主要分析仪器的用途与应用实例-东华大学分析测试中心

主要分析仪器的用途与应用实例东华大学分析测试中心中心简介东华大学分析测试中心成立于1981年，重建于2004年，是直属学校领导的业务部门，也是学校“211工程”建设的校级分析测试公共平台，目前已成为学校进行人才培养、科学研究和社会服务的重要基地。中心现有各类大型精密分析仪器24台（套），价值约4000万元，可开展有机物组成及分子结构分析，无机物成分分析，聚集态结构分析，微区形貌与成分分析，纳米粒子形状及尺寸分析，流变性能测试，未知物结构与成分剖析等分析测试服务工作。中心现有分析测试专业技术人员19人，其中具有高级职称的有8人，具有博士学位的有5人。他们除完成日常的分析测试服务工作外，还积极培训博士研究生能独立地使用中心的仪器开展科研工作，承担学校和有关学院安排的教学任务，开办分析测试系列学术讲座，承担与分析测试有关的各类科研项目，发表相关学术论文和著作，努力提高分析测试技术水平。本中心2008年元月通过了国家级实验室资质认定（国家计量认证）首次评审，2010年通过了复查评审，具备了向社会提供公证数据的资质和能力。目前中心的日常管理和分析测试服务工作按评审通过的质量管理体系文件运行，确保提供公正、科学、可靠、准确的分析测试结果。本中心坚持把为学校人才培养和科学研究做好分析测试服务放在一切工作首位，始终贯彻“为培养人才开展分析测试工作”的理念，为我校培养高素质创新人才、完成各类科研项目、发表高水平学术论文和获准国家发明专利发挥了积极的促进作用。在保证完成校内分析测试任务的前提下，中心加入了“上海研发公共服务平台”和“上海纳米材料检测专业服务平台”，积极开展社会服务工作，为其他高校、科研院所和企事业单位提供分析测试服务，受到了上海市科委的表彰，新闻媒体也做了相关报道。高分辨透射电子显微镜（HRTEM）（型号：JEM-2100F，厂商：日本JEOL）HRTEM配有场发射电子枪，电子束强度高、相干性好，可得到高分辨率的明场像、暗场像、扫描透射像和选区电子衍射花样，尤其适合分析物质内部精细微观结构、晶体结构和纳米材料形态结构，还可结合能量色散X射线能谱仪分析样品微区成分。二、利用高分辨质厚衬度像，分析纳米材料的形态结构。右图为金纳米棒的HRTEM照片，通过相关软件可得到金纳米棒的平均长径比。三、利用高分辨衍射衬度像对样品进行物相分析，确定晶体结构。左下图为金粒子的高分辨质厚衬度HRTEM像和选区电子衍射花样。右下图为金的高分辨HRTEM图像，可用于观察晶体中存在的结构缺陷，确定缺陷的种类、估算缺陷密度。四、通过STEM像和X射线能谱对样品表面微区化学成分进行分析。右图为具有双面（Janus）结构的Ag@AgS粒子的线扫描(a)和面扫描(b)结果。一、利用高分辨质厚衬度像，观察和分析物质内部的精细微观结构。右图为具有“蛋黄－壳（yolk-shell）”结构的二氧化硅微球的HRTEM照片。三、微区元素定性、半定量分析及其分布测试场发射扫描电子显微镜（FESEM）（仪器型号：S-4800，厂商：日本HITACHI）FESEM是用电子束在样品表面作光栅状扫描，收集入射电子与物质相互作用产生的信息进行成像和分析的大型电子光学仪器。由于配备了亮度高、束斑小、寿命长的冷场发射电子枪，可用来观察各种样品表面微观形貌，具有分辨率高、样品损伤较小等特点。