【汇总】材料成分分析测试仪器

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成分分析简介：
成分分析技术主要用于对未知物、未知成分等进行分析，通过成分分析技术可以快速确定目标样品中的各种组成成分是什么，帮助您对样品进行定性定量分析，鉴别、橡胶等高分子材料的材质、原材料、助剂、特定成分及含量、异物等。

成分分析分类：
按照对象和要求：微量样品分析 和 痕量成分分析 。
按照分析的目的：体相元素成分分析、表面成分分析和微区成分分析。

体相元素成分分析
1、原子吸收法
原子吸收光谱法采用的原子化方法主要有火焰法、石墨炉法和氢化物发生法。

1）原子吸收光谱仪（AAS）



图1 德国耶拿原子吸收光谱仪
原理：原子吸收光谱分析的波长区域在近紫外区。其分析原理是将光源辐射出的待测元素的特征光谱通过样品的蒸汽中待测元素的基态原子所吸收，由发射光谱被减弱的程度，进而求得样品中待测元素的含量。



图2 原子吸收结构流程
适合分析材料：金属材料，非金属材料等
应用领域：化工、冶金、食品、环境等多种领域
注意事项：需要对样品进行溶解后再进行测定
特点：适合对气态原子吸收光辐射，具有灵敏度高、抗干扰能力强、选择性强、分析范围广及精密度高等优点。但也有缺陷，不能同时分析多种元素，对难溶元素测定时灵敏度不高，在测量一些复杂样品时效果不佳。
检测范围及检出限：可分析微量和痕量元素，部分元素检出限见下表：

Element	Flame  AAS	GF-AAS
As	<500	<1
Al	<50	<0.5
Ba	<50	<1.5
Be	<5	<0.05
Bi	<100	<1
Cd	<5	<0.03
Ce	<200000	ND
Co	<10	<0.5
Cr	<10	<0.15
Cu	<5	<0.5
Pb	<20	<0.5

2）电感耦合等离子体原子发射光谱仪



图3  电感耦合等离子体原子发射光谱仪
原理：利用等离子体激发光源（ICP）使试样蒸发汽化，离解或分解为原子状态，原子可进一步电离成离子状态，原子及离子在光源中激发发光。利用分光系统将光源发射的光分解为按波长排列的光谱，之后利用光电器件检测光谱，根据测定得到的光谱波长对试样进行定性分析，按发射光强度进行定量分析。



图4 ICP-OES原理示意图
适合分析材料：高纯有色金属及其合金；金属材料、电源材料、贵金属，电子、通讯材料及其包装材料；医疗器械及其包装材料。
应用领域： 冶金、地矿、建材、机械、化工、农业、环保、食品和医药等多种领域。
注意事项：需要对样品进行溶解后再进行测定。
特点：
1、可测元素70多种；
2、分析速度快，一分钟可测5-8个元素，中阶梯二维分光系统，具备更高的分辨能力；
3、多元素同时分析，客户可以自由选择元素数量与安排测量顺序；
4、检出限低，达到ppb量级，Ba甚至达到0.7ppb；
5、线性动态范围宽，高达6个数量级，高低含量可以同时测量；
6、分析成本低。
检测范围及检出限：
用于微量元素分析和有害物质检测，不同元素最低检测限是不同的，见图7。

3）电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）



图5 电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）
原理：测定时样品由载气（氩气）引入雾化系统进行雾化后，以气溶胶形式进入等离子体中心区，在高温和惰性气氛中被去溶剂化、汽化解离和电离，转化成带正电荷的正离子，经离子采集系统进入质谱仪，质谱仪根据质荷比进行分离，根据元素质谱峰强度测定样品中相应元素的含量.



