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材料测试分析方法及典型谱图分析

1. 原子发射光谱分析 (atomic emission spectroscopy spectrometry, AES)
基本原理：根据待测物质的气态原子或离子受激发后所发射的特征光谱的波长及其强度来测定物质中元素组成（定性）和含量（定量）的分析方法。
测试分析内容：对约70种元素（金属元素及磷、硅、砷、碳、硼等非金属元素）进行分析。在一般情况下，用于1%以下含量的组份测定。（1）对样品进行定性、定量分析。对红外光谱进行分析，不仅能对样品进行定性分析，其各个物质的含量也将反映在红外吸收光谱上，可根据峰位置、吸收强度进行定量分析。
（2）新化合物的结构分析。红外光谱主要提供官能团的结构信息，对于复杂化合物，尤其是新化合物，单靠红外光谱不能解决问题，需要与紫外光谱、质谱和核磁共振等分析手段互相配合，进行综合光谱解析，才能确定分子结构。
制样方法及对样品的要求: 固体试样：金属或合金直接做成电极（固体自电极）；粉末试样可与石墨粉混合装样。 溶液试样：滴在电极上，低温烘干，使用ICP可以直接溶液进样。
典型谱图分析：配置具有浓度梯度的标准溶液，一次测量标准溶液的发射强度值，作出标准工作曲线。

测量样品中待测元素的谱线强度值，利用已作出的标准工作曲线，计算出样品中该元素的浓度。

2. 原子吸收分光光度法：
基本原理：是基于气态的基态原子外层电子对紫外光和可见光范围的相对应原子共振辐射线的吸收强度来定量被测元素含量为基础的分析方法，是一种测量特定气态原子对光辐射的吸收的方法。
测试分析内容：它主要用于痕量元素杂质的分析，具有灵敏度高及选择性好两大主要优点。广泛应用于各种气体，金属有机化合物，金属醇盐中微量元素的分析。
制样方法及对样品的要求:1. 取样有代表性；2. 破碎，研磨成粉末；3. 烘干；4. 取样量合适（量大干扰多，量小不在检出范围内）；5. 溶解成液相（相的转变）原则:使样品中的待测组分在不损失，不沾污的情况下，全部转变为适宜测定的形式。最后通过标准曲线法或标准加入法求得样品浓度。
典型谱图分析：

上图表明：镁元素浓度超出其线性范围后, A -C 曲线逐渐向浓度轴弯曲, 浓度越高, 弯曲越严重, 甚至弯曲部分几乎成为与浓度轴平行的直线。

3. 紫外及可见光分光光度计
基本原理：由于分子中价电子的跃迁而产生的，分子中价电子经紫外或可见光照射时，电子从低能级跃迁到高能级，此时电子就吸收了相应波长的光，这样就会产生紫外吸收光谱。
测试分析内容：①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。②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。③反应动力学研究，即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。④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。
制样方法及对样品的要求：选择合适的溶剂，注意溶解度及透光范围；调整样品溶液的浓度使吸收峰的顶端落在记录纸内，定性测定时控制吸光度在0.7-1.2范围内，定量测定时控制吸光度在0.2-0.8最为合适。具有不同生色团即不同的化合物所需浓度不同，有共轭体系的样品，浓度应在10-4-10-5mol/L左右。
典型谱图分析：

上图表明P2W18（198 nm和298 nm）和TiO2（248 nm）的吸收带在紫外区域随着层数的增加而线性提高。Cu纳米颗粒由于吸收量少而在577 nm处的吸收峰消失，说明 (P2W18/Cu/P2W18/TiO2)2 膜均匀存在。

4 . 红外光谱法
基本原理：样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收其中一些频率的辐射，使振-转能级从基态跃迁到激发态，相应于这些区域的透射光强减弱，记录百分透过率T%对波数或波长的曲线。
测试分析内容：红外光谱分析可用于研究分子的结构和化学键，也可以作为表征和鉴别化学物种的方法。红外光谱具有高度特征性，可以采用与标准化合物的红外光谱对比的方法来做分析鉴定。已有几种汇集成册的标准红外光谱集出版，可将这些图谱贮存在计算机中，用以对比和检索，进行分析鉴定。利用化学键的特征波数来鉴别化合物的类型，并可用于定量测定。由于分子中邻近基团的相互作用，使同一基团在不同分子中的特征波数有一定变化范围。此外，在高聚物的构型、构象、力学性质的研究，以及物理、天文、气象、遥感、生物、医学等领域，也广泛应用红外光谱。
制样方法及对样品的要求：样品不限形式，用量少。制样方法：固体颗粒样品：压片法、粉末法、调糊法等；液体样品：液膜法、薄膜法、涂膜法等；聚合物样品，热压薄膜法、 KBr压片：浇铸薄膜法法和切片法等。
典型谱图分析：

