材料研究方法 - 图文

紫外光谱、荧光光谱在材料研究中的应用

1、 分子内的电子跃迁有哪几种，分别属于什么吸收带，吸收最强的跃迁是什么跃迁？

答：电子类型：形成单键的σ电子 ；形成双键的π电子； 未成对的孤对电子n电子。 轨道类型：成键轨道 σ、π；反键轨道 σ*、π* ；非键轨道n。

σ-σ* 跃迁 ?max?104 强吸收带

n-σ*跃迁 实现这类跃迁所需要的能量较高

n →π*跃迁 ?max＜ 100 平均寿命10-5~10-7sec R吸收带

π→π跃迁 ?max≥10

*

4

平均寿命10~10sec kS → T小 K吸收带

2

-7-9

PS:R、K、B、E四带

1）R 吸收带： n→π*跃迁，弱吸收， ? ＜10

2）K 吸收带： π→π*跃迁，强吸收，共轭分子的特征吸收带， ? ? 104 3）B吸收带： π→π*跃迁，中吸收，苯环及杂环的特征谱带； 4）E 吸收带： π→π*跃迁，强吸收，芳香族化合物的特征谱带

π-π迁移跃迁产生的谱带强度最大， n-σ跃迁产生的谱带强度次之，配位跃迁的谱带强度最小。

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2、 紫外可见吸收光谱在胶体的研究中有重要作用，请举出三个例子来说明，结合散射现象来讨论二氧化钛胶体和粉末漫反射光谱的差异。

答： 1）、胶体具有稳定性，尤其是稀释后稳定性；

2）、胶粒对可见光的散射； 3）、测定消光（包括吸收、散射、漫反射等对光强度造成的损失） 4）、稀释条件下，胶粒尺寸小于光波长的1/20，瑞利散射可忽略。 4）、估算晶粒的大小。 例1：二氧化硅在紫外区也是透明的,为何其胶体在紫外区有吸收?

SiO2直径387nm，在300nm下被吸收因而发生了消光呈现透明的，而起溶胶颗粒会发生散射，因而使得在紫外区有吸收。

例2：TiO2溶胶从a-d进行稀释，我们可以看到起吸光度逐渐减少，这是由于稀释后散射减小所致，而由于溶胶的胶粒的散射使得其吸光度增大。

例3：CdSe, CdS等量子点不做TEM和HRTEM,依靠吸收光谱中尺寸效应的规律来判断晶粒尺寸大小。反应时间越长，颗粒尺寸越大。

差异：当测定二氧化钛的溶胶时，按晶粒尺寸的不同，分为两种情况：

1）当胶体很小，d＜λ/20时，瑞利散射可以忽略，吸收光谱与粉末的漫反射光谱接近。 2）当胶体较大，d＞λ/20时，散射就会十分明显，在可见光区有吸收，这样获得是一个消光光谱，而不是吸收光谱，无法测得λonset。

用积分球测试粉末漫反射光谱可以克服上述缺点，得到一个较好的吸收光谱。

3、什么是荧光、磷光、光致发光和化学发光？对应的英文名称分别是什么？

答：荧光(Fluorescence)：从激发态的最低振动能级返回到基态，不通过内部转换而是光辐射失活，则称为荧光。由于一部分能量通过振动能级变化以热能形式放出，所以发射光的波长比吸收光的波长长。

磷光(Phosphorescence)：在不同多重态之间发生的无辐射跃迁过程称为系间窜跃。由从激发态的多重态经过振动弛豫到低振动能级，再返回到基态的光辐射跃迁称为磷光。

光致发光(Photoluminescence, PL)：是物质吸收光能后发射冷光的现象，称为光致发光。 化学发光(Chemiluminescence)：利用化学能源如化学反应得到激发态分子，它在跃迁到基态时产生的发光现象称为化学发光。

4、 荧光光谱的液体样品池与紫外可见吸收光谱的比色皿有何异同点？结合光的吸收、透射、散射、测定时仪器光源的角度来讨论。

答：紫外比色皿两面透光，荧光比色皿四面透光

①从吸收的角度来说，主要是样品池的材料来讨论：吸收池都是石英材质。 ②从光源的角度来说：紫外-可见分光光度计的吸收池两面透光 荧光分光光度计的样品池四面透光 具体可画图说明：

红外光谱分析与材料研究

1、 红外光谱图与紫外-可见光谱的异同？红外谱中纵、横坐标是什么？

答：相同：都是吸收光谱；

不同：

波长范围：红外2.5-25μm；紫外200-400nm

横-纵坐标：红外是坐标是吸光度（-lg(T)）或透光率（I/I0×100%），横坐标是波数（cm-1） 紫外可见光谱纵坐标是吸光度或透光率，横坐标是波长； 波普来源：红外是分子振动与转动，紫外电子跃迁 解析作用：红外鉴定官能团，紫外共轭体系或羰基。

