拉曼光譜知識點

1、超全面拉曼光譜、紅外光譜、XPS的原理及應(yīng)用干貨 拉曼光譜由于近幾年來以下幾項技術(shù)的集中發(fā)展而有了更廣泛的應(yīng)用。這些技術(shù)是：CCD檢測系統(tǒng)在近紅外區(qū)域的高靈敏性，體積小而功率大的二極管激光器，與激發(fā)激光及信號過濾整合的光纖探頭。這些產(chǎn)品連同高口徑短焦距的分光光度計，提供了低熒光本底而高質(zhì)量的拉曼光譜以及體積小、容易使用的拉曼光譜儀。（一）含義光照射到物質(zhì)上發(fā)生彈性散射和非彈性散射。彈性散射的散射光是與激發(fā)光波長相同的成分.非彈性散射的散射光有比激發(fā)光波長長的和短的成分, 統(tǒng)稱為拉曼效應(yīng)。當用波長比試樣粒徑小得多的單色光照射氣體、液體或透明試樣時，大部分的光會按原來的方向透射，而一小部分則按不同

2、的角度散射開來，產(chǎn)生散射光。在垂直方向觀察時，除了與原入射光有相同頻率的瑞利散射外，還有一系列對稱分布著若干條很弱的與入射光頻率發(fā)生位移的拉曼譜線，這種現(xiàn)象稱為拉曼效應(yīng)。由于拉曼譜線的數(shù)目，位移的大小，譜線的長度直接與試樣分子振動或轉(zhuǎn)動能級有關(guān)。因此，與紅外吸收光譜類似，對拉曼光譜的研究，也可以得到有關(guān)分子振動或轉(zhuǎn)動的信息。目前拉曼光譜分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于物質(zhì)的鑒定，分子結(jié)構(gòu)的研究譜線特征。（二）拉曼散射光譜具有以下明顯的特征a.拉曼散射譜線的波數(shù)雖然隨入射光的波數(shù)而不同，但對同一樣品，同一拉曼譜線的位移與入射光的波長無關(guān),只和樣品的振動轉(zhuǎn)動能級有關(guān)；b. 在以波數(shù)為變量的拉曼光譜圖上，斯托克

3、斯線和反斯托克斯線對稱地分布在瑞利散射線兩側(cè), 這是由于在上述兩種情況下分別相應(yīng)于得到或失去了一個振動量子的能量。c. 一般情況下，斯托克斯線比反斯托克斯線的強度大。這是由于Boltzmann分布，處于振動基態(tài)上的粒子數(shù)遠大于處于振動激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù)。（三）拉曼光譜技術(shù)的優(yōu)越性提供快速、簡單、可重復(fù)、且更重要的是無損傷的定性定量分析，它無需樣品準備，樣品可直接通過光纖探頭或者通過玻璃、石英、和光纖測量。此外：1 由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學(xué)化合物的理想工具。2 拉曼一次可以同時覆蓋50-4000波數(shù)的區(qū)間，可對有機物及無機物進行分析。相反，若讓紅外光譜覆蓋相同

4、的區(qū)間則必須改變光柵、光束分離器、濾波器和檢測器。3 拉曼光譜譜峰清晰尖銳，更適合定量研究、數(shù)據(jù)庫搜索、以及運用差異分析進行定性研究。在化學(xué)結(jié)構(gòu)分析中，獨立的拉曼區(qū)間的強度可以和功能集團的數(shù)量相關(guān)。4 因為激光束的直徑在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米，常規(guī)拉曼光譜只需要少量的樣品就可以得到。這是拉曼光譜相對常規(guī)紅外光譜一個很大的優(yōu)勢。而且，拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面積的樣品。5 共振拉曼效應(yīng)可以用來有選擇性地增強大生物分子特個發(fā)色基團的振動，這些發(fā)色基團的拉曼光強能被選擇性地增強1000到10000倍。（四）幾種重要的拉曼光譜分析技術(shù) 1、單道檢測的

