现代分析测试方法与技术精要

本书从必要的基础理论知识和仪器结构与工作原理介绍入手，对仪器的技术性能特点、适用范围、实验技术作较为详细的论述，并探讨了测试影响因素和参数优化途径，对测试中常见问题给出建议。 涵盖光谱、色谱-质谱联用、波谱、X射线等化学分析类仪器，和物性分析类仪器，以及电子光学类仪器等，期望对现代分析测试表征手段作较为全面的介绍。 光谱部分收入荧光/磷光光谱仪和激光拉曼光谱仪；色谱-质谱联用分析仪部分讨论了气-质联用仪和液-质联用仪；波谱仪部分对高场核磁共振波谱仪和低场核磁共振波谱仪两种波谱仪进行了较详细的性能介绍并加以比较；X射线类仪器主要包括理论与技术都非常成熟的粉末X射线衍射仪、表面分析重要利器X射线光电子能谱仪和近年来在软物质结构表征方面大展身手的小角X射线散射仪。物性分析方面仪器选择了动态/静态激光光散射仪、比表面和孔径分布分析仪、化学吸附仪、旋转流变仪、动态热机械分析仪、热重分析仪、差示扫描量热仪，以应对物质材料物性多样性的特点。电子显微镜是材料科学、生命科学等重要的表征工具，由低至高有多个分支。本书着重介绍透射电子显微镜和扫描电子显微镜的基本结构、基础知识以及基本技能，希望助力读者由此进阶更高端电镜。

随着科教兴国战略的提出，国家的教育科研投入显著增加，科研条件得到了逐步改善。目前我国众多高校已拥有了种类繁多、价值不菲的先进仪器设备。其中，用于材料分析表征的测试仪器在高校化学化工、材料科学与工程等专业研究生培养中起到越来越重要的作用。一方面，现代分析测试仪器具有大型、精密、集成、智能的特点，通过对材料光、电、磁等信号的测试能给出物质材料成分、结构、微观形貌、性能等信息。仪器工作原理涉及分析化学、光学、电磁学、晶体学、力学等多学科知识。而另一方面，初进入课题研究的研究生们，无论是本科阶段学习的仪器分析课程内容还是对现代分析测试仪器的认识程度都有限，对仪器的选择以及测试条件的优化显得无从下手。机台管理技术人员的培训和同学间的互助，并不能完全解决好科研工作中的分析表征需求。因此，一本覆盖仪器种类相对全面的入门级学习用书，或许能弥补研究生在现代分析测试仪器与方法方面知识的不足，提升他们的仪器使用技能。
本书共分17章，每章以仪器名称冠名。仪器品类的选择主要参考高等院校主流研究型分析测试仪器；本科阶段课程已列入的，如红外/紫外/原子吸收光谱、色谱类仪器，不在本书讨论之列。本书涵盖了光谱、色谱-质谱联用、波谱、X射线等化学分析类仪器，物性分析类仪器和电子光学类仪器等，期望对现代分析测试表征手段作较为全面的介绍。光谱部分收入荧光/磷光光谱仪和激光拉曼光谱仪；色谱-质谱联用分析仪部分讨论了气-质联用仪和液-质联用仪；波谱仪部分对高场核磁共振和低场核磁共振两种波谱仪进行了较详细的性能介绍并加以比较；X射线类仪器主要包括理论与技术都非常成熟的粉末X射线衍射仪、表面分析重要利器X射线光电子能谱仪和近年来在软物质结构表征方面大展身手的小角X射线散射仪。物性分析类仪器选择了动态/静态激光光散射仪、比表面和孔径分布分析仪、化学吸附仪、旋转流变仪、动态热机械分析仪、热重分析仪、差示扫描量热仪，以应对物质材料物性多样性的特点。电子显微镜是材料科学、生命科学等重要的表征工具，由低至高有多个分支。本书着重介绍透射电子显微镜和扫描电子显微镜的基本结构、基础知识以及基本技能，希望助力读者由此进阶更高端电子显微镜。
本书从必要的基础理论知识和仪器结构与工作原理介绍入手，对仪器的技术性能特点、适用范围、实验技术作较为详细的论述，并探讨了测试影响因素和参数优化途径，对测试中常见问题给出建议。每章后附有参考书目，供读者进一步学习。一些章节介绍了样品制备方法、数据处理方法以及第三方数据处理软件。借此帮助读者选择合适的分析测试表征仪器，顺利建立测试方法。
本书编委是一个充满激情活力的团队，编者由教学科研一线的教师和长期管理大型精密仪器的资深技术人员组成。其中冉国侠负责写作大纲的拟定、人员组织以及最终统稿。本书第1～3章由王婵编写，第4、12、13章由冉国侠编写，第5章由马芸编写，第6章由王小凡、朱相苗编写，第7、8章由宋俊玲编写，第9章由王小凡编写，第10、11章由胥月兵编写，第14～17章由顾瑶编写。书中插图由朱相苗负责。全书经宋启军、顾志国两位教授审阅后最终完成。
本书获得江南大学研究生教材建设项目资助。本书从立项到编写完成，受到江南大学化学与材料工程学院各位领导的支持与鼓励。在此表达诚挚的感谢！
限于水平，书中难免存在疏漏和不当之处，敬请读者不吝指正。
“初心如雪见天地，静候寒去万物生”。

