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1、材料近代测试技术（材料学科硕士研究生学位课程）高分子结构分析方法（“高分子化学与物理”学位点博士研究生选修课程）,第一章 现代分析测试方法概述,主要内容,1. 分析科学与测试技术的发展,2. 分析测试方法的分类,3. 光谱分析的基本原理,4. 分析测试方法的选择,5.分析测试在材料科学研究中的作用,分析科学与测试技术的发展,1.1 分析化学的诞生,拉瓦锡（A. L. Lavoisier) (17431794)为化学引进了极为重要的定量测量观念和方法，从而诞生了分析化学。,分析化学是研究获得物质化学组成，结构信息，分析方法及相关理论的科学。,1.2 分析化学的发展,阶段一： 16世纪 20世纪4
2、0年代前，化学分析占主导地位，仪器分析种类少和精度低。,分析化学的发展经历了三个发展阶段，发生了三次变革。,第一次变革： 20世纪初，溶液中四大反应平衡理论的形成，为化学分析的发展奠定了理论基础。标志着分析化学由一门操作技术变成一门科学。,阶段二： 20世纪40年代80年代，仪器分析获得大发展。 为什么出现在这一时期？一系列重大科学发现，为仪器分析的建立和发展奠定了理论基础。 （1）Bloch F 和Purcell E M；建立了核磁共振测定方法；诺贝尔化学奖1952年； （2）Martin A J P 和Synge R L M；建立了气相色谱分析法；诺贝尔化学奖1952年； （3）Heyro
3、vsky J，建立极谱分析法，诺贝尔化学奖1959年,第二次变革： 物理学和化学的许多重大发现，推动了仪器分析的发展，成为分析化学的第二次变革。,阶段三：八十年代初至今 （1）计算机控制的分析数据采集与处理： 实现分析过程的连续、快速、实时、智能； （2）化学计量学：利用数学、统计学的方法设计选择最 佳分析条件，获得最大程度的化学信息。 （3）各种联用技术得到快速发展。,第三次变革：分析化学开始突破原来化学的范畴，发展成为一门新兴学科分析科学。,1.3 分析科学的形成,1.由分析对象来看,2.由分析对象的数量级来看,4.由分析自动化程度来看,3.由分析对象的结构尺度来看,与分析科学有关的诺贝尔
4、奖项,分析科学研究的主要内容,发展高精密度、高灵敏度、高空间分辨率的高效仪器和测试方法；提高选择性；扩展时空多维信息，建立包括信息学和数学在内的解释大量数据流的高通量测量方法；微型化及微环境的表征与测定；形态分析及表征；生物大分子及生物活性物质的表征与测定；非破坏性检测技术；发展有毒物质的非接触分析方法和遥测技术；发展具有极端复杂性和异质性的化学和生物混合物的高效分离分析方法。,分析科学未来的发展方向和面临的任务,2. 分析测试方法的分类,分析测试方法,电化学分析法,光谱分析法,色谱分析法,热分析法,显微分析法,质谱分析法,电化学分析法的分类,电化学分析法,电位分析法,电解分析法,电泳分析法,
5、库仑分析法,极谱与伏安分析法,电导分析法,色谱分析方法的分类,色谱分析法,气相色谱法,薄层色谱法,液相色谱法,凝胶渗透色谱法,离子色谱法,超临界色谱法,光谱分析法的分类,光谱分析法,光折射法,光衍射法,光发射法,光散射法,光偏转法,光吸收法,质谱分析法的分类,热分析法分类,热重分析,热分析,热机械分析,差热分析,差示扫描量热分析,显微分析法分类,显微分析,扫描探针显微镜,电子探针,透射电镜,分析方法的联用技术,气相色谱质谱联用液相色谱质谱联用液相色谱核磁联用热重红外联用原子发射光谱质谱联用,3. 光谱分析概述,3.1 光的基本性质,光是一种电、磁场相互垂直，并垂直于传播方向作周期变化的电磁波。