适合分析材料：金属，非金属等材料
应用领域：环境、半导体、医学、生物、冶金、石油、核材料等领域
特点：谱图简单；优秀的检出限,特别是对重金属元素；线性范围宽；快速同位素比值测量能力；所需样品量小。
检测范围及检出限：
多种有机物及无机物的定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、样品中各种同位素比的测定及固体表面的结构和组成分析等。
检出限见图7。



图7 ICP-OES和ICP-MS各元素检出限
4）X射线荧光光谱仪（XRF）
分为波长色散型X射线荧光光谱仪(WD-XRF)和能谱色散型X-射线荧光光谱仪(ED-XRF)。



图8 X射线荧光光谱仪
原理：用X射线照射试样时，试样可以被激发出各种波长的荧光X射线，需要把混合的X射线按波长（或能量）分开，分别测量不同波长（或能量）的X射线强度，以进行定性和定量分析。



图9 波长色散型和能量色散型谱仪原理图
适合分析材料：铝合金、不锈钢、铬钼合金、金属管道和法兰材料，黄铜、青铜以及其他铜合金，金属焊料、钛合金、工具钢、镍基或钴基等“超级合金”进行材料牌号匹配和元素定量分析。
应用领域：地质、环境、石化、金属、矿物、水泥、玻璃等众多工业及科研领域
特点：制样简单、快速,样品整个表面、表面某一部分或特定点处的分析,分析速度快,稳定性高、精度高；动态范围宽（从ppm至100%）；先进的无标样分析软件包，可以对完全未知的样品进行简单、快速的分析。

5）X射线衍射仪（XRD）



图10 X射线衍射仪
原理：利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。将具有一定波长的X射线照射到结晶性物质上时，X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。



图11 X射线衍射实验示意图
适合分析材料：无机材料、有机材料、钢铁冶金、纳米材料
应用领域：冶金、石油、化工、科研、航空航天、教学、材料生产等领域
注意事项：
对测试样品有要求
（1）固体样品表面＞5×5mm，厚度在10μm以上，表面必须平整，可以用几块粘贴一起。
（2）对于片状、圆拄状样品会存在严重的择优取向，衍射强度异常，需提供测试方向。
（3）对于测量金属样品的微观应力（晶格畸变），测量残余奥氏体，要求制备成金相样品，并进行普通抛光或电解抛光，消除表面应变层。
（4）粉末样品要求磨成320目的粒度，直径约40微米，重量大于5g。
检测范围：
物相分析 ：定性分析和定量分析。前者把对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据相比较，确定材料中存在的物相；后者则根据衍射花样的强度，确定材料中各相的含量。
在研究性能和各相含量的关系和检查材料的成分配比及随后的处理规程是否合理等方面都得到广泛应用。

6）分光光度计



图12 分光光度计
原理：分光光度计采用一个可以产生多个波长的光源，通过系列分光装置，从而产生特定波长的光源，光线透过测试的样品后，部分光线被吸收，计算样品的吸光值，从而转化成样品的浓度，吸光值与样品的浓度成正比。



图13 分光光度计原理图
适合分析材料：金属，非金属等
应用领域：工业、农业、生化、地质、冶金、食品、环保等各个领域
特点：
可见光分光光度计：
（1）采用低杂散光，高分辨率的单光束单色器，保证了波长准确度、波长重复性和更高的分辨率。
（2）自动调0%T和100%T，自动调波长及多种方法的数据处理功能。
（3）高分辨率，宽大的样品槽，可容纳100mm光径吸收池和相应的反射附件。
（4）仪器配有标准的RS-232双向通讯接口，可外接打印机，打印相应的实验数据。
紫外分光光度计：
快速、样品量少(几微克-几毫克)，特征性强(各种物质有其特定的红外光谱图)、能分析各种状态(气、液、固)的试样以及不破坏样品。
检测范围及检出限：
（1）可见光分光光度计：测定波长范围为400～760 nm的可见光区；
（2）紫外分光光度计：测定波长范围为200～400nm的紫外光区；
（3）红外分光光度计：测定波长范围为大于760nm的红外光区；
（4）荧光分光光度计：用于扫描液相荧光标记物所发出的荧光光谱；

