现代分析测试技术 分子结构分析概论
现代分析测试技术课程教学大纲
现代分析测试技术课程教学大纲1、课程中文名称:现代分析测试技术2、课程英文名称：The Technology of Modern Analysis3、课程简介：现代分析测试技术是研究物质的微观状态与宏观性能之间关系的一种手段，是一门多学科交叉渗透综合课程。
科学测试仪器的进步，提高了定量测量的水平，并提供了丰富的试验数据，为分析化学理论研究提供了条件。
该课程系统介绍现代分析测试技术的基础理论和基本知识以及在化学、化工中的应用，并结合相关学科，对当前石油化工分析测试热点问题展开讨论，内容包括分析仪器概述、复杂体系样品分析、样品中微量组分的富集与分离、样品的元素组成与分子的结构分析、气相色谱在石油化工中的应用、液相色谱在石油化工中的应用、材料分析概论。
4、开课单位:石油化工学院化学系5、学时分配：总学时: 54 理论学时：546、学分: 37、适用学科专业:化学工程与技术，化学（分析化学，物理化学）8、预修课程:分析化学9、教学目的及要求：根据化学化工科学研究对分析测试提出的要求，以复杂样品体系的分析测试为中心，着重对石油化工领域涉及到的分析测试理论与技术进行系统讲解。
通过本课程的学习使学生不仅对现代分析测试技术的基本理论、化学化工与相关学科之间的联系有所了解和掌握，还能用现代分析测试技术的观点去分析问题和解决石油化工领域的实际问题，培养他们正确的科学观、科学的社会观，提高科学素养。
10、课程的主要内容及学时分配：（1）分析化学与分析仪器（2学时）（2）复杂体系样品分析（6学时）i.复杂体系ii.剖析方法的特点iii.剖析研究的一般程序iv.剖析与合成、加工、应用研究的关系（3）样品中微量组分的富集与分离（8学时）i.富集与分离ii.分离方法的选择要点iii.色谱分离法iv.电泳分离法（4）样品的元素组成与分子的结构分析（10学时）i.样品的元素组成分析（原子光谱法）ii.样品的分子结构分析（分子光谱法）（5）气相色谱在石油化工中的应用（8学时）i.概述ii.天然气、炼厂气气相色谱分析法iii.液态烃气相色谱分析法iv.气相色谱分析实用技术（6）液相色谱在石油化工中的应用（8学时）i.概述ii.液相色谱的方法开发iii.液相色谱实用技术（7）材料分析概论（12学时）i.绪论ii.电磁辐射与材料结构iii.催化材料现代分析测试方法概述iv.X射线衍射分析v.透射电子显微分析vi.扫描电子显微分析与电子探针vii.电子能谱分析法viii.热分析法11、教材及参考书：（1）复杂样品的综合分析--剖析技术概论，王敬尊主编，2001年第1版，化学工业出版社（2）现代分析测试技术,祁景玉主编,2006年第1版,同济大学出版社（3）气相色谱在石油化工中的应用,杨海鹰等编著，2005年第1版，化学工业出版社（4）实用高效液相色谱法的建立，L.R.Snyder等编著，1998年5月第1版，科学出版社（5）论表面分析及其在材料研究中的应用，黄惠中等著，2002年第1版，科学技术文献出版社（6）固体催化剂研究方法，辛勤，2004年第1版，科学出版社12、大纲撰写人：张晓彤。
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
1#—5#膜的XRD曲线 五种膜材料的XRD曲线对比，它们均在20°左右显示明显的吸收峰，此处对应的是角蛋 白β-折叠结构和再生纤维素的纤维素Ⅱ型结构。衍射峰的强弱表示材料结晶度的强弱， 对比五种膜材料的峰强度可知，随着角蛋白所占比重增加，膜的结晶度呈现先增大后减 小的趋势，同样是由于角蛋白的加入与纤维素分子链生的氢键结合使得结晶度上升，当 角蛋白过量不再与纤维素分子形成氢键，角蛋白颗粒占据空间导致纤维素分子之间距离 增大从而结晶度下降。从图可知，在五种膜中，3#膜的结晶度相对最大。