编者      
2023年农历小雪于无锡

冉国侠，江南大学，实验室主任、副研究员。1991年7月获得分析化学专业硕士学位以来，一直从事专业相关工作，涉及实验室管理、化妆品功效成分分析、药物分析、临床药理等领域。目前承担研究生教育工作同时兼具学院中心实验室管理工作。经手包括扫描/透射电镜、粉末X射线衍射仪、核磁共振谱仪、稳态瞬态荧光光谱仪、激光共聚焦拉曼光谱仪、液相色谱等大型精密仪器。作为主要研究人员参与了包括“基于分子印迹识别和铱配合物电致化学发光检测毒品的传感器研究”（国自然基金No.21175060）等多项科研项目研究工作。

本书共分17章，对现代分析测试表征手段作了较为全面的介绍，覆盖17个种类仪器，既包括光谱、色谱、质谱、波谱、X射线等化学分析类仪器，也有流变仪、热分析、粒度分析、表界面物性测试等物性分析类仪器，同时还介绍了电子光学显微镜等。本书以仪器结构和工作原理入手，并提供必要的基础知识，帮助读者理解仪器的性能、了解相应的技术特点及适用范围。
本书可作为高等院校化学、化工、材料科学与工程、食品科学与工程、纺织科学与工程、环境科学与工程等专业研究生和高年级本科生教材，也可供相关专业教师和科技工作者参考。

第1章 荧光/磷光光谱仪
1.1 基本概念 001
1.1.1 光致发光涉及的电子跃迁类型 001
1.1.2 分子电子激发的光物理过程—Jab?oński能级图 004
1.2 分子发光的类型 007
1.2.1 荧光的类型 007
1.2.2 磷光的类型 011
1.3 荧光光谱的基本特征 012
1.3.1 荧光激发光谱和吸收光谱 012
1.3.2 荧光发射光谱 012
1.3.3 斯托克斯位移 013
1.4 荧光/磷光光谱仪组件与结构 013
1.4.1 激发光源 014
1.4.2 单色器和滤光片 015
1.4.3 检测器 016
1.5 实验技术 017
1.5.1 检测条件的选择和优化 017
1.5.2 荧光寿命的测定 019
1.5.3 荧光量子产率的测定 023
参考书目 025

