拉曼光譜的原理及應用

　　拉曼光譜由于近幾年來以下幾項技術的集中發(fā)展而有了更廣泛的應用。這些技術是：

　　CCD檢測系統在近紅外區(qū)域的高靈敏性，體積小而功率大的二極管激光器，與激發(fā)激光及信號過濾整合的光纖探頭。這些產品連同高口徑短焦距的分光光度計，提供了低熒光本底而高質量的拉曼光譜以及體積小、容易使用的拉曼光譜儀。

　　1. 含義

　　光照射到物質上發(fā)生彈性散射和非彈性散射，彈性散射的散射光是與激發(fā)光波長相同的成分，非彈性散射的散射光有比激發(fā)光波長長的和短的成分，統稱為拉曼效應。

　　當用波長比試樣粒徑小得多的單色光照射氣體、液體或透明試樣時，大部分的光會按原來的方向透射，而一小部分則按不同的角度散射開來，產生散射光。在垂直方向觀察時，除了與原入射光有相同頻率的瑞利散射外，還有一系列對稱分布著若干條很弱的與入射光頻率發(fā)生位移的拉曼譜線，這種現象稱為拉曼效應。由于拉曼譜線的數目，位移的大小，譜線的長度直接與試樣分子振動或轉動能級有關。因此，與紅外吸收光譜類似，對拉曼光譜的研究，也可以得到有關分子振動或轉動的信息。目前拉曼光譜分析技術已廣泛應用于物質的鑒定，分子結構的研究譜線特征

　　2.拉曼散射光譜具有以下明顯的特征：

　　a.拉曼散射譜線的波數雖然隨入射光的波數而不同，但對同一樣品，同一拉曼譜線的位移與入射光的波長無關,只和樣品的振動轉動能級有關;

　　b.在以波數為變量的拉曼光譜圖上，斯托克斯線和反斯托克斯線對稱地分布在瑞利散射線兩側, 這是由于在上述兩種情況下分別相應于得到或失去了一個振動量子的能量。

　　c.一般情況下，斯托克斯線比反斯托克斯線的強度大。這是由于Boltzmann分布，處于振動基態(tài)上的粒子數遠大于處于振動激發(fā)態(tài)上的粒子數。

　　3.拉曼光譜技術的*性

　　提供快速、簡單、可重復、且更重要的是無損傷的定性定量分析，它無需樣品準備，樣品可直接通過光纖探頭或者通過玻璃、石英、和光纖測量，此外。。。

　　①由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學化合物的理想工具。

　　②拉曼一次可以同時覆蓋50～4000波數的區(qū)間，可對有機物及無機物進行分析。相反，若讓紅外光譜覆蓋相同的區(qū)間則必須改變光柵、光束分離器、濾波器和檢測器。。。

　　③拉曼光譜譜峰清晰尖銳，更適合定量研究、數據庫搜索、以及運用差異分析進行定性研究。在化學結構分析中，獨立的拉曼區(qū)間的強度可以和功能集團的數量相關。

　　④因為激光束的直徑在它的聚焦部位通常只有0.2～2毫米，常規(guī)拉曼光譜只需要少量的樣品就可以得到。這是拉曼光譜相對常規(guī)紅外光譜一個很大的優(yōu)勢，而且拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面積的樣品。

　　⑤共振拉曼效應可以用來有選擇性地增強大生物分子特個發(fā)色基團的振動，這些發(fā)色基團的拉曼光強能被選擇性地增強1000到10000倍。

　　4.幾種重要的拉曼光譜分析技術

　　①單道檢測的拉曼光譜分析技術;

　　②以CCD為代表的多通道探測器用于拉曼光譜的檢測儀的分析技術;

　　③采用傅立葉變換技術的FT-Raman光譜分析技術;

　　④共振拉曼光譜分析技術;

　　⑤表面增強拉曼效應分析技術;

　　5.拉曼頻移，拉曼光譜與分子極化率的關系

　　①拉曼頻移：

　　散射光頻與激發(fā)光頻之差，取決于分子振動能級的改變，所以它是特征的 ，與入射光的波長無關，適應于分子結構的分析

　　②拉曼光譜與分子極化率的關系：

　　分子在靜電場E中，極化感應偶極矩P為靜電場E與極化率的乘積;

　　誘導偶極矩與外電場的強度之比為分子的極化率;

