现代分析测试技术-综合评价
现代分析测试技术(XRF在地学中的应用)
X射线衍射技术在地学中的应用长安大学摘要：X射线衍射技术是现代分析测试物质组成和结构的基础手段之一，多种学科中都广泛应用，在地质学领域中的应用同样占重要地位。
本文综述了X射线衍射技术在岩石学、矿物学、矿床学、煤田、石油天然气、构造地质、地质灾害、宝石学以及与地质学相关的学科研究中的应用。
作为一种高效、准确、无损样品的测试分析手段X射线衍射技术在地质学中的应用领域将会不断扩展，发挥越来越重要的作用。
关键词：X射线衍射地质学应用引言1895年，德国维尔茨堡大学校长兼物理研究所所长伦琴教授在研究阴极射线时意外发现X射线[1]；1912年德国物理学家劳厄（von Laue M）发现了X射线通过晶体时产生衍射现象[2]，证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性，并获得了劳厄晶体衍射公式；随后，小布拉格(Bragg WL)推导出著名的布拉格方程。
此后100余年间，作为19世纪末20世纪初物理学的三大发现之一，X射线的新理论和新应用不断产生，飞速发展。
劳厄的衍射理论与实验证明了X射线具有波动特性，是波长为几十到几百皮米的电磁波，并具有衍射的能力[3,4]。
在基础理论和科学技术的支持下，X射线衍射技术在物质定性和物相组成等方面的探测已经成为现代分析测试技术的基础组成部分，在材料、药物、金属、生物等领域的科学研究中均占有重要地位。
同样，X射线衍射在地质学领域中的应用也十分普遍。
1.基本原理和分析方法简介X射线是一种电磁辐射，波长（0.01—100埃，常用的为0.5—2.5埃）与物质晶体的原子间距（1埃）数量级相同。
利用晶体作为X射线的天然衍射光栅，当X射线入射时晶体原子的核外电子产生相干波彼此发生干涉，当发生波的加强就称之为衍射[5]。
晶体结构决定了X射线的衍射方向，通过测定衍射方向可以得到晶体的点阵结构、晶胞大小和形状等信息。
地质学中的X射线衍射分析就是通过这个原理确定样品物质的组成和结构等（图1）。
图1 X射线衍射分析工作原理图一般的X射线衍射分析方法有：a.劳厄法：连续X射线照射固定的单晶体，用照相底片记录衍射斑点；b.转晶法：单色X射线照射转动的单晶体，用照相底片记录平行分布的衍射斑点；c.粉末法：准直的单色X射线照射多晶粉末样品，圆筒状底片记录衍射斑点；d.衍射仪法：用各种辐射探测器和辐射测量控制电路记录衍射信号。
现代分析与测试技术优选全文
析
相干散射——电子衍射分析—— 显微结构分析
技
激发被测物质中原子发出特种X射线
术
——电子探针（电子能（波）谱分析，电子
探针X射线显微分析）
——显微化学分析（Be或Li以上元素分析）
1.材料现代分析技术绪论
材 料 现 代 分 析 技 术
1.材料现代分析技术绪论
材
材料现代分析的任务与方法
料
材料组成分析
1.材料现代分析技术绪论
材
料
直接法的局限
现 代
采用高分辨电子显微分析等直接分析技术并不能有效、 直观地反映材料的实际三维微观结构；高分辨电子
分
显微结构像是直接反映晶体的原子分辨率的投影结
析
构，并不直接反映晶体结构。
技 尽管借助模型法，通过对被测晶体拍摄一系列不同离
术
焦条件的显微像，来分析测定材料的晶体结构，但
性能和使用性能间相互关系的知识及这些知识的应用，是一门应用
基础科学。材料的组成、结构，工艺，性能被认为是材料科学与工
程的四个基本要素。
1.材料现代分析技术绪论
材 料
组成 (composition) 组成是指材料的化学组成及其所占比例。
现 工艺 (process)
代
工艺是将原材料或半成品加工成产品的方法、技术等。
2. 多晶相各种相的尺寸与形态、含量与分布、位向 关系（新相与母相、孪生相、夹杂物）