5、拉曼光譜分析技術(shù)2、以CCD為代表的多通道探測器用于拉曼光譜的檢測儀的分析技術(shù)3、采用傅立葉變換技術(shù)的FT-Raman光譜分析技術(shù)4、共振拉曼光譜分析技術(shù)5、表面增強拉曼效應(yīng)分析技術(shù)(五)  拉曼頻移、拉曼光譜與分子極化率的關(guān)系1、拉曼頻移：散射光頻與激發(fā)光頻之差，取決于分子振動能級的改變，所以它是特征的 ，與入射光的波長無關(guān)，適應(yīng)于分子結(jié)構(gòu)的分析2、拉曼光譜與分子極化率的關(guān)系分子在靜電場E中，極化感應(yīng)偶極矩P為靜電場E與極化率的乘積誘導(dǎo)偶極矩與外電場的強度之比為分子的極化率分子中兩原子距離最大時，極化率也最大拉曼散射強度與極化率成正比例（六）應(yīng)用激光光源的拉曼光譜法應(yīng)用激光具有單色

6、性好、方向性強、亮度高、相干性好等特性，與表面增強拉曼效應(yīng)相結(jié)合，便產(chǎn)生了表面增強拉曼光譜。其靈敏度比常規(guī)拉曼光譜可提高104107倍，加之活性載體表面選擇吸附分子對熒光發(fā)射的抑制，使分析的信噪比大大提高。已應(yīng)用于生物、藥物及環(huán)境分析中痕量物質(zhì)的檢測。共振拉曼光譜是建立在共振拉曼效應(yīng)基礎(chǔ)上的另一種激光拉曼光譜法。共振拉曼效應(yīng)產(chǎn)生于激發(fā)光頻率與待測分子的某個電子吸收峰接近或重合時，這一分子的某個或幾個特征拉曼譜帶強度可達到正常拉曼譜帶的104106倍，有利于低濃度和微量樣品的檢測。已用于無機、有機、生物大分子、離子乃至活體組成的測定和研究。激光拉曼光譜與傅里葉變換紅外光譜相配合，已成為分子結(jié)構(gòu)研

7、究的主要手段1、共振拉曼光譜的特點：(1)基頻的強度可以達到瑞利線的強度。(2)泛頻和合頻的強度有時大于或等于基頻的強度。(3)通過改變激發(fā)頻率，使之僅與樣品中某一物質(zhì)發(fā)生共振，從而選擇性的研究某一物質(zhì)。(4)和普通拉曼相比，其散射時間短，一般為10-1210-5S。2、共振拉曼光譜的缺點：需要連續(xù)可調(diào)的激光器，以滿足不同樣品在不同區(qū)域的吸收。（七）電化學(xué)原位拉曼光譜法電化學(xué)原位拉曼光譜法, 是利用物質(zhì)分子對入射光所產(chǎn)生的頻率發(fā)生較大變化的散射現(xiàn)象, 將單色入射光(包括圓偏振光和線偏振光)激發(fā)受電極電位調(diào)制的電極表面, 通過測定散射回來的拉曼光譜信號(頻率、強度和偏振性能的變化)與電極電位或電

8、流強度等的變化關(guān)系。一般物質(zhì)分子的拉曼光譜很微弱, 為了獲得增強的信號, 可采用電極表面粗化的辦法, 可以得到強度高104-107倍的表面增強拉曼散射(SurfaceEnahanced Raman Scattering, SERS) 光譜, 當具有共振拉曼效應(yīng)的分子吸附在粗化的電極表面時, 得到的是表面增強共振拉曼散射(SERRS)光譜, 其強度又能增強102-103。電化學(xué)原位拉曼光譜法的測量裝置主要包括拉曼光譜儀和原位電化學(xué)拉曼池兩個部分。拉曼光譜儀由激光源、收集系統(tǒng)、分光系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)構(gòu)成, 光源一般采用能量集中、功率密度高的激光, 收集系統(tǒng)由透鏡組構(gòu)成, 分光系統(tǒng)采用光柵或陷波濾光片結(jié)

