目前材料分析测试技术、仪器设备很多，各有优势。随着应用范围的扩大，现有的测试和表征方法已经不能满足要求，开发新的表征方法和测试技术势在必行。肖姐总结了实验室常用的7种材料测试方法，包括成分、光谱、质谱、能谱、形貌、相结构、热重分析。
01
分量分析
成分分析根据分析对象和要求可分为两种：微量样品分析和微量成分分析。根据分析目的的不同，分为块体元素成分分析、表面成分分析和微区成分分析三种方法。
大宗元素成分分析是指大宗元素成分和杂质成分的分析，其方法有原子吸收、原子发射ICP、质谱、X射线荧光、X射线衍射等。其中，前三种分析方法在测定前需要溶解样品，因此属于破坏性样品分析方法；x射线荧光和衍射分析法可以直接测定固体样品，所以也叫非破坏性元素分析法。
表面和微区成分分析；
x射线光电子能谱(XPS)；(10纳米，表面)
俄歇电子能谱(AES)；(6纳米，表面)
二次离子质谱(SIMS)；(微米，表面)
电子探针分析方法；(0.5微米，体相)
电子显微镜的能谱分析：(1微米，体相)
电子显微镜的电子能量损失谱分析：(0.5纳米)
为了达到这一目的，成分分析根据分析方法的不同分为光谱分析、质谱分析和能谱分析。
02
光谱分析
主要包括火焰和电热原子吸收光谱AAS、电感耦合等离子体原子发射光谱ICP-OES、X射线荧光光谱XFS和X射线衍射光谱XRD。
(1)原子吸收光谱法又称原子吸收分光光度法。原子吸收光谱法是根据样品气相中元素的基态原子对光源发出的原子的特征窄频辐射的共振吸收来确定样品中元素含量的仪器分析方法，其吸光度在一定范围内与气相中元素的基态原子浓度成正比。
原子吸收分析的特点：
(a)根据汽相中被测元素的基态原子对其原子共振辐射的吸收强度，确定样品中被测元素的含量；
(b)适用于纳米材料中痕量金属杂质离子的定量测定，检出限低，ng/cm3，10-10-10-14g；
(c)测量精度非常高，1%(3-5%)；
(d)良好的选择性，不需要分离和检测；
(e)广泛的分析要素，包括70多种；
应该是缺点(不确定性):难熔元素、稀土元素、非金属元素不能同时分析。
(2)电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)。
ICP是一种利用电感耦合等离子体作为激发源，根据待测元素的原子在激发态回到基态时发出的特征谱线来分析待测元素的方法。可同时分析多种元素，适用于近70种元素的分析；极低的检出限，一般达到10-1 ~ 10-5g/cm-3；稳定性好，精密度高，相对偏差在1%以内，定量分析效果好；线性范围可达4 ~ 6个数量级；然而，非金属元素的检测灵敏度较低。
(3)X射线荧光光谱(XFS)。
它是一种非破坏性的分析方法，可以直接测定固体样品。在纳米材料的成分分析中具有很大的优势；x射线荧光光谱仪有两种基本类型：波长色散型和能量色散型；具有良好的定性分析能力，可以分析所有原子序数大于3的元素。样品强度低，分析灵敏度高，检出限达到10-5 ~ 10-9g/g(或g/cm3)。薄膜厚度可以从几纳米到几十微米测量。
(4) X射线衍射分析(XRD)
03
质谱分析
主要包括电感耦合等离子体质谱ICP-MS和飞行时间二次离子质谱TOF-SIMS。
(1)电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)ICP-MS是一种以电感耦合等离子体为离子源的元素质谱分析方法；离子源产生的样品离子经过质谱的质量分析器和检测器得到质谱；检出限低(大部分元素的检出限为ppb-ppt级)；线性范围宽(可达7个数量级)；分析速度快(一分钟可获得70个元素)；谱图干扰少(原子量可分1)，可进行同位素分析。
(2)飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)。
它是一种非常高分辨率的测量技术，用一次离子激发样品表面，打出极微量的二次离子，根据二次离子因质量不同而飞向探测器的时间来确定离子质量。
工作原理：
A.聚焦的一次离子束用于稳定地轰击样品。一次离子可能被样品表面反向散射(概率很小)，也可能穿透固体样品表面的某些原子层到一定深度，在穿透过程中发生一系列弹性和非弹性碰撞。一次离子将一部分能量转移给晶格原子，这些原子中的一部分移动到表面，将能量转移给表面离子使其发射。这个过程被称为粒子溅射。
当离子束轰击样品时，可能发生其他物理化学过程：一次离子进入晶格，引起晶格畸变；在覆盖有吸附层的表面上引起化学反应等。溅射出来的粒子大部分是中性的原子和分子，少数是带正负电荷的原子、分子和分子碎片。
