极谱法的基本原理

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极谱法的基本原理范文第1篇

（一）注重基本概念和基本原理，开展共性和个性相结合的分类教学

本课程的教学内容涉及高分子材料研究中典型的7大类15种仪器分析方法，每种方法都有其原理、仪器组成、制样要求和应用实例，课程内容非常丰富。如果授课时面面俱到，学生一定会疲于记忆，淹没在大量的知识碎片中。而且，随着新材料和新表征方法的不断涌现，学生需要了解的知识会逐年增多。这就要求课程教学必须抓住重点，主次分明。作为本科生教学，本课程的重点应放在基本概念、基本原理的讲授上。我们将种类繁多的分析方法归结为7大类，即色谱法、质谱法、光谱法、波谱法、热分析法、显微镜和X射线衍射，并分类进行介绍。教学中首先着重介绍每一类方法共性的基本概念和原理，其次在共性基础上，介绍各种方法的个性和方法之间的差异，从而突出重点，理清脉络。例如讲授色谱法时，我们首先强调色谱最基本的分离功能原理，即依据不同组分在固定相和流动相中的分配系数不同导致保留时间不同的原理而实现分离，并介绍最基本的气相色谱法。在此基础上，我们再讲解，由于高分子材料不能气化，因此在气相色谱仪前加装裂解器，将大分子链在高温下断裂为可气化的小分子碎片并进行分离分析，即为裂解气相色谱；将高分子材料作为固定相，通过研究不同温度下特定小分子在其中的保留时间变化来研究高分子材料的状态变化，即为反相气相色谱；如果不依赖相互作用，而仅是以分子线团尺寸为分离依据，即为凝胶渗透色谱。按照这样的教学思路，学生在掌握了气相色谱之后，只需了解其他各种色谱方法与气相色谱的不同之处，以及由此引申出来的在样品制备、数据分析和应用等方面的独特之处即可，而无须记忆大量的知识。这样的方法有利于学生了解同类的不同分析方法之间的相互关系，形成归纳—推理的学习模式，从而可以举一反三。

（二）采用启发和推理式教学

为了让学生能够学活学透，在介绍每一种仪器分析方法时，我们都通过三个问题串起全部内容，即why（仪器为什么能工作，即仪器工作原理）、how（仪器怎么工作，即仪器组成及各部分结构和制样要求）和what（仪器能干什么，即可能的应用）。教师在课堂上把分析方法的原理讲深讲透，之后从原理出发通过一个个问题引导学生层层递进，推理出仪器组成、制样要求和可能的应用。例如红外光谱仪的基本原理是用一定范围的红外光照射样品，其中不同官能团的振动会吸收不同波长的红外光，使得出射光在特定波长处的能量下降。从基本原理出发，学生们提出红外光谱仪的基本组成部分应该包括红外光源、样品室和检测器，然后又发现必须要有分光部分，这样才能知道是哪个波长的光被吸收了。经过提示，他们发现这样组成的仪器（即传统的光栅红外），其分辨率和测试效率相互矛盾。此时，我们再介绍从原理上实现重大革新的迈克尔逊干涉仪，即采用全波长同时照射样品，同时检测并通过傅里叶变换得到对单个波长的吸收情况（即现在广泛应用的傅里叶变换红外），从而实现分辨率和测试效率的同步提高。经过多次训练后，学生越来越自觉地采用这样的推理式学习方法，不仅知识掌握得很牢固，自学能力、独立思考能力和分析问题的能力也得到了锻炼。

