乾貨 | 實驗室各種儀器原理動圖剖析及功能介紹

2020-10-17 Paper繪圖

文章導讀目錄1.紫外分光光譜UV

2.紅外吸收光譜法IR

3.核磁共振波譜法NMR

4.質譜分析法MS

5.氣相色譜法GC

6.凝膠色譜法GPC

7.熱重法TG

8.靜態熱-力分析TMA

9.透射電子顯微技術TEM

10.掃描電子顯微技術SEM

11.原子力顯微鏡AFM

12.掃描隧道顯微鏡STM

13.原子吸收光譜AAS

14.電感耦合高頻等離子體ICP

15.X射線衍射XRD

16.納米顆粒追蹤表徵

1.紫外分光光譜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物質分子吸收一定的波長的紫外光時，分子中的價電子從低能級躍遷到高能級而產生的吸收光譜較紫外光譜。紫光吸收光譜主要用於測定共軛分子、組分及平衡常數。

光線傳輸

光衍射

探測

數據輸出

2.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徵振動頻率

紅外光譜測試

紅外光譜的特徵吸收峰對應分子基團，因此可以根據紅外光譜推斷出分子結構式。

以下是甲醇紅外光譜分析過程：

甲醇紅外光譜結構分析過程

3.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

NMR結構

進樣

樣品在磁場中當外加射頻場的頻率與原子核自旋進動的頻率相同時，射頻場的能量才能被有效地吸收，因此對於給定的原子核，在給定的外加磁場中，只能吸收特定頻率射頻場提供的能量，由此形成核磁共振信號。

核磁共振及數據輸出

4.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FT-ICR質譜儀工作過程：

離子產生

離子收集

離子傳輸FT-ICR質譜的分析器是一個具有均勻(超導)磁場的空腔，離子在垂直於磁場的圓形軌道上作迴旋運動，迴旋頻率僅與磁場強度和離子的質荷比有關，因此可以分離不同質荷比的離子，並得到質荷比相關的圖譜。

離子迴旋運動

傅立葉變換

5.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，由於分配係數不同而分離

譜圖的表示方法：柱後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

氣相色譜儀檢測流程:氣相色譜儀，主要由三大部分構成：載氣、色譜柱、檢測器。每一模塊具體工作流程如下。

注射器

色譜柱

檢測器

6.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：柱後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根據所用凝膠的性質，可以分為使用水溶液的凝膠過濾色譜法(GFC)和使用有機溶劑的凝膠滲透色譜法(GPC)。

只依據尺寸大小分離，大組分最先被洗提出

色譜固定相是多孔性凝膠，只有直徑小於孔徑的組分可以進入凝膠孔道。大組分不能進入凝膠孔洞而被排阻，只能沿著凝膠粒子之間的空隙通過，因而最大的組分最先被洗提出來。

直徑小於孔徑的組分進入凝膠孔道

小組分可進入大部分凝膠孔洞，在色譜柱中滯留時間長，會更慢被洗提出來。溶劑分子因體積最小，可進入所有凝膠孔洞，因而是最後從色譜柱中洗提出。這也是與其他色譜法最大的不同。

依據尺寸差異，樣品組分分離

體積排阻色譜法適用於對未知樣品的探索分離。凝膠過濾色譜適於分析水溶液中的多肽、蛋白質、生物酶等生物分子;凝膠滲透色譜主要用於高聚物(如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯)的分子量測定。

7.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

自動進樣過程

熱重分析過程

8.靜態熱-力分析TMA

分析原理：樣品在恆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

TMA進樣及分析

9.透射電子顯微技術TEM

分析原理：高能電子束穿透試樣時發生散射、吸收、幹涉和衍射，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

TEM工作圖

TEM成像過程STEM成像不同於平行電子束的TEM，它是利用聚集的電子束在樣品上掃描來完成的，與SEM不同之處在於探測器置於試樣下方，探測器接收透射電子束流或彈性散射電子束流，經放大後在螢光屏上顯示出明場像和暗場像。

STEM分析圖

入射電子束照射試樣表面發生彈性散射，一部分電子所損失能量值是樣品中某個元素的特徵值，由此獲得能量損失譜(EELS)，利用EELS可以對薄試樣微區元素組成、化學鍵及電子結構等進行分析。

EELS原理圖

10.掃描電子顯微技術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射線等並放大成象

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

SEM工作圖

入射電子與樣品中原子的價電子發生非彈性散射作用而損失的那部分能量(30～50eV)激發核外電子脫離原子，能量大於材料逸出功的價電子從樣品表面逸出成為真空中的自由電子，此即二次電子。

電子發射圖

二次電子探測圖

二次電子試樣表面狀態非常敏感，能有效顯示試樣表面的微觀形貌，解析度可達5～10nm。

二次電子掃描成像

入射電子達到離核很近的地方被反射，沒有能量損失;既包括與原子核作用而形成的彈性背散射電子，又包括與樣品核外電子作用而形成的非彈性背散射電子。

背散射電子探測圖

用背反射信號進行形貌分析時，其解析度遠比二次電子低。可根據背散射電子像的亮暗程度，判別出相應區域的原子序數的相對大小，由此可對金屬及其合金的顯微組織進行成分分析。

EBSD成像過程

11.原子力顯微鏡AFM

分析原理：將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，由於針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的作用力，通過在掃描時控制這種力的恆定，帶有針尖的微懸臂將在垂直於樣品的表面方向起伏運動。從而可以獲得樣品表面形貌的信息

譜圖的表示方法：微懸臂對應於掃描各點的位置變化提供的信息：樣品表面形貌的信息

AFM原理：針尖與表面原子相互作用AFM的掃描模式有接觸模式和非接觸模式，接觸式利用原子之間的排斥力的變化而產生樣品表面輪廓;非接觸式利用原子之間的吸引力的變化而產生樣品表面輪廓。

接觸模式

12.掃描隧道顯微鏡STM

分析原理：隧道電流強度對針尖和樣品之間的距離有著指數依賴關係，根據隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的起伏變化信息，如果同時對x-y方向進行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖，這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理。

譜圖的表示方法：探針隨樣品表面形貌變化而引起隧道電流的波動提供的信息：軟體處理後可輸出三維的樣品表面形貌圖

探針

隧道電流對針尖與樣品表面之間的距離極為敏感，距離減小0.1nm，隧道電流就會增加一個數量級。

隧道電流針尖在樣品表面掃描時，即使表面只有原子尺度的起伏，也將通過隧道電流顯示出來，再利用計算機的測量軟體和數據處理軟體將得到的信息處理成為三維圖像在屏幕上顯示出來。

13.原子吸收光譜AAS

分析原理：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。

待測試樣原子化

原子吸收及鑑定

14.電感耦合高頻等離子體ICP

分析原理：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，由於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，因此發射出特徵的譜線。通過光柵等分光後，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。

Icp設備構造

形成激發態的原子和離子

檢測器檢測

15.X射線衍射XRD

分析原理：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射線和特徵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幹涉作用，從而影響散射的X射線的強度增強或減弱。由於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，這是用於X射線結構分析;另一個是應用已知d的晶體來測量θ角，從而計算出特徵X射線的波長，進而可在已有資料查出試樣中所含的元素。

以下是使用XRD確定未知晶體結構分析過程：