儀器分析課學(xué)習(xí)心得

1、儀器分析課學(xué)習(xí)心得現(xiàn)代儀器分析在復(fù)合光催化劑制備中的應(yīng)用摘要：本文簡(jiǎn)單介紹了分析化學(xué)的一個(gè)重要分支，即現(xiàn)代儀器分析在高科技中的地位和作用,指出高科技發(fā)展有力的促進(jìn)現(xiàn)代儀器產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。著重介紹了現(xiàn)代儀器分析在復(fù)合光催化劑制備中的應(yīng)用，例如：XRD,BET,SEM,和XPS這幾種主要的測(cè)試和表征方法。關(guān)鍵詞：現(xiàn)代儀器分析；復(fù)合光催化劑；制備；測(cè)試和表征方法?，F(xiàn)代儀器分析為現(xiàn)代分析化學(xué)奠定了雄厚的學(xué)科理論基礎(chǔ)信息理論,使現(xiàn)代儀器分析已經(jīng)成為分析化學(xué)極其重要的組成部分，現(xiàn)代儀器分析所采用的分析儀器是化學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、機(jī)械及計(jì)算機(jī)科學(xué)等現(xiàn)代科學(xué)綜合發(fā)展的產(chǎn)物，儀器本身就是科學(xué)技術(shù)水平的標(biāo)志。若能

2、充分利用現(xiàn)代儀器分析方法和技術(shù), 就能更加全面、準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界, 進(jìn)一步促進(jìn)科學(xué)技術(shù)向縱深發(fā)展1。一.現(xiàn)代分析儀器的發(fā)展及發(fā)展趨向現(xiàn)代儀器分析是在化學(xué)分析的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來(lái)的一類分析方法，現(xiàn)代分析儀器對(duì)科技領(lǐng)域的發(fā)展起著關(guān)鍵作用,一方面科技領(lǐng)域?qū)Ψ治鰞x器不斷提出更高的要求,另一方面隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,新材料、新器件不斷涌現(xiàn)又大大推動(dòng)了分析儀器的快速更新,同時(shí)為儀器分析中老方法的不斷更新、新方法的不斷建立提供了物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ),大大地促進(jìn)了現(xiàn)代儀器分析的快速發(fā)展?，F(xiàn)代分析儀器的發(fā)展趨向主要有以下特點(diǎn): 向多功能化、自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展，向?qū)Ｓ眯秃臀⑿突较虬l(fā)展，向多維分析儀器方向發(fā)展，

3、向聯(lián)用分析儀器方向發(fā)展。儀器分析的最主要的功能是人類五官感觸的延伸，人類智慧利用了光、電和磁的物理特性通過(guò)物理和化學(xué)手段將微小的物理量放大，而獲得感知小型化集成化（芯片）、多功能化（聯(lián)用技術(shù)）和高穩(wěn)定、高靈敏度檢測(cè)是儀器分析發(fā)展的最高境界。20 世紀(jì) 70 年代中期首先出現(xiàn)了二維氣相色譜技術(shù),70 年代后期迅速發(fā)展了二維質(zhì)譜技術(shù)和二維核磁共振波譜技術(shù)2。二維氣相色譜技術(shù)可使用一種流動(dòng)相在兩根串聯(lián)的色譜柱上對(duì)組成復(fù)雜的樣品實(shí)現(xiàn)完全分離:二維質(zhì)譜技術(shù)可同時(shí)提供強(qiáng)的碎片離子峰和強(qiáng)的分子離子峰,從而獲得完整的結(jié)構(gòu)信息;二維核磁共振波譜技術(shù)可提供固體物質(zhì)、生物大分子的三維結(jié)構(gòu),顯示原子核在樣品中分布的立

