質譜、色譜、光譜等25種儀器分析基本原理與譜圖表示方法

　　儀器分析是化學學科的一個重要分支，它是以物質的物理和物理化學性質為基礎建立起來的一種分析方法。利用較特殊的儀器，對物質進行定性分析，定量分析，形態分析。儀器分析方法所包括的分析方法很多。目前，有數十種之多。每一種分析方法所依據的原理不同，所測量的物理量不同，操作過程及應用情況也不同。

　　儀器分析大致可以分為：電化學分析法、核磁共振波譜法、原子發射光譜法、氣相色譜法、原子吸收光譜法、高效液相色譜法、紫外-可見光譜法、質譜分析法、紅外光譜法、其它儀器分析法等。

　　1.紫外吸收光譜UV

　　分析原理：

　　吸收紫外光能量，引起分子中電子能級的躍遷；

　　譜圖的表示方法：

　　相對吸收光能量隨吸收光波長的變化；

　　提供的信息：

　　吸收峰的位置、強度和形狀，提供分子中不同電子結構的信息；

　　2.熒光光譜法FS

　　分析原理：

　　被電磁輻射激發后，從最低單線激發態回到單線基態，發射熒光；

　　譜圖的表示方法：

　　發射的熒光能量隨光波長的變化；

　　提供的信息：

　　熒光效率和壽命，提供分子中不同電子結構的信息；

　　3.紅外吸收光譜法IR

　　分析原理：

　　吸收紅外光能量，引起具有偶極矩變化的分子的振動、轉動能級躍遷；

　　譜圖的表示方法：

　　相對透射光能量隨透射光頻率變化；

　　提供的信息：

　　峰的位置、強度和形狀，提供功能團或化學鍵的特征振動頻率；

　　4.拉曼光譜法Ram

　　分析原理：

　　吸收光能后，引起具有極化率變化的分子振動，產生拉曼散射；

　　譜圖的表示方法：

　　散射光能量隨拉曼位移的變化；

　　提供的信息：

　　峰的位置、強度和形狀，提供功能團或化學鍵的特征振動頻率；

　　5.核磁共振波譜法NMR

　　分析原理：

　　在外磁場中，具有核磁矩的原子核，吸收射頻能量，產生核自旋能級的躍遷；

　　譜圖的表示方法：

　　吸收光能量隨化學位移的變化；

　　提供的信息：

　　峰的化學位移、強度、裂分數和偶合常數，提供核的數目、所處化學環境和幾何構型的信息；

　　6.電子順磁共振波譜法ESR

　　分析原理：

　　在外磁場中，分子中未成對電子吸收射頻能量，產生電子自旋能級躍遷；

　　譜圖的表示方法：

　　吸收光能量或微分能量隨磁場強度變化；

　　提供的信息：

　　譜線位置、強度、裂分數目和超精細分裂常數，提供未成對電子密度、分子鍵特性及幾何構型信息；

　　7.質譜分析法MS

　　分析原理：

　　分子在真空中被電子轟擊，形成離子，通過電磁場按不同m/e分離；

　　譜圖的表示方法：

　　以棒圖形式表示離子的相對峰度隨m/e的變化；

　　提供的信息：

　　分子離子及碎片離子的質量數及其相對峰度，提供分子量，元素組成及結構的信息；

　　8.氣相色譜法GC

　　分析原理：

　　樣品中各組分在流動相和固定相之間，由于分配系數不同而分離；

　　譜圖的表示方法：

　　柱后流出物濃度隨保留值的變化；

　　提供的信息：

　　峰的保留值與組分熱力學參數有關，是定性依據；峰面積與組分含量有關；

　　9.反氣相色譜法IGC

　　分析原理：

　　探針分子保留值的變化取決于它和作為固定相的聚合物樣品之間的相互作用力；

　　譜圖的表示方法：

　　探針分子比保留體積的對數值隨柱溫倒數的變化曲線；

　　提供的信息：探針分子保留值與溫度的關系提供聚合物的熱力學參數；

　　10.裂解氣相色譜法PGC

　　分析原理：

　　高分子材料在一定條件下瞬間裂解，可獲得具有一定特征的碎片；

　　譜圖的表示方法：

