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1、矿物化学成分分析测试 光谱分析,目录,光谱分析法分类发射光谱分析法概述发射光谱分析仪器原理、特点及应用吸收光谱分析法概述吸收光谱分析仪器原理特点及应用光谱分析仪器分布（武汉）,2023年7月10日,3,衍射分析：X射线衍射、电子衍射、中子衍射等电子显微分析：透射电镜、扫描电镜、电子探针等光谱分析：穆斯堡尔谱、X射线荧光光谱、紫外可见吸收光谱、原子吸收光谱、原子发射光谱、原子荧光光谱、红外吸收光谱、分子荧光磷光光谱、电子顺磁共振谱、核磁共振谱等电子能谱分析：俄歇电子能谱、X射线光电子能谱、紫外光电子能谱等热分析：热重法、差热分析、差示扫描量热法等色谱分析：气相色谱、液相色谱等质谱分析：质谱法、二
2、次离子质谱法等电化学分析：库仑分析、电解分析等其它：扫描隧道显微镜、原子力显微镜等,现代主要分析测试方法,光谱分析法,光学分析法是根据物质发射的电磁辐射或电磁辐射与物质相互作用而建立起来的一类分析化学方法。光谱法是基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度进行分析的方法。光谱分析法的特点：(1)分析速度较快(2)操作简便(3)不需纯样品（4）可同时测定多种元素或化合物（5）选择性好（6）灵敏度高（7）样品损坏少局限性 光谱定量分析建立在相对比较的基础上，必须有一套标准样品作为基准，而且要求标准样品的组成和结构状态应与被分析的样品基本
3、一致，这常常比较困难。,2023年7月10日,(线状光谱),(带状光谱),一.发射光谱法,物质通过电致激发、热致激发或光致激发等过程获取能量，变成为激发态的原子或分子M*，激发态的原子或分子是极不稳定的，它们可能以不同形式释放出能量从激发态跃迁至基态或低能态，如果这种跃迁是以辐射形式释放多余的能量就产生发射光谱。通过测量物质发射光谱的波长和强度来进行定性、定量分析的方法叫做发射光谱法。,依据光谱区域和激发方式不同，发射光谱有以下几种：射线光谱法 X射线荧光分析法 原子发射光谱分析法 原子荧光分析法 分子荧光分析法 分子磷光分析法 化学发光分析法,1.X射线荧光光谱仪 x ray Fluores
4、cence Spectroscope(XRF),目前，X射线光谱法发展成熟，多用于元素的定性、定量及固体表面薄层成分分析等。XRF利用样品对x射线的吸收随样品中的成分及其多少而变化来定性或定量测定样品中成分的一种方法.XRF是一种最有效的无损成分分析手段之一,2023年7月10日,优点(1)速度快，一般测定一种元素(定量)需10100秒；(2)可检测固态、粉末、液态样品，以及晶质、非晶质等样品的化学成分；(3)非破坏性测试，不损伤样品(但对于某些高分子物质，如有机物，则会引起颜色变化)；(4)是一种物理分析方法，分析元素范围F9U92，分析的浓度范围1ppm100%；(5)制样简单，板状样品把
5、被照射面加工成平面即可，粉末样品经粉碎、压片即可；(6)系表面分析，一般测定深度为0.1mm范围，另外也是表面整体分析，即分析整个照射面范围内的元素种类和含量；,缺点：(1)难以作绝对分析，因此定量分析时需参照标准物质进行；(2)原子序数低的元素，其检出限及测定误差都相对较大。,2023年7月10日,主要用途：样品可以是固体、粉末、熔融片，液体等，分析对象适用于炼钢、有色金属、水泥、陶瓷、石油、玻璃等行业样品。无标半定量方法可以对各种形状样品定性分析，并能给出半定量结果，结果准确度对某些样品可以接近定量水平，分析时间短。薄膜分析软件FP-MULT1能作镀层分析，薄膜分析。测量样品的最大尺寸要求