B.电离的次级粒子(溅射的原子、分子和原子团等。)根据质荷比进行质谱分离；
c、收集质谱分离的二次离子，从而了解样品表面和本体的元素组成和分布。在分析过程中，质量分析仪不仅可以提供新鲜表面每一时刻的多元素分析数据。而且可以提供表面上元素分布的二次离子图像。
d. TOF(飞行时间)的独特之处在于，它的离子飞行时间只取决于它们的质量。因为它可以在一个脉冲内得到全光谱，所以离子利用率最高，最能实现样品的静态分析，几乎没有损伤。其更重要的特点是可以通过降低脉冲重复频率来扩大质量范围，原则上不受限制。
04
能谱分析
主要包括X射线光电子能谱XPS和俄歇电子能谱AES。
(1)X射线光电子能谱(XPS)。
X射线光电子能谱(XPS)是用X射线照射样品表面，使其原子或分子的电子受到激发而发射出来，测量这些光电子的能量分布，从而获得所需的信息。随着微电子技术的发展，XPS也在不断进步。目前已经发展了小面积X射线光电子能谱，大大提高了XPS的空间分辨率。通过完全扫描样品，可以在一次测定中检测到所有或大部分元素。
因此，XPS已经发展成为一种功能强大的表面分析仪器，具有表面元素分析、化学状态和能带结构分析、微区化学状态成像分析等功能。X射线光电子能谱的理论基础是爱因斯坦的光电子发散公式。
XPS作为研究材料表面和界面的电子和原子结构的最重要手段之一，原则上可以测定元素周期表中除氢和氦以外的所有元素。它的主要功能和应用有三个方面：
一是可以提供元素的定性定量信息和物质表面几个原子层的化学状态信息；
其次，可以分析非均匀覆盖层的深度分布，了解元素随深度的分布；
第三，可以对元素及其化学状态进行成像，给出不同元素在表面不同化学状态下的分布图像。
(2)俄歇电子能谱(AES)
俄歇电子能谱(AES)是用具有一定能量的电子束(或X射线)激发样品的俄歇效应，通过检测俄歇电子的能量和强度来获得材料表面化学成分和结构信息的方法。利用受激原子俄歇跃迁猝灭过程中发射的俄歇电子，对样品微区的表面成分进行了定性和定量分析。
俄歇谱仪结合低能电子衍射仪可以分析样品的表面成分和晶体结构，因此称为表面探针。
电子显微镜-能谱分析法：利用电子显微镜的电子束与固体微区相互作用产生的X射线进行能谱分析(EDAX)；结合电子显微镜(SEM、TEM)可以分析微区成分。可以进行定性和定量分析。
05
形态学分析
形貌分析的主要内容是分析材料的几何形貌、粒度和粒度分布，以及形貌微区的成分和相结构。
形貌分析方法主要包括：光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)。
(1)扫描电镜
扫描电镜(SEM)分析可以提供几纳米到几毫米的形态图像，视场大，分辨率一般为6纳米。对于场发射扫描电镜，其空间分辨率可以达到0.5纳米。
它提供的信息主要包括材料的几何形貌、粉体的分散状态、纳米颗粒的尺寸和分布以及特定形貌区域的元素组成和相结构。扫描电镜对样品的要求比较低，无论是粉末样品还是块状样品都可以直接观察。
(2)透射电镜
透射电子显微镜具有较高的空间分辨率，特别适用于纳米粉体材料的分析。
其特点是样品量少，不仅可以获得样品的形貌、粒度和分布，还可以获得特定区域的元素组成和相结构信息。
透射电镜更适合纳米粉体样品的形貌分析，但粒度应小于300nm，否则电子束无法穿透。对于大块样品的分析，透射电镜一般需要对样品进行减薄。
透射电镜可以用来观察颗粒的大小、形貌、粒径、分布和粒径分布范围，用统计平均法计算粒径。一般情况下，电子显微镜观察的是产品颗粒的粒径，而不是颗粒大小。高分辨电子显微镜(HRTEM)可以直接观察到微晶结构，特别是为分析界面原子结构提供了有效的手段。它可以观察微小颗粒的固体外观，并根据晶体形貌、相应的衍射图样和高分辨率图像来研究晶体的生长方向。
(3)STM和AFM的形貌分析
扫描隧道显微镜主要用于分析一些特殊导电固体样品的形貌。可以达到原子尺度的分辨率，但只适用于导电薄膜材料的形貌分析和表面原子结构分布分析，不适用于纳米粉体材料。
扫描隧道显微镜具有原子尺度的高分辨率，在平行和垂直于表面方向的分辨率分别为0.1 nm和0.01nm，即可以分辨单个原子，因此可以直接观察到晶体表面的近原子像。其次，可以获得表面的三维图像，用于测量具有或不具有周期性的表面结构。
该探针可以操纵和移动单个分子或原子，按照人们的意愿排列分子和原子，实现表面的纳米级微加工。同时，在测量样品的表面形貌时，可以获得表面的扫描隧道谱来研究表面的电子结构。
扫描原子力显微镜可以分析纳米薄膜的形貌，分辨率可以达到几十纳米，比STM差，但适用于导电和不导电的样品，不适用于纳米粉末的形貌分析