9、合光柵以濾除瑞利散射和雜散光以及分光檢測系統(tǒng)采用光電倍增管檢測器、半導(dǎo)體陣檢測器或多通道的電荷藕合器件。原位電化學(xué)拉曼池一般具有工作電極、輔助電極和參比電極以及通氣裝置。為了避免腐蝕性溶液和氣體侵蝕儀器, 拉曼池必須配備光學(xué)窗口的密封體系。在實驗條件允許的情況下, 為了盡量避免溶液信號的干擾, 應(yīng)采用薄層溶液(電極與窗口間距為0.11mm) , 這對于顯微拉曼系統(tǒng)很重要, 光學(xué)窗片或溶液層太厚會導(dǎo)致顯微系統(tǒng)的光路改變, 使表面拉曼信號的收集效率降低。電極表面粗化的最常用方法是電化學(xué)氧化- 還原循環(huán)(Oxidation-Reduction Cycle,ORC)法, 一般可進行原位或非原位ORC處

10、理。目前采用電化學(xué)原位拉曼光譜法測定的研究進展主要有: 1）通過表面增強處理把測檢體系拓寬到過渡金屬和半導(dǎo)體電極。雖然電化學(xué)原位拉曼光譜是現(xiàn)場檢測較靈敏的方法, 但僅能有銀、銅、金三種電極在可見光區(qū)能給出較強的SERS。許多學(xué)者試圖在具有重要應(yīng)用背景的過渡金屬電極和半導(dǎo)體電極上實現(xiàn)表面增強拉曼散射。2）通過分析研究電極表面吸附物種的結(jié)構(gòu)、取向及對象的SERS 光譜與電化學(xué)參數(shù)的關(guān)系,對電化學(xué)吸附現(xiàn)象作分子水平上的描述。3）通過改變調(diào)制電位的頻率, 可以得到在兩個電位下變化的“時間分辨譜”, 以分析體系的SERS 譜峰與電位的關(guān)系, 解決了由于電極表面的SERS 活性位隨電位而變化而帶來的問題。

11、（八）拉曼信號的選擇入射激光的功率，樣品池厚度和光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)也對拉曼信號強度有很大的影響，故多選用能產(chǎn)生較強拉曼信號并且其拉曼峰不與待測拉曼峰重疊的基質(zhì)或外加物質(zhì)的分子作內(nèi)標加以校正。其內(nèi)標的選擇原則和定量分析方法與其他光譜分析方法基本相同。斯托克斯線能量減少，波長變長反斯托克斯線能量增加，波長變短（九）拉曼光譜的應(yīng)用方向拉曼光譜分析技術(shù)是以拉曼效應(yīng)為基礎(chǔ)建立起來的分子結(jié)構(gòu)表征技術(shù),其信號來源與分子的振動和轉(zhuǎn)動。拉曼光譜的分析方向有：定性分析：不同的物質(zhì)具有不同的特征光譜，因此可以通過光譜進行定性分析。結(jié)構(gòu)分析：對光譜譜帶的分析,又是進行物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。定量分析：根據(jù)物質(zhì)對光譜的吸光度的

12、特點,可以對物質(zhì)的量有很好的分析能力。（十）拉曼光譜用于分析的優(yōu)點和缺點1、拉曼光譜用于分析的優(yōu)點拉曼光譜的分析方法不需要對樣品進行前處理，也沒有樣品的制備過程，避免了一些誤差的產(chǎn)生，并且在分析過程中操作簡便，測定時間短，靈敏度高等優(yōu)點2、拉曼光譜用于分析的不足(1)拉曼散射面積(2)不同振動峰重疊和拉曼散射強度容易受光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)等因素的影響(3)熒光現(xiàn)象對傅立葉變換拉曼光譜分析的干擾(4)在進行傅立葉變換光譜分析時，常出現(xiàn)曲線的非線性的問題(5)任何一物質(zhì)的引入都會對被測體體系帶來某種程度的污染，這等于引入了一些誤差的可能性，會對分析的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響 紅外光譜的原理及應(yīng)用(一)

13、紅外吸收光譜的定義及產(chǎn)生分子的振動能量比轉(zhuǎn)動能量大，當發(fā)生振動能級躍遷時，不可避免地伴隨有轉(zhuǎn)動能級的躍遷，所以無法測量純粹的振動光譜，而只能得到分子的振動-轉(zhuǎn)動光譜，這種光譜稱為紅外吸收光譜紅外吸收光譜也是一種分子吸收光譜。當樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時，分子吸收了某些頻率的輻射，并由其振動或轉(zhuǎn)動運動引起偶極矩的凈變化，產(chǎn)生分子振動和轉(zhuǎn)動能級從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷,使相應(yīng)于這些吸收區(qū)域的透射光強度減弱。記錄紅外光的百分透射比與波數(shù)或波長關(guān)系曲線，就得到紅外光譜（二）基本原理1 產(chǎn)生紅外吸收的條件(1)分子振動時，必須伴隨有瞬時偶極矩的變化。對稱分子：沒有偶極矩，輻射不能引起共振，無紅外活性