（三）强调知识之间的相互联系

本课程与高分子化学、高分子物理和聚合物成型加工的课程内容密切相关。这些课程分别介绍了高分子材料的分子链结构、聚集态结构、各种物性及如何成型，而本课程介绍的各种仪器分析方法则是表征这些结构和性能的手段。没有表征方法，研究人员就是聋子、瞎子，无法了解高分子材料的结构和性能，而不了解高分子材料的结构和性能特征，也就无法针对不同的材料特点进行表征方案的设计，并对表征结果进行合理的数据分析和足够的信息挖掘。本课程的名称也恰恰反映了既要了解高分子材料，也要掌握仪器分析方法的特点。此外，本课程还鼓励学生就一个问题进行分析，寻找多种解决方案，并比较这些方案得到的结果之间的差异，从而了解不同分析方法解决问题的不同角度，以此来打开学生的思路。例如高分子材料的结晶有多种研究方法，我们可以采用示差扫描量热（DSC）、红外光谱（IR）、X射线衍射（XRD）等来研究结晶度，也可以利用偏光显微镜、电子显微镜等来观察结晶形貌，还可以利用XRD、光散射等方法来测定晶型和晶胞参数。同样研究结晶度，DSC依据的是结晶／熔融过程的吸放热，IR依据的是分子的规整排列引起的特征峰的变化，XRD依据的是晶体对X射线的衍射。其中，DSC和XRD反映的是结晶的长程有序，而IR还可反映短程有序。因此，这三种方法得到的结晶度常常是不一致的。通过对比这些差异，学生对各种方法的特点理解得会更深入。

（四）在教学过程中灌输工程实际的概念

本课程的实践性很强，教学中采用了大量的实际科研工作案例，开展案例教学。实际案例的一个典型特点就是根据不同的材料特点，即使是对同样的一个问题进行分析，也可能会形成不同的分析方案，因此需要具体问题具体分析。在对这些实例进行分析的过程中，教师要注意不断融入工程概念，逐渐转变学生习惯套公式、定理解题的僵化思路。在课后作业中，我们有意给出冗余条件或不提供可以通过文献检索得到的数据，强调有效数位等基本概念，要求学生就原始数据进行数据的有效性分析和误差分析等。这样能够促使学生根据千变万化的实际情况形成分析问题和解决问题的思路，从而具备分析问题和解决问题的能力。

（五）有挑战性的作业

本课程的作业大多是我们根据科研实际案例自行编写的。由于与实践结合紧密，当材料、要求及前提条件不同时，作业就存在多条思路、多个层次、不同答案。因此，每次作业都是一次实战演习，学生都要花很多心思去完成。由于作业没有标准答案，因此都由任课教师自己批改，仔细订正学生的错误，并在参考文献引用、数据处理、作图等多方面严格要求学生，培养学生严谨的科学作风。例如一道作业题：用反相气相色谱（IGC）分别研究聚苯乙烯（PS）和聚丙烯（PP），请描述探针分子保留值随温度的变化规律，并画出分析结果的示意图，试说明两者的差异，并分析原因。这道题考查的内容分为5个层次：1．一般情况下PS和PP的结晶性。要求学生知道PS一般为无定形态，而PP则可结晶，并由此画出示意图。2．两者的特征转变温度。PS的玻璃化温度约为100℃，PP的熔点约为160～170℃，这两个温度应该在示意图中标出。3．两者的特例。全同PS可结晶，而无规PP不结晶。4．不同状态下曲线的斜率。玻璃态、橡胶态及熔融态下探针分子的扩散系数不同，所以相应曲线的斜率应不同。5．实际测定的可能性。PP的玻璃化温度低于零度，一般在IGC方法中无法测得。本题一般要求学生能回答前两个层次。但是，事实上学生的能力非常强，每年都有学生答出3～4个层次，这对于训练他们从多个角度深入考虑问题非常有益。在教学内容之外，本课程还结合教学方法和教学内容，引导学生形成积极的世界观和建立科学的方法论。例如本课程引导学生通过分析不同分析方法之间、不同课程之间，乃至不同学科之间的关联，体会事物之间的普遍联系；通过将一种分析方法在此处的局限性变成在彼处的用途，告诉学生要用辩证的眼光看待问题；通过介绍不断发展的仪器分析方法，让学生了解事物是处于不断发展变化中的，不能用僵化的观点看待问题；通过带领学生用一条条主线来贯穿所学知识，帮助他们掌握科学的学习方法。