　　分子中兩原子距離大時，極化率也大;

　　拉曼散射強度與極化率成正比例;

　　6.應用激光光源的拉曼光譜法

　　應用激光具有單色性好、方向性強、亮度高、相干性好等特性，與表面增強拉曼效應相結合，便產生了表面增強拉曼光譜。其靈敏度比常規(guī)拉曼光譜可提高104~107倍，加之活性載體表面選擇吸附分子對熒光發(fā)射的抑制，使分析的信噪比大大提高。已應用于生物、藥物及環(huán)境分析中痕量物質的檢測。共振拉曼光譜是建立在共振拉曼效應基礎上的另一種激光拉曼光譜法。共振拉曼效應產生于激發(fā)光頻率與待測分子的某個電子吸收峰接近或重合時，這一分子的某個或幾個特征拉曼譜帶強度可達到正常拉曼譜帶的104~106倍，有利于低濃度和微量樣品的檢測。已用于無機、有機、生物大分子、離子乃至活體組成的測定和研究。激光拉曼光譜與傅里葉變換紅外光譜相配合，已成為分子結構研究的主要手段

　　①共振拉曼光譜的特點：

　　(1)基頻的強度可以達到瑞利線的強度。

　　(2)泛頻和合頻的強度有時大于或等于基頻的強度。

　　(3)通過改變激發(fā)頻率，使之僅與樣品中某一物質發(fā)生共振，從而選擇性的研究某一物質。

　　(4)和普通拉曼相比，其散射時間短，一般為10-12~10-5S。

　　②共振拉曼光譜的缺點：

　　需要連續(xù)可調的激光器，以滿足不同樣品在不同區(qū)域的吸收。

　　7.電化學原位拉曼光譜法

　　電化學原位拉曼光譜法，是利用物質分子對入射光所產生的頻率發(fā)生較大變化的散射現象， 將單色入射光(包括：圓偏振光和線偏振光)激發(fā)受電極電位調制的電極表面，通過測定散射回來的拉曼光譜信號(頻率、強度和偏振性能的變化)與電極電位或電流強度等的變化關系。一般物質分子的拉曼光譜很微弱，為了獲得增強的信號，可采用電極表面粗化的辦法，可以得到強度高104～107倍的表面增強拉曼散射(Surface Enahanced Raman Scattering，SERS)光譜, 當具有共振拉曼效應的分子吸附在粗化的電極表面時, 得到的是表面增強共振拉曼散射(SERRS)光譜, 其強度又能增強102～103。

　　電化學原位拉曼光譜法的測量裝置主要包括：拉曼光譜儀和原位電化學拉曼池兩個部分。拉曼光譜儀由激光源、收集系統、分光系統和檢測系統構成，光源一般采用能量集中、功率密度高的激光，收集系統由透鏡組構成，分光系統采用光柵或陷波濾光片結合光柵以濾除瑞利散射和雜散光以及分光檢測系統采用光電倍增管檢測器、半導體陣檢測器或多通道的電荷藕合器件。原位電化學拉曼池一般具有工作電極、輔助電極和參比電極以及通氣裝置。為了避免腐蝕性溶液和氣體侵蝕儀器，拉曼池必須配備光學窗口的密封體系。在實驗條件允許的情況下，為了盡量避免溶液信號的干擾，應采用薄層溶液(電極與窗口間距為0.1～1mm)，這對于顯微拉曼系統很重要，光學窗片或溶液層太厚會導致顯微系統的光路改變，使表面拉曼信號的收集效率降低。電極表面粗化的常用方法是電化學氧化—還原循環(huán)(Oxidation-Reduction Cycle，ORC)法, 一般可進行原位或非原位ORC處理。

　　目前，采用電化學原位拉曼光譜法測定的研究進展主要有：

　　一是通過表面增強處理把測檢體系拓寬到過渡金屬和半導體電極。雖然，電化學原位拉曼光譜是現場檢測較靈敏的方法，但僅能有銀、銅、金三種電極在可見光區(qū)能給出較強的SERS。許多學者試圖在具有重要應用背景的過渡金屬電極和半導體電極上實現表面增強拉曼散射。