14、。如：N2、O2、Cl2 等。非對稱分子：有偶極矩，紅外活性。(2)只有當照射分子的紅外輻射的頻率與分子某種振動方式的頻率相同時，分子吸收能量后，從基態(tài)振動能級躍遷到較高能量的振動能級，從而在圖譜上出現(xiàn)相應(yīng)的吸收帶。2 分子的振動類型伸縮振動：鍵長變動，包括對稱與非對稱伸縮振動彎曲振動：鍵角變動，包括剪式振動、平面搖擺、非平面搖擺、扭曲振動3 幾個術(shù)語基頻峰：由基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，產(chǎn)生一個強的吸收峰，基頻峰；倍頻峰：由基態(tài)直接躍遷到第二激發(fā)態(tài)，產(chǎn)生一個弱的吸收峰，倍頻峰；組頻：如果分子吸收一個紅外光子，同時激發(fā)了基頻分別為v1和v2的兩種躍遷，此時所產(chǎn)生的吸收頻率應(yīng)該等于上述兩種躍遷的吸收頻

15、率之和，故稱組頻。特征峰：凡是能用于鑒定官能團存在的吸收峰，相應(yīng)頻率成為特征頻率。相關(guān)峰：相互可以依存而又相互可以佐證的吸收峰稱為相關(guān)峰4 影響基團吸收頻率的因素（1）外部條件對吸收峰位置的影響：物態(tài)效應(yīng)、溶劑效應(yīng)（2）分子結(jié)構(gòu)對基團吸收譜帶的影響：誘導(dǎo)效應(yīng)：通常吸電子基團使鄰近基團吸收波數(shù)升高，給電子基團使波數(shù)降低。共軛效應(yīng)：基團與吸電子基團共軛，使基團鍵力常數(shù)增加，因此基團吸收頻率升高，基團與給電子基團共軛，使基團鍵力常數(shù)減小，因此基團吸收頻率降低。當同時存在誘導(dǎo)效應(yīng)和共軛效應(yīng)，若兩者作用一致，則兩個作用互相加強，不一致，取決于作用強的作用。（3）偶極場效應(yīng)：互相靠近的基團之間通過空間起作

16、用。（4）張力效應(yīng) ：  環(huán)外雙鍵的伸縮振動波數(shù)隨環(huán)減小其波數(shù)越高。（5）氫鍵效應(yīng)：氫鍵的形成使伸縮振動波數(shù)移向低波數(shù)，吸收強度增強（6）位阻效應(yīng)：共軛因位阻效應(yīng)受限，基團吸收接近正常值。（7）振動耦合（8）互變異構(gòu)的影響（三）紅外吸收光譜法的解析紅外光譜一般解析步驟1.檢查光譜圖是否符合要求;2.了解樣品來源、樣品的理化性質(zhì)、其他分析的數(shù)據(jù)、樣品重結(jié)晶溶劑及純度;3.排除可能的“假譜帶”;4.若可以根據(jù)其他分析數(shù)據(jù)寫出分子式，則應(yīng)先算出分子的不飽和度UU=（2+2n4+n3-n1)/2n4，n3，n1分別為分子中四價，三價，一價元素數(shù)目;5確定分子所含基團及化學(xué)鍵的類型（官能團區(qū)4

17、000-1330和指紋區(qū) 1330-650cm-1）6.結(jié)合其他分析數(shù)據(jù)，確定化合物的結(jié)構(gòu)單元，推出可能的結(jié)構(gòu)式;7.已知化合物分子結(jié)構(gòu)的驗證;8.標準圖譜對照;9.計算機譜圖庫檢索。（四）紅外吸收光譜法的應(yīng)用紅外光譜法廣泛用于有機化合物的定性鑒定和結(jié)構(gòu)分析。(一)、定性分析1 . 已知物的鑒定將試樣的譜圖與標準的譜圖進行對照，或者與文獻上的譜圖進行對照。如果兩張譜圖各吸收峰的位置和形狀完全相同，峰的相對強度一樣，就可以認為樣品是該種標準物。如果兩張譜圖不一樣，或峰位不一致，則說明兩者不為同一化合物，或樣品有雜質(zhì)。如用計算機譜圖檢索，則采用相似度來判別。使用文獻上的譜圖應(yīng)當注意試樣的物態(tài)、結(jié)晶