1#—5#膜和角蛋白粉末的红外种不同比 例的纤维素复合膜的红外光谱曲线基本一致， 角蛋白粉末的特征吸收峰和纤维膜的特征吸收 峰有一些差异，但其特征吸收峰在复合膜中表 现的不明显，这主要是因为整个复合薄膜是以 纤维素为主，纤维素强烈的吸收峰掩盖了角蛋 白的吸收峰。但是在2#—5#复合膜的1050 cm-1处的吸收峰比同一位置的纯纤维素膜的吸 收峰均有所减弱，这是加入角蛋白粉末的缘故， 角蛋白在此处没有明显特征峰。从1#—5#膜的 3400 cm-1左右的吸收峰可以看出，随着角蛋 白含量的增加，此处的峰强度先减弱在增强。 这是因为角蛋白分子上的N-H与纤维素的-OH 结合达到增强材料的效果，从而纤维素中的游 离-OH与角蛋白的N-H的减少。而随着角蛋白 的进一步增加，角蛋白不再与纤维素结合，导 致积累的N-H变多，此处的红外光谱峰强度也 随之增大。
四.XRD分析测试
• X射线是原子内层电子在高速运动电子的轰击下跃迁而产 生的光辐射，主要有连续X射线和特征X射线两种。晶体 可被用作X光的光栅，这些很大数目的粒子（原子、离子 或分子）所产生的相干散射将会发生光的干涉作用，从而 使得散射的X射线的强度增强或 布拉格衍射示意图 • 减弱。由于大量粒子散射波的叠加，互相干涉而产生最大 强度的光束称为X射线的衍射线。 • 满足衍射条件，可应用布拉格公式：2dsinθ=nλ • 应用已知波长的X射线来测量θ角，从而计算出晶面间距d， 这是用于X射线结构分析；另一个是应用已知d的晶体来测 量θ角，从而计算出特征X射线的波长，进而可在已有资料 查出试样中所含的元素。
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
c
频率的另一种表示方法是用波数(σ,单位：cm-1)，
即在1cm长度内波的数目:
(cm1)
1
107
(nm107cm/nm )
光的波动性——光的散射
粒子散射：当介质粒子（如在乳浊液、悬浮液、胶体溶液 中）的大小与光的波长差不多时，在偏离入射角的方向能 探测到散射光，对可见光甚至用肉眼也能看到。散射光的 强度与入射光波长的平方成反比。 分子散射：
基于光散射的分析方法
•激光光散射法（测胶体粒子大小及其分布，分析 聚合物的绝对分子量，研究高分子与溶剂之间的 相互作用情况） •小角X射线散射法（表征材料的形态结构） •激光拉曼光谱法（研究物质分子结构和材料微结 构，可进行未知物的无损鉴定。 ）
光的波动性——光的衍射
a
A
b’
1 d
2 d
3
BC
D
现代分析测试方法概述
材料近代测试技术 （材料学科硕士研究生学位课程）
高分子结构分析方法
（“高分子化学与物理”学位点博 士研究生选修课程）
第一章 现代分析测试方法概述
主要内容
1. 分析科学与测试技术的发展 2. 分析测试方法的分类 3. 光谱分析的基本原理 4. 分析测试方法的选择 5.分析测试在材料科学研究中的作用
光学分析法
现代分析测试技术
(M–R1)+
电子轰击电离源（EI）-离子类型
离子室内的反应气（甲烷等；10～100 Pa，试样的103～105倍），电子（100～240 eV）轰击，产生离子，再与试样分子碰撞，产生准分子离子。
特点： 最强峰为准分子离子； 谱图简单； 不适用难挥发试样； 得到的是非标准谱图。
方向聚焦： 相同质荷比，入射方向不同的离子会聚； 能量聚焦： 相同质荷比，速度(能量)不同的离子会聚。
静电分析器（扇形电场） —能量分析器
离子源 狭缝
质量相同，能量不同的离子束
磁分析器 （扇形磁场） —质量分析器
接收器狭缝
聚焦离子束
静电场能量色散作用与磁场能量色散作用大小相等，方向相反
单聚焦质量分析器
添加标题
标准条件获得谱图：通过电子轰击电离方式，获得质谱图（快原子、电喷雾等没有标准谱图）；
质谱联用技术及优势分析
气相色谱—质谱联用：混合物分析—化学、化工、环境、食品—适用于可以汽化的样品；GC—很好的分离装置，但不能对化合物定性；MS—很好的定性分析仪器，但要求纯样品；
液相色谱—质谱联用：适用于极性强、分子量大的化合物；关键技术—接口：去除溶剂，并使样品电离—每一类接口装置只适用于某一类分析对象；
质谱仪分析方法原理
横坐标：质荷比，纵坐标：离子的强度； 离子的绝对强度：取决于样品量和仪器的灵敏度； 离子的相对强度：和样品的分子结构—化学键有关；
质谱仪基本工作原理
1
2
5
4
3
质谱仪与质谱分析原理
进样系统
质量分析器
离子源
检测器 单聚焦 双聚焦 飞行时间 四极杆
质谱仪的类型
有机质谱仪
现代分析测试技术
