byZuykova
Анализ |
Метод |
Суть |
Атомная спектроскопия (Линейчатый спектр) |
Рентгенофлуоресцентный метод (В основе возбуждение глубинных электронов) |
Определяет содержание элементов (от В до U) независимо от формы их нахождения в веществе. Физические основы метода – использование рентгеновского излучения и вызванной им флуоресценции атомов пробы (вторичного рентгеновского излучения). При взаимодействии первичного излучения с пробой происходит либо рассеяние квантов на атомах, либо удаление электронов с одной из внутренних оболочек атома. Избыток энергии такого атома сбрасывается в виде кванта излучения – наблюдается флуоресценция. Она регистрируется детектором спектрометра. В основе метода лежат постулаты Бора: I. В атоме существуют стационарные квантовые состояния, не изменяющиеся с течением времени без внешнего воздействия. В этих состояниях атом не излучает, но движется с ускорением. Каждому стационарному состоянию соответствует определённая энергия атома (Еn) и стационарная орбита. II. При переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Ек в другое стац. сост. с меньшей Еn происходит излучение или поглощение квант энергии. Качественный анализ проводится идентификацией линий по длинам волн или по энергиям фотонов, т. к. рентгеновский спектр содержит характеристические линии присутствующих элементов. Количественный анализ проводится сравнением интенсивностей линий образца с интенсивностями стандарта (чистого элемента или соединения с известным составом) Диапазон определяемых содержаний 0,0001%-100% Точность определения – 1% |
|
Атомно-абсорбционная спектроскопия (В основе энергетические переходы валентных электронов) *ПОГЛОЩЕНИЕ* |
Метод качественного анализа по атомным спектрам поглощения света с определённой длиной волны. Определяет содержания металлов в растворах их солей. В ходе анализа часть образца переводится в состояние атомного пара. Сквозь этот пар пропускается характеристическое излучение для данного элемента. Атомный пар поглощает часть квантов света излучения, и это поглощение тем интенсивнее, чем больше концентрация атомов. Атомизация проб может проходить по четырём техникам: пламенной, электротермической, гидридной и по методу холодного пара.
|
|
Атомно-эмиссионный спектральный анализ (В основе энергетические переходы валентных электронов) *ИСПУСКАНИЕ* |
Способ определения элементного состава вещества (металлы в р-рах их солей) по линейчатым спектрам испускания атомов и ионов анализируемой пробы. При качественном анализе спектры проб сравнивают со спектрами известных элементов, приведенных в соответствующих атласах и таблицах спектральных линий, и таким образом устанавливают элементный состав анализируемого вещества. При количественном анализе определяют концентрацию искомого элемента в анализируемом веществе по зависимости величины аналитического сигнала искомого элемента от его содержания в пробе. Основные области применения – анализ состава металлов и сплавов в металлургии и машиностроении, исследование геологических образцов и минерального сырья в горнодобывающей промышленности, анализ вод и почв в экологии. Определяется
до 70 элементов. Пламенная фотометрия — один из видов атомно-эмиссионной спектроскопии. Применяется для определения щелочных, щёлочноземельных и некоторых других элементов по атомным спектрам или молекулярным полосам. Источником возбуждения служит пламя водорода, ацетилена, светильного газа. Метод обладает высокой чувствительностью, быстротой, точностью, позволяет определять элементы в солях, смесях, растворах, минералах, биологических объектах. Основными ограничениями метода фотометрии пламени являются: необходимость переведения анализируемых проб в раствор, сравнительно высокий уровень матричных эффектов и, как правило, одноэлементность анализа. |
Молекулярная спектроскопия (Полосатый спектр) |
ИК-спектроскопия |
Основана на способности вещества избирательно взаимодействовать с излучением в ИК-области спектра. Инфракрасные спектры возникают в результате колебательного движения молекул. ИК-излучение при прохождении через образец поглощается на частотах, совпадающих с некоторыми колебательными частотами молекул. В результате снижения интенсивности излучения на этих частотах образуются полосы поглощения. ИК-спектр поглощения представляют графически в виде зависимости от частоты величин, характеризующих поглощающее вещество (коэффициентов пропускания и поглощения, оптической плотности). Исследуемое вещество может быть органическим или неорганическим и в любом агрегатном состоянии. Методики приготовления образцов: растирание вещества с инертными жидкостями, прессование таблеток с полиэтиленом. Задачи ИК-спектроскопии: • Определение состава смесей • Установление концентраций компонентов смеси • Изучение химических связей • Исследование симметрии молекул и ионов • Выявление межмолекулярного взаимодействия |
|
УФ-спектроскопия |
