电子显微分析

1、物质的表征方法姓 名： 石海燕学 院： 化学与环境科学学院专 业： 15级分析化学学 号： 20151435随着科技的发展与进步，人们对物质的探索与研究逐步深入，对世界认识越来越清楚，现阶段对物质的形貌、结构、组分和状态的分析与表征手段和仪器在光谱方面主要有红外光谱法、紫外-可见吸收光谱法、核磁共振波谱法、质谱法、X射线荧光光谱法、X射线衍射等；运用显微技术的主要有光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、扫描探针显微镜、扫描透射电子显微镜、X射线能谱仪、X射线波谱仪、光电子能谱法等。本文主要介绍了红外光谱法、紫外-可见吸收光谱法、核磁共振波谱法、质谱法、光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子

2、显微镜、扫描探针显微镜的原理及应用。1 红外光谱法红外光谱（Infrared absorption spectroscopy，IR）又称分子振动转动光谱。当试样分子受到波长连续变化的红外光照射时，与分子固有振动频率相同的特定波长的红外光会被吸收，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这些区域的透射光强减弱。记录红外光的透射比与波数或波长关系的曲线，得到红外吸收光谱。红外光谱具有鲜明的特征性，其谱带的数目、位置、形状和强度都随化合物不同而各不相同。因此，红外光谱法是定性鉴定和结构分析的有力工具，红外光谱法的应用主要有以下几个方面：（1）已知物的鉴定将试样的谱图与标准品测得的谱图相对

3、照，或者与文献上的标准谱图相对照，即可定性。（2）未知物的鉴定未知物如果不是新化合物，标准光谱己有收载的，可有两种方法来查对标准光谱：A. 利用标准光谱的谱带索引，寻找标准光谱中与试样光谱吸收带相同的谱图；B.进行光谱解析，判断试样可能的结构。然后由化学分类索引查找标准光谱对照核实。（3）新化合物的结构分析红外光谱主要提供官能团的结构信息，对于复杂化合物，尤其是新化合物，单靠红外光谱不能解决问题，需要与紫外光谱、质谱和核磁共振等分析手段互相配合，进行综合光谱解析，才能确定分子结构。（4）鉴定细菌，研究细胞和其它活组织的结构。（5）定量分析对于农药组份、土壤表面水份、田间二氧化碳含量的测定和谷物

4、油料作物及肉类食品中蛋白质、脂肪和水份含量的测定，红外光谱法是较好的分析方法2 紫外-可见吸收光谱法紫外可见吸收光谱法（Ultraviolet- visible absorption spectroscopy，UV-VIS）是利用某些物质的分子的价电子和分子轨道上的电子在电子能级间的跃迁，吸收200800 nm光谱区的辐射来进行分析测定的方法。该方法具有灵敏度高、准确度好、选择性优操作简便、分析速度好等特点。紫外可见吸收光谱法广泛用于有机和无机物质的定性和定量测定。（1）未知物的鉴定通过对比标准物的光谱图或标准光谱图中物质的吸收光谱曲线特征，吸收峰数目，位置，强度等，鉴定未知物。（2）物质纯度

5、的检验通过绘制样品的紫外吸收光谱判断是否含有杂质，如：无水乙醇中少量苯的检验。（3）推测有机化合物中可能存在的官能团根据各个官能团的特征吸收谱带，推测可能存在的官能团。（4）判别同分异构体例如：乙酰乙酸乙酯的酮式结构有R吸收带，无K吸收带，而烯醇式结构有R吸收带，也有K吸收带。（5）判别顺反异构体一般顺式异构体最大吸收波长比反式异构体小，可用紫外可见吸收光谱法区别。（6）定量分析紫外-可见吸收光谱定量分析的依据：朗伯-比尔定律A =bc ，根据吸光度的加和性，还可以进行混合物中多组分的测定。3 核磁共振波谱法核磁共振波谱（Nuclear magnetic resonance spectrosc

6、opy，NMR）是具有核磁性质的原子核(或称磁性核或自旋核)，在高强磁场的作用下，吸收那些能量与核自旋能级能量差相同的电磁辐射，引起核自旋能级的跃迁所产生的波谱。目前，核磁共振波谱的研究主要集中在氢谱和碳谱两类原子核的波谱。核磁共振波谱最重要和最广泛的应用是确定有机物、生物化学物质的结构。具体来说主要有：（1） 提供分子中化学官能团的数目和种类进行定性分析。（2） 进行有机化合物的定量分析。在氢谱中峰组面积和引起该组峰的氢原子数成正比：在碳谱中，如果采用特定的脉冲序列，减少脉冲倾倒角，增长脉冲之间的间隔，其峰高与核数之间的关系也可以达到较好的定量关系。定量分析方法有图解内标法外标法以及求解联立