通过分子对不同偏正光吸收的差异作手性分子检测的分析 技术。
14
现代分析测试技术概述
• X－射线光谱技术
• X—射线荧光光谱
检测分子受X—射线照射后产生的荧光谱线的分析技术。
• X—射线衍射法
检测由不同晶格结构对X—射线所产生的不同衍射角的分析技术。
40
现代分析测试技术概述
41
现代分析测试技术概述
晶体特性： 原子、离子、分子在空间周期性排列而构成的固态物称晶体，晶体结构
的最小单位是晶胞，晶胞由晶轴a、b、c，及夹角、、 ，以及晶面h
液相色谱（LC）
利用物质在流动相（液相）和固定相（液相或固相）中的分配比不 同原理的分离技术。
毛细管电泳（CE）
以高压电场为驱动力，以毛细管为分离通道，根据样品中各组分间 的趟度或分配行为上的不同进行分离的技术。
18
现代分析测试技术概述
联用技术
色谱—质谱联用技术 色谱—核磁共振波谱联用技术 色谱—红外吸收光谱联用技术
9
现代分析测试技术概述
现代分析测试技术的分类
电化学技术 光分析技术 质谱与能谱技术 色谱技术 联用技术 显微技术 热分析技术
10
现代分析测试技术概述
电化学技术
应用电化学的基本原理和实验技术，依据物质电化学性质来测定物质组成及含量。
电导技术 利用物体、溶液电导率变化的检测技术。
电位分析 根据物质电位变化和电极反应过程中电位变化的检测技术。
普通蒸馏水的电导率 210-6 S· cm-1 离子交换水的电导率 510-7 S· cm-1 纯水的电导率 510-8 S· cm-1
现代分析测试技术(仪器分析)
应用
用于有机化合物、高分子化合物、 无机化合物等的结构分析和鉴定。
特点
样品用量少、不破坏样品、分析 速度快、可与其他技术联用。
原子发射光谱法
原理
利用物质在受到激发后发射出特征光谱进行分析。不同元素受到激 发后会发射出不同的特征光谱，可用于元素的定性和定量分析。
应用
广泛应用于金属元素、非金属元素、有机物中元素的定性和定量分 析。
离子色谱法
专门用于离子型物质的分离和分析，如环境监测中的阴阳离子检测。
毛细管电泳色谱法
结合了毛细管电泳和色谱技术的优点，具有高分辨率和高灵敏度等 特点，适用于生物大分子和复杂样品的分析。
05 质谱分析法与联用技术
CHAPTER
质谱法基本原理及仪器结构
质谱法基本原理
通过测量离子质荷比 （m/z）进行成分和结 构分析的方法。
02 光学分析法
CHAPTER
紫外-可见分光光度法
原理
利用物质在紫外-可见光区的吸收 特性进行分析。通过测量物质对 特定波长光的吸收程度，确定物
质的种类和浓度。
应用
广泛应用于无机物、有机物、药物、 生物样品等的定性和定量分析。
特点
灵敏度高、选择性好、操作简便、 分析速度快。
红外光谱法
原理
利用物质在红外光区的吸收特性 进行分析。红外光谱是分子振动 和转动能级的跃迁产生的，可用
03 电化学分析法
CHAPTER
电位分析法
原理
利用电极电位与待测离子浓度之间的关系，通过测量电极电位来 确定待测离子浓度的分析方法。
应用
广泛应用于水质分析、环境监测、生物医学等领域，如pH计测量 溶液酸碱度、离子选择性电极测量特定离子浓度等。
化学分子结构分析
化学分子结构分析化学分子结构分析是一项重要的研究领域，它涉及到对分子的构成和结构的深入研究。
通过分析化学分子的结构，我们能够更好地理解和预测分子的性质和化学反应。
本文将探讨化学分子结构分析的方法和应用。
一、光谱分析法光谱分析法是一种常用的化学分子结构分析方法。
它通过测量物质与电磁波的相互作用来揭示分子结构。
光谱分析法包括紫外可见光谱、红外光谱、核磁共振光谱等多种技术。
紫外可见光谱通过测量分子在紫外和可见光波段的吸收光谱，可以提供有关共轭体系、芳香性和颜色方面的信息。
在分子结构中，共轭体系和芳香性对分子的性质和反应有重要影响。
红外光谱可以用来分析化学键的类型和官能团的存在。
它通过测量物质对特定频率的红外光的吸收来确定分子中的功能基团。
通过红外光谱，我们可以了解物质的化学组成和官能团的结构。
核磁共振光谱是一种非常常用的分析方法，通过测量分子中核自旋的行为来揭示分子结构。
核磁共振光谱可以提供关于分子的化学环境、结构和互作用的信息。
它能够确定分子中不同原子的相对数量和相互关系，从而帮助确认分子结构。