Охватывает коротковолновую область оптического диапазона. Для работы в ближней области спектра используют приборы, оптические схемы которых такие же, как у приборов для видимого света. Отличие состоит в замене стеклянных оптических деталей (призм, линз, зеркал), которые сильно поглощают УФ-излучение, на более прозрачные – кварцевые. Стандартными приемниками ультрафиолетовых лучей являются фотодиоды, фотоумножители и другие приборы, в которых используется способность УФ-излучения вызывать ионизацию и фотоэффект. УФ-спектроскопия применяется при исследовании атомов, ионов и молекул для изучения их уровней энергии, вероятностей переходов. УФ-спектр представляет собой графическую зависимость интенсивности поглощения от длины волны или частоты. |
|
Масс-спектрометрия |
Зай, тут все интересно, но по ссылке проще: https://www.youtube.com/watch?v=E1E5urXOfRA
Метод измерения отношения массы ионов к их заряду. В качестве источника ионов используется аргоновая индуктивно-связанная плазма, детектором служит масс-спектрометр. Масс-спектрометр устанавливает, какие атомы составляют молекулы, их массу и структуру. Задачи:
Достоинства:
Основа метода ИСП-МС – перевод частиц вещества в состояние ионизированного газа и последующее детектирование этих частиц. Стадии:
ИСП-МС-спектрометр состоит из:
Система ввода проб в масс-спектрометр с индуктивно связанной плазмой: аэрозоль и матричная лазерная десорбция: Аэрозоль: проба подается с помощью перистальтического насоса в распылитель. Перистальтический насос - маленький насос с набором вращающихся цилиндров. Он обеспечивает постоянный поток жидкости независимо от различий в вязкости между пробами, стандартами и растворителем. После того, как проба попадает в распылитель, она разбивается на мельчайшие капли под ударом газового потока. Аэрозоль из распылителя попадает в распылительную камеру, в которой происходит отсев слишком крупных капель и конденсация паров растворителя при использовании системы охлаждения. Чем больше доля мелких капель в аэрозоле, тем быстрее капли высыхают в плазме и тем быстрее содержащиеся в них вещества ионизируются, повышая чувствительность анализа. Матричная лазерная десорбция: исследуемое вещество помещают в матрицу – вещество с меньшим молекулярным весом и высокой способностью поглощать лазерное излучение. Луч, попадая на подложку с матрицей, вызывает испарение вещества матрицы, молекулы которой ухватывают за собой молекулы исследуемого вещества. Часть ионов увлекается в сторону анализатора. Достоинства лазерной десорбции:
Недостатки:
|
|
Люминесцентная спектроскопия |
Люминесценцией называют свечение атомов, ионов, молекул и других более сложных частиц вещества, которое возникает в результате перехода в них электронов при возвращении из возбужденного состояния в нормальное. Чтобы вещество начало люминесцировать, к нему необходимо извне подвести определенное количество энергии. Частицы вещества, поглощая энергию, переходят в возбужденное состояние, пребывая в нем некоторое время. Затем они возвращаются в состояние покоя, отдавая при этом часть энергии возбуждения в виде квантов люминесценции. С помощью люминесцентного анализа (ЛА) можно обнаружить в исследуемом образце присутствие вещества в концентрации 10-11 г/г. Качественный и количественный ЛА используют для определения некоторых витаминов в пищевых продуктах, содержание белков и жиров в молоке, исследование свежести мяса и рыбы, диагностики порчи овощей, плодов и обнаружения в продуктах питания консервантов, лекарственных препаратов, канцерогенных веществ, пестицидов. Свечение, возникающее под действием световых лучей оптического диапазона ультрафиолетовых (УФ) и видимых частот, носит название фотолюминесценции, которая в зависимости от вида возбужденного уровня и времени пребывания в нем подразделяется на флуоресценции (короткая) и фосфоресценцию (долгая). Флуоресценция – это вид собственного свечения вещества, которое продолжается только при облучении. Если источник возбуждения устранить, то свечение прекращается мгновенно или спустя не более 0,001 сек. Фосфоресценцией называют собственное свечение вещества, которое продолжается после отключения возбуждающего света. Метод флуориметрии применяют для чувствительного определения очень малых количеств элементов при анализе органических веществ, при определении малых количеств витаминов, гормонов, антибиотиков, канцерогенных соединений и др. Основным преимуществом флуориметрии по сравнению с другими абсорбционными методами является высокая селективность, так как флуоресценцией обладает значительно меньшее число веществ (прежде всего ароматические соединения и порфирины). Ряд соединений можно перевести во флуоресцирующие, введя в молекулу флуоресцирующую группу, т.е. флуорофор (люминифор). |
|
Рамановская спектроскопия |
Все прошаренные геологи, как ты, уже давно перешли по ссылке: https://www.youtube.com/watch?v=OI8fB1xH0IU
В Рамановской спектроскопии образец облучается монохроматическим светом (источником обычно является лазер). Большая часть рассеянного образцом излучения будет иметь ту же частоту, что и падающая – процесс известен как Рэлеевское рассеяние. Тем не менее, некоторое количество излучения, рассеянного образцом, примерно один фотон из миллиона (0.0001 %) – будет иметь частоту, смещенную по отношению к частоте исходного излучения лазера.