微观，0.1nm尺度（原子及原子组合层次）
结构分析：原子排列方式与电子构型
1. 各种相的结构（即晶体类型和晶体常数）、晶体缺 陷（点缺陷、位错、层错）
2. 分子结构与价键（电子）结构：包括同种元素的不 同价键类型和化学环境、高分子链的局部结构（官 能团、化学键）和构型序列等
现代分析测试技术教学大纲
《现代分析测试技术》教学大纲课程名称：《现代分析测试技术》英文名称：Modern Analysis and Testing Technology课程性质：专业选修课程课程编号：F132039周学时：2学时总学时：32学时学分：2学分开设学期：第三学年第六学期教学对象：化学专业本科学生一、课程简介《现代分析测试技术》是化学专业学科专业教育平台课程的专业选修课程。
现代分析测试技术是以近几十年分析科学成果为主要授课内容，主要讲授大型仪器分析的原理、应用及进展，结合实际应用使学生能够基本掌握常见的大型分析仪器的原理和应用。
本课程是在学生学完《高等数学》、《无机化学》、《分析化学》、《有机化学》、《物理化学》等专业基础课程和专业课程的基础上开设的，与该门课程同时开设的还有《物理化学》、《结构化学》等课程，这些课程都为该课程的学习打下了良好的理论基础。
通过《现代分析测试技术》课程的学习，使学生在《毕业设计（论文）》等后续实践课程中自觉运用能够运用现代分析手段，解决科研、工作中遇到的实际问题。
二、课程教学目标课程教学目标1：掌握常见分析仪器的原理、结构、基本操作方法和实验数据的处理，重点掌握仪器原理、仪器主要操作参数及其对分析结果的影响。
课程教学目标2：在以后的工作中，能够熟练运用这些知识去分析、设计和评价复杂体系的处理。
课程教学目标3：树立强烈的社会责任感，能够对产品质量、安全、环保事件起-1-到监督作用，养成严谨的科学作风和良好的实验素养。
-2-四、课程教学要求（含教学重点、难点）：第一章绪论（2学时）【教学要求/目的】1．了解仪器分析中各种分析方法，了解仪器分析涉及面广、内容丰富以及在工业生产和科学研究中的重要地位；2．理解仪器分析特点和仪器分析与化学分析之间密切关系；3．掌握仪器分析的分类、定量分析方法的评价指标；4．熟练掌握仪器分析的概念、特点和分类、定量分析方法的评价指标。
【教学内容】1. 仪器分析方法的分类；2.标准曲线的绘制及分析；3.灵敏度、精密度、检出限、准确度；-3-4.仪器分析方法的特点。
现代分析测试技术-福州大学测试中心
授课 2 实验 2
第九部分 核磁共振波
4
谱仪原理及应用
授课 2 实验 2
考试
4
3
学习本课 程之前必 须先修的 主要课程
大学物理 物理化学 材料科学基础
晶体学
主要教学 方式
授课及实验课
备注
开 课
测试中心 教 研 室
任课 教师 姓名 职 称
杨晓华 教授 张新奇工程师 陈志鑫 副研究员 黄清明 高工 陈天文 高工 尹华 冯蕊 高工 卢巧梅 助理研究员 童 萍 助理研究员 刘 薇 助理研究员 林 芬 工程师 何运慧 工程师 林 韵 工程师
容
4. 具 备 专 业 从 事 材 料 分 析 测 试 工 作 的 初 步 基 础 ， 具 备 通
提
过 继 续 学 习 掌 握 材 料 分 析 新 方 法 、新 技 术 的 自 学 能 力 。
要
教
学
时
数
总学时数
第一学期
第 学期
第 学期
课内
36
主 要 教 材 、 参 考 书 目 或 文 献 目 录
课 外 课 内 周学时数 课 内
36
4
书
目
材料现代分析测试实验 透射电子显微学进展 材料现代分析方法 材料分析测试技术 X 射线荧光光谱分析
色谱联用技术
周学时数 课 内
周学时数
编著者
张庆军 科学技术出版社 北京工业大学出版社 哈尔滨工业大学出版社 吉昂，陶光仪， 卓尚军，罗立强
汪正范，杨树民，
电喷雾质谱应用技术
