中国科学技术大学：《分析化学》课程教学资源（PPT课件讲稿）第5章 定性分析方法

中国絆苧孜术大享 University of Science and Technology of China 第5章定性分析方法 1.元素组成鉴别 2.化学态分析

第5章 定性分析方法 1. 元素组成鉴别 2. 化学态分析

定性分析 定性分析主要是鉴定物质的元素组成及其化学态。 每种元素都会产生一套具有特征结合能的特征 XPS谱峰,可以直接鉴别被分析材料表面存在的 每种元素。这些特征谱峰对应于原子中电子们的 电子组态,如,1s,2s,2p,3,等等 XPS还可以进行官能团分析和混合物分析 XPS定性分析的相对灵敏度约为01%。 XPS的表面灵敏特性,再加上非结构破坏性测试 能力和可获得化学态信息的能力,使其成为表面 分析的极有力工具。 ◎中国荤术大 University of seienee and Technology ot china

 定性分析主要是鉴定物质的元素组成及其化学态。  每种元素都会产生一套具有特征结合能的特征 XPS谱峰，可以直接鉴别被分析材料表面存在的 每种元素。这些特征谱峰对应于原子中电子们的 电子组态，如, 1s, 2s, 2p, 3s, 等等.  XPS还可以进行官能团分析和混合物分析。  XPS定性分析的相对灵敏度约为0.1%。  XPS的表面灵敏特性，再加上非结构破坏性测试 能力和可获得化学态信息的能力，使其成为表面 分析的极有力工具。 定性分析

定性分析 由于XPS谱能提供材料表面丰富的物理、化学信 息,所以它在凝聚态物理学、电子结构的基本研 究、薄膜分析、半导体研究和技术、分凝和表面 迁移研究、分子吸附和脱附研究、化学研究(化 学态分析)、电子结构和化学键(分子结构)研 究、异相催化、腐蚀和钝化研究、分子生物学、 材料科学、环境生态学等学科领域都有广泛应用。 它可提供的信息有样品的组分、化学态、表面吸 附、表面态、表面价电子结构、原子和分子的化 学结构、化学键合情况等。 ◎中国荤术大 University of seienee and Technology ot china

定性分析  由于XPS谱能提供材料表面丰富的物理、化学信 息，所以它在凝聚态物理学、电子结构的基本研 究、薄膜分析、半导体研究和技术、分凝和表面 迁移研究、分子吸附和脱附研究、化学研究（化 学态分析）、电子结构和化学键（分子结构）研 究、异相催化、腐蚀和钝化研究、分子生物学、 材料科学、环境生态学等学科领域都有广泛应用。  它可提供的信息有样品的组分、化学态、表面吸 附、表面态、表面价电子结构、原子和分子的化 学结构、化学键合情况等

51、元素组成鉴别 目的:给出表面元素组成、鉴别某特定元素的存 在性 方法:通过测定谱中不同元素芯光电子峰的结合 能直接进行。将实验谱图与标准谱图相对照,根 据元素特征峰位置(及其化学位移)确定样品中 存在哪些元素(及这些元素的化学态)。 依据:元素定性的主要依据是组成元素的光电子 线和俄歇线的特征能量值,因为每种元素都有唯 的一套芯能级,其结合能可用作元素的指纹 工具:XPS标准谱图手册和数据库 ◎中国荤术大 University of seienee and Technology ot china

5.1、元素组成鉴别  目的：给出表面元素组成、鉴别某特定元素的存 在性。  方法：通过测定谱中不同元素芯光电子峰的结合 能直接进行。将实验谱图与标准谱图相对照，根 据元素特征峰位置（及其化学位移）确定样品中 存在哪些元素（及这些元素的化学态）。  依据：元素定性的主要依据是组成元素的光电子 线和俄歇线的特征能量值，因为每种元素都有唯 一的一套芯能级，其结合能可用作元素的指纹。  工具：XPS标准谱图手册和数据库

Au、Cr、Mg的轨道列表: 如果谱图中有这些相同能量的峰出现,则可能含有该元素! Gold Electron Binding Energies Chromium Electron Binding Energies Orbital Label Orbital Label 14353 5989 13734 583.8 11919 II III 574.1 III 3p1/2 3148 M 74.1 2743 M M III 1/2 42.2 2291 M 42.2 2206 762.1 642.7 Magnesium 546.3 III Electron binding energies 353.2 N N Orbital Label 1s 1303 k 88.6 49.6 74.2 57.2 ◎中国荤术大 University of seienee and Technology ot china

Au、Cr、Mg的轨道列表：  如果谱图中有这些相同能量的峰出现，则可能含有该元素!