表面成分分析和微区成分分析
1）电子探针谱仪
分为能谱仪和波谱仪



图14 电子探针谱仪
原理：利用聚焦电子束（电子探测针）照射试样表面待测的微小区域，从而激发试样中元素产生不同波长（或能量）的特征X射线。用X射线谱仪探测这些X射线，得到X射线谱。根据特征X射线的波长（或能量）进行元素定性分析；根据特征X射线的强度进行元素的定量分析。
适合分析材料:金属及合金，高分子材料、陶瓷、混凝土、生物、矿物、纤维等无机或有机固体材料分析
应用领域：地质，冶金，石油，化工，矿产，农业等领域
注意事项：样品要有良好的导电、导热性，表面平整度等
特点：波谱仪分析的元素范围广、探测极限小、分辨率高，适用于精确的定量分析。 能谱仪分析速度快，可用较小的束流和微细的电子束，对试样表面要求不如波谱仪那样严格，因此特别适合于与扫描电子显微镜配合使用。
检测范围：
特征X射线的波长和能量表如下：



2）X射线荧光光谱仪（XRF）
参见体相成分分析X射线荧光光谱仪（XRF）

3）俄歇电子能谱仪（AES）



图15  俄歇电子能谱仪
原理：具有一定能量的电子束(或X射线)激发样品俄歇效应，通过检测俄歇电子的能量和强度，从而获得有关材料表面化学成分和结构的信息的方法。



图16 俄歇电子能谱仪结构
适合分析材料:金属、高分子等材料，薄膜，涂层等
应用领域：半导体技术、冶金、催化、矿物加工和晶体生长等。
特点：在靠近表面5-20埃范围内化学分析的灵敏度高，很高的空间分辨率，最小可达到6nm；能探测周期表上He以后的所有元素及元素分布；通过成分变化测量超薄膜厚。

4）X射线光电子能谱（XPS）



图17  X射线光电子能谱
原理：激发源为X射线，用X射线作用于样品表面，产生光电子。通过分析光电子的能量分布得到光电子能谱研究样品表面组成和结构。
适合分析材料:金属、高分子等材料，薄膜，涂层等
应用领域：半导体技术、冶金、催化、矿物加工和晶体生长等
特点：
⑴可测除H、He以外的所有元素。检测灵敏度约为0.1 at%。
⑵亚单层灵敏度；探测深度1～10nm，依赖材料和实验参数。
⑶可元素定量分析。
⑷优异的化学信息，化学位移和卫星结构与完整的标准化合物数据库的联合使用。
⑸分析是非结构破坏的；X射线束损伤通常微不足道。
⑹详细的电子结构和某些几何信息。

5）离子散射光谱仪(ISS)
原理：根据弹性散射理论，由于散射离子的能量分布和角分布与表面原子的原子量有确定的关系，通过对散射离子进行分析就可以得到表面单层元素组份及表面结构分析。
适合分析材料:合金，高分子材料等
应用领域：物理，化学，微电子，生物，制药，空间分析等工业和研究方面。
特点：
（1） 探测深度局限在最顶单层。10-2～10-3单层灵敏度。
（2）可测除H以外的所有元素。
（3）同位素分离。

6）二次级离子质谱仪(SIMS)

原理：通过发射热电子电离氩气或氧气等离子体轰击样品的表面，探测样品表面溢出的荷电离子或离子团来表征样品成分。可以对同位素分布进行成像，表征样品成分;探测样品成分的纵向分布。



图18二次级离子质谱仪(SIMS)
适合分析材料:金属，半导体陶瓷，有机物
应用领域：物理，化学，微电子，生物，制药，空间分析等工业和研究方面。
特点：
⑴对某些元素极其表面灵敏(10-6单层)；在静态模式下探测深度限制在最顶单层。
⑵可测所有元素，包括H和同位素识别。
⑶较好的横向分辨(1m)。
⑷在动态模式下同时深度剖析。
⑸在动态模式下具有探测搀杂级浓度的充分的灵敏度动态范围的唯一技术。
⑹Cluster相对强度的有限化学信息。

