矿物的分析测试方法

矿物的分析测试方法不同矿物的测试、研究方法，随工作目的和要求的不同而异。不同的方法各有其特点，对样品的要求及所能解决的问题各不相同一成分分析方法二结构分析方法三其他测试方法测试方法化学成分晶体结构晶体形貌物性物相化学分析○发射光谱分析○原子吸收光谱分析○X射线荧光光谱分析○极谱分析○电子探针分析○电子显微镜(透射、扫描)○○○○X射线分析(单晶、粉晶)○○红外吸收光谱○○穆斯堡尔谱○隧道显微镜○○测角法○○发光分析○热电性分析○热分析○第一节矿物成分的分析测试方法及应用一.经典化学成分分析二.发射光谱分析(AES)三.原子吸收光谱(AAS)四.X射线荧光光谱(XRF)五.电子探针显微分析(EPMA)六.光电子能谱分析一.经典化学成分分析化学分析方法是以化学反应定律为基础，对样品的化学组成进行定性的和定量的系统分析，常称“湿法分析”。它包括重量法、容量法和比色法。前两者是经典的分析方法，检测下限较高，只适用于常量组分的测定；比色法由于应用了分离、富集技术及高灵敏显色液，可用于部分微量元素的测定。特点：该方法分析灵敏度不很高，但准确度高。样品用量较多，分析周期长。不适合用于稀土元素的分析。二.原子发射光谱分析(AES)原理：将试样在电弧、火花、等离子体等激发光源的作用下转变为气态原子，并使气态原子的外层电子从基态激发至高能级。当从较高能级跃迁回基态或其他较低的能级时，原子将发射出特征谱线(在近紫外和可见光波长范围内)，然后经分光装置分离成线光谱，并用照相或光电方法记录下来，即得光谱图。根据各种元素具有的特征线光谱及谱线的强度进行定性与定量分析的方法称为原子发射光谱法。该方法可以测定大约70种元素(金属元素及磷、硅、砷、碳、硼等非金属元素)，而且元素可同时测定，取样量只需几毫克，灵敏度高，可测的含量范围为0.0001%到10%左右。二.原子发射光谱分析(AES)应用范围：原子发射光谱分析法常用于定性、半定量和定量分析，特别适用于地质、环境保护和钢铁合金等试样的分析。在地质研究中通常用于对微量和痕量元素的分析。例：AgAsBBaBeBi(Cd)CeCoCrCsCuGeInLa(Li)MnMoNbNi(P)Pb(Sb)ScSnSr(Th)TiTlVYYbZnZr特点：该方法分析灵敏度高，但准确度较差，尤其是对常量元素分析的准确度差。三.原子吸收光谱(AAS)是一种测量特定气态原子对光辐射的吸收的方法。原理：该法是依椐处于气态的被测元素基态原子对该元素的原子共振辐射有强烈的吸收作用而建立的。在温度吸收光程，进样方式等实验条件固定时，样品产生的待测元素相基态原子对作为锐线光源的该元素的空心阴极灯所辐射的单色光产生吸收，其吸光度（A）与样品中该元素的浓度（C）成正比。即A=KC式中，K为常数。据此，通过测量标准溶液及未知溶液的吸光度，又巳知标准溶液浓度，可作标准曲线，求得未知溶液中待测元素浓度。三.原子吸收光谱(AAS)特点：该法具有检出限低、准确度高、选择性好(即干扰少)、分析速度快等优点。可达到10-6或10-9数量级，也可以进行常量分析。适宜于测定沸点低、易原子化的金属元素。但是，每次分析只能测定一种元素。应用范围：主要用于测定水溶液中金属离子及部分非金属离子含量，应用较广。(只要固体能转变成水溶液都可以做)，适用样品中微量及痕量组份分析。例：AgAsBa(Be)BiCaCdCoCrCsCuFeHgKLiMgMnNaNiPbRbSbSr(Y)Zn。原理：高能电子撞击原子时，激发原子内层电子跃迁就会产生X射线，这称为初级(一次)X射线。如果以初级X射线为光源去照射激发试样分子或原子，也可以产生次级(二次)X射线，这种二次X射线称作X射线荧光。显然，只有在初级X射线的能量大于试样原子内层电子的激发能时，才能撞击出内层电子，所以产生的X射线荧光的波长总比初级X射线的波长要长。产生的X射线荧光线也就是元素的特征线，这就是X射线荧光分析(X-rayFluorescenceAnalysis)的基本原理。