第2章 激光拉曼光谱仪
2.1 拉曼光谱基础知识 026
2.1.1 拉曼散射和拉曼位移 026
2.1.2 拉曼光谱产生的条件 028
2.1.3 拉曼光谱与红外吸收光谱的比较 029
2.1.4 拉曼光谱的偏振与退偏比 031
2.2 激光拉曼光谱仪 032
2.2.1 拉曼光谱仪的主要构成 032
2.2.2 拉曼光谱仪检测条件优化 035
2.2.3 荧光的抑制和消除方法 036
2.3 激光拉曼光谱技术 036
2.3.1 傅里叶变换拉曼光谱 036
2.3.2 显微共焦拉曼光谱 037
2.3.3 拉曼光谱成像 038
2.3.4 偏振拉曼 039
2.3.5 表面增强拉曼光谱 039
参考书目 041

第3章 色谱-质谱联用分析仪
3.1 仪器结构与工作原理 043
3.1.1 质谱法的基本原理 043
3.1.2 质谱仪基本结构 044
3.1.3 GC-MS仪器结构与技术要求 053
3.1.4 LC-MS仪器结构与技术要求 057
3.2 实验技术 062
3.2.1 离子化方法的选择 062
3.2.2 质量分析器的选择 064
3.2.3 影响分辨率和灵敏度的操作条件 065
参考书目 067

第4章 高场核磁共振波谱仪
4.1 核磁共振基础知识 068
4.1.1 原子核自旋现象与核磁共振产生 068
4.1.2 弛豫过程 071
4.1.3 化学位移 073
4.1.4 自旋-自旋耦合—J耦合效应 074
4.1.5 偶极耦合—核间奥氏效应 078
4.1.6 化学等价与磁等价 079
4.2 现代核磁共振波谱仪结构与工作原理 080
4.2.1 核磁共振信号的产生和检测 080
4.2.2 调谐、锁场、匀场技术 081
4.3 常用核磁共振实验介绍 083
4.3.1 一维核磁共振谱 083
4.3.2 二维核磁共振谱 086
4.3.3 水峰抑制实验 091
4.3.4 2D扩散排序谱 092
4.4 实验前准备 093
4.5 数据的基本处理 095
4.5.1 傅里叶变换/相位调整/基线校正/峰位定标 095
4.5.2 MestReNova软件简介 096
参考书目 097

第5章 低场核磁共振波谱仪
5.1 低场核磁共振分析基本原理 098
5.1.1 自旋-晶格弛豫 099
5.1.2 自旋-自旋弛豫 100
5.2 低场核磁共振波谱仪结构与工作原理 101
5.2.1 仪器组成 101
5.2.2 工作原理 102
5.2.3 低场核磁共振波谱仪与高场核磁共振波谱仪的比较 105
5.3 实验方法 107
5.3.1 仪器参数设置 107
5.3.2 数据处理 113
参考书目 114

第6章 动态/静态激光光散射仪
6.1 动态/静态光散射技术理论基础 115
6.1.1 光散射现象及其分类 115
6.1.2 动态光散射技术 117
6.1.3 静态光散射技术 119
6.2 仪器结构 120
6.3 实验技术 121
6.3.1 实验准备 121
6.3.2 样品要求 123
6.3.3 测试中常见问题及解决方法 123
6.3.4 动态光散射数据分析 123
6.3.5 静态光散射数据分析 125
6.4 光散射与凝胶渗透色谱/尺寸排阻色谱联用 127
参考书目 128

