電子顯微分析

1、物質(zhì)的表征方法姓 名： 石海燕學(xué) 院： 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院專 業(yè)： 15級分析化學(xué)學(xué) 號： 20151435隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，人們對物質(zhì)的探索與研究逐步深入，對世界認(rèn)識越來越清楚，現(xiàn)階段對物質(zhì)的形貌、結(jié)構(gòu)、組分和狀態(tài)的分析與表征手段和儀器在光譜方面主要有紅外光譜法、紫外-可見吸收光譜法、核磁共振波譜法、質(zhì)譜法、X射線熒光光譜法、X射線衍射等；運(yùn)用顯微技術(shù)的主要有光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、掃描探針顯微鏡、掃描透射電子顯微鏡、X射線能譜儀、X射線波譜儀、光電子能譜法等。本文主要介紹了紅外光譜法、紫外-可見吸收光譜法、核磁共振波譜法、質(zhì)譜法、光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子

2、顯微鏡、掃描探針顯微鏡的原理及應(yīng)用。1 紅外光譜法紅外光譜（Infrared absorption spectroscopy，IR）又稱分子振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)光譜。當(dāng)試樣分子受到波長連續(xù)變化的紅外光照射時(shí)，與分子固有振動(dòng)頻率相同的特定波長的紅外光會被吸收，產(chǎn)生分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，使相應(yīng)于這些區(qū)域的透射光強(qiáng)減弱。記錄紅外光的透射比與波數(shù)或波長關(guān)系的曲線，得到紅外吸收光譜。紅外光譜具有鮮明的特征性，其譜帶的數(shù)目、位置、形狀和強(qiáng)度都隨化合物不同而各不相同。因此，紅外光譜法是定性鑒定和結(jié)構(gòu)分析的有力工具，紅外光譜法的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：（1）已知物的鑒定將試樣的譜圖與標(biāo)準(zhǔn)品測得的譜圖相對

3、照，或者與文獻(xiàn)上的標(biāo)準(zhǔn)譜圖相對照，即可定性。（2）未知物的鑒定未知物如果不是新化合物，標(biāo)準(zhǔn)光譜己有收載的，可有兩種方法來查對標(biāo)準(zhǔn)光譜：A. 利用標(biāo)準(zhǔn)光譜的譜帶索引，尋找標(biāo)準(zhǔn)光譜中與試樣光譜吸收帶相同的譜圖；B.進(jìn)行光譜解析，判斷試樣可能的結(jié)構(gòu)。然后由化學(xué)分類索引查找標(biāo)準(zhǔn)光譜對照核實(shí)。（3）新化合物的結(jié)構(gòu)分析紅外光譜主要提供官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)信息，對于復(fù)雜化合物，尤其是新化合物，單靠紅外光譜不能解決問題，需要與紫外光譜、質(zhì)譜和核磁共振等分析手段互相配合，進(jìn)行綜合光譜解析，才能確定分子結(jié)構(gòu)。（4）鑒定細(xì)菌，研究細(xì)胞和其它活組織的結(jié)構(gòu)。（5）定量分析對于農(nóng)藥組份、土壤表面水份、田間二氧化碳含量的測定和谷物

4、油料作物及肉類食品中蛋白質(zhì)、脂肪和水份含量的測定，紅外光譜法是較好的分析方法2 紫外-可見吸收光譜法紫外可見吸收光譜法（Ultraviolet- visible absorption spectroscopy，UV-VIS）是利用某些物質(zhì)的分子的價(jià)電子和分子軌道上的電子在電子能級間的躍遷，吸收200800 nm光譜區(qū)的輻射來進(jìn)行分析測定的方法。該方法具有靈敏度高、準(zhǔn)確度好、選擇性優(yōu)操作簡便、分析速度好等特點(diǎn)。紫外可見吸收光譜法廣泛用于有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)的定性和定量測定。（1）未知物的鑒定通過對比標(biāo)準(zhǔn)物的光譜圖或標(biāo)準(zhǔn)光譜圖中物質(zhì)的吸收光譜曲線特征，吸收峰數(shù)目，位置，強(qiáng)度等，鑒定未知物。（2）物質(zhì)純度

