高分子研究方法 - X射线衍射
小角X射线散射在高分子研究中的应用
小角X射线散射在高分子研究中的应用摘要:小角X射线散射（SAXS）应用广泛,现已发展成为研究亚微观结构和形态特征的一种技术手段。
本文总结了SAXS在高分子研究中的应用，为国内仪器分析技术的研究发展提供参考。
关键词: 小角X射线散射；高分子；分形The applications of small-angle X-ray scattering in polymerresearchAbstract: The small Angle X-ray scattering (SAXS) which is widely used, has already developed into a kind of technology to study the microstructure and morphological characteristics. In this paper, the applications of small-angleX-ray scattering in polymer research are summarized which may be useful for the research and development of domestic instrument analysis technology. Keywords：Small Angle X-ray scattering ; Polymer ;Fractal.所谓“小角散射”[1]，顾名思义，是指被研究的试样在靠近X射线入射光束附近很小角度内的散射现象。
根据SAXS理论，只要体系内存在电子密度不均匀（微结构或散射体），就会在入射X光束附近的小角度范围内产生相干散射，通过对小角X射线散射图或散射曲线的计算和分析即可推导出微结构的形状、大小、分布及含量等信息。
这些微结构可以是孔洞、粒子、缺陷、材料中的晶粒、非晶粒子结构等，适用的样品可以是气体、液体、固体。
高分子材料常见的几种表征方法
光源与毛细管束组合的性能
光源 靶和功率 作用 光束直径 辐射强度 发散度
(mm)
0.15mm Cu, 50kV, 50W 聚焦 0.15mm Mo, 50kV, 50W 聚焦 Bede微焦 Cu, 40 kV, 80W 准直 Oxford微焦 Cu, 40kV, 50W 准直 Oxford微焦 Mo, 50kV, 40W 准直 Oxford微焦 Mo, 50kV, 40W 准直 1mrad=0.06°
2). 真空放电X射线源
在充气真空腔中加高压使气体电离形 成等离子体而发光
3). 激光等离子体X射线源
激光轰击靶面形成等离子体，发射X射 线
[2]. 高能闪光X射线源
光子能量：10keV~2MeV 闪光持续时间：10ns~1μs 机理：强电子脉冲(104A)打靶 关键设备：脉冲高压发生器闪光X射线管来自(1) 密封管X射线发生器
1). 常规密封管
功率从几十瓦至几十千瓦 材质从玻璃至陶瓷
陶瓷管的优点： 材质硬，可精加工，灯丝准确定位， 方便调整，增加测试准确度
2). 微焦点X射线管
电子焦点尺寸：几十μm 输出功率：几十瓦 亮度：~1010/ph· -1· -2· s cm mrad-2· 0.1 %BW-1
3). J. Schneider 的产品
6kW, Cu-Mo复合靶
4). 超高功率转靶X射线发生器
30kW, 60kW, 90kW
5).低压高电流转靶X射线发生器
1000mA 螺旋钨丝, LaB6 做连续谱源， 用于X射线吸收谱 能量色散X射线衍射
6). 高能转靶X射线发生器
18kW, 200kV, 90mA
使晶体表面与反射晶面族斜交，则可 提高反射强度或增加光束面积。
原子与分子结构的研究方法及应用
原子与分子结构的研究方法及应用本文介绍原子与分子结构的研究方法及应用。
一、X射线衍射X射线衍射是研究晶体结构、分子结构、晶体缺陷等的重要方法。
它通过测量晶体衍射图案，推断出原子或分子间的距离、取向、晶体对称性等信息。
以晶体为例，当入射X射线照射晶体时，晶体会把X射线分为多条光束，形成衍射现象。
根据布拉格定律，晶体衍射峰的位置和强度与晶体原子排列方式有关。
通过计算和对比实验数据，可以确定晶体的晶格常数、晶胞参数、原子坐标等结构信息。
这种方法在材料科学、物理化学、生物化学等领域有广泛应用。
二、质谱技术质谱技术是一种分析化学方法，用于确定化合物的分子结构和组成。
它利用样品分子的质量-荷比值（m/z）来进行分析和检测。
质谱技术可分为质谱仪和质谱检测两个部分。
质谱仪负责将样品分子离子化，并根据其质荷比选择进行离子选择、碎裂等操作。
质谱检测将质量分析器中的离子流转换为检测信号，提供化合物的质量和量的信息。
质谱技术可应用于食品安全、药物分析等领域，也成为了天文学、地球化学等领域研究星际物质和行星成分的重要工具。
三、原子力显微镜原子力显微镜是一种高分辨率成像技术，主要用于研究原子和分子的表面结构。
它通过探针与样品之间的相互作用力，可以获得比电子显微镜更高的分辨率。
原子力显微镜的探针通常是一个非常尖锐的金属探头，直径仅有几十纳米。
探针在扫描表面时，通过测量探头和样品之间的相互作用力，可以勾勒出表面的形态和原子分布情况。
这种方法广泛应用于材料科学、生物医学等领域。
总之，原子与分子结构的研究方法非常多样和丰富，由于篇幅限制，本文只引入了部分常见的方法，并简单介绍了它们的应用。
随着科学技术的发展，这些研究方法将会不断完善和拓展，为更深层次的研究提供更多的手段。
X射线衍射分析方法