2、红外光谱图中峰的位置由什么决定？影响峰位置的因素有哪些？

答：官能团振动频率是由力常数和折合质量决定的，是官能团固有的特征；

官能团振动频率的改变，反映了官能团所处环境的不同；

影响官能团振动频率的因素有振动偶合、费米共振、电子诱导、氢键等。

3、 从共混体系的红外光谱如何分析两组分的相互作用？

答：FTIR可以用来从分子水平的角度研究高分子共混相互作用，从红外光谱角度来看，共混物的相容性是指光谱中能否检测出相互作用的谱带。

若两种均聚物是相容的，则可观察到频率位移、强度变化、甚至峰的出现或消失。 如果均聚物是不相容的，共混物的光谱只不过是两种均聚物光谱的简单叠加。 “相互作用光谱”可以从共混物光谱中减去两种均聚物光谱得到。

4、 在材料研究中，哪些情况下需用红外光谱的衰减全反射 (Attenuated Total Reflectance, ATR)附件。

答：ATR的优势：无需制样，反映样品本身特性，穿透深度固定与样品厚度无关（获得表面信息，0.1倍的波长厚度：0.25-2.5微米)

固体样品检测：收集普通红外无法测量的厚度0.1mm以内的塑料、高聚物、橡胶和纸张等样品表面。

液体样品检测：生物样品、注射剂、汤剂和葡萄酒等。

5、红外光谱分析有哪些主要制样方法？

答：压片法（适用于能磨成粉的样品）

涂膜法（适用于能溶解的样品） 溶液法（适用于能溶解的样品）

薄膜法（溶液成膜，热压成膜，超薄切片） 全反射法（适用表面涂层、薄膜等样品）

拉曼光谱分析与材料研究

1. 拉曼光谱与红外光谱的本质区别是什么？

答：红外光谱是分子吸收红外光引起振动和转动能级跃迁而产生的吸收信号，与分子偶极矩变化有关，是吸收光谱。

拉曼光谱是分子对可见光的散射所产生的光谱，与分子的极化率变化有关，是散射光谱。 拉曼光谱适于表征对称性高而电子云密度变化大的振动（C-C骨架），而红外光谱则适于表征对称性低而偶极矩改变大的振动（极性侧基）。它们互补，测出分子结构。

2. 为什么拉曼光谱技术通常只检测stokes线？反stokes线可以提供什么信息？

介绍：拉曼散射有两种情况，设入射光频率为ν0，一种是斯托克斯线，它是跃迁到受激到虚态的分子不跃回到基态E0，而是跃至基态的某一振动激发态Em上，因此释放出的光子能量为h(ν0-νm)，产生的散射光波长大于入射光波长。另一种是反斯托克斯线，它是分子开始处于基态中的激发态Em上，受能量为hν0的入射光激发后，跃迁至受激到虚态后，跃回至基态E0，发射出的光子能量为ｈ(ν0+νm)，产生的散射光波长小于入射光波长。

答：根据波尔滋曼理论，在室温下，分子绝大多数处于振动能级基态，处于基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数，而反斯托克斯线的分子都是处于激发态上的，同时由于振动能级间距还是比较大的，因此，stokes线的强度远远大于anti-stokes线（几个数量级）。所以拉曼光谱通常只测stokes线。

反stocks线对应了分子第一激发态跃迁到基态。反Stocks线强度越大，反应试样中处于激发态的分子越多，光子从与分子碰撞中获得能量的概率越高。（有问题）

stokes线提供的信息

拉曼频率的确认――物质的组成 拉曼峰位的变化――张力/应力 拉曼偏振――晶体对称性和取向 拉曼峰宽――晶体质量 拉曼峰强度――物质总量

3. 与红外光谱相比，拉曼光谱的优越性有什么？

1）适于分子骨架的定性定量分析，无需样品准备； 2）不受水的干扰；

3）覆盖范围广（50-4000cm-1），可对有机物及无机物进行分析； 4）重叠带较少，谱峰清晰尖锐，更适合精确研究； 5）使用激光作为光源，易测微量和小面积样品；

6）共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特定发色基团的振动，能增强103-104倍。

4、 拉曼光谱与荧光光谱的本质区别是什么？如何消除荧光对拉曼光谱的影响？

答：荧光光谱是发射光谱（或激发光谱），是分子吸收能量后由于撞击释放能量，产生光子形成荧光。

拉曼光谱是散射光谱，是光子与分子碰撞，产生能量交换发生频率反射后改变； 消除：荧光通常是一种量子效率更高的过程，甚至很少量不纯物质的荧光也可以导致显著的拉曼信号降低。控制激光以较小的强度照射到样品上（1-2mW）可以抑制荧光的产生；使用更长的波长例如：785nm 或1064nm 的激发光可使荧光效应显著减弱。