　　柱后流出物濃度隨保留值的變化；

　　提供的信息：

　　譜圖的指紋性或特征碎片峰，表征聚合物的化學結構和幾何構型。

　　11.凝膠色譜法GPC

　　分析原理：

　　樣品通過凝膠柱時，按分子的流體力學體積不同進行分離，大分子先流出；

　　譜圖的表示方法：

　　柱后流出物濃度隨保留值的變化；

　　提供的信息：

　　高聚物的平均分子量及其分布；

　　12.熱重法TG

　　分析原理：

　　在控溫環境中，樣品重量隨溫度或時間變化；

　　譜圖的表示方法：

　　樣品的重量分數隨溫度或時間的變化曲線；

　　提供的信息：

　　曲線陡降處為樣品失重區，平臺區為樣品的熱穩定區。

　　13.熱差分析DTA

　　分析原理：

　　樣品與參比物處于同一控溫環境中，由于二者導熱系數不同產生溫差，記錄溫度隨環境溫度或時間的變化。

　　譜圖的表示方法：

　　溫差隨環境溫度或時間的變化曲線；

　　提供的信息：

　　提供聚合物熱轉變溫度及各種熱效應的信息；

　　14.示差掃描量熱分析DSC

　　分析原理：

　　樣品與參比物處于同一控溫環境中，記錄維持溫差為零時，所需能量隨環境溫度或時間的變化；

　　譜圖的表示方法：

　　熱量或其變化率隨環境溫度或時間的變化曲線；

　　提供的信息：

　　提供聚合物熱轉變溫度及各種熱效應的信息；

　　15.靜態熱―力分析TMA

　　分析原理：

　　樣品在恒力作用下產生的形變隨溫度或時間變化；

　　譜圖的表示方法：

　　樣品形變值隨溫度或時間變化曲線；

　　提供的信息：

　　熱轉變溫度和力學狀態；

　　16.動態熱―力分析DMA

　　分析原理：

　　樣品在周期性變化的外力作用下產生的形變隨溫度的變化；

　　譜圖的表示方法：

　　模量或tgδ隨溫度變化曲線；

　　提供的信息：

　　熱轉變溫度模量和tgδ；

　　17.透射電子顯微術TEM

　　分析原理：

　　高能電子束穿透試樣時發生散射、吸收、干涉和衍射，使得在相平面形成襯度，顯示出圖象；

　　譜圖的表示方法：

　　質厚襯度象、明場衍襯象、暗場衍襯象、晶格條紋象、和分子象；

　　提供的信息：

　　晶體形貌、分子量分布、微孔尺寸分布、多相結構和晶格與缺陷等；

　　18.掃描電子顯微術SEM

　　分析原理：

　　用電子技術檢測高能電子束與樣品作用時產生二次電子、背散射電子、吸收電子、X射線等并放大成象；

　　譜圖的表示方法：

　　背散射象、二次電子象、吸收電流象、元素的線分布和面分布等；

　　提供的信息：

　　斷口形貌、表面顯微結構、薄膜內部的顯微結構、微區元素分析與定量元素分析等；

　　19.原子吸收AAS

　　原理：

　　通過原子化器將待測試樣原子化，待測原子吸收待測元素空心陰極燈的光，從而使用檢測器檢測到的能量變低，從而得到吸光度。吸光度與待測元素的濃度成正比。

　　20.電感耦合高頻等離子體ICP

　　原理：

　　利用氬等離子體產生的高溫使用試樣完全分解形成激發態的原子和離子，由于激發態的原子和離子不穩定，外層電子會從激發態向低的能級躍遷，因此，發射出特征的譜線。通過光柵等分光后，利用檢測器檢測特定波長的強度，光的強度與待測元素濃度成正比。

　　21.X-ray diffraction，X射線衍射，即，XRD

　　X射線是原子內層電子在高速運動電子的轟擊下躍遷而產生的光輻射，主要有連續X射線和特征X射線兩種。晶體可被用作X光的光柵，這些很大數目的原子或離子/分子所產生的相干散射將會發生光的干涉作用，從而影響散射的X射線的強度增強或減弱。由于大量原子散射波的疊加，互相干涉而產生最大強度的光束稱為X射線的衍射線。