5、的檢驗(yàn)通過繪制樣品的紫外吸收光譜判斷是否含有雜質(zhì)，如：無水乙醇中少量苯的檢驗(yàn)。（3）推測有機(jī)化合物中可能存在的官能團(tuán)根據(jù)各個(gè)官能團(tuán)的特征吸收譜帶，推測可能存在的官能團(tuán)。（4）判別同分異構(gòu)體例如：乙酰乙酸乙酯的酮式結(jié)構(gòu)有R吸收帶，無K吸收帶，而烯醇式結(jié)構(gòu)有R吸收帶，也有K吸收帶。（5）判別順反異構(gòu)體一般順式異構(gòu)體最大吸收波長比反式異構(gòu)體小，可用紫外可見吸收光譜法區(qū)別。（6）定量分析紫外-可見吸收光譜定量分析的依據(jù)：朗伯-比爾定律A =bc ，根據(jù)吸光度的加和性，還可以進(jìn)行混合物中多組分的測定。3 核磁共振波譜法核磁共振波譜（Nuclear magnetic resonance spectrosc

6、opy，NMR）是具有核磁性質(zhì)的原子核(或稱磁性核或自旋核)，在高強(qiáng)磁場的作用下，吸收那些能量與核自旋能級能量差相同的電磁輻射，引起核自旋能級的躍遷所產(chǎn)生的波譜。目前，核磁共振波譜的研究主要集中在氫譜和碳譜兩類原子核的波譜。核磁共振波譜最重要和最廣泛的應(yīng)用是確定有機(jī)物、生物化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。具體來說主要有：（1） 提供分子中化學(xué)官能團(tuán)的數(shù)目和種類進(jìn)行定性分析。（2） 進(jìn)行有機(jī)化合物的定量分析。在氫譜中峰組面積和引起該組峰的氫原子數(shù)成正比：在碳譜中，如果采用特定的脈沖序列，減少脈沖傾倒角，增長脈沖之間的間隔，其峰高與核數(shù)之間的關(guān)系也可以達(dá)到較好的定量關(guān)系。定量分析方法有圖解內(nèi)標(biāo)法外標(biāo)法以及求解聯(lián)立

7、方程。（3） 借助它來研究反應(yīng)機(jī)理，測定反應(yīng)速率常數(shù)，還可以用來研究蛋白質(zhì)和核酸的結(jié)構(gòu)與功能等。4質(zhì)譜法質(zhì)譜法（Mass spectrometry，MS）是指待測化合物分子吸收能量（在離子源的電離室中）后產(chǎn)生電離，生成分子離子，分子離子具有較高的能量，進(jìn)一步按化合物自身特有的破裂規(guī)律分裂，生成一系列確定組成的碎片離子，將所有不同質(zhì)量的離子和各離子的多少按質(zhì)荷比記錄下來，得到質(zhì)譜圖，根據(jù)質(zhì)譜圖進(jìn)行分析的方法。質(zhì)譜分析具有高靈敏度，樣品用量少，分析速度快，分離和鑒定同時(shí)進(jìn)行等特點(diǎn)，是唯一可以確定分子式的方法，也是目前最能有效地與各種色譜聯(lián)用的方法，還可以實(shí)現(xiàn)自身串聯(lián)，為分析復(fù)雜混合物提供有力手段。

8、質(zhì)譜技術(shù)廣泛應(yīng)用于化學(xué)，化工，環(huán)境，能源，醫(yī)藥，生命科學(xué)等領(lǐng)域。5光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡（Optical microscope，OM）由光學(xué)透鏡組成.利用材料的折射率和透鏡的曲率將被觀察物體放大以獲得其細(xì)節(jié)信息。一般地講,單個(gè)透鏡能將物體放大幾十倍,使用透鏡組合幾乎可放大到近千倍.但由于光的衍射效應(yīng)限制了光學(xué)顯微鏡進(jìn)一步提高分辨率的可能性。光學(xué)顯微鏡的不足：（1）放大倍數(shù)的極限： 2000 ´ （2）分辨率的極限： 0.2 mm （可見光照明）（3）景深的極限： 0.1 mm （要求金相準(zhǔn)備） （4）不能分析化學(xué)成分 光學(xué)顯微鏡的發(fā)展與使用為我們生活與生產(chǎn)帶來了便利，如：（1） 攝影顯

9、微鏡不僅對于某些觀察是必須的,而且它能獲得微觀標(biāo)本的照片，這種照片不僅客觀,而且在形式上也足夠穩(wěn)定,可以長期保存,也便于大量復(fù)制,供許多人同時(shí)進(jìn)行研究。（2） 測量顯微鏡大都具有自動(dòng)聚焦、自動(dòng)傳送樣品、自動(dòng)處理數(shù)據(jù)的功能,而且具有較高的測量精度,可以很方便的測量樣品的外形輪廓、齒形、外螺紋、內(nèi)螺紋孔的直徑、兩孔之間的中心距等參數(shù)。 （3） 電視顯微技術(shù)與科研領(lǐng)域中的組織培養(yǎng)技術(shù)相結(jié)合,使研究腫瘤、活體細(xì)胞、微生物生長過程工作得到迅速發(fā)展。 6掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡（Scanning electron microscope，SEM）的工作原理可以簡單地歸納為“光柵掃描，逐點(diǎn)成像。由電子槍發(fā)