6、为直径51mm,高40mm.,2.原子荧光光度计,原子荧光可分为3类：即共振荧光、非共振荧光和敏化荧光，其中以共振原子荧光最强，在分析中应用最广。根据荧光谱线的波长可以进行定性分析。在一定实验条件下，荧光强度与被测元素的浓度成正比。据此可以进行定量分析。原子荧光光谱仪分为色散型和非色散型两类。两类仪器的结构基本相似，差别在于非色散仪器不用单色器。色散型仪器由辐射光源、单色器、原子化器、检测器、显示和记录装置组成。辐射光源用来激发原子使其产生原子荧光。,基本原理,原子荧光光度计是通过测量待测元素的原子蒸气在辐射能激发下产生的荧光发射强度，来确定待测元素含量的方法。气态自由原子吸收特征波长辐射后，
7、原子的外层电子从基态或低能级跃迁到高能级经过约10-8s，又跃迁至基态或低能级，同时发射出与原激发波长相同或不同的辐射，称为原子荧光。原子荧光分为共振荧光、直跃荧光、阶跃荧光等。,原子荧光光谱法的优点,（1）有较低的检出限，灵敏度高。特别对Cd、Zn等元素有相当低的检出限，Cd可达0001ngcm-3、Zn为0.04ngcm-3。（2）干扰较少，谱线比较简单，采用一些装置，可以制成非色散原子荧光分析仪。这种仪器结构简单，价格便宜。（3）分析校准曲线线性范围宽，可达35个数量级。（4）由于原子荧光是向空间各个方向发射的，比较容易制作多道仪器，因而能实现多元素同时测定。,3.X射线光电子（能）谱仪
8、,X射线光电子能谱技术（XPS）是电子材料 与元器件显微分析中的一种先进分析技术，而且是和俄歇电子能谱技术（AES）常常配合使用的分析技术。由于它可以比俄歇电子能谱技术更准确地测量原子的内层电子束缚能及其化学位移，所以它不但为化学研究提供分子结构和原子价态方面的信息，还能为电子材料研究提供各种化合物的元素组成和含量、化学状态、分子结构、化学键方面的信息。,XPS的原理,XPS的原理是用X射线去辐射样品，使原子或分子的内层电子或价电子受激发射出来。被光子激发出来的电子称为光电子。可以测量光电子的能量，以光电子的动能/束缚能,(Eb=hv光能量-Ek动能-w功函数)为横坐标，相对强度（脉冲/s）为
9、纵坐标可做出光电子能谱图。从而获得试样有关信息。X射线光电子能谱因对化学分析最有用，因此被称为化学分析用电子能谱（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）,XPS特点及应用,（1）可以分析除H和He以外的所有元素，对所有元素的灵敏度具有相同的数量级。（2）相邻元素的同种能级的谱线相隔较远，相互干扰较少，元素定性的标识性强。（3）能够观测化学位移。化学位移同原子氧化态、原子电荷和官能团有关。化学位移信息是XPS用作结构分析和化学键研究的基础。（4）可作定量分析。既可测定元素的相对浓度，又可测定相同元素的不同氧化态的相对浓度。（5）是一种高灵敏超微量
10、表面分析技术。样品分析的深度约2nm，信号来自表面几个原子层，样品量可少至10-8g，绝对灵敏度可达10-18g。,XPS主要用途：,1.固体样品的表面组成分析，化学状态分析，取样深度为3nm 2.元素成分的深度分析（角分辨方式和氩离子刻蚀方式）3.可进行样品的原位处理 AES：（1）可进行样品表面的微区选点分析（包括点分析，线分析和面分析）（2）可进行深度分析适合：纳米薄膜材料，微电子材料，催化剂，摩擦化学，高分子材料的表面和界面研究,2.吸收光谱法,当物质所吸收的电磁辐射能与该物质的原子核、原子或分子的两个能级间跃迁所需的能量能满足的关系时，将产生吸收光谱：通过测量物质对辐射吸收的波长和强
