拉曼光谱、红外光谱、XPS的工作原理和应用(二)

红外光谱的原理及应用

(一)红外吸收光谱的定义及产生

分子的振动能量比转动能量大,当发生振动能级跃迁时,不可避免地伴随有转动能级的跃迁,所以无法测量纯粹的振动光谱,而只能得到分子的振动-转动光谱,这种光谱称为红外吸收光谱

红外吸收光谱也是一种分子吸收光谱。当样品受到频率连续变化的红外光照射时,分子吸收了某些频率的辐射并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化,产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁,使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。记录红外光的百分透射比与波数或波长关系曲线,就得到红外光谱。

(二)基本原理

1.产生红外吸收的条件

(1)分子振动时,必须伴随有瞬时偶极矩的变化。

对称分子:

没有偶极矩,辐射不能引起共振,无红外活性,如,N2、O2、Cl2等。

非对称分子:

有偶极矩,红外活性。

(2)只有当照射分子的红外辐射的频率与分子某种振动方式的频率相同时,分子吸收能量后,从基态振动能级跃迁到较高能量的振动能级,从而在图谱上出现相应的吸收带。

2.分子的振动类型

伸缩振动:

键长变动,包括:对称与非对称伸缩振动;

弯曲振动:

键角变动,包括剪式振动、平面摇摆、非平面摇摆、扭曲振动;

3.几个术语

基频峰:

由基态跃迁到激发态,产生一个强的吸收峰,基频峰;

倍频峰:

由基态直接跃迁到第二激发态,产生一个弱的吸收峰,倍频峰;

组频:

如果分子吸收一个红外光子,同时,激发了基频分别为v1和v2的两种跃迁,此时所产生的吸收频率应该等于上述两种跃迁的吸收频率之和,故称组频;

特征峰:

凡是能用于鉴定官能团存在的吸收峰,相应频率成为特征频率;

相关峰:

相互可以依存而又相互可以佐证的吸收峰称为相关峰;

4.影响基团吸收频率的因素

(1)外部条件对吸收峰位置的影响:

物态效应、溶剂效应;

(2)分子结构对基团吸收谱带的影响:

诱导效应:

通常吸电子基团使邻近基团吸收波数升高,给电子基团使波数降低。

共轭效应:

基团与吸电子基团共轭,使基团键力常数增加,因此,基团吸收频率升高,基团与给电子基团共轭,使基团键力常数减小,因此,基团吸收频率降低。

当同时存在诱导效应和共轭效应,若两者作用一致,则两个作用互相加强,不一致,取决于作用强的作用。

(3)偶极场效应:

互相靠近的基团之间通过空间起作用。

(4)张力效应:

环外双键的伸缩振动波数随环减小其波数越高。

(5)氢键效应:

氢键的形成使伸缩振动波数移向低波数,吸收强度增强

(6)位阻效应:

共轭因位阻效应受限,基团吸收接近正常值。

(7)振动耦合;

(8)互变异构的影响;

YL2300 FTIR光谱仪.jpg

YL FTIR光谱仪

(三)红外吸收光谱法的解析

红外光谱一般解析步骤

1. 检查光谱图是否符合要求;

2.了解样品来源、样品的理化性质、其他分析的数据、样品重结晶溶剂及纯度;

3.排除可能的“假谱带”;

4. 若可以根据其他分析数据写出分子式,则应先算出分子的不饱和度U

  ∪=(2+ 2n4+n3–n1)/2

       n4,n3,n1分别为分子中四价,三价,一价元素数目;

5.确定分子所含基团及化学键的类型(官能团区4000-1330和指纹区1330-650cm-1)

6.结合其他分析数据,确定化合物的结构单元,推出可能的结构式;

7.已知化合物分子结构的验证;

8.标准图谱对照;

9. 计算机谱图库检索。

(四)红外吸收光谱法的应用

红外光谱法广泛用于有机化合物的定性鉴定和结构分析。

定性分析

1.已知物的鉴定

将试样的谱图与标准的谱图进行对照或者与文献上的谱图进行对照。如果两张谱图各吸收峰的位置和形状完全相同,峰的相对强度一样,就可以认为样品是该种标准物。如果两张谱图不一样,或峰位不一致,则说明两者不为同一化合物,或样品有杂质。如用计算机谱图检索,则采用相似度来判别。使用文献上的谱图应当注意试样的物态、结晶状态、溶剂、测定条件以及所用仪器类型均应与标准谱图相同。