4、體圖像。由上述分析儀器的發(fā)展和發(fā)展趨向 ,可知現(xiàn)代分析儀器是一種高科技產(chǎn)品,它綜合采用了各種技術(shù)的最新成果,在不斷創(chuàng)新與自身發(fā)展的同時(shí),又為各個(gè)科技領(lǐng)域的研究和發(fā)展提供有力的手段和重要的信息3。二.現(xiàn)代儀器分析的內(nèi)容和分類現(xiàn)代儀器分析方法內(nèi)容豐富，種類繁多，每種方法都有相對(duì)獨(dú)立的物理及物理化學(xué)原理，現(xiàn)已有三四十種，新的方法還在不斷地出現(xiàn)。為了便于學(xué)習(xí)和掌握，根據(jù)測(cè)量原理和信號(hào)特點(diǎn)，大致分為電化學(xué)分析法、色譜分析法、質(zhì)譜分析法，光化學(xué)分析法和其他儀器分析法幾類。1）電化學(xué)分析儀器：根據(jù)氧化還原電極電位鑒別樣品的陰、陽(yáng)離子的形態(tài)含量和活度如電位滴定儀、pH計(jì)、極譜儀等。2）熱學(xué)式分析儀器：根據(jù)熱力

5、學(xué)平衡原理，測(cè)定物質(zhì)熱交換量如熱分析儀等。3）磁學(xué)式分析儀器：利用原子核在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生共振吸收定性、定量鑒定物質(zhì)的結(jié)構(gòu)組成。如核磁共振波譜儀。4）光學(xué)式分析儀器：利用物質(zhì)對(duì)光吸收的選擇性和發(fā)射光的特殊性分析物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及組成。如紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)、熒光光度計(jì)、火餡光度計(jì)及原子吸收分光光度計(jì)等。5） 射線式分析儀器：根振X射線穿透性的原理，測(cè)定物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及組成，如X射線分析儀。6） 色譜類分折儀器：利用各物質(zhì)組分在流動(dòng)相和固定相之間交換、分配、吸附等作用的差異，達(dá)到分離鑒定的目的如薄層色譜儀、氣相色譜儀、液相色譜儀等。7）電子光學(xué)和離子光學(xué)式分析儀器：在特定的物理環(huán)境中通過(guò)對(duì)被電離物質(zhì)荷質(zhì)比

6、的分析，來(lái)鑒定物質(zhì)的結(jié)構(gòu)組成如電子探針儀、質(zhì)譜儀。8）物性測(cè)定儀器：根據(jù)物理特性及方法，檢測(cè)物質(zhì)的組成和性質(zhì)如溫度測(cè)定儀、水分測(cè)定儀、粘度計(jì)、比重儀等。9）其它專用型和多用型儀器：利用化學(xué)測(cè)定方法，通過(guò)儀器完成各階段的測(cè)定步驟。如蛋白質(zhì)含量測(cè)定儀、脂肪含量測(cè)定儀、流動(dòng)注射儀。從分析儀器功能來(lái)看，一是為了確定物質(zhì)中的結(jié)構(gòu)與組成；二是利用相關(guān)技術(shù)對(duì)物質(zhì)中各組成實(shí)行分離(如色譜技術(shù))有的兼有兩種功能，對(duì)一些復(fù)雜的物質(zhì)分析常需要多種技術(shù)相結(jié)合如色譜質(zhì)譜聯(lián)機(jī)、色譜-紅外聯(lián)機(jī)、毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜聯(lián)機(jī)。三.現(xiàn)代儀器分析在復(fù)合光催化劑制備中的應(yīng)用自1972年Fujishima A等發(fā)現(xiàn)銳鈦礦型TiO2的光催化性

7、能以來(lái)，TiO2在光催化方面的研究和應(yīng)用備受關(guān)注。TiO2因其特殊的光學(xué)和電子特性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、無(wú)毒性和低成本，在紡織領(lǐng)域成為降解染料及助劑、制備抗菌及抗紫外紡織品的一種理想材料。但TiO2的禁帶寬度為3.2eV左右，通常需要在紫外光(100400nm)照射下才能激發(fā)產(chǎn)生光生電子和空穴，從而限制了其在自然光下的應(yīng)用4。因此，將TiO2的光響應(yīng)效果拓展到可見(jiàn)光范圍(400780nm)，極大地提升其光催化效率，已經(jīng)成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外光催化研究的主要方向和熱點(diǎn)。目前，通常采用金屬離子摻雜、貴金屬沉淀、表面光敏化、非金屬摻雜、半導(dǎo)體復(fù)合等方法來(lái)制備可見(jiàn)光響應(yīng)型光催化材料。但通過(guò)以上方法向催化劑中摻

