表征方法整理

1、FT-IR傅里叶红外光谱到目前为止红外光谱仪已发展了三代。第一代是最早使用的棱镜式色散型红外光谱仪,用棱镜作为分光元件，分辨率较低，对温度、湿度敏感,对环境要求苛刻。上世纪六十年代出现了第二代光栅型色散式红外光谱仪,采用先进的光栅刻制和复制技术,提高了仪器的分辨率,拓宽了测量波段,降低了环境要求。然后在上世纪七十年代又发展起来第三代的干涉型红外光谱仪,傅立叶变换红外光谱仪既是干涉型的代表，它具有宽的测量范围、高测量精度、极高的分辨率以及极快的测量速度。红外光谱仪基本原理

红外线和可见光一样都是电磁波，红外光又可依据波长范围分成近红外、中红外和远红外三个波区，其中中红外区（2.5～25μm；4000～400cm-1）能反映分子内部所进行的各种物理过程以及分子结构方面的特征，对解决分子结构和化学组成中的各种问题最为有效，因而中红外区是红外光谱中应用最广的区域。

红外光谱属于吸收光谱，是由于化合物分子中成键原子振动能级跃迁时吸收特定波长的红外光而产生的，只有引起分子偶极矩变化的振动才能产生红外吸收。红外吸收光谱主要用于结构分析、定性鉴别及定量分析。XRDXRD即X-raydiffraction的缩写，中文翻译是是X射线衍射，通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。用于确定晶体的原子和分子结构。其中晶体结构导致入射X射线束衍射到许多特定方向。通过测量这些衍射光束的角度和强度，晶体学家可以产生晶体内电子密度的三维图像。根据该电子密度，可以确定晶体中原子的平均位置，以及它们的化学键和各种其他信息。1.XRD研究的是材料的体相还是表面相?XRD采用单色X射线为衍射源，一般可以穿透固体，从而验证其内部结构，因此XRD给出的是材料的体相结构信息。2.XRD是定性分析手段还是定量分析手段?XRD多以定性物相分析为主，但也可以进行定量分析。通过待测样品的X射线衍射谱图与标准物质的X射线衍射谱图进行对比,可以定性分析样品的物相组成;通过对样品衍射强度数据的分析计算,可以完成样品物相组成的定量分析。3.XRD进行定性分析时可以得到哪些有用信息?A.根据XRD谱图信息，可以确定样品是无定型还是晶体：无定型样品为大包峰，没有精细谱峰结构;晶体则有丰富的谱线特征。把样品中最强峰的强度和标准物质的进行对比，可以定性知道样品的结晶度。B.通过与标准谱图进行对比，可以知道所测样品由哪些物相组成(XRD最主要的用途之一)。基本原理：晶态物质组成元素或基团如果不相同或其结构有差异,它们的衍射谱图在衍射峰数目、角度位置、相对强度以及衍射峰形上会显现出差异(基于布拉格方程，后面会详细解析)。C.通过实测样品和标准谱图2θ值的差别，可以定性分析晶胞是否膨胀或者收缩的问题，因为XRD的峰位置可以确定晶胞的大小和形状。通常定量分析的样品细度应在45微米左右，即应过325目筛。3、TEM透射电子显微镜、SEM扫描电子显微镜透射电子显微镜（TEM），是一种把经加速和聚集的电子束透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。散射角的大小与样品的密度、厚度等相关，因此可以形成明暗不同的影像，影像在放大、聚焦后在成像器件（如荧光屏，胶片以及感光耦合组件）上显示出来的显微镜。扫描电子显微镜（SEM）是1965年发明的较现代的细胞生物学研究工具，主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。无论是SEM还是TEM，其主要目的都是成像。OM、TEM、SEM成像原理结构差异主要体现在样品在电子束光路中的位置不同。透射电镜的样品在电子束中间，电子源在样品上方发射电子，经过聚光镜，然后穿透样品后，有后续的电磁透镜继续放大电子光束，最后投影在荧光屏幕上；扫描电镜的样品在电子束末端，电子源在样品上方发射的电子束，经过几级电磁透镜缩小，到达样品。当然后续的信号探测处理系统的结构也会不同，但从基本物理原理上讲没什么实质性差别。相同之处：都是电真空设备，使用绝大部分部件原理相同，例如电子枪，磁透镜，各种控制原理，消象散，合轴等等。基本工作原理透射电镜：电子束在穿过样品时，会和样品中的原子发生散射，样品上某一点同时穿过的电子方向是不同，这样品上的这一点在物镜1-2倍焦距之间，这些电子通过过物镜放大后重新汇聚，形成该点一个放大的实像，这个和凸透镜成像原理相同。这里边有个反差形成机制理论比较深就不讲，但可以这么想象，如果样品内部是绝对均匀的物质，没有晶界，没有原子晶格结构，那么放大的图像也不会有任何反差，事实上这种物质不存在，所以才会有这种牛逼仪器存在的理由。