专栏名称: 实验与分析

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【干货】材料表征仪器知识大汇总

实验与分析 · 公众号 · 科研 · 2021-02-27 10:10

正文

当前，材料分析测试技术和仪器设备众多，并且各有优点，随其应用范围愈广，现有的测试表征手段越来越不能满足要求，发展新的表征方法、测试技术势在必行。就目前的现状，小析姐汇总了材料表征和性能测试过程中用到的所有仪器设备，供大家参考。

裂解色谱仪

效果： 得到聚合物材料的结构。

原理： 当样品在严格控制的操作条件下迅速加热时，会遵循一定的规律裂解，它能将不挥发的分子加热分解得到适合色谱分析的可挥发的小分子碎片，然后进入色谱柱和检测器进行分离、检测和谱图记录。

适合分析材料： 多用于分子量大、难挥发物质的分析。

优点： 裂解气相色谱具有灵敏、快速、分离效率高、表征性强等优点。

X射线衍射仪（XRD）

效果： 样品的成分，尤其是晶体结构的材料，可以测得晶体的点阵常数，组成以及定量计算和模拟等。

原理： 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，这些很大数目的原子或离子/分子所产生的相干散射将会发生光的干涉作用，从而影响散射的X射线的强度增强或减弱。由于大量原子散射波的叠加，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=λ，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。点击免费下载18款超实用软件轻松搞科研，都是必备的。

光学显微镜(OM)原理： 利用可见光照射在试片表面造成局部散射或反射来形成不同的对比，因为可见光的波长高达4000~7000埃，在解析度 (或谓鉴别率、解像能，指两点能被分辨的最近距离) 的考量上，自然是最差的。

适合分析材料： 精确测定物质的晶体结构，织构及应力，精确的进行物相分析，定性分析，定量分析。

应用领域： 广泛应用于冶金，石油，化工，科研，航空航天，教学，材料生产等领域。

注意事项： 材料制备简单，只是材料尺寸不要太大，符合样品台标准就可以。

核磁共振仪（NMR）

效果： 它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一。还可用于化学动力学方面的研究，如分子内旋转，化学交换等。

原理： 在外磁场中，具有核磁矩的原子核，吸收射频能量，产生核自旋能级的跃迁。

适合分析材料： 可对液态和固态分子进行无损和定量研究，还可以研究生物方面。

注意事项： 分为液体核磁和固体核磁。

气相色谱-质谱联用仪（GC-MS），液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）

效果： 质谱一般联用气相、液相更为有用，用于分析有机小分子成分，有强大的谱库可以定性和定量分析样品组成。

原理： 色谱法用于对有机化合物进行分离分析，并可以进行定量分析；质谱法可以进行有效的定性分析。因此，这两者的有效结合将可以成为一个进行复杂有机化合物高效的定性、定量分析工具。

适合分析材料： 复杂有机化合物的分离与鉴定。

应用领域： 药物分析、食品分析和环境分析等许多领域。

注意事项： 对样品极性、溶解性和气化温度等有要求。

电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS），电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）等

效果： 可以精确得到样品中某种无机金属元素含量，特别是微量金属元素含量。

适合分析材料： 高纯有色金属及其合金；金属材料、电源材料、贵金属，电子、通讯材料及其包装材料；医疗器械及其包装材料。

应用领域： 冶金、地矿、建材、机械、化工、农业、环保、食品和医药等多种领域。

注意事项： 需将样品首先溶解在溶液中，常用硝酸、盐酸、王水、其他各种有机酸作为溶解酸，得保证样品中的重金属可以溶。

扫描电镜能谱仪（EDS）

效果： 可以定性定量分析样品中元素，虽然有机元素如C、N、O等也可以分析，但对元素序数更大的无机元素分析更为精确。

原理： 各种元素具有自己的X射线特征波长，特征波长的大小则取决于能级跃迁过程中释放出的特征能量△E，能谱仪就是利用不同元素X射线光子特征能量不同这一特点来进行成分分析的。点击免费下载18款超实用软件轻松搞科研，都是必备的。

适合分析材料：

高分子、陶瓷、混凝土、生物、矿物、纤维等无机或有机固体材料分析；

金属材料的相分析、成分分析和夹杂物形态成分的鉴定；

可对固体材料的表面涂层、镀层进行分析，如：金属化膜表面镀层的检测；

金银饰品、宝石首饰的鉴别，考古和文物鉴定，以及刑侦鉴定等领域；

进行材料表面微区成分的定性和定量分析，在材料表面做元素的面、线、点分布分析。

注意事项： EDS是SEM或TEM的附件，样品需按照SEM或TEM制样要求进行制备，所以制样要求较高。

电子能量损失谱仪（EELS）

效果： 可以定性定量分析样品中元素，范围较EDS更大，同时分辨率较EDS高好几个数量级，做MAPPING分析时真正在纳米尺度上可以表征元素的分布。

原理： 利用入射电子束在试样中发生非弹性散射，电子损失的能量DE直接反映了发生散射的机制、试样的化学组成以及厚度等信息，因而能够对薄试样微区的元素组成、化学键及电子结构等进行分析。