二、质谱分析法质谱分析法是另一种常用的化学分子结构分析方法。
它通过将化合物中的分子转化为离子，并根据离子的质量和相对丰度来确定分子的结构。
质谱分析法包括质谱仪和质谱图两个主要部分。
质谱仪通过将化合物蒸发后电离，生成带电离子，并根据离子之间的质量差异对离子进行分析和排序。
质谱仪可以提供有关分子的分子量、分子离子的裂解模式和相对丰度等信息。
质谱图是通过质谱仪测得的数据所绘制的图谱。
质谱图通常以质量分子数为横坐标，相对丰度为纵坐标。
通过分析质谱图，可以确定分子中不同基团和官能团的存在，并推测出分子结构。
三、计算化学方法计算化学方法是一种基于计算机模拟和计算算法的化学分子结构分析手段。
它可以通过计算分子的电子结构和分子力学，来确定分子的构象和性质。
计算化学方法包括分子力学、量子化学和分子动力学等多种技术。
分子力学模拟可以通过模拟分子系统的核框架位置和相互作用，来优化分子的几何结构和稳定构象。
现代分析测试技术3 (2)
最大发射波长562nm；
现代分析测试技术—化学发光
应用
无机物的分析 有机物的分析 生物活性物质的分析
生物活性氧的分析 免役发光分析 核酸杂交分析
微全分析系统中的应用
特点
灵敏度高，操作简便
现代分析测试技术—化学发光
化学发光检测仪器
样品池
光探测器样品池
放大器
信号输出
样品室
现代分析测试技术—化学发光
磷光特点
磷光的辐射波长比荧光长
发生时间比荧光晚。 在液氮中进行。
磷光的寿命和辐射强度对于重原子和顺磁性离子是极其
敏感.
现代分析测试技术—分子磷光光谱
磷光仪
仪器框图
现代分析测试技术—分子磷光光谱
荧光计上配上磷光测量附件即可对磷光进行测量。测量方法： （1）通常借助于荧光和磷光寿命的差别，采用磷光镜的装臵将荧 光隔开。采用脉冲光源和可控检测及时间分辨技术。 （2）在低温测量时，需要杜瓦瓶；室温测量时，不需要杜瓦瓶。
现代分析测试技术—分子磷光光谱
PerkinElmer
LS-55 荧光/磷光/发光分光光度计
LS55荧光/磷光/发光分光光度计可测定荧光、磷光、生物发光或化学发光。激发狭缝2.5—
15nm，发射狭缝为2.5—20nm。脉冲式氙灯（寿命长、电源供应简单，产生臭氧极少，不需长时间
预热；大大减少光解作用；每一脉冲间测定暗电流，增进低荧光量的测定；用软件控制即可测定磷光， 不需附件；磷光的灵敏度不损失脉冲率、延迟时间及门限时间均可变更）；信噪比：750：1（RMS， 350nm处纯水拉曼谱带），基线处为2000：1（RMS）；大样品室保证可安装多种计算机控制的专 用附件、可提供的附件最全；包括固体样品架；新概念的软件；FL WinLabTM（具有强大的二维/三
现代分析测试17种技术
一 电化学技术1 1 电导分析法：电导分析法：电导分析法：根据溶液的电导性质来进行分析的方法称为电导分析法。
根据溶液的电导性质来进行分析的方法称为电导分析法。
根据溶液的电导性质来进行分析的方法称为电导分析法。
它包括电导法和电导滴定法两它包括电导法和电导滴定法两种，电导法是直接根据溶液的电导或电阻与被测离子浓度的关系进行分析的方法；电导滴定法是根据溶液电导的变化来确定滴定终点（滴定时，滴定剂与溶液中被测离子生成水、沉淀或其他难解离的化合物，从而使溶液中的电导发生变化，利用化学计量点时出现的转折来指示滴定终点）。
2 2 电位分析法：电位分析法：根据电池电动势或指示电极电位的变化来进行分析的方法。
它包括电位法和电位滴定法。
电位法是直接根据指示电极的电位与被测物质浓度关系来进行分析的方法；电位滴定法是根据滴定过程中指示电极电位的变化来确定终点（滴定时，在化学计量点附近，由于被测物质的浓度产生突变，使指示电极电位发生突越，从而确定终点）。
3 3 电解分析：电解分析：以电子为沉淀剂使被测物质在电解条件下析出或和其他物质分离，以电子为沉淀剂使被测物质在电解条件下析出或和其他物质分离，直接称量析出的被测物直接称量析出的被测物质的质量来进行分析。
质的质量来进行分析。
4 4 库仑分析法：库仑分析法：库仑分析法：根据电解过程消耗的电荷量来进行分析。
根据电解过程消耗的电荷量来进行分析。
根据电解过程消耗的电荷量来进行分析。
