1、9.2 纳米材料的结构表征方法纳米材料的结构表征方法 按仪器原理可分为：按仪器原理可分为：（1）直接观察的显微仪器：）直接观察的显微仪器：高分辨透射电镜高分辨透射电镜 （HRTEM）、扫描探针显微镜（）、扫描探针显微镜（SPM）、）、原子力显微镜（原子力显微镜（AFM）、场离子显微镜（）、场离子显微镜（FIM）（2）非直接观察测试仪器：）非直接观察测试仪器：X射线衍射仪（射线衍射仪（XRD）、）、激光粒度分析仪器、穆斯堡尔谱仪（激光粒度分析仪器、穆斯堡尔谱仪（MS）、）、拉曼散射仪（拉曼散射仪（RS）、核磁共振、中子衍射仪）、核磁共振、中子衍射仪（3）其他测试仪器：）其他测试仪器：示差扫描库仑
2、仪、原子吸收示差扫描库仑仪、原子吸收 光谱仪、荧光仪、光谱仪、荧光仪、ZETA电位仪、质谱仪、电位仪、质谱仪、电子能谱仪、表面力仪、摩擦力显微镜等电子能谱仪、表面力仪、摩擦力显微镜等l一样品的初步处理一样品的初步处理(一一)取材取材:样品可以稍大些，面积可达样品可以稍大些，面积可达8mm 8mm，厚，厚度可达度可达5mm。对于易卷曲的样品如血管、胃肠道粘膜。对于易卷曲的样品如血管、胃肠道粘膜等，可固定在滤纸或卡片纸上以充分暴露待观察的组等，可固定在滤纸或卡片纸上以充分暴露待观察的组织表面。织表面。(二二)样品的清洗样品的清洗:组织的游离面组织的游离面(1.用等渗的生理盐水或用等渗的生理盐水或缓
3、冲液清洗缓冲液清洗;2.用用5%的苏打水清洗的苏打水清洗;3.用超声震荡或酶用超声震荡或酶消化的方法进行处理消化的方法进行处理.)(三三)固定固定:常用戊二醛及锇酸双固定常用戊二醛及锇酸双固定(四四)脱水脱水:样品经漂洗后用逐级增高浓度的酒精或丙酮样品经漂洗后用逐级增高浓度的酒精或丙酮脱水，然后进入中间液，一般用醋酸异戊酯作中间液。脱水，然后进入中间液，一般用醋酸异戊酯作中间液。扫描电镜观察样品要求在高真空中进行。无论是水或扫描电镜观察样品要求在高真空中进行。无论是水或脱水溶液，在高真空中都会产生剧烈地汽化，不仅影脱水溶液，在高真空中都会产生剧烈地汽化，不仅影响真空度、污染样品，还会破坏样品的
4、微细结构。因响真空度、污染样品，还会破坏样品的微细结构。因此，样品在用电镜观察之前必须进行干燥。干燥的方此，样品在用电镜观察之前必须进行干燥。干燥的方法有以下几种：法有以下几种：(一一)空气干燥法空气干燥法(二二)临界点干燥法临界点干燥法(三三)冷冻干燥法冷冻干燥法 l三样品的导电处理三样品的导电处理 生物样品经过脱水、干燥处理后，其表面不带电，生物样品经过脱水、干燥处理后，其表面不带电，导电性能也差。用扫描电镜观察时，当入射电子束导电性能也差。用扫描电镜观察时，当入射电子束打到样品上，会在样品表面产生电荷的积累，形成打到样品上，会在样品表面产生电荷的积累，形成充电和放电效应，影响对图象的观察
5、和拍照记录。充电和放电效应，影响对图象的观察和拍照记录。因此在观察之前要进行导电处理，使样品表面导因此在观察之前要进行导电处理，使样品表面导电。常用的导电方法有以下几种：电。常用的导电方法有以下几种：(一一)金属镀膜法金属镀膜法 1真空镀膜法真空镀膜法 真空镀膜法是利用真空真空镀膜法是利用真空 膜仪进行的。其原理是在膜仪进行的。其原理是在高真空状态下把所要喷镀的金属加热，当加热到高真空状态下把所要喷镀的金属加热，当加热到熔点以上时，会蒸发成极细小的颗粒喷射到样品熔点以上时，会蒸发成极细小的颗粒喷射到样品上，在样品表面形成一层金属膜，使样品导电。上，在样品表面形成一层金属膜，使样品导电。l喷镀用
6、的金属材料应选择熔点低、化学性能稳定、喷镀用的金属材料应选择熔点低、化学性能稳定、在高温下和钨不起作用以及有高的二次电子产生在高温下和钨不起作用以及有高的二次电子产生率、膜本身没有结构。现在一般选用金或金和碳。率、膜本身没有结构。现在一般选用金或金和碳。为了获得细的颗粒，有用铂或用金为了获得细的颗粒，有用铂或用金钯、铂钯、铂钯钯合金的。金属膜的厚度一般为合金的。金属膜的厚度一般为10nm20nm。真。真空镀膜法所形成的膜，金属颗粒较粗，膜不够均空镀膜法所形成的膜，金属颗粒较粗，膜不够均匀，操作较复杂并且费时，目前已经较少使用。匀，操作较复杂并且费时，目前已经较少使用。l2离子溅射镀膜法离子溅射