适合分析材料： 由于低原子序数元素的非弹性散射几率相当大，因此EELS技术特别适用于薄试样低原子序数元素如碳、氮、氧、硼等的分析。

注意事项： EELS对TEM配置要求更高，一般TEM不含该附件，不是通用测试手段。

热重分析仪-热分析-傅立叶转换红外线光谱仪（TGA-DSC-FTIR），气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）

效果： 仪器联用，TGA可以对有机无机样品重量随温度变化进行记录，表征样品热稳定性，定量分析样品组成等，联用DSC可以分析样品随温度变化热焓效应，分析样品熔点，分界点，化学反应热量等，联用红外或气质可以分析热分解产物成分。

注意事项： 单独TGA样品用量5~10mg，但膨胀性样品用量必须减少，储能材料、炸药等不能做TGA或者只能用极微量样品测试，联用红外或气质需适当增加样品用量降低信噪比和本底干扰。

原子力显微镜（AFM），原子力显微镜-红外联用（AFM-IR联用）

效果： AFM可以对样品表面形貌进行真正意义上的三维分析，AFM和红外联用可以同时对AFM图上任意一个区域进行红外官能团分析，做官能团的mapping，对复合材料、多层材料、微观相分离物质非常有效。

原理： 将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。

激光检测原子力显微镜/AFM/AFM探针工作示意图

What is FIB？

FIB（聚焦离子束，Focused Ion beam)是将液态金属(Ga)离子源产生的离子束经过离子枪加速,聚焦后照射于样品表面产生二次电子信号取得电子像.此功能与SEM（扫描电子显微镜）相似,或用强电流离子束对表面原子进行剥离,以完成微、纳米级表面形貌加工.通常是以物理溅射的方式搭配化学气体反应，有选择性的剥除金属,氧化硅层或沉积金属层。

What is HRTEM?

HRTEM(High Resolution Transmission Electron Microscopy )就是高分辨率的透射电镜，它只是分辨率比较高，所以一般透射电镜能做的工作它也能做，但高分辨电镜物镜极靴间距比较小，所以双倾台的转角相对于分析型的电镜要小一些。 HRTEM是透射电镜的一种，将晶面间距通过明暗条纹形象的表示出来。通过测定明暗条纹的间距，然后与晶体的标准晶面间距d对比，确定属于哪个晶面。这样很方便的标定出晶面取向，或者材料的生长方向。用HRTEM研究纳米颗粒可以通过结合高分辨像和能谱分析结果来得到颗粒的结构和成分信息。

注意事项： 样品要求必须平整光滑，否则可能损坏探针，与红外联用时需保证样品不含水。

比表面积测试仪（BET）

效果： 分析多孔材料比表面积，孔型，孔径，孔分布等，催化、粉体制备等领域常用仪器。

原理： 气体吸附法是依据气体在固体表面的吸附特性，在一定压力下，被测样品（吸附剂）表面在超低温下对气体分子（吸附质）的可逆物理吸附作用，并对应一定压力存在确定的平衡吸附量。通过测定平衡吸附量，利用理论模型等效求出被测样品的比表面积。

应用领域： 比表面测试仪广泛应用于石墨、电池、稀土、陶瓷、氧化铝、化工等行业及高校粉体材料的研发、生产、分析、监测环节。

注意事项： 由于实际样品外表面的不规则性，该方法测定的是吸附质分子所能到达的颗粒外表面和内部通孔总表面积之和。

N 2 吸附脱附等温线（BET）分析和孔径分析

N2吸附平衡等温线是以恒温条件下吸附质在吸附剂上的吸附量为纵坐标，以压力为横坐标的曲线。通常用相对压力P/P0表示压力；P为气体的真实压力P0为气体在测量温度下的饱和蒸汽压。吸附平衡等温线分为吸附和脱附两部分。平衡等温线的形状与材料的孔组织结构有着密切的关系。