热分析仪器.；热分析导论 表面分析技术 表面物理导论
目 课程的学习使学生对材料的现代分析测试方法有一个初步的较全面的了解和认识，
《现代分析测试技术》复习知识点答案
一、名词解释1. 原子吸收灵敏度：也称特征浓度，在原子吸收法中，将能产生1％吸收率即得到0.0044的吸光度的某元素的浓度称为特征浓度。
计算公式： S=0.0044×C/A （ug/mL/1%）S——1％吸收灵敏度 C——标准溶液浓度 0.0044——为1％吸收的吸光度A——3次测得的吸光度读数均值2. 原子吸收检出限：是指能产生一个确证在试样中存在被测定组分的分析信号所需要的该组分的最小浓度或最小含量。
通常以产生空白溶液信号的标准偏差2～3倍时的测量讯号的浓度表示。
只有待测元素的存在量达到这一最低浓度或更高时，才有可能将有效分析信号和噪声信号可靠地区分开。
计算公式： D＝c Kδ/A mD——元素的检出限ug/mL c——试液的浓度δ——空白溶液吸光度的标准偏差 A m——试液的平均吸光度 K——置信度常数，通常取2~3 3．荧光激发光谱：将激发光的光源分光，测定不同波长的激发光照射下所发射的荧光强度的变化，以I F—λ激发作图，便可得到荧光物质的激发光谱4．紫外可见分光光度法：紫外—可见分光光度法是利用某些物质分子能够吸收200 ~ 800 nm光谱区的辐射来进行分析测定的方法。
这种分子吸收光谱源于价电子或分子轨道上电子的电子能级间跃迁，广泛用于无机和有机物质的定量测定，辅助定性分析（如配合IR）。
5．热重法：热重法（TG）是在程序控制温度下，测量物质质量与温度关系的一种技术。
TG基本原理：许多物质在加热过程中常伴随质量的变化，这种变化过程有助于研究晶体性质的变化，如熔化、蒸发、升华和吸附等物质的物理现象；也有助于研究物质的脱水、解离、氧化、还原等物质的化学现象。
热重分析通常可分为两类：动态（升温）和静态（恒温）。
检测质量的变化最常用的办法就是用热天平（图1），测量的原理有两种：变位法和零位法。
6．差热分析；差热分析是在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差与温度关系的一种技术。
现代分析测试方法概述
Bragg的衍射条件 2d sinθ = nλ
基于光衍射的分析方法
•多晶X射线衍射仪（分析材料的晶体结构， 测量结晶度和晶粒取向度等） •单晶X射线衍射仪（通过测定单晶的晶体 结构，了解晶体中原子的三维空间排列， 获得有关键长、键角、分子构型等结构信 息）
光的波动性——光的偏振
平面偏振光 振动方向保持不变 振幅发生周期性变化
吸收光谱对应的能量跃迁
光的微粒性——光的发射
处于高能态（激发态）的物质不稳定，通 过约10-8s释放能量返回基态，若以发射光子的 形式放出能量，则得到发射光谱。
吸收或发射产生的条件是：
①物质与光子发生碰撞；
②E光子=△EM*/M； ③E光子 与物质的△EM*/M是量子化
的；
④吸收与发射分别产生吸收或发
光学分析法
散射光谱法 (拉曼光谱法,浊度法)
折射法
旋光法(偏振,旋光,圆二色性)
非光谱分析法 干涉分析法
（辐射性质）
x—射线分析法
衍射分析法
电子衍射分析法
光信号源 光信号源
Hale Waihona Puke 3.6 光谱分析仪器的构成
试样 系统
波长选择
能源 试样系统
试样 系统
波长选择
分析信号 转换
原子吸收分光光度计
试样 系统
分析信号 转换
有机混合物成分定性及定量分析
•气相色谱法 •液相色谱法 •气相色谱－质谱联用法 •液相色谱－质谱联用法 •紫外－可见光谱法
聚集态结构分析
•透射电子显微镜法 •X射线衍射法 •小角X射线散射法 •固体核磁共振波谱法 •红外光谱法 •拉曼光谱法
表面结构分析
•扫描电镜法 •扫描探针显微镜法 •电子探针法 •能谱分析法