18、狀態(tài)、溶劑、測定條件以及所用儀器類型均應(yīng)與標準譜圖相同。2 . 未知物結(jié)構(gòu)的測定測定未知物的結(jié)構(gòu)，是紅外光譜法定性分析的一個重要用途。如果未知物不是新化合物，可以通過兩種方式利用標準譜圖進行查對：（1）查閱標準譜圖的譜帶索引，與尋找試樣光譜吸收帶相同的標準譜圖；（2）進行光譜解析，判斷試樣的可能結(jié)構(gòu)，然后在由化學(xué)分類索引查找標準譜圖對照核實。準備工作在進行未知物光譜解析之前，必須對樣品有透徹的了解，例如樣品的來源、外觀，根據(jù)樣品存在的形態(tài)，選擇適當?shù)闹茦臃椒?；注意視察樣品的顏色、氣味等，它們住往是判斷未知物結(jié)構(gòu)的佐證。還應(yīng)注意樣品的純度以及樣品的元素分析及其它物理常數(shù)的測定結(jié)果。元素分析是推斷

19、未知樣品結(jié)構(gòu)的另一依據(jù)。樣品的相對分子質(zhì)量、沸點、熔點、折光率、旋光率等物理常數(shù)，可作光譜解釋的旁證，并有助于縮小化合物的范圍。3確定未知物的不飽和度由元素分析的結(jié)果可求出化合 物的經(jīng)驗式，由相對分子質(zhì)量可求出其化學(xué)式，并求出不飽和度。從不飽和度可推出化合物可能的范圍。不飽和度是表示有機分子中碳原子的不飽和程度。計算不飽和度W的經(jīng)驗公式為：                     W=1+n4+(

20、n3-n1)/2式中n4、n3、n1分別為分子中所含的四價、三價和一價元素原子的數(shù)目。 二價原子如S、O等不參加計算。當計算得：當W=0時，表示分子是飽和的，為鏈狀烴及其不含雙鍵的衍生物。當W=1時，可能有一個雙鍵或脂環(huán)；當W=2時，可能有 兩個雙鍵和脂環(huán)，也可能有一個叁鍵；當W=4時，可能有一個苯環(huán)等。官能團分析：根據(jù)官能團的初步分析可以排除一部分結(jié)構(gòu)的可能性，肯定某些可能存在的結(jié)構(gòu)，并初步可以推測化合物的類別。圖譜分析：圖譜的解析主要是靠長期的實踐、經(jīng)驗的積累，至今仍沒有一一個特定的辦法。一般程序是先官能團區(qū)，后指紋區(qū)；先強峰后弱峰；先否定后肯定。首先在官能團區(qū)（40001300cm-1）

21、搜尋官能團的特征伸縮振動，再根據(jù)指紋區(qū)的吸收情況，進一步確認該基團的存在以及與其它基團的結(jié)合方式。如果是芳香族化合物，應(yīng)定出苯環(huán)取代位置。最后再結(jié)合樣品的其它分析資料，綜合判斷分析結(jié)果，提出最可能的結(jié)構(gòu)式，然后用已知樣品或標準圖譜對照，核對判斷的結(jié)果是否正確。如果樣品為新化合物，則需要結(jié)合紫外、質(zhì)譜、核磁等數(shù)據(jù)，才能決定所提的結(jié)構(gòu)是否正確。4幾種標準譜圖（1）薩特勒（Sadtler）標準紅外光譜圖（2）Aldrich紅外譜圖庫（3）Sigma Fourier紅外光譜圖庫(二) 定量分析紅外光譜定量分析是通過對特征吸收譜帶強度的測量來求出組份含量。其理論依據(jù)是朗伯-比耳定律。由于紅外光譜的譜帶較