6、同时是一种以极大的速度（真空中为 2.997921010cms-1）通过空间，而不需要以任何物质作为传播媒介的能量形式。光具有波粒二象性。,3.2 光的波动性,光是一种电磁波，描述光波的参数主要有：波长（ ,单位：nm、m、cm）、频率（ ，单位：Hz，s-1），传播速度（c，单位：cm/s):,频率的另一种表示方法是用波数(,单位：cm-1)，即在1cm长度内波的数目:,光的波动性光的散射,粒子散射：当介质粒子（如在乳浊液、悬浮液、胶体溶液中）的大小与光的波长差不多时，在偏离入射角的方向能探测到散射光，对可见光甚至用肉眼也能看到。散射光的强度与入射光波长的平方成反比。分子散射： 瑞利散射：当
7、样品分子比光波长小很多时，发生Rayleigh 散射。光子与样品分子产生弹性碰撞，只改变传播方向而没有能量交换。散射光强与波长的四次方成反比 I 4。 拉曼散射：光子与样品分子产生非弹性碰撞，有能量交换，产生与入射光不同波长的散射光（ Raman散射）。这种散射与物质分子的振动和转动能级有关，故可以表征分子结构。,基于光散射的分析方法,激光光散射法（测胶体粒子大小及其分布，分析聚合物的绝对分子量，研究高分子与溶剂之间的相互作用情况）小角X射线散射法（表征材料的形态结构）激光拉曼光谱法（研究物质分子结构和材料微结构，可进行未知物的无损鉴定。 ）,光的波动性光的衍射,Bragg的衍射条件 2d s
8、in = n,基于光衍射的分析方法,多晶X射线衍射仪（分析材料的晶体结构，测量结晶度和晶粒取向度等）单晶X射线衍射仪（通过测定单晶的晶体结构，了解晶体中原子的三维空间排列，获得有关键长、键角、分子构型等结构信息）,光的波动性光的偏振,平面偏振光振动方向保持不变振幅发生周期性变化,园偏振光振幅保持不变，而方向周期变化，电场矢量绕传播方向螺旋前进,基于光偏振的分析方法,圆二色谱法,Plane(linearly) polarized light,Right and Left hand circularly polarized light,Optically Active Sample,Prefere
9、ntial absorption of left hand polarized,Chiral,Ex=E0 x cos t-(2l /)n+0,3.3 光的微粒性,光电效应、光压现象。光子动能： P=h/=h /c光子能量： E= h=hc/,光的微粒性光的吸收,光作用于物质后，物质选择性地接受一定波长（频率）的光的能量，从低能态跃迁至高能态(激发态)，这种现象称为光的吸收；基于这种现象建立起来的分析方法称为吸收光谱法。,以能量（吸光度或透过率）为纵坐标，波长（或频率）为横坐标的曲线为吸收光谱图（或吸收曲线）。,基于光吸收的分析方法,原子吸收光谱法（测元素含量）；紫外可见光谱法（UVVis）（分
10、析化合物结构及其含量）；红外光谱法（IR）（分析有机化合物中基团）核磁共振波谱法（NMR）（分析有机化合物结构）。电子自旋共振波谱法（EPR）（分析单电子化合物的结构）,吸收光谱对应的能量跃迁,光的微粒性光的发射,处于高能态（激发态）的物质不稳定，通过约10-8s释放能量返回基态，若以发射光子的形式放出能量，则得到发射光谱。,吸收或发射产生的条件是：物质与光子发生碰撞；E光子=EM*/M；E光子 与物质的EM*/M是量子化的；吸收与发射分别产生吸收或发射光谱。,基于光发射的分析方法,原子发射光谱法（分析元素含量）；原子荧光光谱法（分析元素含量）；分子荧光光谱法（分析化合物的含量）；,3.4 光