X射线衍射分析方法X射线衍射分析是一种常用的材料结构分析方法，通过探测和分析样品对入射的X射线的散射方向和强度，来确定样品中原子的排列方式和晶体结构。
X射线衍射分析方法基于X射线作为电磁波的性质，具有较高的分辨率和广泛的应用领域。
nλ = 2d sinθ其中，n为衍射的阶数，λ为X射线的波长，d为晶格的晶面间距，θ为入射射线与晶面的夹角。
X射线衍射的实验装置通常由一个X射线源、一个单色器（用于选择特定波长的X射线）、一个样品台和一个衍射探测器组成。
实验过程中，样品被放置在样品台上，入射射线照射到样品上后产生散射射线，散射射线被探测器接收，并转化成电信号进行记录和分析。
1. 粉末X射线衍射（Powder X-Ray Diffraction，PXRD）：粉末X射线衍射是最常用的X射线衍射分析方法，适用于晶体和非晶态样品。
通过测量样品中X射线的衍射图样，可以确定晶体的结构、晶胞参数和晶格的对称性。
粉末X射线衍射还可以用于定量分析样品中各种组分的含量。
2. 单晶X射线衍射（Single Crystal X-Ray Diffraction，SCXRD）：单晶X射线衍射是研究晶体结构最直接、最准确的方法。
通过测量特定晶面上的衍射强度和散射角度，可以获得晶体的精确结构和原子的位置信息。
这种方法对于研究有机小分子、无机晶体和金属晶体的结构非常有价值。
3. 催化剂的X射线衍射（Catalytic X-Ray Diffraction）：催化剂的X射线衍射用于研究催化剂的晶体结构和相组成，从而了解催化剂在反应中的性能和活性。
这种分析方法对于设计和优化催化剂非常重要。
4.衍射峰位置和衍射峰宽度分析：X射线衍射分析中，可以通过测量衍射峰在散射角度上的位置和宽度来研究样品的晶体结构和缺陷情况。
衍射峰的位置与晶胞参数相关，而衍射峰的宽度与晶体的结构缺陷和晶体的有序程度有关。
总结起来，X射线衍射分析方法是一种非常重要的材料结构分析方法，通过测量样品对入射X射线的衍射方向和强度，可以确定样品中原子的排列方式和晶体结构。
材料科学研究方法 第三章 X射线衍射方法
根据衍射几何关系，偏 装法固定了两个圆孔位 置后就能求出相机的真 实圆周长度。 由图可见， C有效 = A+B=2π R， 其中R就是真实半径。 则： 2L 4R 4 ＝ C有效 2R 2 偏装法可以消除底片收缩、试样偏心、相机直径不准等 造成的误差。
德拜法的试样制备
首先，试样必须具有代表性；其次试样粉末尺寸大小要 适中（250-300目），第三是试样粉末不能存在应力 脆性材料可以用碾压或用研钵研磨的方法获取；对于塑 性材料（如金属、合金等）可以用锉刀锉出碎屑粉末 德拜法中的试样尺寸为φ 0.4-0.8×5-10mm的圆柱样品。 制备方法有： （1）用细玻璃丝涂上胶水后，捻动玻璃丝粘结粉末。（2） 将粉末填入石英毛细管或玻璃毛细管中即制成试样。或 用胶水将粉末调成糊状注入毛细管中，从一端挤出2-3mm 长作为试样。 （3）直接用金属丝作试样
X射线衍射仪
布鲁克公司生产的D8X射线衍射仪
控制及数据收集计算机
3.2.1 测角仪：核心部件
1. 测角仪的构造：
测角仪圆中心是样品台 H。样品台可以绕中心O 轴转动。平板状粉末多 晶样品安放在样品台H 上，并保证试样被照射 的表面与O轴线严格重 合。 测角仪圆周上安装有X 射线辐射探测器D，探 测器亦可以绕O轴线转 动。 工作时，探测器与试样 同时转动，但转动的角 速度为2：1的比例关系 （θ～2θ连动）。
3. 测角仪的光路布置
线状焦点 S 的长边方向与测角仪中心 轴平行，采用联合光阑（窄缝光阑a ＋梭拉光阑S1）控制X 射线在两个方 向上的发散。
窄缝光阑 a：控制与测角仪平面平行方向的发散度。 梭拉光阑 S1：由一组互相平行、间隔很密的重金属薄片组成 （长32mm， 薄片厚0.05mm，薄片间距0.43mm），用于 控制与测角仪平面垂直方 向的发散度。 窄缝光阑 b：控制试样上的照射面积。 狭缝光阑 F：控制衍射线进入计数器的辐射能量。
材料科学中的先进材料表征技术
材料科学中的先进材料表征技术材料科学一直是工程与科学领域的重要组成部分。
在各个领域中，材料是得以发展的重要基础和基石。
在这个领域，表征是非常重要的一部分，因为它提供了我们对材料了解深入的视角。
在当今的时代，先进材料表征技术已经得到了广泛的应用，可以用来支持材料科学中的几乎所有方面，从而提高了材料的研究效率和精度。
本文将介绍几个被广泛使用的先进材料表征技术，以及它们在材料科学中的作用。
1. X射线衍射X射线衍射是一种有用的先进材料表征技术。
它利用X射线通过晶体时所发生的衍射现象，来确定晶体中的原子排列方式。
在X射线衍射实验中，X射线会穿过材料的结构，然后在一个探测器上产生图案。
由于晶体排列不同，衍射图案也会不同。
通过分析X射线衍射图案，我们可以得到有关材料结构的详细信息，包括晶格参数、结构组成、相位以及原子间的距离和角度等等。
X射线衍射广泛用于材料研究，是材料科学中最常用的表征技术之一。
它可以用来研究许多材料，尤其是晶体材料。
通过分析单晶衍射图像，我们可以确定晶体的原子坐标和排列方式。
这对于研究材料的结构和性能是非常重要的。
此外，X射线衍射技术还可用于确定材料的相组成和微观组织结构，从而提高了材料的制备和加工质量。
2. 扫描电子显微镜扫描电子显微镜（SEM）是一种可用于观察材料微观结构的现代表征技术。
与其他显微镜不同，SEM利用了高速的电子束来照射样品。
通过SEM，我们可以获得高分辨率的图像，可以观察到非常小的材料粒子和表面形态。