硒化铜薄膜表面聚苯乙烯纤维表面和断面一、块状固体、纤维、薄膜等样品的表面或断面微观形貌观察二、微纳米尺度粒子、孔洞形状的观察及尺寸分析一、块状固体、纤维、薄膜等样品的表面或断面微观形貌观察；12345678910keV0.00.51.01.52.02.5cps/eVCu-KAO-KAC-KATe-LASe-LCd-LAAu-MABCuCuOCTeTeTeSeSeCdCdCdAuAuAuAu包覆半导体的金属线元素分布图X射线能谱图金纳米粒子多孔三氧化二铝透射电子显微镜（TEM）（型号：JEM-2100，厂商：日本JEOL）一、非晶体显微成像——质厚衬度（样品（厚度在100nm以下）不同微区间存在原子序数或厚度的差异）TEM质厚衬度成像原理示意图二、晶体显微成像——衍射衬度（样品（厚度在100nm以下）不同微区间存在晶体取向和（或）晶体结构的差异）铝线中位错的明场像铝线中位错的暗场像（[110]面）（弱束技术）TEM衍射衬度成像原理示意图兔毛纤维横截面的TEM像（OsO4染色）ABS树脂的TEM像（OsO4染色）石墨的TEM像（加速电压100kV）PMMA/PS核壳聚合物粒子（RuO4染色）铝线的电子衍射图案ZnSe/Ge纳米线晶格图案环境扫描电子显微镜（ESEM）(型号：Quanta-250，厂商：捷克FEI)一、高真空扫描成像（分辨率高，可分析样品表面细微结构）二、低真空扫描成像（可无需表面喷涂处理，表面信息更真实）三、环境扫描成像（无需表面喷涂处理，分析含水样品和生物样品等）无需试样制备的低真空成像钢断口的高真空二次电子像钢断口的高真空背散射电子像含水生物组织的ESEM像树脂中玻璃纤维的低真空二次电子像树脂中玻璃纤维的低真空背散射电子像植物叶子表面蜡层的ESEM像扫描探针显微镜（SPM）（型号：NanoScopeⅣ，厂商：美国Veeco）一、隧道电流扫描显微成像（STM）（适用于导电样品，分辨率高）STM成像原理二、原子力扫描显微成像（AFM）（适用于非导电样品，分辨率较低）石墨STM像AFM成像原理AFM相位像成像原理（蓝色和绿色代表样品中两种不同的组分，因它们的粘弹性不同，导致悬臂振动的相位发生变化。）聚苯乙烯－聚丁二烯嵌段共聚物的AFM高度图（分析样品表面粗糙度。颜色越浅部分，表面越凸起。）聚苯乙烯－聚丁二烯嵌段共聚物的AFM相位图（分析样品表面组成。浅色为聚苯乙烯组分，深色为丁二烯组分。）Si(111)面STM像聚合物微凝胶的AFM高度图芳纶纤维的AFM高度图聚合物微凝胶的AFM3D图芳纶纤维的AFM3D图X射线多晶衍射（XRD）（型号：D/Max-2550PC，厂商：日本Rigaku）XRD主要分析物质的晶体结构，从XRD图谱上可得到如下信息：2θ（º）一．晶体结构分析（得到晶体结构参数）二.物相的定性和定量分析2/(°)三．由半高峰宽计算晶粒尺寸四．由方位角的半高峰宽计算取向度2/(°)/(°)五.结晶度测定cosKDhkl由结晶峰积分强度（Ic）和非晶峰积分强度（Ia）计算结晶度x：%100accIIIx衍射峰强度随样品方向的变化测定晶粒的取向度360360iHy峰位置：晶面间距d→晶体结构参数；d随样品方向有变化→残余应力。半高宽：晶粒大小；晶粒畸变。由结晶峰积分强度和非晶峰积分强度计算结晶度由衍射峰的有无判定有无结晶相根据衍射峰强度随样品方向的变化测定晶粒的取向度小角X射线散射（SAXS）（型号：SAXSessmc2，厂商：奥地利AntonPaar）SAXS是分析物质亚微观结构和形态的一种有效方法。可分析两相体系（聚合物、介孔材料、纳米结构材料或胶体等）中分散相的大小、形状以及界面结构，也可研究大分子溶液中分子链的构象与聚集状态等。SAXS分析原理示意图不同散射角度范围得到的结构信息一、分散相（颗粒、微晶、空洞、填充物等）尺寸及其分布分析水介质中CdSe纳米粒子的SAXS曲线由SAXS曲线得到的粒子大小分布二、分散相形状分析三、嵌段共聚物相分离分析聚苯乙烯－聚异戊二烯嵌段共聚物的SAXS曲线（左为球状相分离结构；右为层状相分离结构）粒子形状距离分布函数高级旋转流变系统（ARES）（型号：ARES－RFS，厂商：美国TA）一、稳态剪切速率扫描实验可得到样品的流动曲线，分析流体的类型NpdσNN牛顿流体p假塑性流体d膨胀流体B宾汉流体Bs二、通过动态频率扫描实验可研究样品内部结构三、动态温度扫描实验可研究样品内部结构与温度的关系