上图表明：退火之后和之前相比，在2855 和2925 cm-1处的表明C-H健的峰消失了。

5. 激光拉曼光谱法
基本原理：光子与分子之间发生非弹性碰撞，有能量交换，改变了光子的能量。
测试分析内容：拉曼光谱可提供任何分子中官能基团的结构信息，因此可用来对各种形态的物质，包括结晶态、无定形、液体、气体或等离子体，进行鉴别试验和结构解析。
制样方法及对样品要求：液体能够在玻璃管或石英管中直接测定。除另有规定外，一般用作鉴别的样品不必制样。为防止样品分解，利用特殊的装置，使激光束焦点和样品的表面做相对运动，避免样品的局部过热。
典型谱图分析：

Figure S6. Raman spectra recorded from Fe2P/NGr.
上图表明：D带（1350 nm）和G带（1580 nm）峰的存在表明了样品中石墨烯结构的生成。

6. 质谱分析
基本原理：使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器
测试分析内容：质谱法特别是它与色谱仪及计算机联用的方法，已广泛应用在有机化学、生化、药物代谢、临床、毒物学、农药测定、环境保护、石油化学、地球化学、食品化学、植物化学、宇宙化学和国防化学等领域。用质谱计作多离子检测，可用于定性分析，例如，在药理生物学研究中能以药物及其代谢产物在气相色谱图上的保留时间和相应质量碎片图为基础，确定药物和代谢产物的存在；也可用于定量分析，用被检化合物的稳定性同位素异构物作为内标，以取得更准确的结果。在无机化学和核化学方面，许多挥发性低的物质可采用高频火花源由质谱法测定。该电离方式需要一根纯样品电极。如果待测样品呈粉末状，可和镍粉混合压成电极。此法对合金、矿物、原子能和半导体等工艺中高纯物质的分析尤其有价值，有可能检测出含量为亿分之一的杂质。
制样方法及对样品的要求：进行GC-MS分析的样品应是有机溶液，水溶液中的有机物一般不能测定，须进行萃取分离变为有机溶液，或采用顶空进样技术。有些化合物极性太强，在加热过程中易分解，例如有机酸类化合物，此时可以进行酯化处理，将酸变为酯再进行GC-MS分析，由分析结果可以推测酸的结构。如果样品不能汽化也不能酯化，那就只能进行LC-MS分析了。进行LC-MS分析的样品最好是水溶液或甲醇溶液，LC流动相中不应含不挥发盐。对于极性样品,一般采用ESI源，对于非极性样品,采用APCI源。
具体制样过程包括：1）将纯化好的微固量、液体样品溶于100-200ul基质液（纯H2O、甲醇、乙腈或50% H2O，50%乙腈，按0.1%加甲酸；
2）组成基质液的有机试剂应达到HPLC级，H2O应为超纯水（18.2MΩcm）；3）样品中不能含有固体颗粒，否则需通过微孔滤膜过滤除去；
典型谱图分析：
例2. 高分辨率质谱仪测出某酯类化合物的精确分子量为116.0833，分子式为C6H12O2,推测其结构。

解：
1.分子离子区
已知试样为酯，可表达为RCOOR’，M为116
2.碎片离子区
m/z29： C2H5或CHO
m/z43： C3H7或C2H3O
m/z71： C5H11或C3H7CO
m/z73： C2H5OCO或 C3H7OCH2
m/z71提示该碎片为C3H7CO，m/z73提示该碎片为C2H5OCO，这两种离子说明试样结构中的R为C3H7，R’为C2H5 。
至于R为正丙基还是异丙基由m/z88, m/z60来确定，66.7表明m/z60是二次重排形成，这就要求酸部分为正丙基。则该酯结构为CH3CH2CH2COOC2H5。