二、结语

极谱法的基本原理范文第2篇

关键词：基础隔震；地震响应；时程分析法；

中图分类号：U452.2+8 文献标识码：A 文章编号：

引言

目前，我国和世界各国普遍采用的传统抗震方法是将建筑物设计为“延性结构”，通过适当控制调整结构物的自身刚度和强度，使结构构件(如梁、柱、墙、节点等)在强烈地震时进入非弹性状态后具有较大的延性，从而通过塑性变形消耗地震能量，减轻建筑物的地震反应，使整个结构“裂而不倒”，这就是“延性结构体系”[1~3]。它的设防目标是“小震不坏”、“中震可修”、“大震不倒”。实践证明，这种方法对减轻地震灾害起到了积极作用，但是这种传统的结构抗震方法有其明显的不足，随着我国经济的高速发展，对建筑功能要求越来越高，结构的形式越来越多样化 、复杂化，很多重要的建筑（电力、通讯中心、核电站、纪念性的建筑、海洋平台等）结构及内部设备的破化将造成巨大的经济损失。对这类建筑的抗震性能提出更高的要求――结构不允许进入塑性工作阶段，因此采用传统抗震方法很难满足此类建筑抗震要求。面对新的社会要求，各国地震工程专家一直寻求新的结构抗震设计途径，以隔震为代表的“结构振动控制技术”便是这种努力的结果[4~6]。

1、隔震结构的基本原理

结构隔震体系是指在建筑物上部结构的底部与基础面之间设置某种隔震装置，使之与固结于地基中的基础地面分离开来的一种结构体系[6]。隔震结构的基本原理可以用图1进一步阐明。图中三条曲线表示不同的阻尼大小，为普通中低层建筑的自振周期，为隔震层建筑的自振周期。

（a）加速度反应谱 （b）位移反应谱

图1隔震原理

从图中可以看出，结构自振周期延长，结构的地震加速度反应减小，地震位移反应增大；结构阻尼增大，结构的地震加速度反应和位移反应均减小。隔震系统的水平刚度远远低于上部结构的抗侧刚度，因此，结构的自振周期大大延长，避开地震动的卓越周期，使结构的地震加速度反应大大减小，变形主要集中消耗在隔震层，输入到结构的地震能量主要被隔震层消耗，而上部结构相对变形非常小。同时，加大隔震层的阻尼，消耗地震输入能量，能够很好的抑制隔震层位移和减小上部结构的加速度。

从减震效果考虑，适合采用隔震体系的建筑最好满足以下条件：

（1）体型基本规则的低层和多层，高度不超过40m，以剪切变形为主的建筑结构。根据日、美等国的经验，不隔震时基本周期小于1.0秒的结构，减震效果最佳。

（2）坚硬的场地适合于隔震建筑。我国Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地的反应谱特征周期均较小，这样可避开隔震后的结构周期，避免场地土与建筑物之间发生共振，故可建造隔震建筑。

（3）要求风荷载和其它非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%，有利于隔震结构具有可靠的抗倾覆能力。

2、设计与分析方法

我国现行隔震设计规范规定，对结构的地震响应分析主要采用时程分析法。为了和传统的抗震设计衔接起来，使隔震结构的设计能够被广大的工程结构设计人员方便地掌握和使用，引入了分部设计法和水平向减震系数两个重要的概念。

（1）分部设计法是将整个隔震结构体系分成：上部结构(隔震层以上结构)、隔震层、下部结构（隔震层以下结构）和基础四部分，分别进行设计。

（2）水平向减震系数概念，是在设防烈度多遇地震下，结构隔震与非隔震时，各层层间剪力比的最大值。而在实际隔震结构设计中，为了提高隔震结构的抗震设防目标，水平向减震系数取层间剪力比最大值的1/0.7倍。水平向减震系数代表了隔震设计的减震效果。

3、计算算例

采用意实际工程算例说明隔震结构的优越性，选用四个实际的地震波，分别是EL-Centro波、Taft波，加速度峰值小震下调幅至0.7m/s2，相当于8度区（0.2g）设防烈度。其动力参数见下表1所示：

表1非比例阻尼隔震结构的参数

表2输入EL-Centro波，上部结构的最大层间位移和剪力

表3输入Taft波，上部结构的最大层间位移和剪力

由表2和表3中的数据可以看出，隔震建筑与非隔震建筑相比较，结构的层间位移和剪力均大幅减小，使得结构具有更大的安全度。

4 结论

通过上述理论和算例分析可知，与传统的抗震结构相比，隔震结构具有如下优点：

从抗震概念上讲，传统的抗震体系采用“硬抗”的旧概念，即加强结构自身的刚度和强度来“抵抗”地震作用；而隔震体系应用了“以柔克刚”的新概念，即调整整个结构的动力特性（主要是刚度和阻尼）来减少、消耗地震输入的能量。因此，隔震结构明显有效的减轻了结构的地震反应，提高了整个结构的安全度。