Как показано на приведенной ниже диаграмме энергетических состояний, молекула в невозбужденном состоянии находится на основном нижнем уровне (основное колебательное и электронное состояние). Электрическое поле лазера повышает энергию системы до нестабильного состояния, индуцируя поляризацию химических групп. Поляризованное состояние не является истинным энергетическим состоянием и называется «виртуальным состоянием». Релаксация из виртуального состояния происходит почти немедленно и в основном происходит возвращение в основное состояние. Этот процесс и является Рэлеевским рассеянием. Релаксация на первый колебательный уровень возбуждения называется Стокс-Раман сдвигом (Stokes-Raman shift). Стокс-Раман рассеяние имеет более низкую энергию (более высокую длину волны), чем излучение лазера. Большинство систем имеют часть единиц (молекул), изначально находящихся в возбужденном колебательном состоянии. При Рамановском рассеянии такие молекулы переходят из возбужденного колебательного уровня на основной энергетический уровень, и в результате появляется излучение более высокой энергии (более короткой длины волны), чем излучение лазера. Такой тип рассеяния называется анти-Стокс-Раман сдвигом (anti-Stokes-Raman scatter) и на диаграмме не показан. Колебательные состояния, исследуемые в Раман спектроскопии, являются такими же, что и в ИК спектроскопии. Поэтому Раман спектроскопия очень похожа на метод ИК спектроскопии с Фурье преобразованием (ИК-Фурье спектроскопия). Раман и ИК-Фурье спектроскопия являются по сути комплементарными, взаимно дополняющими методами.
Колебания, которые сильно проявляются в ИК спектре (сильные диполи) обычно слабо проявляются в Раман спектре. В тоже время, неполярные функциональные группы, дающие очень интенсивные Рамановские полосы, как правило, дают слабые ИК сигналы. Например, колебания гидроксильных, карбонильных групп или аминогрупп очень сильно проявляются в ИК спектре и очень слабы в Раман спектре. Однако, двойные и тройные углерод-углерод связи и симметричные колебания ароматических групп очень сильны в Раман спектре. В связи с этим Рамановская спектроскопия используется не только как отдельный метод, но и в сочетании с ИК-Фурье спектроскопией для получения наиболее полного представления о природе образца.
Колебательная спектроскопия дает ключевую информацию о структуре молекул. Например, положение и интенсивность полос в спектре может использоваться для изучения молекулярной структуры или химической идентификации образца. В результате анализа можно идентифицировать химические компоненты (определять природу вещества) или изучать внутримолекулярные взаимодействия, наблюдая положение и интенсивность полос в Раман спектре. При этом достаточно просто идентифицировать компоненты, используя поиск по библиотекам спектров. Раман спектры идеально подходят для поиска по библиотекам, благодаря большой спектральной информации, наличию области «отпечатков пальцев» для каждого компонента и простоте алгоритмов поиска.
|
Сканирующая электронная микроскопия. |
|
Солнышко, можешь прочесть это, но лучше переходи по ссылке: https://www.youtube.com/watch?v=W_JcStIRfeY
Растровый (сканирующий) электронный микроскоп (РЭМ, СЭМ) — прибор, позволяющий получать изображения поверхности образца с большим разрешением (несколько нанометров). Ряд дополнительных методов позволяет получать информацию о химическом составе приповерхностных слоёв.