11、度进行分析的方法叫做吸收光谱法。,吸收光谱法主要有以下几种分析方法：,（1）紫外-可见分光光度法：它是利用溶液中的分子或基团对紫外和可见光的吸收，产生分子外层电子能级跃迁所形成的吸收光谱，可用于定性和定量测定。（2）穆斯堡尔（Mssbauer）谱法：由与被测元素相同的同位素作为射线的发射源，使吸收体（样品）的原子核产生无反冲的射线共振吸收所形成的光谱。（3)原子吸收光谱法:利用待测元素气态基态原子对共振线的吸收进行定量测定的方法。其吸收机理是原子的外层电子能级跃迁,波长在紫外、可见和近红外光区.,(4)红外光谱法:利用分子在红外区的振动转动吸收光谱来测定物质的成分和结构.(5)顺磁共振波谱法:
12、在强磁场的作用下，电子的自旋磁矩与外磁场相互作用分裂为磁量子数Ms值不同的磁能级，磁能级之间的跃迁吸收或发射微波区的电磁辐射。在这种吸收光谱中，不同化合物的耦合常数不同，可用来进行定性分析。根据耦合常数，可用来帮助结构的确定。(6)核磁共振波谱法:在强磁场作用下，核自旋磁矩与外磁场相互作用分裂为能量不同的核磁能级，核磁能级之间的跃迁吸收或发射射频区的电磁波。利用这种吸收光谱可进行有机化合物结构的鉴定，以及分子的动态效应、氢键的形成、互变异构反应等化学研究。,原理紫外可见光光度计仪器设计的理论依据是比耳定律。研究的是物质对光的吸收。比耳定律的真正物理意义可以描述为：当一束平行的单色光通过某一均匀
13、的有色溶液时，溶液的吸光度与溶液的浓度和光程的乘积成正比。它是吸收光度分析中定量分析的最基础、最根本的依据，更是紫外可见光光度计的最基本的原理。,1.紫外分光光度计,仪器特点,灵敏度高，选择性好，准确度高，使用浓度范围广，分析成本低，操作简便、快速、应用广泛。,紫外-可见分光光度计应用,定量分析：广泛用于各种物料中微量、超微量和常量的无机和有机物质的测定。定性和结构分析：紫外吸收光谱还可用于推断空间阻碍效应、氢键的强度、互变异构、几何异构现象等。反应动力学研究：研究反应物浓度随时间而变化的函数关系，测定反应速度和反应级数，探讨反应机理。研究溶液平衡：如测定络合物的组成、稳定常数、酸碱离解常数等
14、。,2.Mssbauer（穆斯堡尔）光谱仪,穆斯堡尔谱仪用于测定物质射线无反冲共振吸收效应的仪器。其基本原理是：由放射源（光源）射出的光子被样品中存在的穆斯堡尔核（如57Fe，119Sn）所吸收，形成共振吸收谱，样品中穆斯堡尔核与核外化学环境的相互作用会引起共振吸收谱线的位置、形状、数目的 变化。反过来利用所测穆谱的这些变化推出穆核周围化学环境的信息。穆斯堡尔谱仪主要由放射源，振动子，探测器，计算机化的多道分析器等组成。,穆斯堡尔谱仪特点及应用,有极高的分辨率，以57Fe的共振吸收为例，能量(E0)为14.4千电子伏,谱线自然宽度（）为4.610-9电子伏，/E03.210-13，分辨率达10
15、13分之一。穆斯堡尔效应对核外化学环境的变化十分灵敏，适用于研究固态物质的精细结构及超精细结构。由于是特定核（如57Fe，119Sn）的共振吸收,穆斯堡尔效应不受其他核和元素的干扰。穆斯堡尔效应受核外环境影响的作用范围一般小于 2.0nm（限于相邻二、三层离子之内），特别适用于细晶和非晶态物质。,优点：分辨率高，灵敏度高，抗干扰能力强，对试样无破坏，实验技术较为简单，试样的制备技术也不复杂，所研究的对象可以是导体、半导体或绝缘体，试样可以是晶体或非晶体态的体材料、薄膜或固体的表层，也可以是粉未、超细小颗粒，甚至是冷冻的溶液，范围之广是少见的。缺点：只有有限数量的核有穆斯堡尔效应，且许多还必须在
16、低温下或在具有制备源条件的实验室内进行，使它的应用受到较多的限制。,因此，穆斯堡尔谱仪已广泛用来研究地质样品。已发现的穆斯堡尔核有数十种，但在一般条件下仅能观察到57Fe、119Sn的穆谱。所以,仪器适用于含一定量Fe、Sn的样品，可以提供价态，化学键性，阳离子占位和有序无序分布、配位结构、磁性和相分析等方面的信息。,3.原子吸收分光光度计（atomic absorption spectrophotometer）,原子吸收光谱仪又称原子吸收分光光度计，根据物质基态原子蒸汽对特征辐射吸收的作用来进行金属元素分析。它能够灵敏可靠地测定微量或痕量元素。,特点及应用,优点1、灵敏度高原子吸收分光光度计