结构的地震反应明显减小，使得上部结构的建筑设计更加自由、灵活，增大建筑设计自由度，例如：在高烈度区，可采用大开间单元建筑、不规则建筑结构物。

地震中，隔震建筑的主要变形集中在隔震层，整个上部结构“基本”平动，层间水平位移很小。因此防止了建筑物内部设备、家具等物品的振动、倾倒和非结构构建的损坏，大大减轻了地震中次生灾害的发生。

参考文献

[1] GB50011―2001,建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2001

[2] 李杰,李国强编著. 地震工程学导论[M].北京: 地震工程出版社, 1992

[3] 周锡元,俞瑞芳.建筑结构抗震设计方法的新进展[J]．建筑结构, 2006, 36(1): 25 ―33

[4] 唐家祥,刘再华.建筑结构基础隔震.武汉:华中理工大学出版社,1993.

极谱法的基本原理范文第3篇

关键词:仪器分析;教学改革;独立院校

中图分类号:G47

文献标识码:A

文章编号:1672-3198(2010)13-0270-01

1 仪器分析课程的教学特点和现状

1.1 教学特点

(1)仪器分析是制药、生物、环境、食品等专业的基础课,包含的分析方法多,如色谱、极谱、原子吸收、原子发射等。这些方法名称近似,但原理完全不同,而且各方法之间没有明显的联系,知识点散,学生学习时容易混淆或抓不住重点。

(2)分析方法的基本原理涉及物理学、化学、生物学等多方面的知识,而讲授仪器结构组成及工作原理只能纸上谈兵,学生学习起来感觉很抽象,难以理解和掌握。加之独立院校学生的知识功底和自主学习能力相对较弱,使得这种矛盾更加突出。

(3)实验是仪器分析课程的重要组成部分,其不仅能帮助学生巩固课堂中学到的理论知识,更能激发他们的学习兴趣,提高分析问题和解决问题的能力。但大型仪器价格昂贵,维护和使用的成本高。因此,即使条件好的独立院校也只能选择购买一些性能较低的仪器满足实验教学。对于一些新型分析仪器,学校根本无力购买,这在一定程度上影响了教学质量。

1.2 教学现状

(1)教材部分内容的更新落后于仪器的更新速度。例如现在的分析仪器基本上都有专门的数据处理系统,但许多教材还是用相当多的篇幅来介绍手工处理数据的技巧。

(2)学时少,内容多。据调查,这门课程一般开课一学期,理论和实验通常不超过60学时。因此,只能对色谱分析、电分析和光分析进行初步介绍,而对一些新型分析仪器和技能触及很少。

(3)多媒体教室数量有限。传统的板书方式,老师讲得辛苦,学生听得疲劳,而且教学效果令人担忧,不利于提高教学质量。

(4)实验教学时,往往是十几个学生“看”一台仪器。这是由仪器少、学生多和仪器贵、怕学生损坏的两对矛盾引起的。为了防止学生误操作把仪器弄坏,老师通常先将仪器的参数设好,学生接触到的是进入正常运行状态的仪器。这样走马观花的实验影响了学生学习的积极性和动手能力的锻炼。

仪器分析理论教学抽象、枯燥,实验课内容单一,学生缺乏主动性。因此,仪器分析课程教学急需改革。

2 仪器分析课程教学改革措施

2.1 针对课程特点,调整授课方式,突出逻辑性和科学性

针对该课程内容多、知识点散的特点,教师在授课过程中及时进行分析比较、归纳总结。如对每一章都从基本原理,仪器结构,分析方法和方法应用四个方面进行讲解,使得学生在学习过程中能够始终有一条主线。而在讲每一大类分析方法时,如色谱分析法中的气相和液相,抓住共性重点阐述。利用对比,归纳不同点。通过比较、总结的方法,学生对复杂问题的学习轻松多了,提高了教学效果。

2.2 结合专业特点,合理选择教学内容,突出“适用、够用、会用”原则

多数独立院校都在努力打造应用型本科人才的培养目标。因此,在开展教学前,教师可根据专业需要对教材进行合理的取舍,节选出与专业密切相关的基本理论、基本方法、基本实验技术作为重点教学内容。这样,学生就可以有的放矢,在有限的时间内取得最好的教学质量和效果。