11、谱分析法的基本原理,根据光或其它能量作用于被分析物后，以其产生的光信号或光性质的变化为基础而建立起来的分析方法。 光谱分析方法涉及到三个问题： 能源 提供能量（包括光能）； 能量与物质的相互作用产生光信号； 光信号的检测。,3.5 光谱分析法的分类,3.6 光谱分析仪器的构成,光谱分析仪器的五大部分,光源（连续光源，不连续光源，单色光源）试样系统（样品池等）分光系统（波长选择器）（滤光和单色器。滤光片为有色玻璃或夹层玻璃片等；单色器有棱镜和光栅单色器等）检测系统（光电转换检测器，热电转换检测器等）信号显示系统（数字显示装置，检流计等）,4. 分析测试方法的选择,4.1 明确分析测试目的，选择分
12、析测试方法,定性分析定量分析结构分析,无机物定性和定量分析,原子发射光谱法原子吸收光谱法X射线衍射法X射线荧光光谱法同位素质谱法离子色谱法,纯有机物结构分析,元素分析法（测C、H、N、O、S元素含量）紫外可见光谱法红外光谱法有机质谱法核磁共振波谱法,有机混合物成分定性及定量分析,气相色谱法液相色谱法气相色谱质谱联用法液相色谱质谱联用法紫外可见光谱法,聚集态结构分析,透射电子显微镜法X射线衍射法小角X射线散射法固体核磁共振波谱法红外光谱法拉曼光谱法,表面结构分析,扫描电镜法扫描探针显微镜法电子探针法能谱分析法,表面成分分析,指样品表面深度为一定范围内的成分与结构信息分析，如表面污染物分析、材料表
13、面变质分析、表面化学处理研究、催化剂制备工艺、催化剂活性、中毒原因分析等。,电子能谱法X射线能谱法辉光放电光谱法红外光谱法拉曼光谱法,微区分析,对样品表面直径在100 m以下的微小区域的成分和结构进行分析。,扫描电镜能谱法显微红外光谱法显微拉曼光谱法,4.2 了解仪器性能参数，选择分析测试方法,精密度（Precision） 是指多次重复测定同一量时各测定值之间彼此符合的程度，表示测定过程中随机误差的大小。准确度（Accuracy） 是指在一定条件下多次测定的平均值与真值相符合的程度。,测试结果的准确度和精密度,精密度高，但准确度不高。,精密度和准确度都不高。,精密度和准确度都高。,灵敏度（Se
14、nsitivity） 反映了仪器或方法识别微小浓度或含量变化的能力，也就是说，当浓度或含量有微小变化时，仪器或方法均可以觉察出来。检测限（Detection Limit, DL） 能产生一个确证在试样中存在被测组分的分析信号所需要的该组分的最小含量或最小浓度。,一些分析方法的绝对检出限和相对检出限,分辨率（Resolution）： 又称分辨力和分辨本领，是指仪器能区分开最邻近所示量值的能力。稳定性（Stability） 是指在规定的工作条件下，仪器保持其计量特性不变的能力。在检验仪器的稳定性时，主要是指仪器响应值随时间的变化特性。稳定性可用噪声（noise）和漂移（drift）两个参数来表征。
15、,噪声与漂移,噪声是由于未知的偶然因素所引起的分析信号的随机波动，干扰有用分析信号的检测。在零含量（浓度）时产生的噪声，称为基线噪声，它使检出限变差。漂移是指分析信号朝某一定的方向缓慢变化的现象。基线朝一个方向变化称为基线漂移。漂移表示了系统误差的影响。,线性范围（Linear Range）,4.3 分析方法选择的其它原则,该类型号仪器是否能够用上。分析者使用该仪器经验如何。样品中其它组份对待测物分析的干扰程度。使用该方法必须采用的样品数量。样品是否被破坏。取得结果的分析速度。使用该分析方法的综合开支。,5. 分析测试在材料科学研究和生产中的作用,材料制造配方与工艺、结构与成分、性能与功能三者之间的关系,制造配方与工艺,性能与功能,结构与成分,