它包括控制电流库仑分析法和控制电位库仑分它包括控制电流库仑分析法和控制电位库仑分析法。
析法。
5 5 伏安法（极谱法）伏安法（极谱法）：根据被测物质在电解过程中其电流—电压变化曲线来进行分析的方法。
二 光分析技术1 1 原子发射光谱：是根据每种化学元素的原子或离子在热激发或电激发下，发射特征的电磁辐射，进行原子发射光谱：是根据每种化学元素的原子或离子在热激发或电激发下，发射特征的电磁辐射，进行元素的定性、半定量和定量分析的方法。
化学物质的分子结构分析
化学物质的分子结构分析在化学领域，对于化学物质的分子结构进行准确的分析是十分关键的。
了解化学物质的分子结构可以帮助科学家们深入了解其性质和行为，从而开发新材料、药物以及改善现有的化学过程。
本文将探讨化学物质的分子结构分析方法和技术。
一、谱学技术谱学技术是一种常用的分子结构分析方法，包括核磁共振谱学（NMR）、红外光谱学（IR）、质谱学（MS）和拉曼光谱学等。
这些技术基于不同类型的相互作用，通过测量分子与辐射的相互作用来揭示其分子结构。
1. 核磁共振谱学（NMR）核磁共振谱学是一种基于原子核之间的相互作用的分析技术。
在核磁共振谱仪中，样品被置于磁场中，并通过加以不同频率的射频脉冲来激发核自旋状态的变化。
通过分析核磁共振谱图，可以确定分子的化学环境、原子间的连接方式以及分子的对称性等信息。
2. 红外光谱学（IR）红外光谱学是一种通过测量物质对红外辐射吸收的分析技术。
不同的化学键和官能团具有特定的吸收频率和强度，因此红外光谱可以用于确定物质的分子结构。
红外光谱图显示不同波数范围内的吸收峰，每个吸收峰对应着不同的化学键或官能团。
3. 质谱学（MS）质谱学是一种通过测量物质中离子的质量和相对丰度来确定其分子结构的分析技术。
在质谱仪中，物质经过电离形成离子，并通过质量分析器进行质量筛选和分离。
通过测量不同质荷比（m/z）的离子信号相对丰度，可以确定分子的质量以及分子中各个原子的相对数量。
4. 拉曼光谱学拉曼光谱学是一种通过测量分子所产生的拉曼散射来确定分子结构的分析技术。
当物质被激发引起振动或旋转时，它们将散射光子，这种散射光子的频率往往与激发光子的频率存在差异。
通过测量散射光子频移后的拉曼光谱，可以确定物质中化学键的类型以及分子结构的对称性。
二、计算化学方法除了谱学技术，计算化学方法也是分子结构分析的重要手段之一。
计算化学方法基于量子力学理论，通过数值计算和模拟来研究分子的结构和性质。
1. 密度泛函理论（DFT）密度泛函理论是一种基于电子态密度的计算方法。
第4篇 分子结构分析
3.氢键的影响
4.倍频、组频、振动耦合与费米 （Fermi）共振
5.立体效应
15.3红外光谱的解析
• 15.3.1红外光谱解析的标准谱图方法 • 15.3.2红外光谱的解析 • 15.3.3红外光谱的解析步骤
15.3.1红外光谱解析的标准谱图 方法
• 最直接、最可靠 • “Infrared Analysis of Polymer,Resins and Additives,An Atlas ” • “Infrared Spectroscopy Its Use In the Coating Industry” • “Introduction to Infrared and Raman Spectroscopy” • “单体和聚合物的红外光谱图”
14.2.2 分子发射光谱
• 分子荧光光谱（MFS） 光 致 发 光 光 谱
• 分子磷光光谱（MPS）三线态
14.2.3 核磁共振波谱
• • • • • • • 电磁波照射分子，磁能级跃迁 高分辨溶液NMR谱 固体高分辨NMR谱 宽谱线NMR谱 1H -NMR谱 13C -NMR谱 氟谱（19F），磷谱(31P)，氮谱(15N)
2.红外光谱的定量分析及应用
• 1）定量分析原理 • A=k· c· l=log(1/T) • 峰高 • 峰面积
I0 S lg dv I
2）通过端基定量分析计算聚合 物数均相对分子质量
• Mr=2Байду номын сангаас(E1+E2)
3）共聚物组成
• A1385/A699=0.7138WPMMA/WPS
3.差减光谱技术及其应用
7.利用拉曼光谱测量单壁碳纳 米管尺寸