我们惯用的是IUPAC的吸附等温线6种分类，类型I表示在微孔吸附剂上的吸附情况；类型II表示在大孔吸附剂上的吸附情况，此处吸附质与吸附剂间存在较强的相互作用；类型III表示为在大孔吸附剂上的吸附情况，但此处吸附质分子与吸附剂表面存在较弱的相互作用，吸附质分子之间相互作用对吸附等温线有较大影响；类型IV是有毛细凝结的单层吸附情况；类型V是有毛细凝结的多层吸附情况；类型VI是表面均匀非多孔吸附剂上的多层吸附情况。毛细凝结现象，又称吸附的滞留回环，亦称作吸附的滞后现象。吸附等温曲线与脱附等温曲线的互不重合构成了滞留回环。这种现象多发生在介孔结构的吸附剂当中。

吸附等温曲线分类图(IUPAC)

IUPAC将吸附等温线滞留回环的现象分为4种情况。

第一种H1情况，滞留回环比较窄，吸附与脱附曲线几乎是竖直方向且近乎平行。这种情况多出现在通过成团或压缩方式形成的多孔材料中，这种材料有着较窄的孔径分布。

第二种H2情况，滞留回环比较宽大，脱附曲线远比吸附曲线陡。这种情况多出现在具有较多样的孔型和较宽的孔径分布的多孔材料当中。

第三种H3情况，滞留回环的吸附分支曲线在较高相对压力作用下也不表现极限吸附量，吸附量随着压力的增加而单调递增，这种情况多出现在具有狭长裂口型孔状结构的片状材料当中。

第四种H4情况，滞留回环也比较狭窄，吸附脱附曲线也近乎平行，但与H1不同的是两分支曲线几乎是水平的。

凝胶渗透色谱仪（GPC）

效果： 聚合物材料常用表征，可测出聚合物几种分子量，但需根据自身样品特点选择不同的填充柱和溶剂。

原理： 让被测量的高聚物溶液通过一根内装不同孔径的色谱柱，柱中可供分子通行的路径有粒子间的间隙（较大）和粒子内的通孔（较小）。当聚合物溶液流经色谱柱时，较大的分子被排除在粒子的小孔之外，只能从粒子间的间隙通过，速率较快；而较小的分子可以进入粒子中的小孔，通过的速率要慢得多。经过一定长度的色谱柱，分子根据相对分子质量被分开，相对分子质量大的在前面（即淋洗时间短），相对分子质量小的在后面（即淋洗时间长）。自试样进柱到被淋洗出来，所接受到的淋出液总体积称为该试样的淋出体积。当仪器和实验条件确定后，溶质的淋出体积与其分子量有关，分子量愈大，其淋出体积愈小。

应用领域： 小分子物质的分离和鉴定，还可以用来分析化学性质相同分子体积不同的高分子同系物。

注意事项： 相对分子质量相近而化学结构不同的物质，不能通过凝胶渗透色谱法达到完全分离纯化，相对分子质量相差需在10%以上才能得到分离。

离子色谱仪

效果： 对阴离子如F ^- 、 Cl ^- 、 Br ^- 、 NO ^2- 、 NO ^3- 等和阳离子如 Li ⁺ 、 Na ⁺ 、 NH4 ⁺ 等进行定性定量分析，与ICP等手段组合应用是分析利器。

原理： 分离的原理是基于离子交换树脂上可离解的离子与流动相中具有相同电荷的溶质离子之间进行的可逆交换和分析物溶质对交换剂亲和力的差别而被分离。适用于亲水性阴、阳离子的分离。例如用NaOH作淋洗液，分离样品中的 F - 、 Cl - 和 SO 4 2- 几个阴离子，样品溶液进样之后，首先与分析柱发生吸附，保留在柱子上。随后用NaOH作淋洗液分析样品中的阴离子，保留在柱上的阴离子即被淋洗液中的 OH ^- 基置换并从柱上被洗脱。对树脂亲和力弱的分析物离子先于对树脂亲和力强的分析物离子依次被洗脱，这就是离子色谱分离过程，随后使用检测器检测即可。

应用领域： 离子色谱主要用于环境样品的分析，包括地面水、饮用水、雨水、生活污水和工业废水、酸沉降物和大气颗粒物等样品中的阴、阳离子，与微电子工业有关的水和试剂中痕量杂质的分析。另外在食品、卫生、石油化工、水及地质等领域也有广泛的应用。

激光粒度仪

效果： 分析颗粒样品粒径、粒径分布等。

原理： 激光粒度仪是通过颗粒的衍射或散射光的空间分布（散射谱）来分析颗粒大小的仪器，采用Furanhofer衍射及Mie散射理论，测试过程不受温度变化、介质黏度，试样密度及表面状态等诸多因素的影响，只要将待测样品均匀地展现于激光束中，即可获得准确的测试结果。