7、镀膜法 和真空镀膜法比较，离子溅射镀膜法具有以下优和真空镀膜法比较，离子溅射镀膜法具有以下优点：点：(1)由于从阴极上飞溅出来的金属粒子的方由于从阴极上飞溅出来的金属粒子的方向是不一致的，因而金属粒子能够进入到样品表向是不一致的，因而金属粒子能够进入到样品表面的缝隙和凹陷处，使样品表面均匀地镀上一层面的缝隙和凹陷处，使样品表面均匀地镀上一层金属膜，对于表面凹凸不平的样品，也能形成很金属膜，对于表面凹凸不平的样品，也能形成很好的金属膜，且颗粒较细。好的金属膜，且颗粒较细。(2)受辐射热影响较受辐射热影响较小，对样品的损伤小。小，对样品的损伤小。(3)消耗金属少。消耗金属少。(4)所需所需真空度低
8、，节省时间。真空度低，节省时间。l(二二)组织导电法组织导电法 用金属镀膜法使样品表面导电，需要特殊的设备，用金属镀膜法使样品表面导电，需要特殊的设备，操作比较复杂，同时对样品有一定程度的损伤。操作比较复杂，同时对样品有一定程度的损伤。为了克服这些不足，有人采用组织导电法为了克服这些不足，有人采用组织导电法(又称又称导电染色法导电染色法)，即利用某些金属，即利用某些金属 溶液对生物样品溶液对生物样品中的蛋白质、脂类和醣类等成分的结合作用，使中的蛋白质、脂类和醣类等成分的结合作用，使样品表面离子化或产生导电性能好的金属盐类化样品表面离子化或产生导电性能好的金属盐类化合物，从而提高样品耐受电子束轰
9、击的能力和导合物，从而提高样品耐受电子束轰击的能力和导电率。电率。l 四、扫描电镜观察四、扫描电镜观察 图图9-2 扫描电子显微镜扫描电子显微镜(SEM)l成像与原理光学显微镜一样，只是光学显成像与原理光学显微镜一样，只是光学显微镜用可见光作照明束，而透射电子显微微镜用可见光作照明束，而透射电子显微镜则以电子作为照明束镜则以电子作为照明束l分辨率约为分辨率约为1nm左右左右l用于用于 研究纳米材料的结晶情况，观察纳米研究纳米材料的结晶情况，观察纳米粒子的形貌、分散情况，粒子的形貌、分散情况，测量和评估纳米测量和评估纳米粒子的粒径。粒子的粒径。l必须对电子束是透明的，通常样品观察必须对电子束是透
10、明的，通常样品观察区域厚度控制在区域厚度控制在100-200nml支持膜分散粉末法：采用对电子束是透支持膜分散粉末法：采用对电子束是透明的支持膜；常用的支持膜有火棉胶膜明的支持膜；常用的支持膜有火棉胶膜和碳膜，将支持膜放在铜网上，再把粉和碳膜，将支持膜放在铜网上，再把粉末放在支持膜上送入电镜分析。末放在支持膜上送入电镜分析。图图9-1 纳米微球透射电镜图纳米微球透射电镜图(TEM)图图9-2 纳米微球透射电镜图纳米微球透射电镜图(TEM)l包包 括：括：l扫描隧道电子显微镜扫描隧道电子显微镜l原子力显微镜原子力显微镜l扫描力显微镜扫描力显微镜l弹道电子发射显微镜弹道电子发射显微镜l扫描近场光学
11、显微镜扫描近场光学显微镜l扫描热显微镜扫描热显微镜l磁力显微镜磁力显微镜l光子扫描隧道显微镜等光子扫描隧道显微镜等 原子力显微镜原子力显微镜AFM原理：通过测量扫描探针和样品表面间原理：通过测量扫描探针和样品表面间的相互作用力，获得表面点力的图。的相互作用力，获得表面点力的图。图图9-3 原子力显微镜图原子力显微镜图图图9-3 原子力显微镜图原子力显微镜图l用于测定粒子内部晶态及非晶态结构用于测定粒子内部晶态及非晶态结构根据晶体对根据晶体对X射线的衍射特征衍射线的位置、射线的衍射特征衍射线的位置、强度及数量来鉴定结晶物质之物相的方法，就强度及数量来鉴定结晶物质之物相的方法，就是是X射线物相分析