SEM广泛应用于研究不同种类材料的微结构、形貌和表面特性。
SEM的应用非常广泛，它可以用于测试各种不同的材料，包括金属、陶瓷、高分子材料等。
SEM不仅可以直接观测材料表面的形貌，还可以通过SEM-EDS（SEM能量散射光谱仪）来分析不同元素的分布状况。
因此，SEM被广泛用于材料表面性能研究和微纳米加工等领域。
3. 原子力显微镜原子力显微镜（AFM）是一种底部观测表面的高分辨率显微镜。
xrd在高分子材料中的运用
xrd在高分子材料中的运用
X射线衍射法（XRD）在高分子材料领域有着广泛的应用，主要用于以下几个方面：
1.结晶度和晶型分析：XRD可以测定高分子材料的结晶度，即结晶部分所占
的比例。
此外，通过分析衍射花样，还可以确定高分子材料的晶型，即高分子链在晶体中的排列方式。
2.分子量和分子量分布：XRD可以结合其他方法，如光散射法，来测定高分
子材料的分子量和分子量分布。
通过分析散射强度和散射角度的关系，可以得到分子量和分子量分布的信息。
3.取向和取向分布：XRD可以用于研究高分子材料的取向和取向分布，即在
制造过程中高分子链的排列方向以及不同方向的分子数目。
4.杂质和污染物分析：XRD可以用于检测高分子材料中的杂质和污染物，如
增塑剂、颜料等。
通过分析衍射花样和计算杂质的衍射强度，可以确定杂质的种类和含量。
5.相结构和相变行为：XRD可以用于研究高分子材料的相结构和相变行为，
如晶体、非晶态和多相态的结构特点以及相变过程中的能量变化。
总之，XRD在高分子材料领域具有广泛的应用价值，可以用于研究高分子材料的结构、性能和加工过程，为高分子材料的设计、生产和应用提供重要的技术支持。
高分子材料结构分析
高分子材料结构分析引言高分子材料是一种由大分子聚合物组成的材料，具有重要的工业应用和科学研究价值。
了解高分子材料的结构对于研究其性质和应用具有重要意义。
本文将介绍高分子材料结构分析的方法和技术。
一、传统结构分析方法传统的高分子材料结构分析方法包括X射线衍射、核磁共振和红外光谱等。
1. X射线衍射X射线衍射是研究高分子材料结构最常用的方法之一。
通过将X射线束照射到高分子材料上，利用晶体衍射原理，在探测器上得到衍射图样。
通过解析衍射图样，可以确定高分子材料的晶体结构和晶格参数。
2. 核磁共振核磁共振是利用核磁共振现象研究高分子材料结构的方法。
通过将高分子材料置于强磁场中，利用核磁共振现象来获得高分子材料的特征谱图。
核磁共振谱图可以提供高分子材料内部原子的相对位置和化学环境的信息。
3. 红外光谱红外光谱是研究高分子材料结构的另一种重要方法。
通过将红外光照射到高分子材料上，观察材料对红外光的吸收情况。
不同的官能团对应着不同的红外光谱峰，通过对红外光谱的分析，可以确定高分子材料的结构。
二、现代结构分析方法随着科学技术的发展，现代结构分析方法在高分子材料研究中得到了广泛应用。
下面介绍几种常用的现代结构分析方法。
1. 激光拉曼光谱激光拉曼光谱是利用拉曼散射现象进行结构分析的方法。
通过将激光照射到高分子材料上，观察材料散射的拉曼光谱。
拉曼光谱提供了高分子材料的分子振动信息，可以揭示其结构和构型。
2. 原子力显微镜原子力显微镜是一种能够在原子尺度上进行观察的仪器。
利用探针扫描样品表面，根据探针和样品之间的相互作用力，得到样品表面的形貌和结构信息。
原子力显微镜可以用于观察高分子材料的微观结构和表面形态。
3. 激光光散射激光光散射是一种用于研究高分子材料结构和动力学行为的方法。
通过照射高分子材料样品，观察散射光子的散射情况，可以得到高分子材料的分子量、分子尺寸和分子链排列等信息。
三、计算模拟方法计算模拟方法是一种通过计算机建立高分子材料的模型，模拟其结构和性质的方法。
2013X射线衍射-001
1.1.3高分子晶体的特点
晶胞由链段构成 折叠链 结晶不完善 结构的复杂性及多重性
1.1晶体学基础知识回顾
1.1.3高分子晶体的特点
晶胞由链 段构成
(a) 低分子晶体(NaCl)
(b) 聚合物晶体(PE)
(c) 蛋白质晶体示意图
1.1晶体学基础知识回顾
1.1.3高分子晶体的特点
折叠链
四种光源一直对人们的生活产生重大影响
电光源 X射线光源
激光
同步辐射光源
1879年 爱迪生（美国）
1895年
20世纪60年代
20世纪50年代
→
伦琴（德国）
→
美国，前苏联科 学家 激光 众 多 电 子
→
美国科学家
电光源
X 光源
同步辐射光源
原子内电子状态从高能态 到低能级所产生的光辐射
带电粒子如电子 运动速度发生变 化伴随光辐射。 北京（1988） 合肥（1989）
1.4 X射线谱（特征X-ray）
特征X射线产生的机理 特征X射线谱产生的机理与连续谱的不同， 它的产生与阳极靶物质的原子结构紧密相关的。 根据玻尔原子模型（2n2），原子系统中的 电子遵从泡利不相容原理连续地分布在K，L，M， N，…等不同能级的壳层上，而且根据能量最低 原理，首先填充至靠近原子核的K壳层，再依次 充填L，M，N …层。各壳层的能量由里到外逐 渐增加。
绪言
0.2 本课程特点
理论基础、实验技术、源于实践
0.3 本课程内容 材料组成 组织结构 材料性能
第一章 X射线衍射分析
第一讲 晶体学基础知识回顾与X射线物理基础 第二讲 X射线衍射基本原理 第三讲 X射线衍射实验与应用
高分子材料性能检测及分析方法研究
高分子材料性能检测及分析方法研究高分子材料是指由大分子聚合而成的材料，具有重量轻、韧性好、绝缘性好、抗腐蚀等优点，广泛应用于各行各业，如化工、医疗、建筑、电子、航空等领域。