材料现代分析与测试技术 教学大纲
材料现代分析与测试技术课程教学大纲一、课程性质、教学目的及教学任务1.课程性质本课程是材料类专业的专业基础课，必修课程。
2.教学目的学习有关材料组成、结构、形貌状态等分析测试的基本理论和技术，为后续专业课学习及将来材料研究工作打基础。
3.教学任务课程任务包括基本分析测试技术模块——X射线衍射分析、电子显微分析、热分析；扩充分析测试技术模块——振动光谱分析和光电子能谱分析。
在各模块中相应引入新发展的分析测试技术：X射线衍射分析X射线衍射图谱计算机分析处理；电子显微分析引入扫描探针显微分析（扫描隧道显微镜、原子力显微镜）；热分析引入DSC分析。
二、教学内容的结构、模块绪论了解材料现代分析与测试技术在无机非金属材料中的应用、发展趋势，明确本课程学习的目的和要求。
1. 本课程学习内容2. 本课程在无机非金属材料中的应用3. 本课程的要求（一）X射线衍射分析理解掌握特征X射线、X射线与物质的相互作用、布拉格方程等X射线衍射分析的基本理论，掌握X射线衍射图谱的分析处理和物相分析方法，掌握X射线衍射分析在无机非金属材料中的应用，了解X射线衍射研究晶体的方法和X射线衍射仪的结构，了解晶胞参数测定方法。
1. X射线物理基础（1）X射线的性质（2）X射线的获得（3）特征X射线和单色X射线2. X射线与物质的相互作用3. X射线衍射几何条件4. X射线衍射研究晶体的方法（1）X射线衍射研究晶体的方法（2）粉末衍射仪的构造及衍射几何5. X射线衍射数据基本处理6. X射线衍射分析应用（1）物相分析（2）X射线衍射分析技术在测定晶粒大小方面的应用（二）电子显微分析理解掌握电子光学基础、电子与固体物质的相互作用、衬度理论等电子显微分析的基本理论，掌握透射电镜分析、扫描电镜分析、电子探针分析的应用和特点，掌握用各种衬度理论解释电子显微像，掌握电子显微分析样品的制备方法，了解透射电镜、扫描电镜、电子探针的结构。
1. 电子光学基础（1）电子的波长和波性（2）电子在电磁场中的运动和电磁透镜（3）电磁透镜的像差和理论分辨率（4）电磁透镜的场深和焦深2. 电子与固体物质的相互作用（1）电子散射、内层电子激发后的驰豫过程、自由载流子（2）各种电子信号（3）相互作用体积与信号产生的深度和广度3. 透射电子显微分析（1）透射电子显微镜（2）透射电镜样品制备（3）电子衍射（4）透射电子显微像及衬度（5）透射电子显微分析的应用4. 扫描电子显微分析（1）扫描电子显微镜（2）扫描电镜图像及衬度（3）扫描电镜样品制备5. 电子探针X射线显微分析（1）电子探针仪的构造和工作原理（2）X射线谱仪的类型及比较（3）电子探针分析方法及其应用6. 扫描探针显微分析（1）扫描隧道显微镜（2）原子力显微镜（三）热分析理解掌握差热分析、热释光谱分析的基本原理，掌握差热曲线的判读及影响因素，掌握热释光谱分析，了解差热分析仪的结构，了解热重分析和示差扫描量热分析。
现代分析测试技术-02X射线多晶衍射方法及应用综合练习精选全文
可编辑修改精选全文完整版第二章X射线多晶衍射方法及应用（红色的为选做，有下划线的为重点名词或术语或概念）1．名词、术语、概念：选靶，滤波，衍射花样的指数化，连续扫描法，步进扫描法，X射线物相分析，X射线物相定性分析，X射线物相定量分析。
2．X射线衍射方法分为多晶体衍射方法和单晶体衍射方法；多晶体衍射方法主要有（）和（）；单晶体衍射方法主要有（）、（）和（）等。
3．根据底片圆孔位置和开口所在位置不同，德拜法底片的安装方法有3种，即（）、（）和（）。
4．德拜法测定点阵常数，系统误差主要来源于（）、（）、（）、（）等，校正的方法主要是采用（）安装底片。
5．入射X射线的波长λ越长则可能产生的衍射线条越多。
这种说法（）。