第7章 粉末X射线衍射仪
7.1 X射线的产生与X射线的性质 129
7.1.1 X射线的产生 129
7.1.2 X射线的性质 131
7.2 X射线谱 132
7.2.1 连续X射线 132
7.2.2 特征X射线 133
7.3 X射线与物质间相互作用 136
7.3.1 X射线的散射 136
7.3.2 X射线的吸收 138
7.3.3 X射线的透射 140
7.4 晶体学基础知识 141
7.4.1 晶体的特点 141
7.4.2 晶体点阵结构 143
7.4.3 晶体的空间群 147
7.4.4 晶面及晶面指数 149
7.4.5 倒易点阵 151
7.5 X射线衍射原理 152
7.5.1 劳厄方程 153
7.5.2 布拉格方程 154
7.5.3 晶胞中的原子分布与衍射强度的关系 155
7.6 粉末X射线衍射仪 157
7.6.1 定性分析 158
7.6.2 定量分析 159
7.6.3 晶粒尺寸计算 160
7.7 X射线晶体点阵常数精确测定 160
7.7.1 晶体点阵常数测定原理 160
7.7.2 Rietveld全谱拟合精修晶体结构法 161
7.7.3 晶体点阵常数测定的误差与消除 162
7.8 实验技术 163
7.8.1 样品制备方法 163
7.8.2 样品测试 163
7.9 XRD数据分析软件与数据库简介 163
参考书目 164

第8章 X射线光电子能谱仪
8.1 X射线光电子能谱仪结构与工作原理 166
8.1.1 X射线光电子能谱仪结构 166
8.1.2 X射线光电子能谱仪工作原理 169
8.2 X射线光电子能谱图及物质表面分析 172
8.2.1 X射线光电子能谱图的谱线特点 173
8.2.2 X射线光电子能谱定性分析 176
8.2.3 X射线光电子能谱定量分析 177
8.2.4 X射线光电子能谱深度分析 179
8.3 实验技术 181
8.3.1 样品准备 181
8.3.2 样品测试 182
8.3.3 XPS图谱常用数据处理分析软件 183
参考书目 184

第9章 小角X射线散射仪
9.1 小角X射线散射技术理论基础 185
9.1.1 散射公式 185
9.1.2 Guinier定律 187
9.1.3 Porod定律 188
9.1.4 散射不变量 189
9.2 小角X射线散射仪结构 191
9.2.1 X射线光源 191
9.2.2 准直系统 193
9.2.3 样品台 193
9.2.4 探测器 194
9.3 实验技术 196
9.3.1 样品制备 196
9.3.2 测试条件与基本参数设定 197
9.4 应用-测定体系举例 198
9.4.1 胶体分散体系 198
9.4.2 液晶体系 199
9.4.3 结晶取向聚合物体系 200
9.4.4 负载在基底上的聚合物体系 202
参考书目 203

第10章 比表面和孔径分布分析仪
10.1 气体物理吸附基础知识 204
10.1.1 吸附现象与吸附作用 204
10.1.2 气体物理吸附理论模型 205
10.1.3 吸附等温线 208
10.2 比表面和孔径分布分析仪结构与工作原理 211
10.3 吸附等温线测定的影响因素 213
10.3.1 死体积 213
10.3.2 样品的预处理（脱气） 214
10.3.3 样品的使用量 214
10.3.4 吸附质的确定 215
10.3.5 平衡时间的影响 216
10.3.6 液氮浴的温度 216
10.4 数据分析—比表面积、孔容及孔径分布 216
10.4.1 表面积的计算方法 217
10.4.2 孔体积和孔径分布计算方法 218
10.5 测试过程中一些常见问题 225
参考书目 225

第11章 化学吸附仪
11.1 化学吸附分析的基本原理 227
11.1.1 化学吸附过程热力学 228
11.1.2 化学吸附过程动力学及吸附模型 228
11.1.3 化学吸附位与分子吸附态 230
11.1.4 吸附速率和吸附活化能 230
11.2 化学吸附仪装置组成 231
11.3 化学吸附仪的应用场景 232
11.3.1 程序升温脱附技术 232
11.3.2 程序升温还原技术 235
11.3.3 程序升温氧化技术 237
11.3.4 程序升温表面反应技术 238
11.3.5 脉冲吸附或反应 239
11.4 化学吸附仪使用的注意事项 243
参考书目 244