经过物镜放大的像进一步经过几级中间磁透镜的放大（具体需要几级基本上是由电子束亮度决定的,如果亮度无限大，最终由阿贝瑞利的光学仪器分辨率公式决定），最后投影在荧光屏上成像。由于透射电镜物镜焦距很短，也因此具有很小的像差系数，所以透射电镜具有非常高的空间分辨率，0.1-0.2nm，但景深比较小，对样品表面形貌不敏感，主要观察样品内部结构。扫描电镜：电子束到达样品，激发样品中的二次电子，二次电子被探测器接收，通过信号处理并调制显示器上一个像素发光，由于电子束斑直径是纳米级别，而显示器的像素是100微米以上，这个100微米以上像素所发出的光，就代表样品上被电子束激发的区域所发出的光。实现样品上这个物点的放大。如果让电子束在样品的一定区域做光栅扫描，并且从几何排列上一一对应调制显示器的像素的亮度，便实现这个样品区域的放大成像。具体图像反差形成机制不讲。由于扫描电镜所观察的样品表面很粗糙，一般要求较大工作距离，这就要求扫描电镜物镜的焦距比较长，相应的相差系数较大，造成最小束斑尺寸下的亮度限制，系统的空间分辨率一般比透射电镜低得多1-3纳米。但因为物镜焦距较长，图像景深比透射电镜高的多，主要用于样品表面形貌的观察，无法从表面揭示内部结构，除非破坏样品，例如聚焦离子束电子束扫描电镜FIB-SEM,可以层层观察内部结构。透射电镜和扫描电镜二者成像原理上根本不同。透射电镜成像轰击在荧光屏上的电子是那些穿过样品的电子束中的电子，而扫描电镜成像的二次电子信号脉冲只作为传统CTR显示器上调制CRT三极电子枪栅极的信号而已。透射电镜我们可以说是看到了电子光成像，而扫描电镜根本无法用电子光路成像来想象。样品制备TEM:电子的穿透能力很弱，透射电镜往往使用几百千伏的高能量电子束，但依然需要把样品磨制或者离子减薄或者超薄切片到微纳米量级厚度，这是最基本要求。透射制样是学问，制样好坏很多情况要靠运气，北京大学物理学院电子显微镜实验室，制样室都贴着制样过程规范。SEM:几乎不用制样，直接观察。大多数非导体需要制作导电膜，绝大多数几分钟的搞定，含水的生物样品需要固定脱水干燥，又要求不变形，比较麻烦，自然干燥还要晒几天吧。二者对样品共同要求：固体，尽量干燥，尽量没有油污染，外形尺寸符合样品室大小要求。4、TGA（热重分析仪）热重分析仪（ThermalGravimetricAnalyzer）是一种利用热重法检测物质温度-质量变化关系的仪器。热重法是在程序控温下，测量物质的质量随温度（或时间）的变化关系。当被测物质在加热过程中有升华、汽化、分解出气体或失去结晶水时，被测的物质质量就会发生变化。这时\t"/item/%E7%83%AD%E9%87%8D%E5%88%86%E6%9E%90%E4%BB%AA/_blank"热重曲线就不是直线而是有所下降。通过分析热重曲线，就可以知道被测物质在多少度时产生变化，并且根据失重量，可以计算失去了多少物质，（如CuSO4·5H2O中的结晶水）。DSC热分析法\t"/item/DSC%E5%88%86%E6%9E%90%E6%B3%95/_blank"DSC热分析法（DifferentialScanningCalorimeter），又称\t"/item/DSC%E5%88%86%E6%9E%90%E6%B3%95/_blank"差示扫描量热法，是六十年代以后研制出的一种热分析方法，它是在程序控制温度下，测量输入到试样和参比物的功率差与温度的关系。\t"/item/DSC%E5%88%86%E6%9E%90%E6%B3%95/_blank"差示扫描量热仪记录到的曲线称DSC曲线。根据测量的方法的不同，又分为两种类型：功率补偿型DSC和热流型DSC。它以\t"/item/DSC%E5%88%86%E6%9E%90%E6%B3%95/_blank"样品吸热或放热的速率，即\t"/item/DSC%E5%88%86%E6%9E%90%E6%B3%95/_blank"热流率dH/dt（单位毫焦/秒）为\t"/item/DSC%E5%88%86%E6%9E%90%E6%B3%95/_blank"纵坐标，以温度T或时间t为横坐标，可以测定多种热力学和动力学参数，例如\t"/item/DSC%E5%88%86%E6%9E%90%E6%B3%95/_blank"比热容、\t"/item/DSC%E5%88%86%E6%9E%90%E6%B3%95/_blank"反应热、转变热、\t"/item/DSC%E5%88%86%E6%9E%90%E6%B3%95/_blank"相图、\t"/item/DSC%E5%88%86%E6%9E%90%E6%B3%95/_blank"反应速率、\t"/item/DSC%E5%88%86%E6%9E%90%E6%B3%