A．正确；B．不正确6．靶不同，同一干涉指数（HKL）晶面的衍射线出现的位置（2θ）不同。
这种说法（）。
A．正确；B．不正确7．德拜法的样品是平板状的，而衍射仪法的样品是圆柱形的。
这种说法（）。
A．正确；B．不正确8．德拜照相法衍射花样上，掠射角（θ）越大，则分辨率（φ）越高，故背反射衍射线条比前反射线条分辨率高。
这种说法（）。
A．正确；B．不正确9．在物相定量分析方面，德拜法的结果比衍射仪法准确。
这种说法（）。
A．正确；B．不正确10．多晶衍射仪法测得的衍射图上衍射峰的位置十分精确，没有误差。
这种说法（）。
A．正确；B．不正确11．如果采用Mo靶（λKα=0.07093nm），那么晶面间距小于0.035nm的晶面也可能产生衍射线。
这种说法（）。
A．正确；B．不正确12．在X射线物相定性分析过程中，主要是以d值为依据，而相对强度仅作为参考依据。
这种说法（）。
A．正确；B．不正确13．X射线衍射法测定晶体的点阵常数是通过衍射线的位置（2θ）的测定而获得的，点阵常数测定时应尽量选用低角度衍射线。
这种说法（）。
A．正确；B．不正确14．入射X射线的波长（λ）越长则可能产生的衍射线条（）。
A．越少；B．越多15．靶不同，同一指数（HKL）干涉面的衍射线出现的位置2θ（）。
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表
体
层
相
微
检
检
区
测
测
检
测
SEM
EPA
EPA
XRF
AES
RHEED
XPS
TEM XRD MS IR LR AAS ICP-AES
图像分辨率
纳
原
微米
子
米级
级
级
SEM
AES
FEM SPM
TEM
EPA
FIM
XPS
XRF
分析仪器灵敏度
体 相 检 出 限 低
体 相 检 出 限 中
体 相 检 出 限 高
EPA XRF LR
准直器
X射线管
滤光片
晶体试样
测角仪
θ 2θ
放
探测器
大
器
狭缝
记录 系统
X射线粉晶衍射仪结构框图
仪器的必需配置—从仪器结构及发展入手
主要性能指标：分辨率；灵敏度—检出限； 操作流程框图：关键部件； 仪器主要发展方向：主要指标的发展；应用的需要；
电弧
火焰
火花 直流 等离子体
微波诱导 等离子体
分子光谱学专论 吴征铠等 山东科技大学出版社
网上资源利用
.jeol.co.jp/ .ntmdt.ru/ .shimadzu.co.jp/ 开放实验室、理化检测中心 科技期刊（光谱分析、质谱分析、电子显微学报及专业期刊）
第一讲 现代分析测试技术综合评价
现代分析测试仪器基本特征 现代分析测试技术综合评价
光电倍增管—直读谱仪检测光路
安装多个（可达70 个）固定通道，接 收多种元素的谱线
多道固定狭缝式光路（经典光源）：出射狭缝+光电倍增管→构成一个波长的固定通道； 单道扫描式光路（ICP）：“通道移动”—出射狭缝在光谱仪焦面上扫描（转动光 栅 ）；
CCSD光谱仪的光路示意图
探测单元—硅片
采用光栅分光―CCD检测器系统，光线经光栅色散后聚焦在探测单元的硅片表面，检 测器将光信号转换成电信号，经计算机进行快速高效处理得出分析结果；由软件自 动选择预测元素的谱线，增加不同的软件可实现多种基体材料分析。
仪器的必需配置—从联用技术入手
XPS+AES+SIMS+ISS+LEED+RHEED
AFM+STM
SEM+TEM+EPMA XRF/IR/LR+OM GC/LC/CE+IR GC/LC/CE+MS IR+MS
为什麽联用 仪器共用组件及接口 强强结合/互补 组合后优势分析领域
课程选用教材及参考书籍
现代仪器分析实验与技术 陈培榕等 清华大学出版社
纳米材料分析 黄惠忠等 化学工业出版社
表面分析
华中一等 复旦大学出版社
表面分析技术 陆家和等 电子工业出版社
扫描隧道显微术及应用 白春礼等 上海科技出版社