2.3 积极创造条件,改进教学手段,突出学生为本

为了增加理论课教学的趣味性,调动学生学习的积极性,可以将理论课搬进实验室,充分利用实验室的仪器设备,结合板书和多媒体课件,将抽象的原理和分析方法具体化,加深对概念和原理的理解,切实弄清仪器的结构。如在讲授原子吸收光谱的仪器时,我们就是在实验室中完成的。这种新颖的方式使学生感到大型精密仪器不再是神秘的,仪器分析理论也不再是抽象枯燥的。这极大地提高了学生的学习积极性,激发了他们的学习热情。2.4 规范基本操作,加强实验教学,突出动手能力的培养

独立院校培养的是应用型高级人才,因此小到电子天平、移液管、容量瓶的使用,大到精密仪器的操作,都是仪器分析实验教学的重点内容。我们首先讲解操作要领,并做演示。在实验的过程中时刻关注学生的操作细节,及时指出并纠正不规范的操作,培养学生良好的操作习惯。同时,在实验内容的选择上,也适当增加综合性和设计性的实验,激发学生的创造性和能动性,提高他们综合运用知识、独立分析问题和解决问题的能力。另外,可以尝试将仿真软件系统应用于仪器分析实验教学中,一方面能解决仪器少、价格贵与学生多、怕损坏的矛盾,另一方面,还可以将一些难以讲解明白的结构、工作原理和操作形象逼真地表现出来,轻松提高教学效果。

2.5 完善考核体系,推进考试改革,突出应用能力的考核

考核是教学工作的指挥棒,是人才培养过程的重要环节,直接关系到独立院校培养目标的实现。仪器分析是一门实践性很强的课程,选择科学合理、丰富多样的考试模式,才能全方位考查学生的综合素质。我们已采用了专题论文撰写和实验专项考核等方式,着重考查学生的动手能力和实践能力。

通过对仪器分析课程改革的初步实践与探索,我校的仪器分析教学质量和效果有了明显改善,调动了学生学习的积极性、主动性和创造性,提高了运用知识、解决问题的能力,为他们今后的学习、科研和工作打下了坚实的基础。

极谱法的基本原理范文第4篇

詹姆斯・L.默塞尔（James L. Mursell），1893年6月1日生于英格兰的德比（Derby），先后在苏格兰的爱丁堡学校、英格兰的汤顿中学、澳大利亚南部阿德莱德的凯尔（Kyre）学院接受教育；1915年来到美国（纽约）协和神学院与哈佛大学学习，1918年获哲学博士学位。1921至1923年在俄亥俄州佩恩斯维尔的伊利湖学院任教，讲授心理学与教育课程；1923至1935年在马萨诸塞州的劳伦斯学院任教，讲授教育课程；1935年到哥伦比亚大学教育学院任教，教育方向副教授，同年升任教授；1940年任哥伦比亚大学音乐与音乐教育系主任；1959年退休；1963年1月去世。

詹姆斯・L.默塞尔作为美国20世纪著名的哲学家、教育家和心理学家，是一位多产的学者，曾出版专著25部，发表文章一百余篇，其研究成果涉及哲学、心理学、教育学等多个领域。其中专著有《笛卡尔科学哲学中直觉的功能》（Function of Intuition in Descartes' Philosophy of Science，1919）、《意义概念的分析》（An Analysis of the Concept of Meaning， 1920）、《战争时代的个人哲学》 （A Personal Philosophy for War Time，1923）、《中学教学心理学》（The Psychology of Secondary School Teaching， 1932）、《教育基本原理》（Principles of Education，1934）、《净化你的心灵》（Streamline Your Mind，1936）、《为美国民主的教育》（Education for American democracy，1943）、《心理学测量》（Psychological Testing，1947）、《如何形成习惯和改变习惯》（How to Make and Break Habits，1953）、《成功教学及其心理学原则》（Successful Teaching， its psychological principles，1954、1946）、《民主教育的原则》（Principles of Democratic Education， 1955）等。