7、方程。（3） 借助它来研究反应机理，测定反应速率常数，还可以用来研究蛋白质和核酸的结构与功能等。4质谱法质谱法（Mass spectrometry，MS）是指待测化合物分子吸收能量（在离子源的电离室中）后产生电离，生成分子离子，分子离子具有较高的能量，进一步按化合物自身特有的破裂规律分裂，生成一系列确定组成的碎片离子，将所有不同质量的离子和各离子的多少按质荷比记录下来，得到质谱图，根据质谱图进行分析的方法。质谱分析具有高灵敏度，样品用量少，分析速度快，分离和鉴定同时进行等特点，是唯一可以确定分子式的方法，也是目前最能有效地与各种色谱联用的方法，还可以实现自身串联，为分析复杂混合物提供有力手段。

8、质谱技术广泛应用于化学，化工，环境，能源，医药，生命科学等领域。5光学显微镜光学显微镜（Optical microscope，OM）由光学透镜组成.利用材料的折射率和透镜的曲率将被观察物体放大以获得其细节信息。一般地讲,单个透镜能将物体放大几十倍,使用透镜组合几乎可放大到近千倍.但由于光的衍射效应限制了光学显微镜进一步提高分辨率的可能性。光学显微镜的不足：（1）放大倍数的极限： 2000 ´ （2）分辨率的极限： 0.2 mm （可见光照明）（3）景深的极限： 0.1 mm （要求金相准备） （4）不能分析化学成分 光学显微镜的发展与使用为我们生活与生产带来了便利，如：（1） 摄影显

9、微镜不仅对于某些观察是必须的,而且它能获得微观标本的照片，这种照片不仅客观,而且在形式上也足够稳定,可以长期保存,也便于大量复制,供许多人同时进行研究。（2） 测量显微镜大都具有自动聚焦、自动传送样品、自动处理数据的功能,而且具有较高的测量精度,可以很方便的测量样品的外形轮廓、齿形、外螺纹、内螺纹孔的直径、两孔之间的中心距等参数。 （3） 电视显微技术与科研领域中的组织培养技术相结合,使研究肿瘤、活体细胞、微生物生长过程工作得到迅速发展。 6扫描电子显微镜扫描电子显微镜（Scanning electron microscope，SEM）的工作原理可以简单地归纳为“光栅扫描，逐点成像。由电子枪发

10、射出的电子束，在加速电压的作用下，经过电磁透镜会聚成一个细小的电子探针，在末级透镜上部扫描线圈的作用下，电子探针在试样表面作光栅状扫描。电子束在样品表面扫描,与样品发生各种不同的相互作用,产生不同信号,获得的相应的显微像的意义也不一样。最主要的有以下几种：（1）二次电子扫描电镜最基本,最有代表意义,也是分析检测用得最多的就是它的二次电子(SE)衬度像。二次电子是样品中原子的核外电子在人射电子的激发下离开该原子而形成的,它的能量比较小(一般小于50 ev),因而在样品中的平均自由程也小,只有在近表面(约十纳米量级),二次电子才能逸出表面被接收器接收并用于成像。（2）特征X射线当入射电子与样品相互

11、作用时,把样品中原子的内层电子激发出来,变成二次电子,原子中的外层电子有比较高的能量,外层电子通过跃迁填补内层电子的空缺,把多余的能量用电磁波的形式发射出来,形成带有原子特征信息的特征X射线。扫描电镜中,在形貌观察的同时,利用特征X射线可以方便地进行微区成分分析。具体分析方法有两种:能量分散谱(Energy Dispersive Spectroscopy)简称能谱(EDS)，波长分散谱(Wavelength Dispersive Spectroscopy)简称波谱(WDS)。能谱指X射线强度为纵坐标,能量为横坐标的谱图,谱峰峰位通过特征能量对应样品中成分的种类,谱峰峰高通过强度汁数对应成分含量

12、；波谱指X射线强度为纵坐标,波长为横坐标的谱图。（3）背散射电子背散射电子是入射电子与样品中的原子作用,发生弹性散射形成的。它的能量基本上与人射电子相同,能量比较大,因此它在样品中的平均自由程,也就是背散射电子的信息深度比较大,大约为一微米左右。扫描电子显微镜的最大优点是样品制备方法简单，对金属和陶瓷等块状样品，只需将它们切割成大小合适的尺寸，用导电胶将其粘接在电镜的样品座上即可直接进行观察。对于非导电样品如塑料、矿物等，在电子束作用下会产生电荷堆积，影响入射电子束斑和样品发射的二次电子运动轨迹，使图像质量下降。因此这类试样在观察前要喷镀导电层进行处理，通常采用二次电子发射系数较高的金银或碳膜