四.X射线荧光光谱(XRF)四.X射线荧光光谱(XRF)原理：X射线荧光光谱法根据分析样品被激发源激发发出的特征X射线判定物质成分。其分析方法是具有一定能量分辨率的X射线探测器同时探测样品所发出的各种能量特征X射线。探测器输出信号幅度与接收到的X射线能量成正比。利用能谱仪分析探测器输出信号的能量大小及强度，对样品进行定量，定性分析。应用范围：X射线荧光光谱仪是通过测量试样的X射线荧光波长以强度来测定物质化学组成的仪器。它有两种类型，即波长色散型和能量色散型。该方法适用于原子序数Z≥9的元素。例：BaCoCuLaMnNbNiPPbRbSrThTiYZn和SiAlMgCaNaK。四.X射线荧光光谱(XRF)特点：1.测试过程中不损坏样品，也不改变样品的性质2.可测试固体(块状)、粉末、薄膜、泥浆、液体等各种形态的样品；3.灵敏度高，可测量含量从10-6至100%的元素；4.自动快速对大批量样品进行定量分析和无标样分析。五.电子探针显微分析(EPMA)原理：电子探针分析是利用高能电子束作用于物质，使其产生特征X射线、俄歇电子等二次电子而进行的一种表面、微区分析方法。一般它与扫描电镜组合成电子探针分析仪。电子探针分析仪由电子枪、电子透镜、样品室、信号检测、显示系统及真空系统组成。扫描电镜(SEM)一般具有大约1μm的分辨本领。放大倍数可高达15万倍(人眼的分辨本领是0.2mm)，所观察试样的景深大，图像富有立体感，可直接观察起伏较大的粗糙表面、金属断口、催化剂等形貌。若利用分光晶体来测定所产生的特征X射线波谱或者利用半导体检测特征X射线能谱，即测得不同波长或者不同能量及与它们相对的强度的信息，便可获取微区的成分的定性、定量的结果。五.电子探针显微分析(EPMA)应用范围：该方法可以分析试样表面微米级及微区内的物质成分。结合显微图象分析，可找出微观性质对材料宏观性能的影响因素。适用范围为5B~92U(波谱分析)或11Na~92U(能谱分析)。宜于分析常量元素，对微量元素的分析误差较大。优点:可以直接对岩石、矿物薄片或光片中选定的微区进行分析。不破坏样品，电子探针可视为一种试样的无损分析法。电子探针分析是微束分析中的常规技术之一，它几乎能应用在所有涉及固体材料研究的各个领域。如在地学、冶金、材料、陶瓷、电子、国防、机械、化工、法医、生物工程、环境工程、刑事侦破、宝石和古董鉴定等方面都得到广泛的应用。在地学方面已成为矿物学、岩石学、矿床学及有关学科的重要研究工具，为地质研究和矿产综合评价与综合利用提供了重要的研究数据和资料。同时在研究新材料等方面也发挥着重要的作用。六.光电子能谱分析矿物的光电子能谱研究是近二十年来才发展起来的一门新的波谱技术，它可以用来研究矿物表面层厚度在10ｎｍ以内的元素分析、电子结合能、氧化态等信息。它的应用刚刚开始，但可以肯定，它具有多方面的分析能力，同时在理论上和实际应用上都有广泛的研究领域。原理:X光电子能谱分析(XPS)就是一定能量的X光照射到样品表面，和待测物质发生作用，可以使待测物质原子中的电子脱离原子成为自由电子。入射X光子能量已知，若测出电子的动能，便可得到固体样品电子的结合能。各种原子、分子的轨道电子结合能是一定的。因此，通过对样品产生的光子能量的测定，就可以了解样品中元素的组成。元素所处的化学环境不同，其结合能会有微小的差别，这种由化学环境不同引起的结合能的微小差别叫化学位移，由化学位移的大小可以确定元素所处的状态。例如某元素失去电子成为离子后，结合能会增加，如得到电子成为负离子，则结合能会降低。因此，利用化学位移值可以分析元素的化合价和存在形式。六.光电子能谱分析应用范围：X光电子能谱法主要应用是测定电子的结合能来实现对表面元素的定性分析。提供的是样品表面的元素含量与形态，而不是样品整体的成分，其信息深度约为10nm。如果利用离子作为剥离手段，利用XPS作为分析方法，则可以实现对样品的深度分析。固体样品中除氢、氦之外的所有元素都可以进行XPS分析。