　　二是通過分析研究電極表面吸附物種的結構、取向及對象的SERS光譜與電化學參數的關系,對電化學吸附現象作分子水平上的描述。三是通過改變調制電位的頻率, 可以得到在兩個電位下變化的“時間分辨譜”, 以分析體系的SERS譜峰與電位的關系, 解決了由于電極表面的SERS 活性位隨電位而變化而帶來的問題。

　　8.拉曼信號的選擇

　　入射激光的功率，樣品池厚度和光學系統的參數也對拉曼信號強度有很大的影響，故多選用能產生較強拉曼信號并且其拉曼峰不與待測拉曼峰重疊的基質或外加物質的分子作內標加以校正。其內標的選擇原則和定量分析方法與其他光譜分析方法基本相同。

　　斯托克斯線能量減少，波長變長

　　反斯托克斯線能量增加，波長變短

　　9.拉曼光譜的應用方向

　　拉曼光譜分析技術是以拉曼效應為基礎建立起來的分子結構表征技術,其信號來源與分子的振動和轉動。拉曼光譜的分析方向有：

　　定性分析：不同的物質具有不同的特征光譜，因此，可以通過光譜進行定性分析。

　　結構分析：對光譜譜帶的分析,又是進行物質結構分析的基礎。

　　定量分析：根據物質對光譜的吸光度的特點,可以對物質的量有很好的分析能力。

　　10.拉曼光譜用于分析的優(yōu)點和缺點

　　①拉曼光譜用于分析的優(yōu)點

　　拉曼光譜的分析方法不需要對樣品進行前處理，也沒有樣品的制備過程，避免了一些誤差的產生，并且在分析過程中操作簡便，測定時間短，靈敏度高等優(yōu)點

　　②拉曼光譜用于分析的不足

　　(1)拉曼散射面積;

　　(2)不同振動峰重疊和拉曼散射強度容易受光學系統參數等因素的影響;

　　(3)熒光現象對傅立葉變換拉曼光譜分析的干擾;

　　(4)在進行傅立葉變換光譜分析時，常出現曲線的非線性的問題;

　　(5)任何一物質的引入都會對被測體體系帶來某種程度的污染，這等于引入了一些誤差的可能性，會對分析的結果產生一定的影響;

　　11.新進展及發(fā)展前景

　　十多年來，雖然已經有一些關于在高真空體系、大氣下、以及固/液體系(電化學體系)中研究單晶金屬體系表面拉曼光譜的報道，但直至近年光滑單晶電極體系的SERS研究才取得了重要進展Bryant等記錄了以單分子層吸附在光滑Pt電極表面的噻吩拉曼譜，Furtak等使用具有Kretchmann光學構型的ATR電解池并利用表面等離子體增強效應，獲得了吸附物種在平滑的Ag(111)單晶面上的弱SERS信號，由于拉曼光譜系統的檢測靈敏度的限制，所獲得的表面信號極弱，無法進行較為詳細的研究.Otto小組和Futamata小組分別成功地采用Otto光學構造的ATR電解池，利用表面等離子激元增強方法獲得了光滑單晶電極上相對較強的表面Raman信號，前者發(fā)現不同的Cu單晶電極表面的增強因子有所不同，有較高指數或臺階的晶面的信號明顯增強。Futamata等甚至可在Pt和Ni金屬的單晶表面上觀察到SERS信號, 計算表明其表面增強因子為1～2個數量級。目前，可用于單晶表面電極體系的SERS研究還局限于Raman散射截面很大的極少數分子，尚需進一步改進和尋找實驗方法，以拓寬可研究的分子體系.若能成功地將各種單晶表面電極的SERS信號與經過不同粗糙方式處理的電極表面信號進行系統地比較和研究, 不但對定量研究SERS機理和區(qū)分不同增強機制的貢獻大有益處, 而且將有利于提出正確和可靠的拉曼光譜的表面選擇定律.

　　隨著納米科學技術的迅速發(fā)展, 各類制備不同納米顆粒以及二維有序納米圖案的技術和方法將日益成熟, 人們可以比較方便地在理論的指導下，尋找在過渡金屬上產生強SERS效應的合適實驗條件.這些突破無疑將為拉曼光譜技術廣泛應用于各種過渡金屬電極和單晶電極體系的研究開創(chuàng)新局面。總之，通過摸索合適的表面處理方法并采用新一代高靈敏度的拉曼譜儀，可將拉曼光譜研究拓展至一系列重要的過渡金屬和半導體體系，進而將該技術發(fā)展成為一個適用性廣、研究能力強的表面(界面)譜學工具，同時，推動有關表面(界面)譜學理論的發(fā)展.