12、法。射线物相分析法。每一种结晶物质都有各自独特的化学组成和晶体结构。每一种结晶物质都有各自独特的化学组成和晶体结构。没有任何两种物质，它们的晶胞大小、质点种类及其没有任何两种物质，它们的晶胞大小、质点种类及其在晶胞中的排列方式是完全一致的。因此，当在晶胞中的排列方式是完全一致的。因此，当X射线射线被晶体衍射时，每一种结晶物质都有自己独特的衍射被晶体衍射时，每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样，它们的特征可以用各个衍射晶面间距花样，它们的特征可以用各个衍射晶面间距d和衍射线和衍射线的相对强度的相对强度II0来表征。其中晶面间距来表征。其中晶面间距d与晶胞的形状与晶胞的形状和大小有关，相对强度则与
13、质点的种类及其在晶胞中和大小有关，相对强度则与质点的种类及其在晶胞中的位置有关。所以任何一种结晶物质的衍射数据的位置有关。所以任何一种结晶物质的衍射数据d和和II0是其晶体结构的必然反映，因而可以根据它们来是其晶体结构的必然反映，因而可以根据它们来鉴别结晶物质的物相。鉴别结晶物质的物相。1020304050602 theta(degree)PEGDAGNP 贮存3个月PEGSAGNP 贮存3个月PEGDAGNP 贮存8个月PEGSAGNP 贮存8个月图图9-4 X-射线衍射图射线衍射图l紫外可见光谱法紫外可见光谱法 UV-Visl傅里叶变换红外光谱法傅里叶变换红外光谱法 FTIRl核磁共振谱核
14、磁共振谱 1H NMR,13C NMRl穆斯堡尔谱学穆斯堡尔谱学l有机质谱法有机质谱法 OMS9.4.1 紫外紫外-可见吸收光谱法概述可见吸收光谱法概述分子的紫外分子的紫外-可见吸收光谱法是基于分子内电可见吸收光谱法是基于分子内电子跃迁产生的吸收光谱进行分析的一种常用的子跃迁产生的吸收光谱进行分析的一种常用的光谱分析法。分子在紫外光谱分析法。分子在紫外-可见区的吸收与其可见区的吸收与其电子结构紧密相关。紫外光谱的研究对象大多电子结构紧密相关。紫外光谱的研究对象大多是具有共轭双键结构的分子。如是具有共轭双键结构的分子。如图图9.5，胆甾，胆甾酮（酮（a）与异亚丙基丙酮（）与异亚丙基丙酮（b）分子
15、结构差异）分子结构差异很大，但两者具有相似的紫外吸收峰。两分子很大，但两者具有相似的紫外吸收峰。两分子中相同的中相同的O=C-C=C共轭结构是产生紫外吸收共轭结构是产生紫外吸收的关键基团。的关键基团。图图9-5 生色团对分子紫外吸收的影响生色团对分子紫外吸收的影响紫外紫外-可见以及近红外光谱区域的详细划分如图可见以及近红外光谱区域的详细划分如图9.6 所示。紫外所示。紫外-可见光区一般用波长（可见光区一般用波长（nm）表示。）表示。其研究对象大多在其研究对象大多在200-380 nm的近紫外光区和的近紫外光区和/或或380-780 nm的可见光区有吸收。紫外的可见光区有吸收。紫外-可见吸收可见
16、吸收测定的灵敏度取决于产生光吸收分子的摩尔吸光测定的灵敏度取决于产生光吸收分子的摩尔吸光系数。该法仪器设备简单系数。该法仪器设备简单,应用十分广泛。如医应用十分广泛。如医院的常规化验中，院的常规化验中，95%的定量分析都用紫外的定量分析都用紫外-可可见分光光度法。在化学研究中，如平衡常数的测见分光光度法。在化学研究中，如平衡常数的测定、求算主定、求算主-客体结合常数等都离不开紫外客体结合常数等都离不开紫外-可见可见吸收光谱。吸收光谱。图图9.6 紫外紫外-可见光谱区域可见光谱区域将紫外吸收的波长将紫外吸收的波长确定在确定在200-800 nm，分别对空白载体的分别对空白载体的水溶液、胭脂红的水
17、溶液、胭脂红的水溶液、亮蓝的水水溶液、亮蓝的水溶液进行扫描。结溶液进行扫描。结果表明，胭脂红在果表明，胭脂红在510 nm处有较大吸处有较大吸收，亮蓝在收，亮蓝在627 nm处有较大吸收处有较大吸收9.4.2 傅立叶变换红外光谱傅立叶变换红外光谱 FTIR 一、基本原理一、基本原理傅立叶变换红外光谱仪被称为第三代红外光谱仪，傅立叶变换红外光谱仪被称为第三代红外光谱仪，利用麦克尔逊干涉仪将两束光程差按一定速度变化的利用麦克尔逊干涉仪将两束光程差按一定速度变化的复色红外光相互干涉，形成干涉光，再与样品作用。复色红外光相互干涉，形成干涉光，再与样品作用。探测器将得到的干涉信号送入到计算机进行傅立叶变