但是，由于高分子材料的组成复杂、聚合度高、分子链结构多样等特点，其性能检测及分析方法也具有一定的难度和复杂性。
一、高分子材料性能检测方法1. 引入动态力学分析法（DMA）动态力学分析法是一种广泛应用于材料力学测试中的方法，通过施加受控变形来研究材料的动态力学特性，如弹性模量、刚度、阻尼比等。
在高分子材料中，动态力学分析法可以用来研究其弹性、亚弹性、塑性和粘弹性等特性。
2. 使用红外光谱(FTIR)法红外光谱法是一种常用的材料成分分析方法，它可确定高分子材料的化学组成和原子构成等参数。
FTIR技术是目前使用最广泛的红外光谱测试技术，可用于描述特定分子和突出其结构带来的振动信息。
3. 应用差示扫描量热法（DSC）差示扫描量热法是一种重要的高分子材料测试方法，其通过测量体系在恒定温度或恒定加热/降温速率下的热流和热容变化，研究高分子材料的物理和化学特性。
核心原理是，通过观察物质的热响应，了解其热行为。
4. 应用雷霆反射法 (TR) 试验雷霆反射法 (TR) 是一种新兴的材料测试方法，其使用高强度的紫外激光，在材料局部表面产生瞬间高温和高压，观测材料反射激光的特性，研究材料的结构和性能特征。
二、高分子材料性能分析方法1. 引入偏光显微镜 (POM) 分析偏光显微镜技术是一种高分辨量、高灵敏度的试验分析方法，它通过显微成像观察样品中的多种相态结构和形态，并对材料的组成和结构特性进行分析和评估。
2. 使用扫描电子显微镜（SEM）技术扫描电子显微镜技术是利用电子束在样品表面扫描照射发射的光子、离子和电子进行成像和分析的技术。
它可用于表征材料的微观结构和细节特征，从而评估其性能和可靠性等方面的特点。
3. 应用光学试验分析方法光学试验分析方法包括折光率、透明度、吸光度和荧光固有属性等分析法。
X射线衍射分析的实验方法及其应用
X射线衍射分析的实验方法及其应用自1896年X射线被发现以来，可利用X 射线分辨的物质系统越来越复杂。
从简单物质系统到复杂的生物大分子，X射线已经为我们提供了很多关于物质静态结构的信息。
此外，在各种测量方法中，X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。
由于晶体存在的普遍性和晶体的特殊性能及其在计算机、航空航天、能源、生物工程等工业领域的广泛应用，人们对晶体的研究日益深入，使得X射线衍射分析成为研究晶体最方便、最重要的手段。
本文主要介绍X射线衍射的原理和应用。
1、 X射线衍射原理1912年劳埃等人根据理论预见，并用实验证实了X射线与晶体相遇时能发生衍射现象，证明了X射线具有电磁波的性质，成为X射线衍射学的第一个里程碑。
当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关。
这就是X射线衍射的基本原理。
衍射线空间方位与晶体结构的关系可用布拉格方程表示：1.1 运动学衍射理论Darwin的理论称为X射线衍射运动学理论。
该理论把衍射现象作为三维Frannhofer衍射问题来处理，认为晶体的每个体积元的散射与其它体积元的散射无关，而且散射线通过晶体时不会再被散射。
虽然这样处理可以得出足够精确的衍射方向，也能得出衍射强度，但运动学理论的根本性假设并不完全合理。
因为散射线在晶体内一定会被再次散射，除了与原射线相结合外，散射线之间也能相互结合。
Darwin不久以后就认识到这点，并在他的理论中作出了多重散射修正。
1.2 动力学衍射理论Ewald的理论称为动力学理论。
该理论考虑到了晶体内所有波的相互作用，认为入射线与衍射线在晶体内相干地结合，而且能来回地交换能量。
两种理论对细小的晶体粉末得到的强度公式相同，而对大块完整的晶体，则必须采用动力学理论才能得出正确的结果。
第五章X射线衍射实验方法
第五章X射线衍射实验⽅法第五章 X射线衍射实验⽅法常⽤的实验⽅法1.按成相原理分：单晶劳埃法、多晶粉末法、周转晶体法2.按记录⽅式分：照相法：⽤照相底⽚记录衍射花样衍射仪法：⽤各种辐射探测器和电⼦仪表记录。
、第⼀节粉末照相法1.粉末照相法是⽤单⾊X射线照射转动（或固定）多晶体试样，并⽤照相底⽚记录衍射花样的⼀种实验⽅法。
试样可为块、板、丝等形状，但最常⽤粉末，故称粉末法。
2.粉末法成相原理：粉末试样是由数⽬极多的⼩晶粒组成,且晶粒取向完全⽆规则,各晶粒中d值相同的晶⾯取向随机分布于空间任意⽅向,这些晶⾯对应的倒易⽮量也分布于整个倒易空间的各个⽅向,它们的倒易阵点则布满在以倒易⽮量的长度为半径的倒易球⾯上.由于等同晶⾯族｛HKL｝的⾯间距相等,所以,等同晶⾯族的倒易阵点都分布在同⼀个倒易球⾯上,各等同晶⾯族的倒易阵点分别分布图5-1 粉末法成相原理图在以倒易点阵原点为中⼼的同⼼倒易球⾯上.在满⾜衍射条件时,根据厄⽡尔德原理,反射球与倒易球相交,其交线为⼀毓垂直于⼊射线的圆,从反射球中⼼向这些圆周连线级成数个以⼊射线为公共轴的共顶圆锥,圆锥的母线就是衍射线的⽅向,锥顶⾓等于4θ.这样的圆锥称为衍射圆锥.1.1 德拜照相法（1）德拜照相法（２）圆筒底⽚摄照⽰意图1.2 聚焦照相法o是利⽤发散度较⼤的⼊射线，照射到试样的较⼤区域，由这个区域发射的衍射线⼜能重新聚焦，这种衍射⽅法称为聚焦法。
聚焦相机的基本特征是狭缝光阑、试样和条状底⽚三者位于同⼀个聚焦圆上。
它所依据的⼏何原理是同⼀圆周上的同弧圆周⾓相等，并等于同弧圆⼼⾓的⼀半。
按照这样的⼏何原理，让狭缝光阑、试样和条状底⽚三者采取不同的布置，便可设计出各种不同类型的聚焦相机。
塞曼-波林相机的内壁圆周为聚焦圆，狭缝光阑s、试样表⾯AB和条状底⽚MN三者准确地安置在同⼀个聚焦圆上。
狭缝光阑相当X射线的虚光源，实际光源为x射线管的焦点。