　　各種相關的檢測和研究方法也很可能得到較迅速的發(fā)展和提高，在提高檢測靈敏度的基礎上，人們已不滿足于僅僅檢測電極表面物種, 而是注重通過提高其檢測分辨率(包括：譜帶分辨、時間分辨和空間分辨)來研究電化學界面結構和表面分子的細節(jié)和動態(tài)過程。今后的主要研究內容可能從穩(wěn)態(tài)的界面結構和表面吸附逐漸擴展至其反應的動態(tài)過程并深入至分子內部的各基團，揭示分子水平上的化學反應(吸附)動力學規(guī)律，研究表面物種間以及同電解質離子或溶劑分子間的弱相互作用等，例如，將電化學暫態(tài)技術(時間-電流法、超高速循環(huán)伏安法)同時間分辨光譜技術結合, 開展時間分辨為ms或μs級的研究。采用SERS同電化學暫態(tài)技術結合進行的時間分辨實驗可檢測鑒別電化學反應的產物及中間物，新一代的增強型電荷耦合列陣檢測器(ICCD)和新一代的拉曼譜儀(如：傅立葉變換拉曼儀和哈德瑪變換儀)的推出，都將為時間分辨拉曼光譜在電化學的研究提供新手段。近，我們利用電化學本身的優(yōu)勢，提出的電位平均表面增強拉曼散射he(Potential Averaged SERS，PASERS)新方法，通過在Ag和Pt微電極上采集在不同調制電位頻率下的PASERS譜并進行解譜，可在不具備從事時間分辨研究條件的儀器上進行時間分辨為μs級的電化學時間分辨拉曼光譜研究。拉曼光譜研究的另一發(fā)展方向是采用激光拉曼光譜微區(qū)顯微技術，開展空間分辨研究并進而開展電極表面微區(qū)結構與行為的研究。Fujishima等人利用共焦顯微拉曼系統和SERS技術發(fā)展了表面增強拉曼成像技術并研究了SERS活性銀表面吸附物以及自組裝膜的SERI圖象，該技術和具有三維空間分辨的共焦顯微Raman光譜方法在研究導電高聚物、L-B膜和自組裝膜電極以及電極鈍化膜和微區(qū)腐蝕等方面將發(fā)揮其重要作用。突破光學衍射極限的、空間分辨值達數十納米的近場光學Raman顯微技術則很可能異軍突起。為多方位獲得詳細信息，達到取長補短的目的，開展Raman光譜與其他先進技術聯用的研究勢在必行。光導纖維技術可在聯用耦合方面發(fā)揮關鍵作用，如，將表面Raman光譜技術與掃描探針顯微技術進行實時聯用，針對性的聯用技術可望較全面地研究復雜體系并準確地解釋疑難的實驗現象，為各種理論模型和表面選則定律提供實驗數據，促進譜學電化學的有關理論和表面量子化學理論的發(fā)展。可以預見，在不久的將來，隨著表面檢測技術的快速發(fā)展，SERS及其應用于電化學的研究將進入一個新的階段。

　　紅外光譜的原理及應用

　　(一)紅外吸收光譜的定義及產生

　　分子的振動能量比轉動能量大，當發(fā)生振動能級躍遷時，不可避免地伴隨有轉動能級的躍遷，所以無法測量純粹的振動光譜，而只能得到分子的振動-轉動光譜，這種光譜稱為紅外吸收光譜

　　紅外吸收光譜也是一種分子吸收光譜。當樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時，分子吸收了某些頻率的輻射并由其振動或轉動運動引起偶極矩的凈變化，產生分子振動和轉動能級從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，使相應于這些吸收區(qū)域的透射光強度減弱。記錄紅外光的百分透射比與波數或波長關系曲線，就得到紅外光譜。

　　(二)基本原理

　　1.產生紅外吸收的條件

　　(1)分子振動時，必須伴隨有瞬時偶極矩的變化。

　　對稱分子：

　　沒有偶極矩，輻射不能引起共振，無紅外活性，如，N2、O2、Cl2等。

　　非對稱分子：

　　有偶極矩，紅外活性。

　　(2)只有當照射分子的紅外輻射的頻率與分子某種振動方式的頻率相同時，分子吸收能量后，從基態(tài)振動能級躍遷到較高能量的振動能級，從而在圖譜上出現相應的吸收帶。