默塞尔对20世纪美国学校音乐教育有着重要影响，他出版的音乐、音乐心理学与音乐教育方面的专著主要有《音乐教育基本原理》（Principles of Musical Education，1927）、《学校音乐教学心理学》（The Psychology of School Music Teaching，与玛贝尔・格伦合著，1931）、《音乐教育中的人类价值观》（Human Values and Music Education ，与玛贝尔・格伦合著， 1934）、《音乐心理学》（Psychology of Music， 1937）、《美国学校中的音乐》（Music in American Schools，1943）、《音乐与课堂教师》（Music and the Classroom Teacher， 1951）、《音乐教育基本原理与项目》（Music Education Principles and Programs，1956）、《我们城镇的音乐（2册）》（Music in Our Town I& II，1956）、《我们国家的音乐》（Music in Our Country，1958）等。

导 读

默塞尔是一位跨学科且极为多产的作者，其典型的跨国（英、奥、美等）成长、求学经历，以及神学教育背景等，使其兴趣广泛，研究成果涉及多个学术（哲学、心理学、教育、音乐心理学、音乐教育等）领域。他对20世纪美国学校音乐教育有着重要影响，著有音乐教育哲学、音乐教育原理、音乐心理学、音乐教学心理学和课堂音乐等著述。早在1927年默塞尔就已经出版专著《音乐教育基本原理》，1929年默塞尔参加美国音乐教师协会年会，发表题为“理想的音乐课”的演讲，受到音乐教育界一致好评。因为当时音乐教育者急需“一位哲学家”和“一位发言人”为自己的专业做理论辩护，默塞尔作为一位拥有哲学、心理学、教育学、音乐心理学、音乐教育学研究背景的跨学科知名学者，对于当时音乐教育界而言，可谓“久旱逢甘霖”。

《学校音乐教学心理学》是与玛贝尔・格伦合著，出版于1931年，当时正值美国进步主义教育运动高涨时期，默塞尔的音乐教育思想深受约翰・杜威和美国进步主义教育思想的影响，烙上了鲜明的印记。首先，受杜威和进步主义教育 “儿童中心论”思想的影响，默塞尔主张以“儿童为中心”的音乐教学，强调音乐学习中学生的主体作用，认为学生的内在动机是学生音乐成长的关键。其次，受杜威的“艺术即经验”思想的影响，默塞尔提出“音乐教育即经验的再建构”观点，认为音乐学习中学生的音乐经验尤为重要，鼓励学生作为聆听者、歌唱者、器乐演奏者积极参与到音乐活动中，这远比讲授音乐知识、技巧训练与分析音乐作品更有意义。再次，受杜威的“教育即生活”“教育是生活的过程，而不是未来生活的准备”等思想的影响，默塞尔提出音乐教育不应该过分关注识谱、乐理、技巧，而是应该通过音乐活动丰富儿童当下生活，让儿童在音乐活动中通过战胜音乐挑战体验到愉悦，进而丰富生活。他指出，“音乐教育要帮助儿童自己发现音乐的真谛，并且在音乐中发现自我”“一个教育过程，除了更多的教育、更多的成长、更多的生活之外，没有其他的目的或者结果。当我看到小学生唱歌时，我们要说，每一首歌应该立刻成为一个目标，并且成为一个‘垫脚石’……帮助儿童经历音乐，并且教育其成为音乐性的人。” 最后，默塞尔还深受杜威的民主主义教育思想影响。杜威将教育视为实现民主的首要工具，认为民主不仅是一种政治形式、一种公开讨论和自由交流的方法，更重要的是一种生活方式。默塞尔认为，民主思想是一种富有创造性的力量，体现在艺术作品中，人们应分享这些思想的力量。当音乐作为贵族艺术仅被少数人所享用时，并不能成为真正的民主社会，学校音乐教育的终极目标是使人们获得对音乐的热爱，使生活更人性化、更高雅。

极谱法的基本原理范文第5篇

现代仪器分析方法在科技考古中的运用主要分为两个方面:第一方面是物质结构分析,主要有质谱分析、原子吸收和发射光谱分析、核磁共振分析、红外和紫外吸收光谱分析等等。其中质谱分析在科技考古中的运用最为广泛,这得益于此方法能准确高效地测定物质结构,并且能进行同位素分析。第二方面是显微分析,用于观测样品在一定微观尺度下的物质排列,以及不同物质在同一样品中的分散状况。主要使用电子扫描显微镜等各种微观尺度不同的显微镜,通过这些显微镜可以观察文物表面及内部的物质分布结构状况和一些有标志意义的微观痕迹。