2.未知物结构的测定

测定未知物的结构,是红外光谱法定性分析的一个重要用途。如果未知物不是新化合物,可以通过两种方式利用标准谱图进行查对:

(1)查阅标准谱图的谱带索引,与寻找试样光谱吸收带相同的标准谱图;

(2)进行光谱解析,判断试样的可能结构,然后在由化学分类索引查找标准谱图对照核实。

准备工作

在进行未知物光谱解析之前,必须对样品有透彻的了解,例如,样品的来源、外观,根据样品存在的形态,选择适当的制样方法;注意视察样品的颜色、气味等,它们住往是判断未知物结构的佐证。还应注意样品的纯度以及样品的元素分析及其它物理常数的测定结果。元素分析是推断未知样品结构的另一依据。样品的相对分子质量、沸点、熔点、折光率、旋光率等物理常数,可作光谱解释的旁证,并有助于缩小化合物的范围。

3.确定未知物的不饱和度

由元素分析的结果可求出化合 物的经验式,由相对分子质量可求出其化学式并求出不饱和度。 从不饱和度可推出化合物可能的范围。不饱和度是表示有机分子中碳原子的不饱和程度。计算不饱和度W的经验公式为:

W=1+n4+(n3-n1)/2

式中n4、n3、n1分别为分子中所含的四价、三价和一价元素原子的数目。二价原子如S、O等不参加计算。

当计算得:

当W=0时,表示分子是饱和的,为 链状烃及其不含双键的衍生物。

当W=1时,可能有一个双键或脂环;

当W=2时,可能有 两个双键和脂环,也可能有一个 叁键;

当W=4时,可能有一个苯环等。

官能团分析:

根据官能团的初步分析可以排除一部分结构的可能性,肯定某些可能存在的结构,并初步可以推测化合物的类别。

图谱分析:

图谱的解析主要是靠长期的实践、经验的积累,至今仍没有一一个特定的办法。一般程序是先官能团区,后指纹区;先强峰后弱峰;先否定后肯定。

首先,在官能团区(4000~1300cm-1)搜寻官能团的特征伸缩振动,再根据指纹区的吸收情况,进一步确认该基团的存在以及与其它基团的结合方式。如果是芳香族化合物,应定出苯环取代位置。后再结合样品的其它分析资料,综合判断分析结果,提出可能的结构式,然后用已知样品或标准图谱对照,核对判断的结果是否正确。如果样品为新化合物,则需要结合紫外、质谱、核磁等数据,才能决定所提的结构是否正确。

4.几种标准谱图

(1)萨特勒(Sadtler)标准红外光谱图;

(2)Aldrich红外谱图库;

(3)Sigma Fourier红外光谱图库;

定量分析

红外光谱定量分析是通过对特征吸收谱带强度的测量来求出组份含量。其理论依据是朗伯-比耳定律。

由于红外光谱的谱带较多,选择的余地大,所以能方便的对单一组分和多组分进行定量分析

此外,该法不受样品状态的限制,能定量测定气体、液体和固体样品。因此,红外光谱定量分析应用广泛。但红外光谱法定量灵敏度较低,尚不适用于微量组份的测定。

定量分析方法

可用标准曲线法、求解联立方程法等方法进行定量分析。

X射线光电子能谱的原理和应用

(一)X光电子能谱分析的基本原理

X光电子能谱分析的基本原理:

一定能量的X光照射到样品表面,和待测物质发生作用,可以使待测物质原子中的电子脱离原子成为自由电子。该过程可用下式表示:hn=Ek+Eb+Er;其中:hn:X光子的能量;Ek:光电子的能量;Eb:电子的结合能;Er:原子的反冲能量。其中Er很小,可以忽略。

对于固体样品,计算结合能的参考点不是选真空中的静止电子,而是选用费米能级,由内层电子跃迁到费米能级消耗的能量为结合能 Eb,由费米能级进入真空成为自由电子所需的能量为功函数Φ,剩余的能量成为自由电子的动能Ek,