10、射出的電子束，在加速電壓的作用下，經(jīng)過電磁透鏡會聚成一個(gè)細(xì)小的電子探針，在末級透鏡上部掃描線圈的作用下，電子探針在試樣表面作光柵狀掃描。電子束在樣品表面掃描,與樣品發(fā)生各種不同的相互作用,產(chǎn)生不同信號,獲得的相應(yīng)的顯微像的意義也不一樣。最主要的有以下幾種：（1）二次電子掃描電鏡最基本,最有代表意義,也是分析檢測用得最多的就是它的二次電子(SE)襯度像。二次電子是樣品中原子的核外電子在人射電子的激發(fā)下離開該原子而形成的,它的能量比較小(一般小于50 ev),因而在樣品中的平均自由程也小,只有在近表面(約十納米量級),二次電子才能逸出表面被接收器接收并用于成像。（2）特征X射線當(dāng)入射電子與樣品相互

11、作用時(shí),把樣品中原子的內(nèi)層電子激發(fā)出來,變成二次電子,原子中的外層電子有比較高的能量,外層電子通過躍遷填補(bǔ)內(nèi)層電子的空缺,把多余的能量用電磁波的形式發(fā)射出來,形成帶有原子特征信息的特征X射線。掃描電鏡中,在形貌觀察的同時(shí),利用特征X射線可以方便地進(jìn)行微區(qū)成分分析。具體分析方法有兩種:能量分散譜(Energy Dispersive Spectroscopy)簡稱能譜(EDS)，波長分散譜(Wavelength Dispersive Spectroscopy)簡稱波譜(WDS)。能譜指X射線強(qiáng)度為縱坐標(biāo),能量為橫坐標(biāo)的譜圖,譜峰峰位通過特征能量對應(yīng)樣品中成分的種類,譜峰峰高通過強(qiáng)度汁數(shù)對應(yīng)成分含量

12、；波譜指X射線強(qiáng)度為縱坐標(biāo),波長為橫坐標(biāo)的譜圖。（3）背散射電子背散射電子是入射電子與樣品中的原子作用,發(fā)生彈性散射形成的。它的能量基本上與人射電子相同,能量比較大,因此它在樣品中的平均自由程,也就是背散射電子的信息深度比較大,大約為一微米左右。掃描電子顯微鏡的最大優(yōu)點(diǎn)是樣品制備方法簡單，對金屬和陶瓷等塊狀樣品，只需將它們切割成大小合適的尺寸，用導(dǎo)電膠將其粘接在電鏡的樣品座上即可直接進(jìn)行觀察。對于非導(dǎo)電樣品如塑料、礦物等，在電子束作用下會產(chǎn)生電荷堆積，影響入射電子束斑和樣品發(fā)射的二次電子運(yùn)動(dòng)軌跡，使圖像質(zhì)量下降。因此這類試樣在觀察前要噴鍍導(dǎo)電層進(jìn)行處理，通常采用二次電子發(fā)射系數(shù)較高的金銀或碳膜

13、做導(dǎo)電層，膜厚控制在20 nm左右。 由于工作原理及結(jié)構(gòu)上的一些限制,使常規(guī)SEM的使用性能和適用范圍受到很大影響。歸納起來,這些影響主要有:（1）樣品必須干凈、干燥。骯臟、潮濕的樣品會使儀器真空度下降,并可能在鏡筒內(nèi)各狹縫、樣品室壁上留下沉積物,從而降低成像性能并給探頭或電子槍造成損害。此限制使得對各種各樣的含水樣品不能在自然狀態(tài)下觀察，同樣對揮發(fā)性樣品也不能觀察。（2）樣品必須有導(dǎo)電性。若樣品不導(dǎo)電,電荷累積所形成的電場會使作為SEM成像信號的二次電子發(fā)射狀況發(fā)生變化,極端情況下甚至?xí)闺娮邮淖兎较蚨箞D像失真。（3）常規(guī)SEM信號探頭使用光電倍增管放大原始成像信號,它對光、熱非常敏感,