13、做导电层，膜厚控制在20 nm左右。 由于工作原理及结构上的一些限制,使常规SEM的使用性能和适用范围受到很大影响。归纳起来,这些影响主要有:（1）样品必须干净、干燥。肮脏、潮湿的样品会使仪器真空度下降,并可能在镜筒内各狭缝、样品室壁上留下沉积物,从而降低成像性能并给探头或电子枪造成损害。此限制使得对各种各样的含水样品不能在自然状态下观察，同样对挥发性样品也不能观察。（2）样品必须有导电性。若样品不导电,电荷累积所形成的电场会使作为SEM成像信号的二次电子发射状况发生变化,极端情况下甚至会使电子束改变方向而使图像失真。（3）常规SEM信号探头使用光电倍增管放大原始成像信号,它对光、热非常敏感,

14、因此不能观察发光或高温样品。成像过程中观察窗、照明器不能打开,给观察过程带来极大不便。针对SEM的缺陷,人们提出了各种解决办法,其中以近年开发的环境扫描电子显微镜(ESEM)技术最引人注目。ESEM最大的优点在于允许改变显微镜样品室的压力、温度及气体成分。它不但保留了常规SEM的全部优点,而且消除了对样品室环境必须是高真空的限制。潮湿、油腻、肮脏、无导电性的样品在自然状态下都可检测,无须任何预处理。在气体压力高达5000Pa，温度高达1500 ，含有任何气体种类的多气环境中，ESEM都可以提供高分辨率的二次电子成像，从而使常规SEM的使用性能及适用范围大幅度改善。7透射电子显微镜透射电子显微镜

15、（Transmission electron microscope ，TEM）是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射,形成明暗不同的影像，影像将在放大、聚焦后在成像器件上显示出来的设备。TEM在中和物理学和生物学相关的许多科学领域都是重要的分析方法，如癌症研究、病毒学、材料科学、以及纳米技术、半导体研究等；在农业、工业上的多相催化、地球科学等研究方面的应用也逐渐发展起来。8扫描探针显微镜扫描探针显微镜(Scanning probe microscopy ，SPM)是在扫描隧道显微镜及在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜

16、的统称。SPM是利用带有超细针尖的探针逼近样品，并采用反馈回路控制探针在距表面纳米量级位置扫描，获得其原子以及纳米级的有关信息图像。扫描探针显微镜主要包括扫描隧道显微镜、扫描力显微镜、原子力显微镜、摩擦力显微镜、磁力显微镜、静电力显微镜和扫描近场光学显微镜，最常用的是扫描隧道显微镜和原子力显微镜。（1） 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，STM)是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。STM具有空间分辨率，得到的是空间直观图象,有利于表面动态过程的实时观测，还可得到表面单原子层

17、的局域结构图象，对于研究局部的表面缺陷、表面重构、表面吸附物质的位置及形貌极其有效，；在真空、大气、溶液等环境中都能保持很高的分辨率，从而可以实现近自然条件下对样品表面的观测，为生物样品的研究提供了新途径；STM对样品几乎无损伤，不要求特别的样品制备技术，而且样品需求量很小，这为观测珍稀样品提供了便利；在超高真空条件下，STM不仅可获得表面形貌的图象，还可通过扫描隧道谱（STM）研究表面的电子结构。（2）原子力显微镜原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是利用微小探针与待测物之间交互作用力，通过将激光束照射到微悬臂上,再进行反射及反馈来呈现待测物的表面的形貌和物

18、理特性。原子力显微镜有三种工作模式： 接触模式，针尖始终向样品接触并简单地在表面上移动，针尖样品间的相互作用力是互相接触原于的电子间存在的库仑排斥力，其大小通常为1081011N。非接触模式：相互作用力是范德华吸引力，远小于排斥力，微悬臂以共振频率振荡，通过控制微悬臂振幅恒定来获得样品表面信息。 轻敲模式：介于接触模式和非接触模式之间，扫描过程中微悬臂也是振荡的并具有比非接触模式更大的振幅(5100 nm)，针尖在振荡时间断地与样品接触。原子力显微镜在金属半导体材料、化学、纳米材料、生命科学、微加工技术等领域都有广泛的应用。如用原子力显微镜技术对白酒的微观形态进行表征，以期增加中国白酒酒体表象描述的理论参考，为白酒原产地溯源及品质鉴定注入一些新的源头方法和思路；利用AFM观察水泥基材料中水泥水化产物形貌、结构、弹性模量、水泥颗粒与骨料之间的界面过渡区以及水泥中添加化学添