　　2.分子的振動類型

　　伸縮振動：

　　鍵長變動，包括：對稱與非對稱伸縮振動;

　　彎曲振動：

　　鍵角變動，包括剪式振動、平面搖擺、非平面搖擺、扭曲振動;

　　3.幾個術語

　　基頻峰：

　　由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，產生一個強的吸收峰，基頻峰;

　　倍頻峰：

　　由基態(tài)直接躍遷到第二激發(fā)態(tài)，產生一個弱的吸收峰，倍頻峰;

　　組頻：

　　如果分子吸收一個紅外光子，同時，激發(fā)了基頻分別為v1和v2的兩種躍遷，此時所產生的吸收頻率應該等于上述兩種躍遷的吸收頻率之和，故稱組頻;

　　特征峰：

　　凡是能用于鑒定官能團存在的吸收峰，相應頻率成為特征頻率;

　　相關峰：

　　相互可以依存而又相互可以佐證的吸收峰稱為相關峰;

　　4.影響基團吸收頻率的因素

　　(1)外部條件對吸收峰位置的影響：

　　物態(tài)效應、溶劑效應;

　　(2)分子結構對基團吸收譜帶的影響：

　　誘導效應：

　　通常吸電子基團使鄰近基團吸收波數升高，給電子基團使波數降低。

　　共軛效應：

　　基團與吸電子基團共軛，使基團鍵力常數增加，因此，基團吸收頻率升高，基團與給電子基團共軛，使基團鍵力常數減小，因此，基團吸收頻率降低。

　　當同時存在誘導效應和共軛效應，若兩者作用一致，則兩個作用互相加強，不一致，取決于作用強的作用。

　　(3)偶極場效應：

　　互相靠近的基團之間通過空間起作用。

　　(4)張力效應：

　　環(huán)外雙鍵的伸縮振動波數隨環(huán)減小其波數越高。

　　(5)氫鍵效應：

　　氫鍵的形成使伸縮振動波數移向低波數，吸收強度增強

　　(6)位阻效應：

　　共軛因位阻效應受限，基團吸收接近正常值。

　　(7)振動耦合;

　　(8)互變異構的影響;

　　(三)紅外吸收光譜法的解析

　　紅外光譜一般解析步驟

　　1. 檢查光譜圖是否符合要求;

　　2.了解樣品來源、樣品的理化性質、其他分析的數據、樣品重結晶溶劑及純度;

　　3.排除可能的“假譜帶”;

　　4. 若可以根據其他分析數據寫出分子式，則應先算出分子的不飽和度U

　　∪=(2+ 2n4+n3–n1)/2

　　n4，n3，n1分別為分子中四價，三價，一價元素數目;

　　5.確定分子所含基團及化學鍵的類型(官能團區(qū)4000-1330和指紋區(qū)1330-650cm-1)

　　6.結合其他分析數據，確定化合物的結構單元，推出可能的結構式;

　　7.已知化合物分子結構的驗證;

　　8.標準圖譜對照;

　　9. 計算機譜圖庫檢索。

　　(四)紅外吸收光譜法的應用

　　紅外光譜法廣泛用于有機化合物的定性鑒定和結構分析。

　　定性分析

　　1.已知物的鑒定

　　將試樣的譜圖與標準的譜圖進行對照或者與文獻上的譜圖進行對照。如果兩張譜圖各吸收峰的位置和形狀*相同，峰的相對強度一樣，就可以認為樣品是該種標準物。如果兩張譜圖不一樣，或峰位不一致，則說明兩者不為同一化合物，或樣品有雜質。如用計算機譜圖檢索，則采用相似度來判別。使用文獻上的譜圖應當注意試樣的物態(tài)、結晶狀態(tài)、溶劑、測定條件以及所用儀器類型均應與標準譜圖相同。

　　2.未知物結構的測定

　　測定未知物的結構，是紅外光譜法定性分析的一個重要用途。如果未知物不是新化合物，可以通過兩種方式利用標準譜圖進行查對：

　　(1)查閱標準譜圖的譜帶索引，與尋找試樣光譜吸收帶相同的標準譜圖;