Принцип работы РЭМ
Тонкий электронный луч генерируется электронной пушкой, которая играет роль источника электронов, совмещенного с электронными линзами, которые играют ту же роль по отношению к электронному пучку как фотонные линзы в оптическом микроскопе к световому потоку. Катушки, расположенные согласно двум взаимоперпендикулярным направлениям (x, y), перпендикулярным направлению пучка (z) и контролируемые синхронизированными токами, позволяют подвергнуть зонд сканированию подобно сканированию электронного пучка в электронно-лучевой трубке телевизора. Электронные линзы (обычно сферические магнитные) и отклоняющие катушки образуют систему, называемую электронной колонной. В современных РЭМ изображение регистрируется исключительно в цифровой форме. Основа сканирующего электронного микроскопа — электронная пушка и электронная колонна, функция которой состоит в формировании остросфокусированного электронного зонда средних энергий (10 — 50 кэВ) на поверхности образца. Прибор оснащен вакуумной системой (в современных моделях микроскопов высокий вакуум желателен, но не обязателен). Также в каждом РЭМ есть предметный столик, позволяющий перемещать образец минимум в трех направлениях. При взаимодействии зонда с объектом возникают несколько видов излучений, каждое из которых может быть преобразовано в электрический сигнал. В зависимости от механизма регистрирования сигнала различают несколько режимов работы сканирующего электронного микроскопа: режим вторичных электронов, режим отражённых электронов, режим катодолюминесценции и др.
РЭМ оснащаются детекторами позволяющими отобрать и проанализировать излучение возникшее в процессе взаимодействия и частицы изменившие энергию в результате взаимодействия электронного зонда с образцом. Разработанные методики позволяют исследовать не только свойства поверхности образца, но и визуализировать информацию о свойствах подповерхностных структур.
Основные типы сигналов, которые генерируются и детектируются в процессе работы РЭМ:
· вторичные электроны (ВЭ или режим рельефа) · отражённые электроны (ОЭ или режим фазового контраста) · прошедшие через образец электроны (используется для исследования органических объектов) · дифракции отражённых электронов (ДОЭ)
· потери тока на образце (ПЭ или детектор поглощенных электронов) · ток, прошедший через образец (ТЭ или детектор прошедших электронов) · характеристическое рентгеновское излучение (ренгеноспектральный микроанализ) · ВДА (волнодисперсионный анализ) · световой сигнал (катодолюминесценция).
Все возможные типы детекторов, установленные на одном приборе встречаются крайне редко.
Детекторы вторичных электронов — первый и традиционно устанавливаемый на все РЭМ тип детекторов. В этом режиме разрешающая способность РЭМ максимальна. Разрешение детекторов вторичных электронов в современных приборах уже достаточно для наблюдения субнанометровых объектов. Из-за очень узкого электронного луча РЭМ обладают очень большой глубиной резкости (0,6-0,8 мм), что на два порядка выше, чем у оптического микроскопа и позволяет получать четкие микрофотографии с характерным трехмерным эффектом для объектов со сложным рельефом. Это свойство РЭМ крайне полезно для понимания поверхностной структуры образца.
Вторичные электроны. В результате взаимодействия с атомами образца электроны первичного пучка могут передать часть своей энергии электронам из зоны проводимости, то есть слабо связанным с атомами. В результате такого взаимодействия может произойти отрыв электронов и ионизация атомов. Такие электроны называются вторичными. Эти электроны обычно обладают небольшой энергией (порядка 50 эВ). Любой электрон первичного пучка обладает энергией, достаточной для появления нескольких вторичных электронов.
Так как энергия вторичных электронов невелика, их выход возможен только с приповерхностных слоев материала (менее 10 нм). Благодаря небольшой кинетической энергии эти электроны легко отклоняются небольшой разностью потенциалов. Это делает возможным существенно повысить эффективность детекторов и получить высококачественные изображения с хорошим отношением сигнал/шум и разрешением порядка 4 нм при диаметре пучка 3 нм.
Принимая во внимание, что вторичные электроны генерируются приповерхностными слоями, они очень чувствительны к состоянию поверхности. Минимальные изменения отражаются на количестве собираемых электронов. Таким образом этот тип электронов несет в себе инфорамцию о рельефе образца.