应用领域： 建材、化工、冶金、能源、食品、电子、地质、军工、航空航天、机械、高校、实验室，研究机构等。

有机元素分析仪

效果： 定量分析C、H、O、N、S等几种有机样品中常见元素，是分析常用手段。

原理： CHNS测定模式下，样品在可熔锡囊或铝囊中称量后，进入燃烧管在纯氧氛围下静态燃烧。燃烧的最后阶段再通入定量的动态氧气以保证所有的有机物和无机物都完全燃烧。如使用锡制封囊，燃烧最开始时发生的放热反应可将燃烧温度提高到1800°C，进一步确保燃烧反应完全。

样品燃烧后的产物通过特定的试剂后形成CO 2 、H 2 O、N 2 和氮氧化物，同时试剂将一些干扰物质，如卤族元素、S和P等去除。随后气体进入还原管，去除过量的氧并将氮氧化物还原成N 2 ，而后通过吹扫捕集吸附柱或者气相色谱柱实现气体分离，然后进入热导检测器。

测定O的方法则主要是裂解法，样品在纯氦氛围下热解后与铂碳反应生成CO，然后通过热导池的检测，最终计算出氧的含量。

适合分析材料： 在研究有机材料及有机化合物的元素组成等方面具有重要作用。

应用领域： 广泛应用于土壤、化工、环境、食品行业。

其他光谱仪如红外、紫外、拉曼、荧光等

其他光谱仪如红外、紫外、拉曼、荧光等分别适用于不同类型样品，可做定性定量表征手段。

傅里叶-红外光谱仪

全名为Fourier Transform Infrared Spectrometer，FTIR Spectrometer，是基于对干涉后的红外光进行傅里叶变换的原理而开发的红外光谱仪，主要由红外光源、光阑、干涉仪（分束器、动镜、定镜）、样品室、检测器以及各种红外反射镜、激光器、控制电路板和电源组成。

光源发出的光被分束器（类似半透半反镜）分为两束，一束经透射到达动镜，另一束经反射到达定镜。两束光分别经定镜和动镜反射再回到分束器，动镜以一恒定速度作直线运动，因而经分束器分束后的两束光形成光程差，产生干涉。干涉光在分束器会合后通过样品池，通过样品后含有样品信息的干涉光到达检测器，然后通过傅里叶变换对信号进行处理，最终得到透过率或吸光度随波数或波长的红外吸收光谱图。

傅里叶红外光谱仪不同于色散型红外分光的原理，可以对样品进行定性和定量分析，广泛应用于医药化工、地矿、石油、煤炭、环保、海关、宝石鉴定、刑侦鉴定等领域。

傅里叶-红外光谱仪可检验金属离子与非金属离子成键、金属离子的配位等化学环境情况及变化。

拉曼光谱

拉曼光谱是分子的非弹性光散射现象所产生，非弹性光散射现象是指光子与物质分析发生相互碰撞后，在光子运动方向发生改变的同时还发生能量的交换(非弹性碰撞)。拉曼光谱产生的条件是某一简谐振动对应于分子的感生极化率变化不为零时，拉曼频移与物质分子的转动和振动能级有关，不同物质有不同的振动和转动能级，同时产生不同拉曼频移‘拉曼光谱具有灵敏度高、不破坏样品、方便快速等优点。

拉曼光谱是一种研究物质结构的重要方法，特别是对于研究低维纳米材料，它已经成为首选方法之一。

丙酮的拉曼光谱图

拉曼信号的选择： 入射激光的功率，样品池厚度和光学系统的参数也对拉曼信号强度有很大的影响，故多选用能产生较强拉曼信号并且其拉曼峰不与待测拉曼峰重叠的基质或外加物质的分子作内标加以校正。其内标的选择原则和定量分析方法与其他光谱分析方法基本相同。斯托克斯线能量减少，波长变长，斯托克斯线能量增加，波长变短。

利用拉曼光谱可以对材料进行分子结构分析、理化特性分析和定性鉴定等，可揭示材料中的空位、间隙原子、位错、晶界和相界等方面信息。

材料（固液粉）元素定性定量分析

X射线荧光分析仪

效果： 确定物质中微量元素的种类和含量的一种方法。

原理： 不同元素发出的特征X射线能量和波长各不相同，因此通过对X射线的能量或者波长的测量即可知道它是何种元素发出的，进行元素的定性分析。同时样品受激发后发射某一元素的特征X射线强度跟这元素在样品中的含量有关，因此测出它的强度就能进行元素的定量分析。点击免费下载18款超实用软件轻松搞科研，都是必备的。