18、探测器将得到的干涉信号送入到计算机进行傅立叶变化的数学处理，把干涉图还原成光谱图。化的数学处理，把干涉图还原成光谱图。1804和和1740 cm-1处出现了两个吸收峰，是由羰基伸缩振动引处出现了两个吸收峰，是由羰基伸缩振动引起的，这说明了产物中酸酐键的存在；起的，这说明了产物中酸酐键的存在；1638 cm-1处的吸收峰处的吸收峰则是用双键伸缩振动引起的则是用双键伸缩振动引起的 HHH3COCH2CH2(CH2)4CH2CH2OOOCH3OOHHabcdefabcdef氢的核磁共振谱提供氢的核磁共振谱提供了三类极其有用的信了三类极其有用的信息：息：化学位移、耦合化学位移、耦合常数、积分曲线常数、
19、积分曲线。应。应用这些信息，可以推用这些信息，可以推测质子在碳胳上的位测质子在碳胳上的位置置化化学学位移位移(chemical shift,(chemical shift,以以表示表示 )起源起源于于原原子核周子核周围围的的电子运动电子运动所造成所造成对对磁磁场感应场感应的的遮蔽遮蔽效效应应(shielding effect)(shielding effect)致使其致使其讯号偏离标准讯号偏离标准的共振的共振频频率。不同官能基的原子核即率。不同官能基的原子核即会会因遮蔽效因遮蔽效应应不同而不同而呈现呈现出不同之化出不同之化学学位移值。原子的位移值。原子的负电性负电性越大，因越大，因拉拉电电子效
20、子效应应造成造成质质子附近的子附近的电电荷密度荷密度会会降低，遮蔽降低，遮蔽效效应减应减少，使光少，使光谱谱向左移向左移(低磁低磁场场或高或高频频率率 )，化，化学学位移位移会会增大。化增大。化学学位移可提供分子位移可提供分子结构信结构信息，息，温温度改变度改变、产产生生结构等结构等因素因素会会造成化造成化学学位移的改位移的改变变，化化学学位移的位移的单单位位为为ppm ppm 将将TMS TMS 加入加入样样品中品中 因因SiSi比比C C有有较较小的小的电负性电负性 TMSTMS的的氢氢原子有原子有较较大的遮蔽效大的遮蔽效应应 將將TMSTMS的的信号定为信号定为0 ppm0 ppm 一般
21、一般有机有机化合物的化合物的氢氢原子原子信号会于信号会于 TMSTMS的左方的左方出现出现H3CSiCH3CH3CH3Spectrumdown fieldup fielddeshieldingshieldinghigh frequencylow frequencyNMR谱图的横轴谱图的横轴当当自旋自旋体体存在自旋存在自旋-自旋耦合自旋耦合时时，核磁共振，核磁共振谱谱线发线发生分裂。生分裂。测测量分裂峰量分裂峰间的间的距距离离，称为称为耦耦合常合常数数(以以J J表示表示 )。单单位位为为Hz(Hz(周周/秒秒 )。耦合常耦合常数显数显示示两个两个核之核之间间作用的強弱，作用的強弱，与与外外加磁
22、加磁场大场大小小无关无关，主要取，主要取决于临近决于临近原子原子键结键结的的远远近及在空近及在空间间中之中之夹夹角角关系关系。耦合常耦合常数数(coupling constant)探头探头匀场线圈匀场线圈氮出口氮出口氦出口氦出口200 MHz4.69 Tesla300 MHz7.05 Tesla液氮层液氮层液氦液氦层层真空真空层层真空真空层层Spinner(旋转器旋转器)样品样品线圈中心点线圈中心点底盘底盘样品深度计样品深度计最低样品高度最低样品高度18 mm for 5mm probel主要包括：主要包括：l差热分析差热分析 DTA:差热分析是在程序控制温度下，差热分析是在程序控制温度下，测量试样与参比物（一种在测量温度范围内不测量试样与参比物（一种在测量温度范围内不发生任何热效应的物质）之间的温度差与温度发生任何热效应的物质）之间的温度差与温度关系的一种技术。关系的一种技术。l示差扫描热分析示差扫描热分析 DSC:测量试样与参比物温度测量试样与参比物温度保持一致时两者所需热量补偿的变化保持一致时两者所需热量补偿的变化l热重分析热重分析 TGA:升温过程中升温过程中,发生升华发生升华汽化汽化分分解等变化时解等变化时,重量变化重量变化