　　滿足衍射條件，可應用布拉格公式：2dsinθ=λ

　　應用已知波長的X射線來測量θ角，從而計算出晶面間距d，這是用于X射線結構分析；另一個是應用已知d的晶體來測量θ角，從而計算出特征X射線的波長，進而可在已有資料查出試樣中所含的元素。

　　22.高效毛細管電泳HPCE

　　CZE的基本原理：

　　HPLC選用的毛細管一般內徑約為50μm（20～200μm），外徑為375μm，有效長度為50cm（7-100cm）。毛細管兩端分別浸入兩分開的緩沖液中，同時兩緩沖液中分別插入連有高壓電源的電極，該電壓使得分析樣品沿毛細管遷移，當分離樣品通過檢測器時，可對樣品進行分析處理。HPLC進樣一般采用電動力學進樣（低電壓）或流體力學進樣（壓力或抽吸）兩種方式。在毛細管電泳系統中，帶電溶質在電場作用下發生定向遷移，其表觀遷移速度是溶質遷移速度與溶液電滲流速度的矢量和。所謂電滲是指在高電壓作用下，雙電層中的水合陰離子引起流體整體地朝負極方向移動的現象；電泳是指在電解質溶液中，帶電粒子在電場作用下，以不同的速度向其所帶電荷相反方向遷移的現象。溶質的遷移速度由其所帶電荷數和分子量大小決定。另外，還受緩沖液的組成、性質、pH值等多種因素影響。帶正電荷的組份沿毛細管壁形成有機雙層向負極移動，帶負電荷的組分被分配至毛細管近中區域，在電場作用下向正極移動。與此同時，緩沖液的電滲流向負極移動，其作用超過電泳，最終導致帶正電荷、中性電荷、負電荷的組份依次通過檢測器。

　　MECC的基本原理：

　　MECC是在CZE基礎上使用表面活性劑來充當膠束相，以膠束增溶作為分配原理，溶質在水相、膠束相中的分配系數不同，在電場作用下，毛細管中溶液的電滲流和膠束的電泳，使膠束和水相有不同的遷移速度。同時，待分離物質在水相和膠束相中被多次分配，在電滲流和這種分配過程的雙重作用下得以分離。MECC是電泳技術與色譜法的結合，適合同時分離分析中性和帶電的樣品分子。

　　23.掃描隧道顯微鏡（STM）

　　掃描隧道顯微鏡（STM）的基本原理是利用量子理論中的隧道效應。將原子線度的極細探針和被研究物質的表面作為兩個電極，當樣品與針尖的距離非常接近時（通常小于1nm），在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極。這種現象即是隧道效應。

　　24.原子力顯微鏡（AFM）

　　原子力顯微鏡的工作原理就是將探針裝在一彈性微懸臂的一端，微懸臂的另一端固定，當探針在樣品表面掃描時，探針與樣品表面原子間的排斥力會使得微懸臂輕微變形，這樣，微懸臂的輕微變形就可以作為探針和樣品間排斥力的直接量度。一束激光經微懸臂的背面反射到光電檢測器，可以精確測量微懸臂的微小變形，這樣就實現了通過檢測樣品與探針之間的原子排斥力來反映樣品表面形貌和其他表面結構。

　　25.俄歇電子能譜學（簡稱AES）

　　基本原理：

　　入射電子束和物質作用，可以激發出原子的內層電子。外層電子向內層躍遷過程中所釋放的能量，可能以X光的形式放出，即產生特征X射線，也可能又使核外另一電子激發成為自由電子，這種自由電子就是俄歇電子。對于一個原子來說,激發態原子在釋放能量時只能進行一種發射：特征X射線或俄歇電子。原子序數大的元素，特征X射線的發射幾率較大，原子序數小的元素，俄歇電子發射幾率較大，當原子序數為33時，兩種發射幾率大致相等。因此，俄歇電子能譜適用于輕元素的分析。