下面,笔者将简单介绍两种物质结构分析仪器及它们的工作原理。

质谱分析

1.基本原理

质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来进行分析的一种分析方法。待测化合物分子吸收能量后在离子源的电离室中产生电离,生成分子离子,分子离子由于具有较高的能量,会进一步按化合物自身特有的碎裂规律分裂,生成一系定组成的碎片离子,将所有不同质量的离子和各种离子的数量按质荷比记录下来,就得到一张质谱图。由于在相同实验条件下每种化合物都有其确定的质谱图,因此将所得质谱图与已知质谱图对照,就可确定待测化合物。

2.仪器――质谱仪(见图1)

利用运动离子在电场和磁场中偏转原理设计的仪器称为质谱计或质谱仪。前者用电子学方法检测离子,而后者将离子聚焦在照相底板上进行检测。一般的质谱计由以下几个部分组成:(见图2)

高真空系统高真空环境是质谱计正常工作的前提条件。高真空系统是用来取得所需真空度的阀泵系统,一般由前级泵(常用机械泵)和油扩散泵或分子涡轮泵等组成。

样品注入系统样品注入系统拥有直接注入、气相色谱、液相色谱、气体扩散四种方法。直接注入是指固体样品通过直接进样杆将样品注入,加热使固体样品转为气体分子。对不纯的样品可经气相或液相色谱预先分离后,通过接口引入。液相色谱―质谱接口有传动带接口、直接液体接口和热喷雾接口。热喷雾接口是最新提出的一种软电离方法,能适用于高极性反相溶剂和低挥发性的样品。样品由极性缓冲溶液以每分钟1～2毫升流速通过一毛细管。控制毛细管温度,使溶液接近出口处时,蒸发成细小的喷射流喷出。微小液滴还保留有残余的正负电荷,并与待测物形成带有电解质或溶剂特征的加合离子而进入质谱仪。

离子源使样品电离产生带电粒子(离子)束的装置(见图3)。应用最广的电离方法是电子轰击法,其他还有化学电离、光致电离、场致电离、激光电离、火花电离、表面电离、X 射线电离、场解吸电离和快原子轰击电离等。其中场解吸和快原子轰击特别适合测定挥发性小和对热不稳定的化合物。

质量分析器将离子束按质荷比进行分离的装置。它的种类有单聚焦、双聚焦、四极矩、飞行时间和摆线等。

收集器经过分析器分离的同质量离子可用照相底板、法拉第筒或电子倍增器收集检测。随着质谱仪的分辨率和灵敏度等性能的大大提高,现在只需要微克级甚至纳克级的样品就能得到一张较满意的质谱图。因此对于微量不纯的化合物,可以利用气相色谱或液相色谱(对极性大的化合物)将化合物分离成单一组分,导入质谱计,录下质谱图,此时质谱计的作用如同一个检测器。

原子发射光谱分析

1.基本原理

原子发射光谱分析使待测元素发射出特征波长的辐射,经过分光,测量其强度而进行定性、定量分析的方法。在高频功率、进样方式等实验条件固定时,样品发射出的特征辐射强度与样品中该元素的浓度(C)成正比。据此,通过测量标准溶液及未知溶液的特征辐射强度,又已知标准溶液浓度,可作标准曲线,求得未知液中待测元素浓度。

2.仪器―等离子体发射光谱仪(见图4)

(1)等离子体发射光谱仪的等离子光源

等离子体喷焰作为发射光谱的光源主要有以下三种形式:

①直流等离子体喷焰(direct currut plasmajet,DCP): 弧焰温度高 8000-10000K,稳定性好,精密度接近ICP,装置简单,运行成本低。

②电感耦合等离子体(inductively coupled plasma, ICP):ICP的性能优越,已成为最主要的应用方式。

③微波感生等离子体(microwave induced plasma, MIP):温度5000-6000K,激发能量高,可激发许多很难激发的非金属元素如C、N、F、Br、Cl、C、H、O 等,可用于有机物成分分析,但其测定金属元素的灵敏度不如DCP和ICP。