7）红外吸收光谱仪（IR）



图19 红外吸收光谱仪
原理：用不同气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性。具有不对称结构的双原子或多原子气体分子，在某些波长范围内（1~25um）吸收红外线，具有各自的特征吸收波长。
适合分析材料:无机、有机、高分子化合物
应用领域：化工，物理、天文、气象、遥感、生物、医学等领域
特点：测试迅速，操作方便，重复性好，灵敏度高，试样用量少，仪器结构简单等
检测范围：
通常将红外光谱分为三个区域：近红外区(0.75~2.5μm)、中红外区(2.5~25μm)和远红外区(25~300μm)。



图20 红外吸收原理示意图

8）拉曼散射光谱仪(RAMAN)



图21 激光共聚焦拉曼光谱仪
原理：当光打到样品上时候，样品分子会使入射光发生散射。大部分散射的光频率没变，我们这种散射称为瑞利散射，部分散射光的频率变了，称为拉曼散射。散射光与入射光之间的频率差称为拉曼位移。拉曼光谱仪主要就是通过拉曼位移来确定物质的分子结构。
适合分析材料:固体、液体、气体、有机物、高分子等。
应用领域：石油、食品、农牧、刑侦及珠宝行业、环境、鉴定、地质领域、化学、高分子、制药及医学等相关领域。
特点：
（1）无须或极少准备样品
（2）无消耗性化学废弃物
（3）高分辨率
（4）工作波数范围大，最低可探测波长可达538.9nm
（5）可对样品表面进行um级的微区检测
（6）可进行显微成像测量
（7）快速检测
（8）操作简便
检测参数：
光学参数
光谱扫描范围： 186～5000cm-1
输出功率： 0～50mW
瑞利线阻止： OD>8，最小可探测波数186cm-1
数值孔径： 0.42
工作距离： 20mm
单色仪： F/#=8
光栅： 1800l/mm
线分辨率：1.6nm/mm

其他材料成分分析仪器

1）火花直读光谱仪



图22 火花直读光谱仪
原理：火花直读光谱仪用电弧（或火花）的高温使样品中各元素从固态直接气化并被激发而发射出各元素的特征波长，用光栅分光后，成为按波长排列的“光谱”，这些元素的特征光谱线通过出射狭缝，射入各自的光电倍增管，光信号变成电信号，经仪器的控制测量系统将电信号积分并进行模/数转换，然后由计算机处理，并打印出各元素的百分含量。
适合分析材料：黑色金属，有色金属
应用领域：冶金、机械及其他工业部门
特点：

• 采样方式灵活，对于稀有和贵重金属的检测和分析可以节约取样带来的损耗。
  
• 测试速率高，可设定多通道瞬间多点采集，并通过电脑实时输出。
  
• 对于一些机械零件可以做到无损检测，不破坏样品。
  
• 分析速度快，适合做炉前分析或现场分析。
  

测试范围：
可以同时快速测定金属固体样品中的C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、V、Ti、Cu、Al、W、Co、Nb、Mg、La、Ce、B、Pb、Sn、As、Sb、Bi等各种金属、非金属及气体元素。

2）红外碳硫分析仪



图23 红外碳硫分析仪
原理：将试样在高温炉中通氧燃烧，生成并逸出CO2和SO2气体，用此法实现碳硫元素与金属元素及其化合物的分离，然后测定CO2和SO2的含量，再换算出试样中的碳硫含量。
适合分析材料：黑色金属、有色属、稀土金属无机物、矿石、陶瓷等物质。
应用领域：冶金、机械、商检、科研、化工等行业中。
特点：准确、快速、灵敏度高的特点，高低碳硫含量均使用。
技术指标：
（1）测量范围:0.1g~0.5g 碳Carbon0.00002%~15%(上限可扩展至100%)硫Sulfur0.00002%~5%
（2）最小读数:0.00001%
（3）仪器精度:碳1ppm或RSD£0.5%硫1ppm或RSD£1.0%。
（4）分析时间:20-40秒
（5）电子天平称量范围:0.001g~100g







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