　　(2)進行光譜解析，判斷試樣的可能結構，然后在由化學分類索引查找標準譜圖對照核實。

　　準備工作

　　在進行未知物光譜解析之前，必須對樣品有透徹的了解，例如，樣品的來源、外觀，根據樣品存在的形態(tài)，選擇適當的制樣方法;注意視察樣品的顏色、氣味等，它們住往是判斷未知物結構的佐證。還應注意樣品的純度以及樣品的元素分析及其它物理常數的測定結果。元素分析是推斷未知樣品結構的另一依據。樣品的相對分子質量、沸點、熔點、折光率、旋光率等物理常數，可作光譜解釋的旁證，并有助于縮小化合物的范圍。

　　3.確定未知物的不飽和度

　　由元素分析的結果可求出化合 物的經驗式，由相對分子質量可求出其化學式并求出不飽和度。 從不飽和度可推出化合物可能的范圍。不飽和度是表示有機分子中碳原子的不飽和程度。計算不飽和度W的經驗公式為：

　　W=1+n4+(n3-n1)/2

　　式中n4、n3、n1分別為分子中所含的四價、三價和一價元素原子的數目。二價原子如S、O等不參加計算。

　　當計算得：

　　當W=0時，表示分子是飽和的，為 鏈狀烴及其不含雙鍵的衍生物。

　　當W=1時，可能有一個雙鍵或脂環(huán);

　　當W=2時，可能有 兩個雙鍵和脂環(huán)，也可能有一個 叁鍵;

　　當W=4時，可能有一個苯環(huán)等。

　　官能團分析：

　　根據官能團的初步分析可以排除一部分結構的可能性，肯定某些可能存在的結構，并初步可以推測化合物的類別。

　　圖譜分析：

　　圖譜的解析主要是靠長期的實踐、經驗的積累，至今仍沒有一一個特定的辦法。一般程序是先官能團區(qū)，后指紋區(qū);先強峰后弱峰;先否定后肯定。

　　首先，在官能團區(qū)(4000~1300cm-1)搜尋官能團的特征伸縮振動，再根據指紋區(qū)的吸收情況，進一步確認該基團的存在以及與其它基團的結合方式。如果是芳香族化合物，應定出苯環(huán)取代位置。后再結合樣品的其它分析資料，綜合判斷分析結果，提出可能的結構式，然后用已知樣品或標準圖譜對照，核對判斷的結果是否正確。如果樣品為新化合物，則需要結合紫外、質譜、核磁等數據，才能決定所提的結構是否正確。

　　4.幾種標準譜圖

　　(1)薩特勒(Sadtler)標準紅外光譜圖;

　　(2)Aldrich紅外譜圖庫;

　　(3)Sigma Fourier紅外光譜圖庫;

　　定量分析

　　紅外光譜定量分析是通過對特征吸收譜帶強度的測量來求出組份含量。其理論依據是朗伯-比耳定律。

　　由于紅外光譜的譜帶較多，選擇的余地大，所以能方便的對單一組分和多組分進行定量分析

　　此外，該法不受樣品狀態(tài)的限制，能定量測定氣體、液體和固體樣品。因此，紅外光譜定量分析應用廣泛。但紅外光譜法定量靈敏度較低，尚不適用于微量組份的測定。

　　定量分析方法

　　可用標準曲線法、求解聯立方程法等方法進行定量分析。

　　X射線光電子能譜的原理和應用

　　(一)X光電子能譜分析的基本原理

　　X光電子能譜分析的基本原理：

　　一定能量的X光照射到樣品表面，和待測物質發(fā)生作用，可以使待測物質原子中的電子脫離原子成為自由電子。該過程可用下式表示：hn=Ek+Eb+Er;其中：hn：X光子的能量;Ek：光電子的能量;Eb：電子的結合能;Er：原子的反沖能量。其中Er很小，可以忽略。

　　對于固體樣品，計算結合能的參考點不是選真空中的靜止電子，而是選用費米能級，由內層電子躍遷到費米能級消耗的能量為結合能 Eb，由費米能級進入真空成為自由電子所需的能量為功函數Φ，剩余的能量成為自由電子的動能Ek，

　　式(103)又可表示為：

　　hn=Ek+Eb+Φ(10.4)Eb= hn-Ek-Φ(10.5)