511、数据采集-全扫描谱( Survey scan) 对于一个化学成分未知的样品,首先应作全扫描 谱,以初步判定表面的化学成分。在作XPS分析时, 全扫描谱能量范围一般取0~1200eV,因为几乎所 有元素的最强峰都在这一范围之内 通过样品的全扫描谱,在一次测量中我们就可检 出全部或大部分元素。 由于各种元素都有其特征的电子结合能,因此在 能谱中有它们各自对应的特征谱线。所以可根据 这些谱线在能谱图中的位置即可鉴定元素种类。 ◎中国荤术大 University of seienee and Technology ot china

5.1.1、数据采集-全扫描谱(Survey scan)  对于一个化学成分未知的样品，首先应作全扫描 谱，以初步判定表面的化学成分。在作XPS分析时， 全扫描谱能量范围一般取01200eV，因为几乎所 有元素的最强峰都在这一范围之内。  通过样品的全扫描谱，在一次测量中我们就可检 出全部或大部分元素。  由于各种元素都有其特征的电子结合能，因此在 能谱中有它们各自对应的特征谱线。所以可根据 这些谱线在能谱图中的位置即可鉴定元素种类

般解析步骤 1.因C,O是经常出现的,所以首先识别C,O的光电子谱线, Auger线及属于C,O的其他类型的谱线 2.其次鉴别样品中主要元素的强谱线和有关的次强谱线, 利用X射线光电子谱手册中的各元素的峰位表确定其他强 峰对应的元素,并标出其相关峰,注意有些元素的个别 峰可能相互干扰或重叠; 3.最后鉴别剩余的弱谱线,假设它们是含量低的未知元素 的主峰(最强谱线); 4.对于p,d,f谱线的鉴别应注意它们一般应为自旋双线 结构,其双峰间距及峰高比一般为一定值(有助于识别 元素)。p峰的强度比为1:2;饯线为2:3;∫线为3:4 ◎中国荤术大 University of seienee and Technology ot china

一般解析步骤 1. 因C, O是经常出现的，所以首先识别C, O的光电子谱线， Auger线及属于C, O的其他类型的谱线； 2. 其次鉴别样品中主要元素的强谱线和有关的次强谱线， 利用X射线光电子谱手册中的各元素的峰位表确定其他强 峰对应的元素，并标出其相关峰，注意有些元素的个别 峰可能相互干扰或重叠； 3. 最后鉴别剩余的弱谱线，假设它们是含量低的未知元素 的主峰（最强谱线）； 4. 对于 p，d，f 谱线的鉴别应注意它们一般应为自旋双线 结构，其双峰间距及峰高比一般为一定值（有助于识别 元素） 。p峰的强度比为1:2；d线为2:3；f线为3:4

Ps谱圜中的元素鉴 O 1 OKLL A C Is Cu LMM auger NIs CI 2p Cu 3s Cu 3p Binding Energy(ev) ◎中国荤术大 University of seienee and Technology ot china

XPS谱图中的元素鉴别 Cu 2p O KLL Auger O 1s N 1s C 1s Cu LMM Auger Cu 3p Cu 3s Cl 2p

512、数据采集高分辨谱( Detail scan) 对感兴趣的几个元素的峰,可进行窄区域高分辨细扫描。 目的是为了获取更加精确的信息,如结合能的准确位置, 鉴定元素的化学状态,或为了获取精确的线形,或者为了 定量分析获得更为精确的计数,或为了扣除本底或峰的分 解或退卷积等数学处理。 FIs 800 600 400 200 □from275 ev up to300cV 口from675 ev up to700eV ◎中国荤术大 University of seienee and Technology ot china

5.1.2、数据采集-高分辨谱(Detail scan)  对感兴趣的几个元素的峰，可进行窄区域高分辨细扫描。 目的是为了获取更加精确的信息，如结合能的准确位置， 鉴定元素的化学状态，或为了获取精确的线形，或者为了 定量分析获得更为精确的计数，或为了扣除本底或峰的分 解或退卷积等数学处理

氟处理的聚合物例子 F 1s C-C-F C-F C-o CF-CF C-C 人人人入 F KLL 296292288284280 0 1s C1s F 2s 1000800600400200 Binding Energy (ev) ◎中国荤术大 University of seienee and Technology ot china

氟处理的聚合物例子