8、入某些有色離子，將導(dǎo)致催化劑在使用過(guò)程中產(chǎn)生二次污染、影響基材顏色等問(wèn)題。為此，解決光催化劑的“顯色”問(wèn)題也十分重要5。由于本人研究生期間將從事復(fù)合光催化劑的制備，并對(duì)其性能及感光效率等方面進(jìn)行測(cè)試和表征，因而在此著重介紹在整個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中將使用的一些方法，例如：XRD,BET,SEM,和XPS6。1. XRD介紹：特征X射線及其衍射X射線是一種波長(zhǎng)很短(約為200.06 nm)的電磁波，能穿透一定厚度的物質(zhì)，并能使熒光物質(zhì)發(fā)光、照相乳膠感光、氣體電離。在用電子束轟擊金屬“靶”產(chǎn)生的X射線中,包含與靶中各種元素對(duì)應(yīng)的具有特定波長(zhǎng)的X射線，稱為特征（或標(biāo)識(shí)）X射線?？紤]到X射線的波長(zhǎng)和晶體內(nèi)部

9、原子間的距離(10-8cm)相近，1912年德國(guó)物理學(xué)家勞厄(M.von Laue)提出一個(gè)重要的科學(xué)預(yù)見(jiàn)：晶體可以作為X射線的空間衍射光柵,即當(dāng)一束X射線通過(guò)晶體時(shí)將會(huì)發(fā)生衍射；衍射波疊加的結(jié)果使射線的強(qiáng)度在某些方向上增強(qiáng)、而在其它方向上減弱；分析在照相底片上獲得的衍射花樣，便可確定晶體結(jié)構(gòu)。這一預(yù)見(jiàn)隨后為實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。1913年英國(guó)物理學(xué)家布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上,不僅成功地測(cè)定了NaCl、KCl等的晶體結(jié)構(gòu),并提出了作為晶體衍射基礎(chǔ)的著名公式布拉格定律：2d sin=n，式中，為X射線的波長(zhǎng)，衍射的級(jí)數(shù)n為任何正整數(shù)。 當(dāng)X射線以掠角(入射角的

10、余角，又稱為布拉格角)入射到某一具有d點(diǎn)陣平面間距的原子面上時(shí),在滿足布拉格方程時(shí)，會(huì)在反射方向上獲得一組因疊加而加強(qiáng)的衍射線。通過(guò)XRD可以測(cè)試出復(fù)合光催化劑在不同的煅燒溫度下晶型所發(fā)生的變化，從而在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中控制溫度在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，使得光催化劑處于一個(gè)最有利的晶型狀態(tài)7。2. BET介紹：BET吸附等溫式是在Langmuir吸附理論基礎(chǔ)上建立發(fā)展起來(lái)的，主要基于兩點(diǎn)假設(shè)：物理吸附為分子間力，被吸附的分子與氣相分子之間仍存在此種力，因而可發(fā)生多層吸附，但第一層的吸附與以后的多層吸附不同，后者與氣體的凝聚類似；吸附達(dá)到平衡時(shí)，每吸附層上的蒸發(fā)速度與凝聚速度相等，因此能夠?qū)γ繉訉懗鱿鄳?yīng)的吸

11、附平衡式8。較大的比表面積可使表面原子數(shù)增加，無(wú)序度增加，鍵態(tài)嚴(yán)重失配，出現(xiàn)多活性中心，表面臺(tái)階和粗糙度增加，表現(xiàn)出非化學(xué)平衡和非整數(shù)配位的化學(xué)價(jià)，可促進(jìn)光催化反應(yīng)的進(jìn)行。灼燒前樣品的比表面積比灼燒后樣品的比表面積大，這是因?yàn)樗芓iO2納米粒子的尺寸較小，灼燒過(guò)程中，發(fā)生顆粒內(nèi)的致密化(初始晶粒之間的孔坍塌或消失)和顆粒間的合并；同時(shí)由于所制TiO2納米粒子洗滌充分，表面活性劑在晶粒表面無(wú)吸附，不能有效的防止TiO2顆粒在灼燒過(guò)程中的團(tuán)聚。N2吸附-脫附曲線(BET)是表征介孔材料結(jié)構(gòu)的重要測(cè)試手段。根據(jù)BET測(cè)試結(jié)果可以得到介孔材料BET比表面積、孔徑分布、孔容和孔道類型等信息，從而為進(jìn)一