　　儀器材料的功函數Φ是一個定值，約為4eV，入射X光子能量已知，這樣，如果測出電子的動能Ek，便可得到固體樣品電子的結合能。各種原子，分子的軌道電子結合能是一定的。因此，通過對樣品產生的光子能量的測定，就可以了解樣品中元素的組成。元素所處的化學環(huán)境不同，其結合能會有微小的差別，這種由化學環(huán)境不同引起的結合能的微小差別叫化學位移，由化學位移的大小可以確定元素所處的狀態(tài)。例如某元素失去電子成為離子后，其結合能會增加，如果得到電子成為負離子，則結合能會降低。因此，利用化學位移值可以分析元素的化合價和存在形式。

　　(二)電子能譜法的特點

　　(1)可以分析除H和He以外的所有元素;可以直接測定來自樣品單個能級光電發(fā)射電子的能量分布，且直接得到電子能級結構的信息。

　　(2)從能量范圍看，如果把紅外光譜提供的信息稱之為“分子指紋”，那么電子能譜提供的信息可稱作“原子指紋”。它提供有關化學鍵方面的信息，即直接測量價層電子及內層電子軌道能級。而相鄰元素的同種能級的譜線相隔較遠，相互干擾少，元素定性的標識性強。

　　(3)是一種無損分析。

　　(4)是一種高靈敏超微量表面分析技術。分析所需試樣約10-8g即可，靈敏度高達10-18g ，樣品分析深度約2nm。

　　(三)X射線光電子能譜法的應用

　　(1)元素定性分析

　　各種元素都有它的特征的電子結合能，因此，在能譜圖中就出現特征譜線，可以根據這些譜線在能譜圖中的位置來鑒定周期表中除H和He以外的所有元素。通過對樣品進行全掃描，在一次測定中就可以檢出全部或大部分元素。

　　(2)元素定量分折

　　X射線光電子能譜定量分析的依據是光電子譜線的強度(光電子蜂的面積)反映了原于的含量或相對濃度。在實際分析中，采用與標準樣品相比較的方法來對元素進行定量分析，其分析精度達1%～2%。

　　(3)固體表面分析

　　固體表面是指外層的1～10個原子層，其厚度大概是(0.1~1)nnm。人們早已認識到在固體表面存在有一個與團體內部的組成和性質不同的相。表面研究包括分析表面的元素組成和化學組成，原子價態(tài)，表面能態(tài)分布。測定表面原子的電子云分布和能級結構等。

　　X射線

　　光電子能譜是常用的工具。在表面吸附、催化、金屬的氧化和腐蝕、半導體、電極鈍化、薄膜材料等方面都有應用。

　　(4)化合物結構簽定

　　X射線光電子能譜法對于內殼層電子結合能化學位移的測量，能提供化學鍵和電荷分布方面的信息。

　　(四)下面重點介紹一下X射線在表面分析中的原理及應用

　　X射線光電子能譜法(X-ray Photoelectron Spectrom——XPS)在表面分析領域中是一種嶄新的方法。雖然，用X射線照射固體材料并測量由此引起的電子動能的分布早在本世紀初就有報道，但當時可達到的分辯率還不足以觀測到光電子能譜上的實際光峰。直到1958年，以Siegbahn為首的一個瑞典研究小組觀測到光峰現象，并發(fā)現此方法可以用來研究元素的種類及其化學狀態(tài)，故而取名“化學分析光電子能譜(Eletron Spectroscopy for Chemical Analysis-ESCA)。目前，XPS和ESCA已*為是同義詞而不再加以區(qū)別。

　　XPS的主要特點是它能在不太高的真空度下進行表面分析研究，這是其它方法都做不到的。當用電子束激發(fā)時，如，用AES法，必須使用超高真空，以防止樣品上形成碳的沉積物而掩蓋被測表面。X射線比較柔和的特性使我們有可能在中等真空程度下對表面觀察若干小時而不會影響測試結果。此外，化學位移效應也是XPS法不同于其它方法的另一特點，即采用直觀的化學認識即可解釋XPS中的化學位移，相比之下，在AES中解釋起來就困難的多。