14、因此不能觀察發(fā)光或高溫樣品。成像過程中觀察窗、照明器不能打開,給觀察過程帶來極大不便。針對SEM的缺陷,人們提出了各種解決辦法,其中以近年開發(fā)的環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)技術(shù)最引人注目。ESEM最大的優(yōu)點(diǎn)在于允許改變顯微鏡樣品室的壓力、溫度及氣體成分。它不但保留了常規(guī)SEM的全部優(yōu)點(diǎn),而且消除了對樣品室環(huán)境必須是高真空的限制。潮濕、油膩、骯臟、無導(dǎo)電性的樣品在自然狀態(tài)下都可檢測,無須任何預(yù)處理。在氣體壓力高達(dá)5000Pa，溫度高達(dá)1500 ，含有任何氣體種類的多氣環(huán)境中，ESEM都可以提供高分辨率的二次電子成像，從而使常規(guī)SEM的使用性能及適用范圍大幅度改善。7透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡

15、（Transmission electron microscope ，TEM）是把經(jīng)加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射,形成明暗不同的影像，影像將在放大、聚焦后在成像器件上顯示出來的設(shè)備。TEM在中和物理學(xué)和生物學(xué)相關(guān)的許多科學(xué)領(lǐng)域都是重要的分析方法，如癌癥研究、病毒學(xué)、材料科學(xué)、以及納米技術(shù)、半導(dǎo)體研究等；在農(nóng)業(yè)、工業(yè)上的多相催化、地球科學(xué)等研究方面的應(yīng)用也逐漸發(fā)展起來。8掃描探針顯微鏡掃描探針顯微鏡(Scanning probe microscopy ，SPM)是在掃描隧道顯微鏡及在掃描隧道顯微鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的各種新型探針顯微鏡

16、的統(tǒng)稱。SPM是利用帶有超細(xì)針尖的探針逼近樣品，并采用反饋回路控制探針在距表面納米量級位置掃描，獲得其原子以及納米級的有關(guān)信息圖像。掃描探針顯微鏡主要包括掃描隧道顯微鏡、掃描力顯微鏡、原子力顯微鏡、摩擦力顯微鏡、磁力顯微鏡、靜電力顯微鏡和掃描近場光學(xué)顯微鏡，最常用的是掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡。（1） 掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope，STM)是根據(jù)量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)原理，通過探測固體表面原子中電子的隧道電流來分辨固體表面形貌的新型顯微裝置。STM具有空間分辨率，得到的是空間直觀圖象,有利于表面動(dòng)態(tài)過程的實(shí)時(shí)觀測，還可得到表面單原子層

17、的局域結(jié)構(gòu)圖象，對于研究局部的表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附物質(zhì)的位置及形貌極其有效，；在真空、大氣、溶液等環(huán)境中都能保持很高的分辨率，從而可以實(shí)現(xiàn)近自然條件下對樣品表面的觀測，為生物樣品的研究提供了新途徑；STM對樣品幾乎無損傷，不要求特別的樣品制備技術(shù)，而且樣品需求量很小，這為觀測珍稀樣品提供了便利；在超高真空條件下，STM不僅可獲得表面形貌的圖象，還可通過掃描隧道譜（STM）研究表面的電子結(jié)構(gòu)。（2）原子力顯微鏡原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，AFM）是利用微小探針與待測物之間交互作用力，通過將激光束照射到微懸臂上,再進(jìn)行反射及反饋來呈現(xiàn)待測物的表面的形貌和物

18、理特性。原子力顯微鏡有三種工作模式： 接觸模式，針尖始終向樣品接觸并簡單地在表面上移動(dòng)，針尖樣品間的相互作用力是互相接觸原于的電子間存在的庫侖排斥力，其大小通常為1081011N。非接觸模式：相互作用力是范德華吸引力，遠(yuǎn)小于排斥力，微懸臂以共振頻率振蕩，通過控制微懸臂振幅恒定來獲得樣品表面信息。 輕敲模式：介于接觸模式和非接觸模式之間，掃描過程中微懸臂也是振蕩的并具有比非接觸模式更大的振幅(5100 nm)，針尖在振蕩時(shí)間斷地與樣品接觸。原子力顯微鏡在金屬半導(dǎo)體材料、化學(xué)、納米材料、生命科學(xué)、微加工技術(shù)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。如用原子力顯微鏡技術(shù)對白酒的微觀形態(tài)進(jìn)行表征，以期增加中國白酒酒體表象描述的理論參考，為白酒原產(chǎn)地溯源及品質(zhì)鑒定注入一些新的源頭方法和思路；利用AFM觀察水泥基材料中水泥水化產(chǎn)物形貌、結(jié)構(gòu)、彈性模量、水泥顆粒與骨料之間的界面過渡區(qū)以及水泥中添加化學(xué)添