图5-2 塞曼-波林相机的衍射⼏何1.3 平⾯底⽚照相法2.利⽤单⾊（标识）X射线、多晶体试样、平⾯底⽚和针孔光阑，故也称之为针孔法。
X 射线衍射
X射线漫散射理论
1914 P. J. W. Debye (荷) 提出动畸变衍射理 论。1936年，获诺贝尔化学奖。 1947 黄昆(中) 提出静畸变(点缺陷统计分 布)衍射理论。 1939 A. Guinier ＆ R. Hosemann (德) 提出 小角X射线散射理论。 1950 B. E. Warren ＆ B. L. Averbach (德) 提 出静畸变的位错、层错衍射理论。
1927 D. J. W. Debye (荷) X射线衍射研究液体的凝聚态结构， 证明其结构为近程有序，远程无序，并存在大量空穴。 1928 K. H. Meyer ＆ H. Mark (德) 从橡胶、纤维素、淀粉、蛋 白质的 X 射线衍射结果认为，它们都是长链，但链长不超过晶 粒尺度。对纤维素而言，链长约为50单体单位；对橡胶而言， 则约150单位。晶粒的截面决定了其中所含的链数，对纤维素与 橡胶，均在40~60条链之间。这是一种新的胶束理论，胶束聚集 力按M. Dunkel的蒸发热计算，即900 cal/CH2，故这种胶束在 溶液中不会拆开，依数性测得的是胶束的粒子量，从而否定这 是“大分子”的分子量。 1928 K. H. Meyer ＆ H. Mark(德) 从X射线衍射测得天然三叶橡 胶(Hevea rubber)的晶胞参数，证明其复杂的构象是cis-异戊二烯， 而非trans-异戊二烯。这是X射线法测定高分子长链复杂构型的 开始。 1929 L. C. Pauling (美) 从结晶肽的X射线衍射结果，提出聚肽 链在结晶中呈 -螺旋与-折叠的二级结构，而七条螺旋链互相 盘绕形成三级结构。从硅酸盐的 X射线衍射结果，确定其可形 成一维链、二维网与三维网络。1954年，获诺贝尔化学奖。
生物大分子的结构和功能分析方法
生物大分子的结构和功能分析方法生物大分子指的是在生物体内具有重要生物学功能的高分子物质，如蛋白质、核酸、多糖和脂质等。
它们的结构和功能对于生命活动的进行至关重要，因此对它们进行分析是生物学研究的重要方向之一。
本文将介绍几种生物大分子的结构和功能分析方法。
一、蛋白质的结构和功能分析方法1. X射线晶体学：蛋白质的结构大多通过X射线晶体学进行研究。
这种方法利用以晶体形式存在的蛋白质晶体，通过X射线衍射图谱来确定蛋白质的三维结构，从而研究蛋白质的功能和作用机制。
2. 核磁共振：核磁共振（NMR）是一种基于核磁共振现象的研究生物大分子结构的方法。
NMR可以直接观察蛋白质分子在溶液中的构象，为研究蛋白质的结构和功能提供了一种新的途径。
3. 质谱法：质谱法是一种可以测量蛋白质质量和序列的方法。
通过将蛋白质破碎成小分子，再进行质谱分析，可以得到蛋白质的组成和序列信息，从而研究蛋白质的功能和结构。
二、DNA和RNA的结构和功能分析方法1. 基因测序：基因测序是一种测定DNA序列的方法。
通过测定DNA序列，可以研究DNA的结构和功能，从而了解基因在遗传过程中的作用。
2. 吸附剂电泳：吸附剂电泳是一种将DNA片段按照大小分离的方法。
通过在吸附剂上进行电泳，可以将不同大小的DNA片段分离出来，从而研究DNA分子的结构和功能。
3. 等电聚焦：等电聚焦是一种按照氨基酸电荷分离蛋白质的方法，也可以用来分离RNA。
等电聚焦可以研究RNA分子的结构和功能。
三、多糖的结构和功能分析方法1. 甲基化：甲基化是一种在多糖分子上引入甲基基团的方法。
通过甲基化，可以改变多糖分子的结构和性质，从而探究多糖分子的功能和作用机制。
2. 分子筛分析：分子筛分析是一种通过分子筛将多糖分子按照大小分离的方法。
通过这种方法，可以研究多糖的结构和功能。
四、脂质的结构和功能分析方法1. 离子迁移质谱：离子迁移质谱是一种将脂质分子转化为离子并通过质谱分析的方法。
高分子材料分析测试与研究方法
高分子材料分析测试与研究方法引言高分子材料是一类重要的工程材料，公认为21世纪最具潜力的材料之一。
高分子材料的性能与结构密切相关，因此对其进行分析测试与研究是非常必要的。
本文将介绍常用的高分子材料分析测试方法及其研究方法，包括物理性能测试、化学结构分析、热性能分析、力学性能测试以及相关的表征技术。
一、物理性能测试物理性能是高分子材料的基本性能之一，常用的物理性能测试包括密度测量、吸水性能测试、熔融指数测试等。
1. 密度测量密度是衡量材料物理性能的重要指标之一，可以通过比重法、浮力法或压缩气体法等方法进行测量。
其中，比重法是最常用的方法，通过称量样品质量和体积来计算密度。
2. 吸水性能测试吸水性能是衡量材料对水分的吸收能力的指标，可以通过浸泡法、浸水法或密闭测量等方法进行测试。
这些测试方法可以帮助评估材料的耐水性能及吸水后的性能变化。
3. 熔融指数测试熔融指数是衡量高分子材料熔融流动性能的指标，常用的测试方法有熔体指数法、熔体流动速率法等。
通过测量熔融材料的流动性能，可以评估材料的加工性能以及与其他材料的相溶性。
二、化学结构分析化学结构分析是研究高分子材料化学特性的重要手段，常用的化学结构分析方法包括红外光谱分析、核磁共振分析、质谱分析等。
1. 红外光谱分析红外光谱分析是研究材料化学结构的重要手段，通过研究材料在红外波段的吸收谱图，可以确定材料中的官能团、键的类型以及化学环境等信息。
2. 核磁共振分析核磁共振分析是研究材料分子结构及动力学性质的重要方法，通过测量核磁共振信号，可以获得材料中原子的化学环境、相对数量以及分子间的相互作用信息。