　　1.基本原理

　　用X射線照射固體時，由于光電效應，原子的某一能級的電子被擊出物體之外，此電子稱為光電子。如果X射線光子的能量為hν，電子在該能級上的結合能為Eb，射出固體后的動能為Ec，則它們之間的關系為： hν=Eb+Ec+Ws 式中Ws為功函數，它表示固體中的束縛電子除克服各別原子核對它的吸引外，還必須克服整個晶體對它的吸引才能逸出樣品表面，即電子逸出表面所做的功。上式可另表示為： Eb=hν-Ec-Ws 可見，當入射X射線能量一定后，若測出功函數和電子的動能，即可求出電子的結合能。由于只有表面處的光電子才能從固體中逸出，因而測得的電子結合能必然反應了表面化學成份的情況。這正是光電子能譜儀的基本測試原理。

　　2.儀器組成

　　XPS是測量物質受X射線激發(fā)產生光電子能量分布的儀器。具有真空系統、離子槍、進樣系統、能量分析器以及探測器等部件。XPS中的射線源通常采用AlKα(1486.6eV )和MgKα(1253.8eV)，它們具有強度高，自然寬度小(分別為830meV和680meV)。CrKα和CuKα輻射雖然能量更高，但由于其自然寬度大于2eV，不能用于高分辯率的觀測。為了獲得更高的觀測精度，還使用了晶體單色器(利用其對固定波長的色散效果)，但這將使X射線的強度由此降低。

　　由X射線從樣品中激發(fā)出的光電子，經電子能量分析器，按電子的能量展譜，再進入電子探測器，后用X Y記錄儀記錄光電子能譜。在光電子能譜儀上測得的是電子的動能，為了求得電子在原子內的結合能，還必須知道功函數Ws。它不僅與物質的性質有關，還與儀器有關，可以用標準樣品對儀器進行標定，求出功函數。

　　3.應用簡介

　　XPS電子能譜曲線的橫坐標是電子結合能，縱坐標是光電子的測量強度(如下圖所示)。可以根據XPS電子結合能標準手冊對被分析元素進行鑒定。

　　XPS是當代譜學領域中活躍的分支之一，雖然，只有十幾年的歷史，但其發(fā)展速度很快，在電子工業(yè)、化學化工、能源、冶金、生物醫(yī)學和環(huán)境中得到了廣泛應用。除了可以根據測得的電子結合能確定樣品的化學成份外，XPS重要的應用在于確定元素的化合狀態(tài)。

　　當元素處于化合物狀態(tài)時，與純元素相比，電子的結合能有一些小的變化，稱為化學位移，表現在電子能譜曲線上就是譜峰發(fā)生少量平移。測量化學位移，可以了解原子的狀態(tài)和化學鍵的情況。

　　例如，Al2O3中的3價鋁與純鋁(0價)的電子結合能存在大約3電子伏特的化學位移，而氧化銅(CuO)與氧化亞銅(Cu2O)存在大約1.6電子伏特的化學位移。這樣就可以通過化學位移的測量確定元素的化合狀態(tài)，從而更好地研究表面成份的變化情況。

　　X光電子能譜法是一種表面分析方法，提供的是樣品表面的元素含量與形態(tài)，而不是樣品整體的成分。其信息深度約為3-5nm。如果利用離子作為剝離手段，利用XPS作為分析方法，則可以實現對樣品的深度分析。固體樣品中除氫、氦之外的所有元素都可以進行XPS分析。

　　(1)通過測定物質的表層(約10nm)，可以獲得物質表層的構成元素和化學結合狀態(tài)等方面的信息。解析基板表層附著物，解析金屬薄膜等的氧化狀態(tài)，計算自然氧化膜厚度，解析CF系醋酸膜，評價金屬材料的腐蝕，測定磁盤潤滑膜厚度，解析各種反應生成物寬幅掃描測定。

　　(2)應用角度分解法進行的分析

　　通過改變光電子的取出角度，可以采用非破壞性的方法得到深度方向的信息。另外，淺化光電子的取出角度，可以提高超表層的靈敏度。

　　(五)對羊毛纖維分別進行氧化處理和氯化處理

　　用X射線光電能譜儀對改性前后的毛纖維進行表面元素分析和基團分析，研究羊毛表面化學結構的變化情況，從微觀上分析羊毛的改性機理。測試結果表明：經過氧化改性的毛纖維表面增加了錳元素，氯化改性后的毛纖維表面增加了鈉、氯和硫元素。毛纖維原有的接氨基基團經過改性后都被打斷而接入了含其它元素的基團。