式(103)又可表示为:

hn=Ek+Eb+Φ(10.4)Eb= hn-Ek-Φ(10.5)

仪器材料的功函数Φ是一个定值,约为4eV,入射X光子能量已知,这样,如果测出电子的动能Ek,便可得到固体样品电子的结合能。各种原子,分子的轨道电子结合能是一定的。因此,通过对样品产生的光子能量的测定,就可以了解样品中元素的组成。元素所处的化学环境不同,其结合能会有微小的差别,这种由化学环境不同引起的结合能的微小差别叫化学位移,由化学位移的大小可以确定元素所处的状态。例如某元素失去电子成为离子后,其结合能会增加,如果得到电子成为负离子,则结合能会降低。因此,利用化学位移值可以分析元素的化合价和存在形式。

(二)电子能谱法的特点

(1)可以分析除H和He以外的所有元素;可以直接测定来自样品单个能级光电发射电子的能量分布,且直接得到电子能级结构的信息。

(2)从能量范围看,如果把红外光谱提供的信息称之为“分子指纹”,那么电子能谱提供的信息可称作“原子指纹”。它提供有关化学键方面的信息,即直接测量价层电子及内层电子轨道能级。而相邻元素的同种能级的谱线相隔较远,相互干扰少,元素定性的标识性强。

(3)是一种无损分析。

(4)是一种高灵敏超微量表面分析技术。分析所需试样约10-8g即可,灵敏度高达10-18g ,样品分析深度约2nm。

(三)X射线光电子能谱法的应用

(1)元素定性分析

各种元素都有它的特征的电子结合能,因此,在能谱图中就出现特征谱线,可以根据这些谱线在能谱图中的位置来鉴定周期表中除H和He以外的所有元素。通过对样品进行全扫描,在一次测定中就可以检出全部或大部分元素。

(2)元素定量分折

X射线光电子能谱定量分析的依据是光电子谱线的强度(光电子蜂的面积)反映了原于的含量或相对浓度。在实际分析中,采用与标准样品相比较的方法来对元素进行定量分析,其分析精度达1%~2%。

(3)固体表面分析

固体表面是指外层的1~10个原子层,其厚度大概是(0.1~1)nnm。人们早已认识到在固体表面存在有一个与团体内部的组成和性质不同的相。表面研究包括分析表面的元素组成和化学组成,原子价态,表面能态分布。测定表面原子的电子云分布和能级结构等。

X射线

光电子能谱是常用的工具。在表面吸附、催化、金属的氧化和腐蚀、半导体、电极钝化、薄膜材料等方面都有应用。

(4)化合物结构签定

X射线光电子能谱法对于内壳层电子结合能化学位移的测量,能提供化学键和电荷分布方面的信息。

(四)下面重点介绍一下X射线在表面分析中的原理及应用

X射线光电子能谱法(X-rayPhotoelectron Spectrom——XPS)在表面分析领域中是一种崭新的方法。虽然,用X射线照射固体材料并测量由此引起的电子动能的分布早在本世纪初就有报道,但当时可达到的分辩率还不足以观测到光电子能谱上的实际光峰。直到1958年,以Siegbahn为首的一个瑞典研究小组观测到光峰现象,并发现此方法可以用来研究元素的种类及其化学状态,故而取名“化学分析光电子能谱(Eletron Spectroscopy for ChemicalAnalysis-ESCA)。目前,XPS和ESCA已公认为是同义词而不再加以区别。

XPS的主要特点是它能在不太高的真空度下进行表面分析研究,这是其它方法都做不到的。当用电子束激发时,如,用AES法,必须使用超高真空,以防止样品上形成碳的沉积物而掩盖被测表面。X射线比较柔和的特性使我们有可能在中等真空程度下对表面观察若干小时而不会影响测试结果。此外,化学位移效应也是XPS法不同于其它方法的另一特点,即采用直观的化学认识即可解释XPS中的化学位移,相比之下,在AES中解释起来就困难的多。