材料分析测试技术 周 玉等 哈尔滨工业大学出版社
仪器分析
邓 勃等 清华大学出版社
数量级，束斑直径—AES好于SAM；谱线重叠；样品污染；
仪器分辨率：能量分辨率—CMA；空间分辨率—电子枪；厚度
分辨率—Auger电子能量；
仪器的必需配置—从重要实验技术入手
定性分析：检测特征量；分析依据；谱图特点； 定量分析：分析步骤；定量分析依据；标准样品要求； 微区分析：微区分析的实现方法；微区“体积”； 深度分析：破坏、非破坏；深度“范围”；
2004.2
已经讲授的内容及学时安排
概述 （3 学时） X射线衍射分析 （6 + 6 学时） 热分析、色谱、红外光谱 （3 学时） 原子发射、原子吸收、荧光光谱（3 学时） 热分析、原子吸收、压汞、等温吸附实验（3 学时）
讲授内容及课时安排
现代分析测试技术综合评价 （3 学时） 超显微分析技术及SEM实验 （3 + 3 学时） 成分分析技术及EDX、WDX实验 （3 + 3 学时） 结构分析技术及TEM实验（3 + 3 学时）
化学键或官能团，其振动能级从基态跃迁到激发态所需的 能量不同—吸收不同波长的红外光—不同波长出现吸收峰；
MS：通过对样品离子的质荷比分析来实现对样品进行定性
和定量分析；
仪器的必需配置—从基本公式入手
XPS—光电子发射公式：Ek = hυ- Eb – φs XRD—X射线的衍射：2dSinθ=nλ XRF—莫塞莱定律：λ=P（Z-σ）-2∝Z –2
现代分析测试仪器基本工作模式
利用电子束、离子 束、光子束或中性
粒子等为探束
气、液、固态样品 （微量及痕量）
图像、谱图、数据 及综合报告
磁场 分子
声波
—
电子
— ——
—
—
电场
表面或 体相
离子 ——
——
光子
热
常用分析测试技术及特性
信号来源区域
表 面 检 测
XPS AES SPM SIMS ISS LEED
Si(Li)探测器
场效应晶体管 前置放大器
入 射 粒 子 束
样品
多道脉冲 分析器
用液氮冷 放大器 偏压电源 却的容器
能量色散谱仪原理方框图
CRT显示
谱线记录仪 打印机
1
电子枪
2
3
4
离子源
5
XPS/AES谱仪的基本结构及实验过程
影响仪器特性的最主要部件和因素
仪器灵敏度：信噪比—筒镜分析器，分析时间；电子枪—Ip
电感耦合高频 等离子体
—
—
㈠ 试
衍射光栅
棱镜
样
蒸 发
㈡分光
原 子 化
㈢光谱检测 激 发
照相干板 光电倍增管
固体检测器
原子发射光谱仪结构框图
电感耦合等离子体
溶液试样；多元素同时测定—计算数据+实验修正； 测定不同浓度级元素—从痕量到常量； 最能发挥其优势的领域：地质、环保、医药、临床、农业、食品；
ICP-AES定量分析步骤
制备标准溶液及试样溶液：标准储备液；低标准液—高标准液； 仪器分光系统校正：汞灯校正； 标准液喷雾进样—预标准化；选择分析线—用待测元素的标准溶液和空白
溶液在各波长处进行扫描,得到这些元素在这些波长处的扫描轮廓图，计算 机贮存这些图谱，并可将它们同时显示。根据谱线及背景的轮廓和强度值， 选择合适的分析线、设置背景校正位置。 校准曲线绘制：根据系列标准溶液数据作出各标准的校准曲线； 试样溶液喷雾进样： 根据标准曲线，求出样品中各元素浓度；测量范围； 回收实验：考查测定结果的准确性—在样品中加入标准溶液,按上述方法及 条件对样品进行测定，
AAS
XRD
ICP-
IR
AES
MS
仪
分析方法原理
器
的
仪器结构及发展
必
重要实验技术
需配联用技术置仪器基本配置
分析仪器心脏
基本定值保证
变量（检测）跟踪
仪器的必需配置—从分析方法原理入手
AAS：基于被测元素基态原子在蒸气状态对其原子共振辐
射的吸收—定量研究原子受激吸收跃迁过程；
IR：研究分子中原子的相对振动—化学键的振动，不同的