3. 质谱分析质谱分析是研究材料分子结构及组成的关键分析方法，通过测量不同质荷比的离子的相对丰度，可以确定材料中的化学元素、分子量以及它们的相对含量等信息。
三、热性能分析热性能是衡量材料耐热性、热膨胀性等重要性能的指标，常用的热性能分析方法包括热重分析、差示扫描量热分析等。
X射线小角度衍射
二.SAXS的研究对象及特点
1.SAXS的研究对象
（1）散射体是明确定义的粒子，如大分子或分散物质中 细小颗粒，包括聚合物溶液，生物大分子，催化剂中 的空洞等。 SAXS可以给出明确定义的几何参数，如粒子的尺寸， 形状等。 （2）散射体中存在的亚微观尺寸上的非均匀性，如悬浮 液、乳胶、胶状溶液、纤维、聚合物等。 SAXS得到的是微区尺寸和形状、非均匀长度、体积 分数和比表面积等参数。
4.国内现状
• 我国同步辐射建设相对较晚,现已在大陆建成三个同步辐 射中心(北京、合肥和上海) 。但它属于高能物理的一个 副产物,同步辐射每年只对外开放2 到3 月。合肥国家同 步辐射实验室经过一期和二期建设,现已建成14条线站, 全时对用户开放。上海光源的建设成功,标志着我国已经 进入国际先进同步辐射俱乐部,并已在2009年5月开始对 用户开放。 •
4 取向和变形
结合电镜分析，可用SAXS研究苯乙烯与异戊二烯共 聚物的形变机理，结果表明伴随试样的形变，聚苯乙烯 球粒本身并没有发生形变，而主要是球粒之间的聚异戊 二烯基体产生了形变，拉大了球粒之间的距离。也可利 用WAXD和SAXS研究1，4-顺式聚丁二烯的取向结晶及热塑 弹性体的微区和链段形变行为。另外，可以利用SAXS理 论中描述的Guiner定律、Porod定律、相关函数等定量表 征银纹质的直径、尺寸分布、银纹质之间的距离等，研 究银纹在不同应力、不同温度、不同溶剂时的微观结构 和形态，以及银纹随时间生长的动力学过程。
Small Angle X-ray Scattering,简称SAXS. 一般而言，把2θ大于5°的散射称为广角X射 线衍射（WAXS），把把2θ小于5°的散射称小角X 射线衍射（ SAXS）
2.发展历史
• 自20世纪30年代发现小角X射线散射现象 以来,它已成为材料几何结构表征的有效 手段之一。 • 历史上,SAXS发展缓慢,主要是因为小角相 机的装配操作麻烦,还受X射线强度的限制, 曝光时间(特别是稀溶液)很长。 • 20世纪70年代以后,随着同步辐射(SR)装 置的建立,以同步辐射为X射线源的小角散 射(SR-SAXS)平台成了小角X射线散射实验 的主要基地。
高分子材料的形态结构表征方法
高分子材料的形态结构表征方法高分子材料作为一种重要的材料类型，在各个领域都有广泛的应用。
由于高分子材料的特殊结构和性质，其形态结构表征成为研究和应用中的关键问题。
在本文中，我将介绍几种常用的高分子材料的形态结构表征方法。
一、X射线衍射法X射线衍射法是一种常用的表征高分子材料晶体结构的方法。
通过X射线与高分子晶体的相互作用，可以获取到晶体的衍射图谱。
根据衍射图谱的特征峰位和峰强，可以确定高分子晶体的晶胞参数、晶体结构和晶格定向性等信息。
此外，X射线衍射法还可以用于探测高分子晶体的结构缺陷和晶体的成分分布等。
二、扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是一种高分辨率的显微镜，通过聚焦电子束扫描样品表面，利用样品表面反射、散射或透射的电子进行图像捕捉。
在高分子材料的形态结构表征中，SEM可以提供高分辨率的表面形貌和形态信息。
通过SEM观察，可以获得高分子材料表面的纹理、孔隙结构和材料表面的粗糙度等信息。
三、原子力显微镜（AFM）原子力显微镜是一种通过探针与样品表面间的相互作用力进行成像的高分辨率显微镜。
AFM可以在几纳米的水平上观察到样品表面的形貌和微观结构。
对于高分子材料的形态结构表征，AFM可以提供高分辨率的表面拓扑图像，并可以测量高分子材料的力学性能，如弹性模量和硬度等。
四、核磁共振（NMR）核磁共振是一种通过观察原子核在外加磁场下的共振吸收来表征物质结构和性质的方法。
在高分子材料的形态结构表征中，NMR可以提供高分辨率的物质结构信息，包括高分子链的序列和化学结构等。
通过NMR技术，可以分析高分子材料中不同官能团的相对含量和官能团之间的连接方式，揭示高分子材料的化学环境和化学性质。
五、差示扫描量热法（DSC）差示扫描量热法是一种通过测量高分子材料的热力学性质来表征其形态结构的方法。
通过对高分子材料加热或冷却过程中吸收或释放的热量进行测量，并与参考样品进行比较，可以确定高分子材料的玻璃化转变温度、熔点、热分解温度等特征参数。
《X射线衍射》PPT课件
峰于M、N点，直线MN的中点对应
的 2θ角位置为峰位。（适用于峰形
光滑，高度较大情况，此法精度高）
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17
3°查索引，对照卡片
取三条强线，查数值索引 如果试样为单一物相，则实验数据与标准数据均能基本对 应（主要对应d值） 如果试样为多种物相，则先选取最强峰（100）对应的d值 组与标准数据对应，确定物相；剩余d值再做归一化处理，依 次确定物相。
➢ 1938年，哈那瓦特（Hanawalt)等人－－开始收集和摄取各种已 知晶体物相的衍射花样，将其衍射数据进行整理和分类。 ➢ 1942年，美国材料试验协会－－最初出版约1300张衍射数据卡 片－－ASTM卡片。 ➢ 1969年起， “粉末衍射标准联合委员会”（JCPDS）国际机构， －－统一分类和编号，编制标准粉末衍射卡片出版－－PDF卡片。