17、分析法是目前最灵敏的方法之一。火焰原子吸收法的灵敏度是 ppm 到 ppb 级，石墨炉原子吸收法绝对灵敏度可达到 10-1010-14 克。常规分 析中大多数元素均能达到 ppm 数量级。如果采用特殊手段，例如预富集，还可 进行 ppb 数量级浓度范围测定。,2、分析范围广目前应用原子吸收分光光度计法可测定的元素达 73 种。就含量而言，既可测定低含量和主量元素，又可测定微量、痕量甚至超痕量元素；就元素的性 质而言，既可测定金属元素、类金属元素，又可间接测定某些非金属元素，也可 间接测定有机物；就样品的状态而言，既可测定液态样品，也可测定气态样品，甚至可以直接测定某些固态样品，这是其他分析技术
18、所不能及的,3、选择性强这是因为原子吸收带宽很窄的缘故。对原子吸收分光光度计分析来说：谱线干扰的几率小，由于谱线仅发生在主线系，而 且谱线很窄，线重叠几率较发射光谱要小得多，所以光谱干扰较小。即便是和邻 近线分离得不完全，由于空心阴极灯不发射那种波长的辐射线，所以辐射线干扰 少，容易克服。在大多数情况下，共存元素不对原子吸收分光光度计分析产生干扰。在 石墨炉原子吸收法中，有时甚至可以用纯标准溶液制作的校正曲线来分析不同试 样。,4、抗干扰能力强在原子吸收分光光度计分析中，待测元素只需从它的化合物中离解出来，而不必激发，故化学干扰也比发射光谱法少得多。5、精密度高火焰原子吸收法的精密度较好。在日
19、常的一般低含量测定中，精密度为 1 3。如果仪器性能好，采用高精度测量方法，精密度为1。无火焰原子吸收 法较火焰法的精密度低，目前一般可控制在 15%之内。若采用自动进样技术，则 可改善测定的精密度。火焰法：RSD 1%，石墨炉 35%。,缺点,原则上讲，不能多元素同时分析。测定元素不同，必须更换光源灯，这是它的不 便之处。原子吸收分光光度计法测定难熔元素的灵敏度还不怎么令人满意。在可以进行测定的七十多个元素中，比较常用的仅三十多个。当采用将试样溶液喷雾到火焰 的方法实现原子化时，会产生一些变化因素，因此精密度比分光光度法差。现在 还不能测定共振线处于真空紫外区域的元素，如磷、硫等。标准工作曲
20、线的线性范围窄(一般在一个数量级范围)，这给实际分析工作带来不便。对于某些基体复杂的样品分析，尚存某些干扰问题需要解决。在高背景低含量样品测定任务中，精密度下降。,原子吸收光谱分析现已广泛用于各个分析领域，主要有四个方面：理论研究；元素分析；有机物分析；金属化学形态分析,4.电感耦合等离子光谱发生仪 ICP(Inductive Coupled Plasma Emission Spectrometer),电感耦合等离子体(ICP)是目前用于原子发射光谱的主要光源。ICP具有环形结构、温度高、电子密度高、惰性气氛等特点，用它做激发光源具有检出限低、线性范围广、电离和化学干扰少、准确度和精密度高等分
21、析性能。ICP还可以作为原子化器，如以空心阴极灯为光源，ICP为原子化器的原子荧光光谱仪.这类仪器不采用单色器，以ICP为中心,在周围安装多个检测单元(每一元素配一个检测单元)，形成了多元素分析系统。,ICP特点及应用,极小的基体效应：99%的试样不用分离基体；测量范围宽：超微量到常量的分析；良好的测量精度:相对标准偏差RSD1.50%；稳定性：相对标准偏差RSD2.00%；分析速度快：每分钟元素顺序扫描最快达25个以上；分析元素多：可分析72种金属元素和部分非金属元素；可做定性或定量分析；,化学成分分析仪武汉分布,仪器名称：紫外分光光度计测试地点：华中师范大学分析测试中心产品型号:U-331