• 径向呼吸振动模式(RBM) • 1~2nm RBM=A/dt+B • ,,<1nm 依赖手性 • > 2nm 太弱
分子结构分析技术
分子结构分析技术分子结构分析技术是一种用于研究化学物质中原子间相互作用和排列的技术。
通过分析分子结构，可以帮助科学家们更深入地了解物质的性质和反应机制，为新材料的研发和应用提供重要参考。
本文将就分子结构分析技术的原理、应用和发展趋势进行探讨，以深入探讨这一领域的重要性和前沿动态。
一、原理分子结构分析技术的原理基于分子内原子的结构和间相互作用。
其中，核磁共振（NMR）技术是最常用的分子结构分析方法之一。
通过NMR技术，科学家们可以利用样品中的氧、氢、碳等原子在外加磁场作用下的不同共振频率，确定分子中各个原子的位置和结构。
NMR技术因其非破坏性和高灵敏度而被广泛应用于有机化学、生物化学等领域。
另一种常用的分子结构分析技术是X射线衍射法。
X射线衍射技术利用X射线通过晶体并与原子核相互作用后产生的衍射图案，推断出晶体结构和原子位置。
这种方法可以用于研究晶体结构、生物分子的立体构型等，对于了解分子间相互作用和化学键性质具有重要意义。
二、应用分子结构分析技术在材料科学、生物化学、药物研发等领域具有广泛的应用价值。
在材料科学中，通过分析材料的分子结构，可以精确地了解材料的性能、稳定性和应用潜力。
比如，通过分子模拟和X射线衍射技术，科学家们可以设计出高强度、轻量化合物，以满足航空航天、汽车制造等领域的需求。
在生物化学领域，分子结构分析技术对于研究生物大分子的结构与功能至关重要。
通过NMR技术和X射线衍射技术，科学家们可以揭示蛋白质、DNA、RNA 等生物分子的结构，从而为药物研发和生物医学研究提供重要依据。
例如，分子模拟技术可以帮助科学家们设计出针对特定靶点的药物，提高药物的疗效和减少副作用。
三、发展趋势随着科学技术的不断进步，分子结构分析技术也在不断创新和发展。
其中，计算化学和分子模拟是分子结构分析技术的重要发展方向之一。
通过计算机模拟和三维建模，科学家们可以快速准确地预测分子的结构和性质，为材料设计、药物研发等提供新的思路和方法。
现代分析测试技术-结构分析技术
不断监测结晶情况；研究从表面向体内发展的化学吸附和表面反 应—腐蚀、氧化、碳化、化合物形成；研究表面组分由表面至内 部有所不同的多组分系统—材料硬化、钝化、离子注入等形成的 表面；
分析样品基本要求：表面在很 大范围内是一个平面；
RHEED基本结构及实验过程
射电子本身有足够大的能量；荧光屏前可以不加能量过滤— 很窄角度内衍射束比非弹性散射电子及次级电子强得多；
谱图分析：谱图解析—RHEED分析难度较大；在研究强度时
也要考虑多次散射问题；
㈢化学价态；㈣空间分布；—XPS、AES、SIMS、ISS、TXRF；
表面原子结构研究：获得表面所有原子的坐标信息→㈠晶体
表面单位网格信息；㈡相对于理想结构的偏移→表面驰豫、 再构；㈢表面吸附原子或分子的排列；—LEED、RHEED、STM、 AFM；
多功能电子能谱仪：XPS-AES-SIMS-LEED-UPS-MBE
第四讲 晶体结构分析技术
表面（层）晶体结构分析技术及特点 表面化合物结构分析的进展 TEM 显微分析技术
X射线的衍射：2dSinθ=nλ
λ
θ
晶体
θ d
2θ
XRD仪器设置：利用X射线源λ，通过测量角θ， 计算晶体面间距d→获得晶体结构信息；
晶体结构分析技术评价
—XRD、TEM、LEED、RHEED
技术适用空间； 微区分析特性； 仪器灵敏度； 定性、定量分析依据； 图谱解析难度； 分析试样要求； 联用技术；
高能X射 线激发
XRD分析模式 低能电子 束激发
LEED分析模式
高能电子 束激发
高能电子 束激发
HEED分析模式
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
②拉曼活性振动
非极性基团，对称分子都可产生诱导偶极，μi = E 总则：伴随有极化率变化的振动可以产生拉曼光谱。
两者研究范围的区别：
对称分子： 对称振动→拉曼活性，无红外活性 不对称振动→红外活性，无拉曼活性
20
振动自由度： 3N- 5 = 4
1 S 2 S 3 4