第二节矿物结构的分析测试方法一.X射线衍射(XRD)二.红外光谱分析(IR)三.激光拉曼光谱(LRS)原理：X射线是一种短波长(0.005~10nm)、高能量(2.5×105~1.2×102eV)的电磁波。它是原子内层电子在高速运动电子流冲击下，产生跃迁而发射的电磁辐射。绝大部分固态物质都是晶体或准晶体，它们能够对X射线产生各具特征的衍射。每种对X射线产生衍射的物质其X射线衍射图谱决定于该物质的结构，即每种物质的X射线衍射图里携带着丰富的该物质结构的信息。X射线衍射分析法就是用适当的方法把这些衍射线记录下来就得到花样各异的X射线衍射图谱，分析样品对X射线衍射产生的图谱，解读这些图谱，便可以对样品的多项特征进行研究测定。如物质材料的元素组成、构造、组织、晶体结构、元素的电子结构、缺陷结构，结构应变、晶粒尺寸、结晶度等。一.X射线衍射(XRD)1.单晶四圆X射线衍射仪法：可以测定晶体的晶胞参数，确定空间群，测定晶体结构2.单晶照相法：该方法可以进一步分为：①劳埃法：可以初步确定晶体的对称，作晶体定向，研究晶体的畸变；②旋转法：可以测定晶胞参数，求出空间群等；③华盛堡法：可以测定晶体的轴长、轴角、衍射点的指标化，确定空间群；④回摆法：测定晶体对称，进行晶体定向，指标化；⑤旋进法：测定晶胞参数，衍射点的指标化，确定空间群3.粉晶衍射该方法快速方便。可以直接获得衍射数据，鉴定矿物。对矿物的定性分析和定量分析都十分有效。4.粉晶照相法主要用于鉴定矿物。该方法是经典且常用的测定晶体结构的一种手段。包括单晶分析和粉晶分析，并可以进一步分为衍射分析和照相分析：一.X射线衍射(XRD)应用范围：X射线衍射仪是一种最常见、应用面最广的X射线衍射分析仪器。只要样品是可以制成粉末的固态样品或者是能够加工出一处小平面的块状样品，都可以用它进行分析测定。主要应用于样品的物相定性或定量分析，晶体结构分析，材料的织构分析，宏观应力或微观应力的测定，晶粒大小测定，结晶度测定等等，因此，在材料科学、物理学、化学、化工、冶金、矿物、药物、塑料、建材、陶瓷……以至考古、刑侦、商检等众多学科、相关的工业、行业中都有重要的应用。X射线衍射(XRD)图横坐标：2θ角纵坐标：衍射峰高度（h）根据布拉格公式：d=λ/2sinθ10203040506070IIIIII2θ在X-射线衍射图中，水羟锰矿的主要d值是0.244nm，0.142nm；钙锰矿的主要d值是0.48nm，0.98nm；磷灰石的主要d值是0.279nm，0.269nm，0.183nm；石英的主要d值是0.334nm，0.426nm，斜长石的主要d值是0.319nm。二.红外光谱分析(IR)原理：红外光谱是由于物质中分子内部运动状态的改变而引起的。在分子体系中，各原子靠键力的相互作用维持在平衡位置上，并在此位置做微小的振动而构成分子的振动能级；同时，根据量子力学理论，分子在振动和转动时要发生能量改变，无论是振动能级还是转动能级都按一定的规律跳跃式地变化，即分子的能级是量子化的，其振动和转动能级的改变都可产生特征的分子光谱。分子的振动能量比转动能量大，当发生振动能级跃迁时，不可避免地伴随有转动能级的跃迁，所以无法测量纯粹的振动光谱，而只能得到分子的振动-转动光谱，这种光谱称为红外吸收光谱。红外吸收光谱也是一种分子吸收光谱。应用范围：对于具有红外活性的化合物，即含有共价键、并在振动过程中伴随有偶极矩变化的化合物，都可利用红外光谱分析方法对其作结构鉴定、定量分析和化学动力学研究等。该方法用于研究物质的分子结构，并可据此鉴定其物相，测定有序-无序，区分结构水和结晶水等。二.红外光谱分析(IR)特点：（1）红外光谱是依据样品吸收谱带的位置、强度、形状、个数，确定化合物结构。2）红外光谱不破坏样品，并且对任何样品的存在状态都适用，如气体、液体、可研细的固体或薄膜似的固体都可以分析。测定方便，制样简单。（3）红外光谱特征性高。由于红外光谱信息多，可以对不同结