应用领域： 广泛用于冶金、地质、矿物、石油、化工、生物、医疗、刑侦、考古等诸多部门和领域。

微观原子排布结构

仪器：3DAP/APT（三维原子探针）

效果： 具有原子级空间分辨率的测量和分析设备，能够同时给出材料内部结构的三维形貌和化学成分。

原理： 原子探针是基于场发射原理制成的。在超高真空及液氮冷却试样条件下，在针尖试样上施加足够的正高压，试样表面原子开始形成离子并离开针尖表面。这称为场发射。有两种物理模型(镜象势垒和电荷交换模型)描述场蒸发过程，认为针尖试样表面在电场(F)作用下使原子获得活化能(Q)，克服金属表面势垒而离开表面。这时离子便在无场管道中飞向探测器。探测器输出二维原子位置信号，另外通过飞行时间质谱仪测量离子的飞行时间以鉴别其单个原子化学成分。通过软件重构还原材料的三维原子分布信息。

适合分析材料： 专门应对材料研发中纳米尺度的分析测试难题，特别适合于研究时效早期的小结构（沉淀、团簇、GP区等）以及各种内界面（晶界、相界、多层膜结构中的层间界面等），例如，元素在界面附近的偏聚行为，又比如沉淀相或团簇结构的尺寸、成份及分布等等。

应用领域： 从纯学术研究到汽车、航空发动机、核设施、半导体芯片、LED、光伏材料等等应用科学甚至直接的生产过程监控。

表征大孔材料孔径分布

效果： 因氮气吸附测试只能局限于测中微孔分布，大孔材料一般利用压汞测试来测量。

原理： 汞对大多数固体材料具有非润湿性，需外加压力才能进入固体孔中，对于圆柱型孔模型，汞能进入的孔的大小与压力符合Washburn方程，控制不同的压力，即可测出压入孔中汞的体积，由此得到对应于不同压力的孔径大小的累积分布曲线或微分曲线。 Washburn 方程： h ₂ = crσ · cosθ·t (2η) ^-1 ，式中c为毛细管形状系数；r为平均毛细管半径；指定体系的cr为定值，称为形式半径；σ为液体的表面张力；η为液体粘度。

适合分析材料： 大孔材料。

应用领域： 压汞仪用来测定粉末和固体重要的物理特性，如孔径分布、总孔体积、总孔表面积、中值孔径、样品的密度（真密度和堆密度）、流体导电性和机械性能。

X射线衍射物相分析

粉末X射线衍射法，除了用于对固体样品进行物相分析外，还可用来测定晶体结构的晶胞参数、点阵型式及简单结构的原子坐标。

X射线衍射分析用于物相分析的原理是:由各衍射峰的角度位置所确定的晶面间距d以及它们的相对强度Ilh是物质的固有特征。而每种物质都有特定的晶胞尺寸和晶体结构，这些又都与衍射强度和衍射角有着对应关系，因此，可以根据衍射数据来鉴别晶体结构。此外，依据XRD衍射图，利用Schererr公式：

K为Scherrer常数、D为晶粒垂直于晶面方向的平均厚度、B为实测样品衍射峰半高宽度、θ为衍射角、γ为X射线波长，为0.154056nm，其中，若B为衍射峰的半高宽，则K=0.89；若B为衍射峰的积分高宽，则K=1。在计算的过程中，需转化为弧度（rad）；由X射线衍射法测定的是粒子的晶粒度。

扫描隧道显微镜(STM)

基本原理： 扫描穿隧显微术是利用“穿隧效应”的原理，当探针与样品间距离很小时，在两者之间加上微小电压，则电子就会在样品与探针间形成穿隧电流。

扫描隧道显微镜有原子量级的高分辨率，其平行和垂直于表面方向的分辨率分别为0.1 nm和0.01nm，即能够分辨出单个原子，因此可直接观察晶体表面的近原子像；其次是能得到表面的三维图像，可用于测量具有周期性或不具备周期性的表面结构。通过探针可以操纵和移动单个分子或原子，按照人们的意愿排布分子和原子，以及实现对表面进行纳米尺度的微加工，同时，在测量样品表面形貌时，可以得到表面的扫描隧道谱，用以研究表面电子结构。

扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。就如同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要被分析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成）。一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流从探针流出，通过整个材料，到底层表面。当探针通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同，这些变化被记录下来。电流在流过一个原子的时候有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。在许多的流通后，通过绘出电流量的波动，人们可以得到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片。点击免费下载18款超实用软件轻松搞科研，都是必备的。

【干货】材料表征仪器知识大汇总

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