μi ＝ αE
α为极化率
电场作用下、分子中电子云 变形的难易程度
• 诱导偶极矩与外电场的强度之比为分子极化率 • 拉曼散射强度与极化率成正比例关系 • 拉曼的强度与分子振动平衡前后电子云形状的变化大 小有关。
19
1.4 红外活性和拉曼活性振动
①红外活性振动 ⅰ永久偶极矩：极性基团； ⅱ瞬间偶极矩：对称分子。
polarization of Raman peak
拉曼偏振
perpendicular
width of Raman peak
拉曼峰宽
quality of crystal
晶体质量
intensity of Raman peak
拉曼峰强度
amount of material
物质总量
26
2.2 拉曼峰的辩别
第四篇 分子结构分析
第14章 分子结构分析概论
1
分子光谱与分子结构
研究分子光谱是探究分子结构的重要手段之一。 分子光谱的特点：分子中包含不同种类的原子，还包含各种基团和结构
单元；分子光谱通常为带状光谱，远比原子光谱复杂，但是可以提供更
多的结构信息。 研究分子光谱能作用：分子光谱除了可以用以进行定性与定量分析外，
e.g. MoS2, MoO3
changes in frequency of Raman peak
拉曼峰位的变化
parallel
stress/strain State 张力 / 应力 crystal symmetry and orientation
晶体对称性和取向
e.g. Si 10 cm-1 shift per % strain e.g. orientation of CVD diamond grains e.g. amount of plastic deformation e.g. thickness of transparent coating
E1 + h0 E2 + h0
h0
h(0 + ) h
STOKES
Rayleigh
ANTI-STOKES
0
0 +
对应于同一分子能级，stocks和anti-stockes线的拉曼位移应该相等
15
对应于同一分子能级，stocks和anti-stockes线的拉曼位移应 该相等; 但强度不同
拉曼散射信号弱（比荧光光谱平均小2-3数量级）。 激光激发强；拉曼信号频率离激光频率很近。激光瑞利散射 比拉曼信号强1010－1014，对拉曼信号干扰很大。 拉曼光谱仪器的设计，必须能排除瑞利散射光，并具有高灵 敏度（体现在弱信号检测的高信噪比 ），才能有效地收集拉 曼谱。 1940~1960年，拉曼光谱的地位一落千丈的主要原因。
E0 + h0
h0 h 0 h0 +
E1 E0
Rayleigh散射
V=1 V=0
Raman散射
h
E0基态， E1振动激发态； E0 + h0 ， E1 + h0 激发虚态；
获得能量后，跃迁到激发虚态.
14
Raman散射： 有两种跃迁能量差： h(0 - ) a: E = h(0 - ) 产生stokes线，强； E1 V=1 b: E = h(0 + ) E0 V=0 产生反stokes线，较弱。 Raman位移： Raman散射光与入射光频 率差。 0 -
聚甲基丙烯酸甲酯(PM好相当于红外 吸收频率； 分子对称性越高，红外与拉曼光谱的区别就越大； 非极性官能团的拉曼散射谱带较强，极性官能团的 红外谱带较为强烈；
碳链的取代基用红外较易测出，而碳链振动用拉曼 光谱较清楚。
32
2.4 拉曼光谱的特点和主要困难
X射线衍射
射线
X射线
紫 可 红 远红 外 见 外 外光 光 光 光
800nm 50µm 400nm
微波
射频
（无线电波）
0.1m 1000m
0.005nm
0.14nm
10nm
1mm
价电子能级跃迁
分子振动 紫外可见吸收 能级跃迁
荧光发射
红外吸收
3
分子光谱与分子结构
分子的能量具有量子化的特征：分子像 原子一样，其能量是分裂的、不连续的， 有其特征的分子能级图。
10
一、 拉曼光谱的基本原理
吸收 单色光 透 明 试 样
折射
衍射 反射 散射
11
光散射 - 瑞利散射
散射光中，弹性 (瑞利) 散射占主导
入射光 分子 分子
散射光
散射前…
emission
散射后…
excitation