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Temp[°C]
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Temperaturesweep70-25deg
G'/GCrossoverPoint:(63.372,648.93)160℃不同分子量聚苯乙烯的动态粘度与频率的关系曲线聚丙烯腈溶液的粘度、储能模量、损耗模量与温度的关系曲线四、采用瞬态模式测量触变性可研究样品的触变性能五、用熔体拉伸附件测量高分子熔体的拉伸粘度随时间的变化关系，可研究高分子材料的结构。
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Rate[s-1]
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Elongationviscositytest160degheEVFtestrate0.5EVFtestrate1EVFtestrate0.1EVFtestrate0.3两种印花糊料的触变环不同拉伸速率下聚乳酸熔体的拉伸粘度－时间曲线动/静态激光光散射（DLLS/SLLS）(型号：BI-200SM,厂商：美国Brookhaven)一、动态激光光散射：测试胶束、胶体粒子的大小及其分布。测得的平均粒径实测的粒径分布图二、静态激光光散射：测定聚合物重均分子量Mw，聚合物分子链在溶液中的均方旋转半径Rg以及反映聚合物与溶剂相互作用大小的第二维利系数A2。Zimm图示意图实测的Zimm图凝胶渗透色谱-光散射联用（GPC－LS）(型号：BI-MwA，厂商：美国Brookhaven)主要用途：测定聚合物绝对分子量及其分布（无需使用标样）光散射多角度检测器示意图未经校正的GPC流出曲线经数据处理过的分子量分布曲线浓度检测器solventsolution体积大的分子先被淋洗出来体积小的分子后被淋洗出来凝胶渗透色谱分离过程示意图浓度检测器溶剂溶液核磁共振波谱（NMR）（型号：AV400，厂商：瑞士Bruker）一、溶液NMR分析有机化合物的化学结构（样品可溶于氘代溶剂中）二、溶液NMR分析聚合物分子链的化学结构及共混物组成（样品可溶于氘代溶剂中）三、固体NMR可分析聚合物的聚集态结构及分子运动、无机材料的结构等（样品为固体粉末或细小颗粒）熔融淬火聚乙烯（PE）(a)和PE纤维(b)的固体13CNMR谱(可分析两种PE材料的聚集态结构的差异)PET、PTT、PBT及其共混物的溶液1HNMR谱图（可鉴别不同的聚合物及分析共混物组成）聚丙烯腈的溶液13CNMR谱及谱峰归属，“m”表示相邻两个单体单元是全同立构关系，“r”表示间同立构关系（能够提供立构序列分布、等规度等信息）固体NMR的魔角旋转（MAS）技术能够消除化学位移各向异性和部分偶极相互作用邻羟基苯甲酸苯酯的1H-1HCOSY二维NMR谱（可确定分子结构中相邻碳上氢原子之间的关系）邻羟基苯甲酸苯酯的13C-1HHSQC二维NMR谱（可得到分子结构中碳原子和氢原子直接相连的信息）54.7°傅立叶变换红外光谱（FTIR）（型号：Nicolet6700，厂商：美国ThermoFisher）一、化学结构分析：物质定性分析，确认分子结构中的特征基团。5378021073125313571453163717342243294036335101520253035404550556065707580859095%透过率50010001500200020003000波数(cm-1)50100%T比较:92.07MolecularFormula:SamplePrep:film/DMF/CASNumber:0-00-0Poly(acrylonitrile)50%T