12、步分析介孔材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系提供了更加詳實(shí)的依據(jù)。3. SEM介紹：掃描電子顯微鏡的制造是依據(jù)電子與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)一束高能的人射電子轟擊物質(zhì)表面時(shí)，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見(jiàn)、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射。同時(shí)，也可產(chǎn)生電子-空穴對(duì)、晶格振動(dòng) (聲子)、電子振蕩 (等離子體)。原則上講，利用電子和物質(zhì)的相互作用，可以獲取被測(cè)樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場(chǎng)或磁場(chǎng)等等。掃描電子顯微鏡正是根據(jù)上述不同信息產(chǎn)生的機(jī)理，采用不同的信息檢測(cè)器，使選擇檢測(cè)得以實(shí)現(xiàn)。如對(duì)二次電子、背散

13、射電子的采集，可得到有關(guān)物質(zhì)微觀形貌的信息;對(duì)X射線的采集，可得到物質(zhì)化學(xué)成分的信息。正因如此，根據(jù)不同需求，可制造出功能配置不同的掃描電子顯微鏡。 在復(fù)合光催化劑的制備過(guò)程中，采用SEM方法來(lái)觀察光催化劑的顆粒間分散程度，有無(wú)大范圍團(tuán)聚現(xiàn)象，以及晶粒粒徑和形狀910。4. XPS介紹：X射線光電子能譜因?qū)瘜W(xué)分析最有用，因此被稱為化學(xué)分析用電子能譜其主要應(yīng)用：1).元素的定性分析，可以根據(jù)能譜圖中出現(xiàn)的特征譜線的位置鑒定除H、He以外的所有元素；2).元素的定量分析，根據(jù)能譜圖中光電子譜線強(qiáng)度（光電子峰的面積）反應(yīng)原子的含量或相對(duì)濃度；3).固體表面分析，包括表面的化學(xué)組成或元素組成，原子價(jià)

14、態(tài)，表面能態(tài)分布，測(cè)定表面電子的電子云分布和能級(jí)結(jié)構(gòu)等；4).化合物的結(jié)構(gòu)，可以對(duì)內(nèi)層電子結(jié)合能的化學(xué)位移精確測(cè)量，提供化學(xué)鍵和電荷分布方面的信息；5).分子生物學(xué)中的應(yīng)用。其中對(duì)于螺桿泵定子橡膠的檢測(cè)中，將主要用到固體表面分析的技術(shù)。其技術(shù)特征：1.表面分析有很高的靈敏度；2.表面分析可以有效地從樣品的大多數(shù)原子中分離出表面信號(hào)。通過(guò)X射線表面分析技術(shù)能夠得到所需的特征信息，并還能回答其他重要的問(wèn)題：1).表面存在那種元素；2).這些元素處于什么化學(xué)狀態(tài)；3).每種元素的每種化學(xué)態(tài)是多少；4).在三維空間上材料的空間分布是什么樣的；5).若材料在表面上形成薄膜：a).薄膜的厚度是多大；b).厚度是否均勻；c).薄膜的化學(xué)組分時(shí)候均勻1112。參考文獻(xiàn)1 董慧茹. 儀器分析 M . 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2000.2 武漢大學(xué)化學(xué)系. 儀器分析 M . 北京: 高等教育出版社, 2001.3 朱明華. 儀器分析( 第 3 版) M . 北京: 高等教育出版社, 2000.4 陳娜，程永清 等.納米TiO2光催化劑在抗菌方面的最新研究進(jìn)展及應(yīng)用5 張芳，邱建偉 等.可見(jiàn)光響應(yīng)型TiO2 光催化材料的制備及應(yīng)用6 胡杰珍，鄧培昌.鹵族元素?fù)诫s改性TiO2光催化劑研究進(jìn)展7 譚湘成. 儀器分析( 第 3 版) M . 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2008.8