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23
衍射积分强度公式可简化为： Ia K 1 Ca
Ia为某相的衍射强度，K1为未知常数，Ca为某相的体积分 数，μ为混合物相的线吸收系数。
若混合物中只有两相α和β，其密度分别为ρα、ρβ，线 吸收系数分别为μα、μβ，质量百分比为xα、xβ。
则某物相α的衍射强度为
Ia
K1x
[x(
2区 I/I1 ：上述 各衍射线的相 对强度，其中 最强线的强度 为100；
1a 1b 1c 1d
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6
3区 实验条件：
辐射光源及波长
滤波片（Filler） 相机直径（Dia.） 所用仪器可测最大 面间距（Cut off） 相对强度的测量方 法（I/I1） 参考资料（Ref.）
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度递减顺序排列）； 后面依次排列着化学式，卡片编号，（参比强度）。
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1927 D. J. W. Debye (荷) X射线衍射研究液体的凝聚态结构， 证明其结构为近程有序，远程无序，并存在大量空穴。 1928 K. H. Meyer ＆ H. Mark (德) 从橡胶、纤维素、淀粉、蛋 白质的 X 射线衍射结果认为，它们都是长链，但链长不超过晶 粒尺度。对纤维素而言，链长约为50单体单位；对橡胶而言， 则约150单位。晶粒的截面决定了其中所含的链数，对纤维素与 橡胶，均在40~60条链之间。这是一种新的胶束理论，胶束聚集 力按M. Dunkel的蒸发热计算，即900 cal/CH2，故这种胶束在 溶液中不会拆开，依数性测得的是胶束的粒子量，从而否定这 是“大分子”的分子量。 1928 K. H. Meyer ＆ H. Mark(德) 从X射线衍射测得天然三叶橡 胶(Hevea rubber)的晶胞参数，证明其复杂的构象是cis-异戊二烯， 而非trans-异戊二烯。这是X射线法测定高分子长链复杂构型的 开始。 1929 L. C. Pauling (美) 从结晶肽的X射线衍射结果，提出聚肽 链在结晶中呈 -螺旋与-折叠的二级结构，而七条螺旋链互相 盘绕形成三级结构。从硅酸盐的 X射线衍射结果，确定其可形 成一维链、二维网与三维网络。1954年，获诺贝尔化学奖。
1906~1909 C. G. Barkla (英) 发现化学元素的特征 X辐射，即标志X射线谱。1917年，获诺贝尔物理 学奖。 1913 H. G. J. Moseley (英) 从X射线谱发现原子序 数定律，是周期律的重要进展。 1914 K. M. Siegbahn (瑞士) 建立X射线谱学。1924 年，获诺贝尔物理学 奖。 1917~1971 双晶衍射谱学、多重晶衍射谱学、 Raman X射线谱学、Compton散射谱学与电子能谱 等获得巨大的进展。
1938 D. Crowfoot (英) 首次获得胰岛素晶体(M37,000)的X射线 衍射图。 1938 R. Brill ＆ H. Halle (德) 从X射线衍射证实拉伸聚异丁烯链 (poly-isobutene) 在其结晶中呈螺旋构象，八个单体构成一个螺 旋，周期长为18.63 Å，从此，人们认识到在高分子晶体中，螺 旋链构象成为一种基本构象形式。 1939 C. W. Bunn (英) 首次利用Patterson’s Fourier Synthesis，从 X 射线衍射结果证实在高分子量石蜡烃的结晶中 (M42,000) ， CC 键长为 1.53 Å， CCC 键角为 112 ，说明碳链在晶体中的 键角比四面体立体角 (10928’)有所扩张，这为碳链高分子结晶 提供了重要的结构参数。 1953 M. F. Perutz (英) ＆ J. C. Kendrew (英) 发明将金、汞等重 金属引入蛋白质的“同晶置换法”，通过 X射线衍射解决了生 物大分子晶体结构测定中的相位问题，使 X射线衍射法上升为 一门学科——大分子晶体学。1962年，获诺贝尔化学奖。 1953 J. D. Watson (美) ＆ F. H. C. Crick (英) 根据M. Wilkins (英) 对DNA的X射线衍射数据，提出DNA双螺旋分子的结构模型。 1963年，获诺贝尔生理学奖。
1925~1926 H. Mark ＆ J. R. Katz等(德) 从X射线结果认为纤维 素、淀粉、橡胶等的晶胞都很小，而传统观念则认为一个分 子不能大于一个晶胞，故将它们均视为小分子。 1926 L. O. Sponsler (美) 从纤维素的X射线衍射结果，认为纤 维素应是长链分子，其结构单位和小分子糖酐一样进入晶胞， 纤维素分子可以从一个晶区穿至另一个晶区，但错误地认为 纤 维 素 中 的 羟 基 是 以 1,1 与 4,4 交 替 相 连 ， 这 与 Haworth 的结果相左，因而有机化学家怀疑 X 射线衍射专家的 看法。 1926 J. R. Katz (德) 发现非晶的三叶橡胶经拉伸六倍后，其X 射线衍射图从仅表征非晶的晕圈转变为表征非晶与结晶共存 的衍射图。这从微观上证明了66年前焦耳(1859，J. P. Joule)测 得橡胶经拉伸放热应属结晶热，并用应变结晶解释了非晶橡 胶拉伸后模量的增高。 1927 H. Staudinger等(德) 对聚甲醛(CH2O)nCl的端基法测定 相对分子质量已确认其为大分子，而从X射线衍射测得它的每 个晶胞只含 4 个 CH2O 基，这说明了晶胞内的结构仅只是聚 甲 醛 全 部 分 子 的 一 部 分 。 1953 年 ， 由 于 他 提 出 了 “ 大 分 子”(macromolecule)的观念，并在实验上予以证明，故获诺贝 尔化学奖。