散射光与入射光有相同的频率
12
光散射 - 拉曼
散射光中的1010光子之一是非弹性散射（拉曼）
1940~1960年，拉曼光谱的地位一落千丈。主要是因为拉曼效应太 弱（约为入射光强的10-6），并要求被测样品的体积必须足够大、无 色、无尘埃、无荧光等等。所以到40年代中期，红外技术的进步和 商品化更使拉曼光谱的应用一度衰落；
1960年以后，激光技术的发展使拉曼技术得以复兴。由于激光束 的高亮度、方向性和偏振性等优点，成为拉曼光谱的理想光源。随 探测技术的改进和对被测样品要求的降低，目前在物理、化学、医 药、工业等各个领域拉曼光谱得到了广泛的应用，越来越受研究者 的重视。
强度由分子偶极距决定 －OH, －C＝O，－C－X 异：拉曼 分子对激光的散射 拉曼：适用于研究同原子的非极性键振动
强度由分子极化率决定 －N－N－, －C－C－ 互补
24
2.1 拉曼光谱与红外光谱分析方法比较
项目 光谱类型 光谱范围 红外光谱 吸收光谱 400-4000 cm-1 拉曼光谱 散射光谱 40-4000 cm-1
22
红外与拉曼活性判断法则
互排法则：有对称中心的分子其分子振动
对红外和拉曼之一有活性，则另一非活性
互允法则：无对称中心的分子其分子振动
对红外和拉曼都是活性的。
互禁法则：既非拉曼活性，也非红外活性。
如乙烯分子的扭曲振动
23
二 拉曼光谱与红外光谱比较
相同点
同属分子振(转)动光谱
异：红外 分子对红外光的吸收 红外：适用于研究不同原子的极性键振动
6
红外吸收光谱
第十五章 振动光谱
拉曼散射光谱
7
拉曼光谱
一 拉曼光谱基本原理 二 拉曼光谱与红外光谱比较 三 拉曼光谱仪简介
四 拉曼光谱应用
五 表面增强拉曼简介
引子
拉曼（Raman），印度物理学家。 1921年开始研究并在1928年发现 了光散射的拉曼效应，1930年获 得了诺贝尔物理奖。和汤川秀树 （日）一起成为仅有的两位没有 受过西方教育的诺贝尔科学奖得 主。为表彰拉曼对印度科学进步 所作的巨大贡献，印度政府将2 月28日定为“拉曼节”。
还能测定分子的能级、键长、键角、力常数等重要参数，帮助我们了解
物质的许多物理和化学性质。
2
大 高 短
原子核能级跃迁 内层电子能级跃迁
能量(E) 频率(v) 波长(λ)
分子转动晶格 电子自旋、分子 振动能级跃迁 转动能级跃迁 远红外光谱 微波光谱学
小 低 长
磁场中核自旋能 级跃迁 核磁共振光谱学
放射化学
C.V. Raman an Indian Physicist 9
拉曼散射效应的进展：
拉曼散射效应是印度物理学家拉曼（C.V.Raman）于1928年首次 发现的，本人也因此荣获1930年的诺贝尔物理学奖。
1928~1940年，受到广泛的重视，曾是研究分子结构的主要手段。 这是因为可见光分光技术和照相感光技术已经发展起来的缘故；
温度升高，处于振动激发态的分子数增多
17
1.2 拉曼频移（Raman shift）
Δν=|ν0 – νs |, 即散射光频率与激发光频之差。 Δv取决于分子振动能级的改变，所以它是特征的。
与入射光波长无关
适用于分子结构分析
18
1.3 拉曼光谱与分子极化率的关系
分子在静电场E中，分子产生诱导偶极距μi
入射光 分子 分子振动
散射光
散射前…
emission
散射后…
excitation excit.-vib. 光损失能量，使分子振动
13
1.1 基本原理
激发虚态
Rayleigh散射： 弹性碰撞；无能 量交换，仅改变 方向； Raman散射： 非弹性碰撞；方 向改变且有能量 交换； E1 + h0 h0 h(0 - )
a: 只要是拉曼散射就会有斯托克斯线和反斯托克斯线同时对称 出现 斯托克斯散射 ( 0 s )
s 0 q
0 s
反斯托克斯线
s 0 q
s 0
27
b:拉曼峰的频移与激发波长无关（改变激发波长）
拉曼峰的频移与激发波长无关，即拉曼峰相对频移量不变。
定量分析
谱库
可以
谱库谱图及数据有几十万
有些不便
谱库较少
25
Information obtained from Raman spectroscopy 拉曼光谱 的信息
characteristic Raman frequencies
拉曼频率的确认