22、多，選擇的余地大，所以能方便的對單一組分和多組分進行定量分析。此外，該法不受樣品狀態(tài)的限制，能定量測定氣體、液體和固體樣品。因此，紅外光譜定量分析應(yīng)用廣泛。但紅外光譜法定量靈敏度較低，尚不適用于微量組份的測定。定量分析方法可用標準曲線法、求解聯(lián)立方程法等方法進行定量分析。（三）紅外光譜中的新技術(shù)-差示光譜在光譜分析中，經(jīng)常需要知道兩種光譜之差。例如，在溶液光譜中去掉溶劑的光譜 ，便可得到純?nèi)苜|(zhì)的光譜；在二元混合物中，去掉一個組分的光譜，便可得到另外一個組分的光譜，該光譜成為差示光譜。X射線光電子能譜的原理和應(yīng)用（一）X光電子能譜分析的基本原理X光電子能譜分析的基本原理：一定能量的X光照射到樣品

23、表面，和待測物質(zhì)發(fā)生作用，可以使待測物質(zhì)原子中的電子脫離原子成為自由電子。該過程可用下式表示:hn=Ek+Eb+Er其中: hn：X光子的能量； Ek：光電子的能量； Eb：電子的結(jié)合能； Er：原子的反沖能量。其中Er很小，可以忽略。對于固體樣品，計算結(jié)合能的參考點不是選真空中的靜止電子，而是選用費米能級，由內(nèi)層電子躍遷到費米能級消耗的能量為結(jié)合能 Eb，由費米能級進入真空成為自由電子所需的能量為功函數(shù)，剩余的能量成為自由電子的動能Ek，式又可表示為：hn=Ek+Eb+Eb= hn- Ek-儀器材料的功函數(shù)是一個定值，約為4eV，入射X光子能量已知，這樣，如果測出電子的動能Ek，便可得到固體

24、樣品電子的結(jié)合能。各種原子，分子的軌道電子結(jié)合能是一定的。因此，通過對樣品產(chǎn)生的光子能量的測定，就可以了解樣品中元素的組成。元素所處的化學(xué)環(huán)境不同，其結(jié)合能會有微小的差別，這種由化學(xué)環(huán)境不同引起的結(jié)合能的微小差別叫化學(xué)位移，由化學(xué)位移的大小可以確定元素所處的狀態(tài)。例如某元素失去電子成為離子后，其結(jié)合能會增加，如果得到電子成為負離子，則結(jié)合能會降低。因此，利用化學(xué)位移值可以分析元素的化合價和存在形式。X射線光子的能量在10001500ev之間，不僅可使分子的價電子電離而且也可以把內(nèi)層電子激發(fā)出來，內(nèi)層電子的能級受分子環(huán)境的影響很小。 同一原子的內(nèi)層電子結(jié)合能在不同分子中相差很小，故它是特征的。光

25、子入射到固體表面激發(fā)出光電子，利用能量分析器對光電子進行分析的實驗技術(shù)稱為光電子能譜對固體樣品的元素成分進行定性、定量或半定量及價態(tài)分析。 固體樣品表面的組成、化學(xué)狀態(tài)分析，廣泛應(yīng)用于元素分析、多相研究、化合物結(jié)構(gòu)鑒定、富集法微量元素分析、元素價態(tài)鑒定。此外在對氧化、腐蝕、摩擦、潤滑、燃燒、粘接、催化、包袱等微觀機理研究；污染化學(xué)、塵埃粒子研究等的環(huán)保測定；分子生物化學(xué)以及三維剖析如界面及過渡層的研究等方面有所應(yīng)用。（二）電子能譜法的特點 （1）可以分析除H和He以外的所有元素；可以直接測定來自樣品單個能級光電發(fā)射電子的能量分布，且直接得到電子能級結(jié)構(gòu)的信息。（2）從能量范圍看，如果把紅外光譜