(2)等离子体发射光谱仪的结构

ICP是由高频发生器和等离子体炬管组成(见图5)。

① 晶体控制高频发生器。

石英晶体作为振源,经电压和功率放大,产生具有一定频率和功率的高频信号,用来产生和维持等离子体放电。石英晶体固有振荡频率为6.78MHz,二次倍频后为27.120MHz,电压和功率放大后,功率为1-2kW。

② 炬管与雾化器。

三层同心石英玻璃炬管置于高频感应线圈中,等离子体工作气体从管内通过,试样在雾化器中雾化后,由中心管进入火焰;外层Ar从切线方向进入,保护石英管不被烧熔,中层Ar用来点燃等离子体。

(3)原理

当高频发生器接通电源后,高频电流I通过感应线圈产生交变磁场。开始时,管内为Ar气,不导电,需要用高压电火花触发,使气体电离后,在高频交流电场的作用下,带电粒子高速运动、碰撞,形成“雪崩”式放电,产生等离子体气流。在垂直于磁场方向将产生感应电流(涡电流),其电阻很小,电流很大(数百安),产生高温。再将气体加热、电离,在管口形成稳定的等离子体焰炬。

3.等离子体发射光谱仪的类型

(1)光电直读等离子体发射光谱仪

光电直读是利用光电法直接获得光谱线的强度。光电直读等离子体发射光谱仪有两种类型:多道固定狭缝式和单道扫描式。多道固定狭缝式是安装多个狭缝和光电倍增管(多达70个),同时测定多个元素的谱线,一个出射狭缝和一个光电倍增管,可接受一条谱线,构成一个测量通道;单道扫描式则是转动光栅进行扫描,在不同时间检测不同谱线。

(2)全谱直读等离子体光谱仪(见图6)

采用CID阵列检测器,可同时检测165～800nm波长范围内出现的全部谱线。

质谱分析与原子发射光谱分析在科技考古中的应用

青铜时代是中国历史上具有非凡意义的时代,灿烂的中华文明正是在这一时代逐渐形成并走向辉煌的。

青铜器是最能代表青铜时代文化特征的文化遗存,运用现代仪器分析方法对已发掘出土的青铜器进行深入的研究分析,这是进一步了解和认识青铜时代中国社会的生产、生活、政治以及科技发展状况的必然途径。

青铜,是以铜金属为主要成分,并包含有锡、铅等其他金属成分以及多种微量元素成分的一类合金材料。它熔点比铜金属低很多,但硬度却很大,所以比较容易融化和铸造成形。不同地区出土的青铜器在成分方面差别很大,有的是铜锡合金,有的是铜铅合金,有的则是铜锡铅三者皆有的合金,在微量元素的含量方面也有比较大的差别。这反映出不同地区或是不同历史时期,青铜在合金成分、生产工艺和矿料选择等方面具有不同的特点。对于青铜时代,从自然资源的开采、运输,到冶炼青铜时各种原料成分比例的搭配(及配方),再到青铜器的铸造工艺,以及国家对青铜业的管理方式,都是考古工作者和爱好者们非常关心的问题,也是目前考古学界研究和探讨较多的领域。

目前,研究青铜器的合金成分,主要运用的仪器分析方法就是上面所说的电感耦合等离子体发射光谱法。即通过检测青铜样品中各种成分元素发射光谱的不同特征将它们分别检测出来,并通过这些特征光谱的强度来计算出样品所含有的对应元素的浓度,这样就可以得到青铜样品合金成分的数据。

在青铜所含有的诸多成分中,有一种成分具有非常特殊的意义,它就是铅。自然界中铅以204Pb、206Pb、207Pb、208Pb四种同位素的形式而存在,相对丰度分别为1.48%、23.6%、22.6%、52.3%,除204Pb为非放射成因外,其他分别由238U、235U、232Th衰变产生,在研究铅同位素丰度变化时以204Pb作为比较基础,测定其他各同位素与204Pb的比值。与铅同位素相关的科学研究已经开展得十分广泛,在地质科学中用于U-Th-Pb衰变系列的测年及普通含铅矿物(基本不含U、Th)铅同位素组成示踪成岩、成矿物质来源,划分大地构造单元等方面。