高分子研究方法
X 射线衍射
X射线的发生和性质
1895年德国的物理学家伦琴在研究阴极射线时，发现在 相对阴极的金属阳极上发射出一种新的射线，虽肉眼不可见， 但可从其引致铂氰化钡荧光屏发光而察知。由于当时人们从 未知晓此类射线，所以称之为 X射线，后来人们为了纪念伦 琴的发现，也称之为伦琴射线。 X 射线的性质与可见光线有差异，例如：穿透力强， 可透过一些可见光不能透过的物质，如黑纸、皮肤等；荧光 效应，可引致荧光物质如ZnS、CdS、NaI等发出荧光；电离 效应，可使气体发生电离；感光效应，即使底片感光；杀伤 效应，可以杀伤生物细胞；在电场作用下仍作直线传播；穿 透物质时可以偏振化，各种物质对它的吸收系数各不相同； 各种物质对X射线的折射率，n1，所以它不可能像可见光那 样利用折射效应来聚焦和放大；基于上一点的原因，其在两 种物质界面上全反射的临界角仅为10’~30’；当它穿过晶体物 质时，出现衍射现象等等。
X射线衍射的发现
1895 W. K. Rö ntgen (德) 发现X射线，认为是短波长的“以太横 波”。 1901年，获第一个诺贝尔物理学奖。 1901 R. D. Francis ＆ H. William (美) 出版《X射线在医学上的应 用》，放射治疗开始系统化。 1905 C. G. Barkta (英) 研究X射线的散射和吸收时，发现X射线 的偏振现象。 1908-1909 B. Walter ＆ R. Pohl (德) 发现X射线经过尖劈形光阑 出现模糊的干涉条纹。 1910 P. P. Koch (德) 用测微光度计测量了Walter-Pohl相片上的 干涉。 1911 C. T. R. Wilson (英) 发明云雾室，证实X射线的电离作用。 1912 A. Sommeffeld (德) 根据Koch测量的结果，计算出X射线的 波长约为410-8 mm。 1912 M. von Laue ， W. Friedrich ＆ P. Knipping ( 德 ) 发现 CuSO4· 5H2O结晶(三斜晶系)出现X射线衍射斑点，但尚未诠释。
X射线衍射的动力学理论
1913 C. G. Darwin (英) 提出X射线衍射的动力学理论，解 释了完善晶体的初级消光与镶嵌晶体的次级消光。 1916 P. P. Ewald (德) 发展X射线衍射的动力学理论。 1931~1960 M. von Laue (德) 进一步完善了X射线衍射的 动力学理论。 1941 G. Borrmann (德) 完善了晶体的异常透射理论。 20世纪50年代末60年代初 N. Kato (日) 建立衍衬干涉现象 球面波的衍射理论。 1962~1968 S. Tagaki (日) 建立畸变晶体衍射动力学的普 适方程。 1974 E. A. Stern (美) 提出吸收限精细结构理论(EXAFS)。
X射线非相干散射理论
1923 A. H. Compton (美) 提出自由电子散 射光子的量子理论。1927年，获诺贝尔物 理学奖。 1925~1926 吴有训 (中) 发展X射线非相干 散射的理论。
பைடு நூலகம்
X射线衍射在高分子科学研究中有关
的重要历史事件
1921 M. Polanyi (英) 在《自然科学》杂志发表的文章中， 认为根据各种纤维素的 X 射线衍射数据可以推断，不论是 由二个葡糖酐所组成的环还是由配糖体组成的长链均可符 合 X 射线衍射的结果，并认为分子长链可以大于晶胞：可 惜这篇文章过了 11 年才被高分子科学的奠基者、 1953 年诺 贝尔化学奖获得者 H. Staudinger 看到。 1923~1925 ， W. N. Haworth (英，1937年诺贝尔化学奖获得者)等人用化学手段 证明在纤维素中 2,3,5-羟基是自由的，则其葡糖单位必以 1, 4相连。由此证明Polanyi的看法是正确的。但直到1935年， W. N. Haworth， J. W. McBain (英)和P. Karrer (德)等当时著 名的科学家，都仍采用新胶束缔合论来认识高分子。 1925 J. R. Katz ＆ O. Gemgross (德) 首次发现非晶高分子的 明胶经拉伸后，其 X 射线衍射谱从表征非晶的晕圈转变为 表征非晶与结晶共存的在弥散环上叠加衍射弧。
X射线漫散射理论
1914 P. J. W. Debye (荷) 提出动畸变衍射理 论。1936年，获诺贝尔化学奖。 1947 黄昆(中) 提出静畸变(点缺陷统计分 布)衍射理论。 1939 A. Guinier ＆ R. Hosemann (德) 提出 小角X射线散射理论。 1950 B. E. Warren ＆ B. L. Averbach (德) 提 出静畸变的位错、层错衍射理论。
倒易点阵理论
1913 P. P. Ewald (德) 根据Gibbs倒易空间 的观念，提出倒易点阵的概念，以及反射 球构造法。 1916 P. J. W. Debye (荷)＆J. A. Schemer (美) 发明粉末法测定晶体的结构。1936年， Debye获诺贝尔化学奖。
X射线谱学
X射线衍射的运动学理论