26、提供的信息稱之為“分子指紋”，那么電子能譜提供的信息可稱作“原子指紋”。它提供有關(guān)化學(xué)鍵方面的信息，即直接測量價層電子及內(nèi)層電子軌道能級。而相鄰元素的同種能級的譜線相隔較遠，相互干擾少，元素定性的標識性強。（3）是一種無損分析。 （4）是一種高靈敏超微量表面分析技術(shù)。分析所需試樣約 10-8 g 即可，絕對靈敏度高達 10-18g ，樣品分析深度約 2nm。(三) X 射線光電子能譜法的應(yīng)用 ( 1 )元素定性分析 各種元素都有它的特征的電子結(jié)合能，因此在能譜圖中就出現(xiàn)特征譜線，可以根據(jù)這些譜線在能譜圖中的位置來鑒定周期表中除 H和He以外的所有元素。通過對樣品進行全掃描，在一次測定中就可以檢

27、出全部或大部分元素。( 2 )元素定量分折 X 射線光電子能譜定量分析的依據(jù)是光電子譜線的強度(光電子蜂的面積)反映了原于的含量或相對濃度。在實際分析中，采用與標準樣品相比較的方法來對元素進行定量分析，其分析精度達1%2%。 ( 3 )固體表面分析 固體表面是指最外層的 110個原子層，其厚度大概是 (0.11) nm 。人們早已認識到在固體表面存在有一個與團體內(nèi)部的組成和性質(zhì)不同的相。表面研究包括分析表面的元素組成和化學(xué)組成，原子價態(tài)，表面能態(tài)分布。測定表面原子的電子云分布和能級結(jié)構(gòu)等。X射線光電子能譜是最常用的工具。在表面吸附、催化、金屬的氧化和腐蝕、半導(dǎo)體、電極鈍化、薄膜材料等方面都有應(yīng)

28、用。( 4 )化合物結(jié)構(gòu)簽定 X 射線光電子能譜法對于內(nèi)殼層電子結(jié)合能化學(xué)位移的精確測量，能提供化學(xué)鍵和電荷分布方面的信息。（四）下面重點介紹一下X射線在表面分析中的原理及應(yīng)用X射線光電子能譜法（X-rayPhotoelectron Spectrom-XPS）在表面分析領(lǐng)域中是一種嶄新的方法。雖然用X射線照射固體材料并測量由此引起的電子動能的分布早在本世紀初就有報道，但當時可達到的分辯率還不足以觀測到光電子能譜上的實際光峰。直到1958年，以Siegbahn為首的一個瑞典研究小組首次觀測到光峰現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)此方法可以用來研究元素的種類及其化學(xué)狀態(tài)，故而取名“化學(xué)分析光電子能譜（Eletron S

29、pectroscopy for ChemicalAnalysis-ESCA）。目前XPS和ESCA已公認為是同義詞而不再加以區(qū)別。XPS的主要特點是它能在不太高的真空度下進行表面分析研究，這是其它方法都做不到的。當用電子束激發(fā)時，如用AES法，必須使用超高真空，以防止樣品上形成碳的沉積物而掩蓋被測表面。X射線比較柔和的特性使我們有可能在中等真空程度下對表面觀察若干小時而不會影響測試結(jié)果。此外，化學(xué)位移效應(yīng)也是XPS法不同于其它方法的另一特點，即采用直觀的化學(xué)認識即可解釋XPS中的化學(xué)位移，相比之下，在AES中解釋起來就困難的多。 1 基本原理    &#

30、160;          用X射線照射固體時，由于光電效應(yīng)，原子的某一能級的電子被擊出物體之外，此電子稱為光電子。如果X射線光子的能量為h，電子在該能級上的結(jié)合能為Eb，射出固體后的動能為Ec，則它們之間的關(guān)系為： h=Eb+Ec+Ws 式中Ws為功函數(shù)，它表示固體中的束縛電子除克服各別原子核對它的吸引外，還必須克服整個晶體對它的吸引才能逸出樣品表面，即電子逸出表面所做的功。上式可另表示為： Ebh-Ec-Ws 可見，當入射X射線能量一定后，若測出功函數(shù)和電子的動能，即可求出電子的結(jié)合能。由于只有表面處的光電子才能從固體中逸出，因而測得的電子結(jié)合能必然反應(yīng)了表面化學(xué)成份的情況。這正是光電子能譜儀的基本測試原理。2 儀器組成 XPS是精確測量物質(zhì)受X射線激發(fā)產(chǎn)生光電子能量分布的儀器。具有真空系統(tǒng)、離子槍、進樣系統(tǒng)、能量分析器以及探測器等部件。XPS中的射線源通常采用AlK（1486.6eV）