22、0生产厂家:日立HITACHI主要技术指标：波长范围190nm-900nm波长精度0.3nm波长重复性0.05nm附件及功能：5o镜面反射附件，固体表面紫外分析应用范围:共轭或不饱和有机化合物、无机化合物无机离子及配合物的定性定量分析，广泛应用于药物、食品、化工、生物、环境监测部门。,仪器名称：紫外分光光度计测试地点：武汉工程大学分析测试中心产品型号:HP8452A生产厂家:美国惠普公司主要技术指标：（1）波长范围：190890nm（2）波长准确度：0.5nm（3）波长分辨率：2nm附件及功能：（1）配有二极管阵列检测器，对谱图可以进行四则运算,A-T%谱图转换，求峰值、峰面积。（2）配有流动
23、注射进样器和绘图仪应用范围：可做有机和无机定性和定量分析,样品适用范围为液体，薄膜样品。,仪器名称：双道原子荧光光度计测试地点：武汉工程大学分析测试中心产品型号:XDY-3生产厂家:北京地质质仪器厂主要技术指标：检出限DL As、Sb、Bi、Hg、Se、Te、Sn检出限910-9g/mL；冷原子测Hg检出限510-11g/mL；Ge、Pb检出限910-9g/mL（2）测定精度（R、S、D）R.S.D优于5%应用范围：适用于As、Sb、Bi、Hg、Se、Te、Sn、Ge、Pb等原素的测定，广泛应用于地质、冶金、环保、农业、生物、商检、医学等领域。,仪器名称：原子吸收分光光度计测试地点：武汉工程大
24、学分析测试中心产品型号:SOLAAR.M6生产厂家:美国热电公司主要技术指标：（1）自动执行火焰与石墨炉双分析（2）对高达2A的背景校正，误差2%火焰氘灯扣背景；对高达1A的背景校正，误差1%石墨炉氘灯交流塞曼扣背景（3）灵敏度 5ppmCu1.0A吸光度（4）稳定度 2ppmCu重复7次RSD%1%应用范围：用于产品或半成品或各种矿石物料中多种元素的微量和常量定量分析，分析含量范围：0.0001%-X%。,仪器名称：双道原子荧光光度计测试地点：武汉理工大学材料测试分析中心型号：AFS930型 生产厂家：北京吉天仪器有限公司 主要技术指标：检测线(D.L.)：As、Pb、Se、Bi、Sn、Sb
25、、Te 0.01g/L；Hg、Cd0.001g/L、Ge0.05g/L；Zn1.0g/L。精密度1.0。线性范围：大于三个数量级。仪器优点：灵敏度高，抗干扰能力强，测试数据准确，用样量少，是定量分析的国家标准分析方法。前主要检测自来水、地表水、污水以及污泥、建材原料及产品、地质矿产等样品消解后酸性溶液中砷、汞、硒、锑、铋等痕量元素的含量。,仪器名称：紫外/可见/近红外分光光度计测试地点：武汉理工大学材料测试分析中心型号：Lambda 750 S型生产厂家：美国 PerkinElmer(美国珀金埃尔默仪器有限公司)附件：60 mm积分球；6度角相对镜反射附件；8池架联动液体池。主要技术指标：1
26、带宽（分辨率）：0.17 nm5.00 nm以 0.01 nm的间隔连续可调。2 杂散光：0.0001%T,在 220,340,和370 nm 按ASTM E-387法测量。3 波长精度：0.15 nm4 波长重复性：0.06nm5 光度计精度：0.0006 A(Double Aperture Method,0.3 A)6 光度计重复性：0.0004 A7 基线7.1 基线漂移：0.0002 A/小时(500 nm,0A)7.2 基线平直：0.0008A(200 nm 850 nm)8 噪声：0.00005 A（0A，500 nm均方根）9 波长范围：积分球：2002500nm,仪器名称：原子