1.基本原理

用X射线照射固体时,由于光电效应,原子的某一能级的电子被击出物体之外,此电子称为光电子。如果X射线光子的能量为hν,电子在该能级上的结合能为Eb,射出固体后的动能为Ec,则它们之间的关系为: hν=Eb+Ec+Ws 式中Ws为功函数,它表示固体中的束缚电子除克服各别原子核对它的吸引外,还必须克服整个晶体对它的吸引才能逸出样品表面,即电子逸出表面所做的功。上式可另表示为: Eb=hν-Ec-Ws 可见,当入射X射线能量一定后,若测出功函数和电子的动能,即可求出电子的结合能。由于只有表面处的光电子才能从固体中逸出,因而测得的电子结合能必然反应了表面化学成份的情况。这正是光电子能谱仪的基本测试原理。

2.仪器组成

XPS是测量物质受X射线激发产生光电子能量分布的仪器。具有真空系统、离子枪、进样系统、能量分析器以及探测器等部件。XPS中的射线源通常采用AlKα(1486.6eV )和MgKα(1253.8eV),它们具有强度高,自然宽度小(分别为830meV和680meV)。CrKα和CuKα辐射虽然能量更高,但由于其自然宽度大于2eV,不能用于高分辩率的观测。为了获得更高的观测精度,还使用了晶体单色器(利用其对固定波长的色散效果),但这将使X射线的强度由此降低。

由X射线从样品中激发出的光电子,经电子能量分析器,按电子的能量展谱,再进入电子探测器,后用X Y记录仪记录光电子能谱。在光电子能谱仪上测得的是电子的动能,为了求得电子在原子内的结合能,还必须知道功函数Ws。它不仅与物质的性质有关,还与仪器有关,可以用标准样品对仪器进行标定,求出功函数。

3.应用简介

XPS电子能谱曲线的横坐标是电子结合能,纵坐标是光电子的测量强度(如下图所示)。可以根据XPS电子结合能标准手册对被分析元素进行鉴定。

XPS是当代谱学领域中活跃的分支之一,虽然,只有十几年的历史,但其发展速度很快,在电子工业、化学化工、能源、冶金、生物医学和环境中得到了广泛应用。除了可以根据测得的电子结合能确定样品的化学成份外,XPS重要的应用在于确定元素的化合状态。

当元素处于化合物状态时,与纯元素相比,电子的结合能有一些小的变化,称为化学位移,表现在电子能谱曲线上就是谱峰发生少量平移。测量化学位移,可以了解原子的状态和化学键的情况。

例如,Al2O3中的3价铝与纯铝(0价)的电子结合能存在大约3电子伏特的化学位移,而氧化铜(CuO)与氧化亚铜(Cu2O)存在大约1.6电子伏特的化学位移。这样就可以通过化学位移的测量确定元素的化合状态,从而更好地研究表面成份的变化情况。

X光电子能谱法是一种表面分析方法,提供的是样品表面的元素含量与形态,而不是样品整体的成分。其信息深度约为3-5nm。如果利用离子作为剥离手段,利用XPS作为分析方法,则可以实现对样品的深度分析。固体样品中除氢、氦之外的所有元素都可以进行XPS分析。

(1)通过测定物质的表层(约10nm),可以获得物质表层的构成元素和化学结合状态等方面的信息。解析基板表层附着物,解析金属薄膜等的氧化状态,计算自然氧化膜厚度,解析CF系醋酸膜,评价金属材料的腐蚀,测定磁盘润滑膜厚度,解析各种反应生成物宽幅扫描测定。

(2)应用角度分解法进行的分析

通过改变光电子的取出角度,可以采用非破坏性的方法得到深度方向的信息。另外,浅化光电子的取出角度,可以提高超表层的灵敏度。

(五)对羊毛纤维分别进行氧化处理和氯化处理

用X射线光电能谱仪对改性前后的毛纤维进行表面元素分析和基团分析,研究羊毛表面化学结构的变化情况,从微观上分析羊毛的改性机理。测试结果表明:经过氧化改性的毛纤维表面增加了锰元素,氯化改性后的毛纤维表面增加了钠、氯和硫元素。毛纤维原有的接氨基基团经过改性后都被打断而接入了含其它元素的基团。

来源:分析测试百科

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