达1013分之一。②穆斯堡尔效应对核外化学环境的变化十分灵敏，适用于研究固态物质的精细结构及超精细结构。③由于是特定核（如57Fe，119Sn）的共振吸收,穆斯堡尔效应不受其他核和元素的干扰。④穆斯堡尔效应受核外环境影响的作用范围一般小于2.0nm（限于相邻二、三层离子之内），特别适用于细晶和非晶态物质。优点：分辨率高，灵敏度高，抗干扰能力强，对试样无破坏，实验技术较为简单，试样的制备技术也不复杂，所研究的对象可以是导体、半导体或绝缘体，试样可以是晶体或非晶体态的体材料、薄膜或固体的表层，也可以是粉未、超细小颗粒，甚至是冷冻的溶液，范围之广是少见的。缺点：只有有限数量的核有穆斯堡尔效应，且许多还必须在低温下或在具有制备源条件的实验室内进行，使它的应用受到较多的限制。因此，穆斯堡尔谱仪已广泛用来研究地质样品。已发现的穆斯堡尔核有数十种，但在一般条件下仅能观察到57Fe、119Sn的穆谱。所以,仪器适用于含一定量Fe、Sn的样品，可以提供价态，化学键性，阳离子占位和有序－无序分布、配位结构、磁性和相分析等方面的信息。3.原子吸收分光光度计（atomicabsorptionspectrophotometer）原子吸收光谱仪又称原子吸收分光光度计，根据物质基态原子蒸汽对特征辐射吸收的作用来进行金属元素分析。它能够灵敏可靠地测定微量或痕量元素。特点及应用优点1、灵敏度高原子吸收分光光度计分析法是目前最灵敏的方法之一。火焰原子吸收法的灵敏度是ppm