27、吸收光谱仪测试地点：武汉理工大学材料测试分析中心型号：GBC AVANTA M型生产厂家：澳大利亚GBC科学仪器公司主要技术指标：波长范围185900nm、八灯自动转换到测试位置。超脉冲氘灯背景校正技术、校正值可达2.5ABS.仪器优点：灵敏度高，抗干扰能力强，测试数据准确，用样量少，是定量分析的国家标准分析方法。已广泛应用于工农业、生物医学、环境保护、商品检验等各行各业的元素定量分析。可以检测三十五种以上元素。,仪器名称：全谱直读电感耦合等离子发射光谱仪测试地点：武汉理工大学材料测试分析中心型号:Optima 4300DV生产国别厂家：美国 PerkinElmer公司主要技术指标：波长范围：
28、165nm-782nm；光谱分辨率：0.006nm（200nm处）该仪器具有以下特点：1测量元素的范围：除H、F、Cl、惰性元素外的七十多种元素。对难熔样品中元素及稀土元素的测定是其一大特长。2测定含量范围：从常量（一般小于10%）到痕量（10-4%）主要用途:广泛应用于冶金、地质、环境、半导体、材料等领域中各种常量、微量元属的定性、定量分析。,仪器名称：电感耦合等离子体质谱仪测试地点：华中科技大学分析测试中心产品型号:ELAN DRC-e生产厂家:美国PerkinElmer（珀金埃尔默）公司技术参数:质量范围：2270amu；等离子体的功率在6001600W区间连续可调；检出限：9Be6.0
29、ppt，59Co1.0ppt，115In1.0ppt，238U1.0ppt（标准模式）80Se8.0ppt（DRC模式）背景信号：2 cps（质量数50.5 和220处的背景信号）灵敏度、双电荷离子和氧化物离子：115In的灵敏度应在25106cps/ppm以上；Ba的峰强度小于Ba强度的3；CeO/Ce的比值低于3 长期稳定性：3%RSD 4 小时（无内标，标准模式和DRC模式）同位素比精度：0.2%RSD，107Ag/109Ag（25ug/L）线形范围：9个数量级分辨率：0.3-3.0amu在线可调采样方式：扫描及单点跳峰附件配置:PC3冷等离子体进样附件；PE 200型四元泵高效液相系统
30、；,仪器名称：紫外可见分光光度计测试地点：华中科技大学分析测试中心产品型号:Lambda 35生产厂家:美国PerkinElmer公司仪器主要配置及特色:一、主要配置1UV WinLab软件，包括酶动力学KinLab及生化方法BioLab；2恒温控制附件（室温90）；3自动8池转换器；4漫反射附件，50mm积分球；5常量（5ml）和微量池（400l和50l）。二、特色1Lambda 35为完全计算机控制的双光束、双单色器的紫外/可见分光光度计；2波长范围：1901100nm；3狭缝可在0.5、1.0、2.0、4.0nm中调节；4全息光栅的杂散光极低，确保了真实的吸光度有宽的线性范围。,仪器名称
31、：X射线光电子能谱仪测试地点：华中科技大学分析测试中心产品型号:AXIS-ULTRA DLD-600W生产厂家:日本岛津-Kratos公司主要附件：紫外光电子能谱仪UPS、俄歇电子能谱仪AES、离子散射谱ISS、双阳极Al/Mg靶、低能悬浮离子枪、真空断裂台、分析室冷热台等。性能指标：大束斑slot模式下能量分辨率：优于0.48 eV/(Ag 3d5/2)400 kcps；最小15m分析区域下能量分辨率：优于0.50 eV/(Ag 3d5/2)0.65 kcps；110m分析区域下能量分辨率：优于0.50 eV/(Ag 3d5/2)75 kcps；荷电中和系统：优于0.68 eV/(PET上O-C=O的C 1s)15 kcps；空间分辨率：优于3 m；,仪器名称：荧光光谱仪测试地点：华中科技大学分析测试中心产品型号:FP-6500生产厂家:日本Jasco主要配置 1Spectra Manager driver software 工作站；2F12-ME 温度变温附件（-10100）；3固体样品支架；4荧光偏光器。仪器主要用途:通过天然荧光、衍生荧光或间接荧光方式测定有机和无机化合物的结构和含量。,THANKS FOR YOUR ATTENTIONS,