第12章 透射电子显微镜
12.1 电子显微分析基础知识（Ⅰ） 245
12.1.1 电磁透镜 245
12.1.2 光阑 246
12.1.3 景深 247
12.1.4 像差 248
12.1.5 分辨率 249
12.2 透射电子显微镜镜筒结构及性能 250
12.2.1 TEM基本部件 251
12.2.2 主要附件 253
12.3 透射电子显微镜图像衬度来源 254
12.3.1 质厚衬度 255
12.3.2 衍射衬度 256
12.3.3 相位衬度 257
12.4 透射电子显微镜电子衍射 257
12.4.1 电子衍射的条件 258
12.4.2 相机常数 259
12.4.3 TEM衍射花样标定与常见晶体衍射花样特征 261
12.4.4 电子衍射法与X射线衍射法晶体分析比较 262
12.5 实验技术 263
12.5.1 透射电子显微镜的基本操作模式 263
12.5.2 透射电子显微镜样品制备 265
12.6 透射电子显微镜与电子能量损失谱仪联用 267
参考书目 267

第13章 扫描电子显微镜
13.1 电子显微分析基础知识（Ⅱ） 268
13.1.1 电子散射 268
13.1.2 高能电子激发作用 269
13.2 扫描电子显微镜结构与成像原理 271
13.2.1 镜筒 272
13.2.2 扫描系统 273
13.2.3 信号检测和放大系统 274
13.2.4 图像显示与记录系统 275
13.3 扫描电子显微镜的主要性能 275
13.3.1 分辨率和放大倍数 275
13.3.2 景深 276
13.4 扫描电子显微镜图像衬度来源 276
13.4.1 表面形貌衬度 277
13.4.2 成分衬度 278
13.5 扫描电子显微镜样品制备 279
13.6 扫描电子显微镜操作主要环节 281
13.6.1 加速电压值的设置 281
13.6.2 电子光学系统合轴 282
13.6.3 聚焦与消像散 282
13.6.4 扫描电子显微镜探头的选择 283
13.6.5 工作距离和样品台倾斜 284
13.6.6 图像观察与记录 285
13.7 扫描电子显微镜与X射线能谱仪联用 286
13.7.1 X射线能谱仪构成 286
13.7.2 与X射线能谱仪联用 287
参考书目 289

第14章 热重分析仪
14.1 仪器结构及工作原理 290
14.1.1 仪器结构 290
14.1.2 TGA基本原理 294
14.2 实验技术 294
14.2.1 样品的制备 294
14.2.2 仪器的校准 295
14.2.3 测试影响因素 296
14.2.4 数据处理 298
参考书目 300

第15章 差示扫描量热仪
15.1 仪器结构和工作原理 301
15.2 实验技术 303
15.2.1 样品的制备 303
15.2.2 仪器的校准 304
15.2.3 测试影响因素 305
15.2.4 数据处理 307
参考书目 309

第16章 旋转流变仪
16.1 流变学基础知识 310
16.1.1 几个流变学指标定义 310
16.1.2 流体的分类 313
16.1.3 材料的黏弹性 314
16.1.4 时温等效原理 314
16.2 旋转流变仪结构及工作原理 315
16.2.1 旋转流变仪结构 315
16.2.2 旋转流变仪的工作原理 315
16.3 实验技术 316
16.3.1 样品的准备 316
16.3.2 测试夹具的选择 318
16.3.3 测量模式 322
16.3.4 测试影响因素 326
16.4 数据处理—几种分析模型 327
16.4.1 Ostwald（或Power Law）模型 327
16.4.2 Bingham模型 328
16.4.3 Herschel-Bulkley模型 328
16.4.4 Carreau-Yasuda模型 329
参考书目 329

第17章 动态热机械分析仪
17.1 动态热机械分析仪结构及工作原理 330
17.1.1 动态热机械分析仪结构 330
17.1.2 储能模量、损耗模量、复合模量及损耗因子 331
17.1.3 动态热机械分析仪的工作原理 332
17.2 实验技术 333
17.2.1 样品的制备 333
17.2.2 夹具的选择 334
17.2.3 测量模式 336
17.2.4 测试影响因素 339
参考书目 340