常用的物相分析方法有X射线衍射分析、激光拉曼分析、傅里叶红外分析和微区电子衍射分析。
(1)X射线衍射分析
XRD物相分析是基于多晶样品对x射线的衍射效应，分析样品中各组分的存在形式。结晶、晶相、晶体结构和结合状态等的测定。可以确定各种晶体成分的结构和含量。
灵敏度低，一般只能测定样品中含量在1%以上的相。同时，定量测定的准确度不高，一般在1%的量级。
XRD物相分析需要大量样品(0.1g)才能得到更准确的结果，而非晶样品无法分析。
X射线衍射分析的主要用途有：XRD相的定性分析、相的定量分析、晶粒大小的测定、介孔结构的测定(小角X射线衍射)、多层膜分析(小角XRD法)和物质状态的鉴定(区分晶态和非晶态)。
(2)拉曼分析
当一束激发光的光子与作为散射中心的分子相互作用时，大部分光子只是改变方向发生散射，而光的频率仍然与激发光源保持一致，这就是所谓的瑞利散射。
但也有少数光子不仅改变了光的传播方向，还改变了光波的频率。这种散射被称为拉曼散射。其散射光强度约占总散射光强度的10-6 ~ 10-10。
拉曼散射是由于光子和分子之间的能量交换，改变了光子的能量。
固体材料中拉曼激活的机制有很多，反映的范围很广：如分子振动、各种元素(电子、声子、等离子体等)的激发。)，杂质，缺陷等等。
拉曼光谱可以用来分析材料的分子结构、物理化学特性和定性鉴别，可以揭示材料中的空位、间隙原子、位错、晶界和相界等信息。
(3)红外分析
红外光谱主要用于检测有机官能团。
傅立叶红外光谱仪可以测试化学环境和变化，如金属离子和非金属离子之间的结合和金属离子的配位。
(4)微区电子衍射分析
电子衍射和X射线一样，遵循布拉格方程，电子束很细，适合微区分析。因此，它主要用于确定材料中的相、它们与基体的取向关系以及结构缺陷。
(5)粒度分析
一般固体材料的粒度可以用粒度的概念来描述。然而，由于颗粒形状的复杂性，通常很难用标尺直接描述颗粒的大小。因此，当量粒径的概念被广泛用于粒径的描述。
对于不同原理的粒度分析仪器，测量原理不同，其颗粒特性也不同，只能进行等效比较，不能进行横向直接比较。
A.显微法(显微镜):SEM、TEM1海里~ 5微米范围；适用于纳米材料的粒度和形貌分析；
优点是它可以提供颗粒大小、分布和形状的数据。此外，颗粒的尺寸通常可以从1纳米测量到几微米。并且给出了粒子图像的直观数据，简单易懂。
但其缺点是样品制备过程会对结果产生严重影响，如样品制备的分散性，会直接影响电镜观察分析结果的质量。电镜取样量小，会产生不具有代表性的取样过程。
B.沉降粒度分析
沉降法的原理是基于颗粒处于悬浮体系时，颗粒的重力(或离心力)、浮力和粘滞阻力平衡，粘滞力服从斯托克斯定律。此时颗粒在悬浮体系中匀速沉降，沉降速度与颗粒大小的平方成正比。10纳米20微米粒子。
C.光散射法
激光衍射粒度分析仪仅对粒径大于5m的样品更准确，而动态光散射粒度分析仪对粒径大于5 m的样品更准确
光子相干光谱可以测量1nm-3000nm范围内的粒度分布，特别适用于超细纳米材料的粒度分析。体积分布的测量精度高，测量速度快，动态范围宽，可以研究分散体系的稳定性。
其缺点是不适合测定粒度分布较宽的样品。
光散射粒度测量法的特点是：测量范围广，最先进的激光光散射粒度测试仪可测量1 nm ~ 3000微米，基本满足超细粉体技术的要求；测定速度快，自动化程度高，操作简单。一般只需要1 ~ 1.5min；测量准确，重现性好；可以获得粒度分布。
通过激光相干光谱学的颗粒尺寸分析：颗粒的迁移率可以通过光子相关光谱学(PCS)来测量。布朗运动是纳米粒子在液体中的主要运动，其运动速度取决于粒子大小、温度和粘度等因素。在温度和粘度不变的条件下，通过光子相关光谱(PCS)测量颗粒的迁移速率，可以得到颗粒的尺寸分布。
光子相关光谱技术可以测量纳米尺寸的悬浮颗粒，在纳米材料、生物工程、药理学和微生物学等领域有着广泛的应用前景。
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体温测量分析
差示扫描量热法和热重法是热分析中常用的方法，简称DSC-TG。
热重分析(TG或TGA)是指在程序升温下，测量待测样品质量与温度变化关系的热分析技术，用于研究材料的热稳定性和组成。值得一提的是，质量变化而非重量变化的定义是基于这样一个事实：在磁场的作用下，铁磁材料在到达居里点时有明显的失重现象，虽然没有质量变化。
TGA是研发和质量控制中常用的测试方法。热重分析在实际材料分析中常与其他分析方法相结合，进行全面的热分析，全面准确地分析材料。
审核编辑：李倩
标签：分析样品元素