Отражённые электроны (ОЭ) — это электроны пучка, отражённые от образца упругим рассеиванием. ОЭ часто используются в аналитическом РЭМ совместно с анализом характеристических спектров рентгеновского излучения. Поскольку интенсивность сигнала ОЭ напрямую связана со средним атомным номером (Z) засвечиваемой области образца, изображения ОЭ несут в себе информацию о распределении различных элементов в образце.
Рентгеновское излучение генерируется в случае, когда электронный луч выбивает электроны с внутренних оболочек элементов образца, заставляя электрон с более высокого энергетического уровня перейти на нижний уровень энергии с одновременным испусканием кванта рентгеновского излучения. Детектирование спектра рентгеновского излучения позволяет идентифицировать состав и измерить количество элементов в образце.
Преимущества РЭМ:
• значительная глубина резкости изображения (объемность); • большие размеры объектов; • простота системы электронной оптики; • большой диапазон увеличений: от 3-х раз до 150 000 раз.
Размер электронного зонда и размер области взаимодействия зонда с образцом намного больше расстояния между атомами мишени. Таким образом, разрешение сканирующего электронного микроскопа не настолько велико, чтобы отображать атомарные масштабы, как это возможно, например, в просвечивающем электронном микроскопе. Однако, сканирующий электронный микроскоп имеет свои преимущества, включая способность визуализировать сравнительно большую область образца, способность исследовать массивные мишени (а не только тонкие пленки), а также разнообразие аналитических методов, позволяющих измерять фундаментальные характеристики материала мишени. В зависимости от конкретного прибора и параметров эксперимента, может быть получено разрешение от десятков до единиц нанометров.
Дифракция отражённых электронов измеряет межплоскостные расстояния, определяет фазу. Энергодисперсионный анализатор (для вторичных электронов, определяет хим состав): Позволяет определить весь энергетический спектр быстро. (зависимость инт. От энергии, положение пиков определяет переходы электронов) Точность 1-0,1% весовой (чем выше атомный номер, тем выше точность) Волнодисперсионный анализатор (для отражённых электронов, определяет фазовый состав): Точность до 0,01% Работает по принципу рентгенофазового анализа (дифракция)
Детектор вторичных электронов несет инф. О рельефе образца. Детектор отраженных электронов – о фазовом контрасте. Детектирование спектра рентгеновского излучения позволяет идентифицировать состав и измерить количество элементов в образце. |
Термический анализ |
|
Диаграмма состояния – графическое изображение фазового состояния всех сплавов данной системы в зависимости от времени и концентрации компонентов. Она строится для равновесных условий и может характеризовать процессы, происходящие в материалах при малых скоростях нагрева и охлаждения. Их строят по кривым охлаждения и нагрева. Эти кривые получают для сплавов с различной концентрацией компонентов, что позволяет построить диаграмму путём соединения точек. Области, разделённые такими линиями, будут соответствовать областям с разным структурным состоянием сплава.
|
|
Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК)
|
Калориметрия – совокупность методов измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощаемой при протекании различных процессов. Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) – метод, в котором при одинаковых условиях различие теплового потока в образце и теплового потока в эталоне регистрируется как функция температуры или времени. ДС-калориметры бывают: Компенсационные – регистрируется разница между мощностями, подаваемыми на образец и на эталон. Позволяет измерять быстропротекающие реакции. Проблема с изготовлением двух идентичных печей: режимы нагрева и охлаждения могут отличаться. Калориметры теплового потока – регистрируется разница температуры между образцом и эталоном. Достоинства: прочная конструкция, простое обслуживание, одинаковые условия нагревания/охлаждения образца и эталона, измерение образцов с выделяющимися газами.
|
|
Дифференциальный термический анализ |
Дифференциальный термический анализ – метод, в котором измеряется разница температур образца и эталона с течением времени или температура, когда они подвергаются одинаковой температурной программе. Условия теплопередачи и контакт с тиглями хуже, чем в ДСК.
|
|
Синхронный термический анализ |
Синхронный термический анализ – метод, сочетающий ДСК и ТГА при одном измерении. От ДСК – температуры и энтальпии переходов, фазовые диаграммы и кристаллизация. От ТДА – изменение массы, анализ состава, термическая стабильность, коррозия и реакции разложения. |
