土壤环境界面分析方法

目录 **篇 界面谱学分析 第1章 多晶粉末X射线衍射 2 1.1 基本原理 2 1.1.1 X射线的特征 2 1.1.2 X射线与物质的相互作用 2 1.1.3 X射线衍射理论 3 1.1.4 X射线衍射的产生 3 1.1.5 X射线连续谱与特征谱 4 1.2 基本概念 5 1.2.1 晶体 5 1.2.2 空间点阵 6 1.2.3 晶胞 6 1.2.4 布拉维点阵 6 1.2.5 晶系 7 1.2.6 晶面指数 8 1.2.7 晶体对称操作、点群和空间群 9 1.3 X射线衍射仪系统及常规测量 17 1.3.1 X射线衍射仪系统 17 1.3.2 X射线衍射仪的常规测量 19 1.4 物相鉴定 20 1.4.1 物相鉴定基础 20 1.4.2 物相鉴定实例 22 1.5 Rietveld全谱拟合精修 24 1.5.1 Rietveld全谱拟合基础 24 1.5.2 TOPAS软件及其在环境界面研究中的应用 27 参考文献 34 第2章 高能X射线总散射 35 2.1 基本原理 35 2.2 数据采集与结构分析 37 2.2.1 数据采集 37 2.2.2 直接信息 38 2.2.3 原子配对分布函数模型拟合 40 2.2.4 差分原子配对分布函数 41 2.3 高能X射线总散射分析在环境界面研究中的应用 41 2.3.1 晶粒尺寸分析 42 2.3.2 弱晶质矿物结构解析 42 2.3.3 差分PDF（d-PDF）的应用 43 参考文献 46 第3章 X射线吸收精细结构光谱 49 3.1 同步辐射光源简介 49 3.1.1 同步辐射光源发展历程 49 3.1.2 同步辐射光源特点 49 3.1.3 我国同步辐射光源发展情况 50 3.2 X射线吸收精细结构光谱简介 51 3.2.1 物质对X射线的吸收和X射线吸收系数 51 3.2.2 X射线吸收精细结构光谱 52 3.2.3 X射线吸收近边结构光谱 53 3.2.4 扩展X射线吸收近边结构光谱 53 3.3 样品准备和数据采集 55 3.3.1 实验模式 55 3.3.2 样品准备 55 3.3.3 数据采集 55 3.4 XAFS光谱数据前处理 57 3.4.1 Athena软件简介 57 3.4.2 Athena软件基本功能 57 3.5 EXAFS光谱数据拟合分析 63 3.5.1 Artemis软件简介 63 3.5.2 EXAFS拟合的理论依据 63 3.5.3 Artemis软件中EXAFS拟合 64 3.6 XAFS光谱在环境界面研究中的应用 68 3.6.1 XANES光谱应用实例 68 3.6.2 EXAFS光谱应用实例 70 3.7 其他吸收精细结构光谱技术 76 3.7.1 快速X射线吸收精细结构光谱 76 3.7.2 微区X射线吸收精细结构光谱 78 参考文献 82 第4章 分子振动光谱 84 4.1 红外光谱 84 4.1.1 基本原理 84 4.1.2 测试分析方法 85 4.1.3 红外光谱在矿物鉴定中的应用 87 4.1.4 红外光谱在固-液界面反应中的应用 89 4.1.5 二维相关红外光谱及其应用 91 4.2 拉曼光谱 96 4.2.1 基本原理 96 4.2.2 表面增强拉曼光谱 97 4.2.3 测试方法与数据分析 98 4.2.4 拉曼光谱在环境矿物学研究中的应用 100 4.2.5 拉曼光谱在环境界面反应中的应用 103 参考文献 104 第5章 核磁共振波谱 106 5.1 基本原理 106 5.1.1 原子核的自旋 106 5.1.2 核磁共振信号的产生 108 5.1.3 核磁共振信号的检测与分析 109 5.2 液体核磁共振波谱 111 5.2.1 1H谱方法与谱图分析 111 5.2.2 13C谱方法与谱图分析 118 5.3 固体核磁共振波谱 122 5.3.1 固体核磁共振原理与应用 122 5.3.2 31P谱方法与谱图分析 122 5.3.3 27Al谱方法与谱图分析 124 5.3.4 29Si谱方法与谱图分析 124 5.4 二维核磁共振波谱 126 5.4.1 二维核磁共振波谱基础知识 127 5.4.2 常用的二维核磁共振波谱 128 参考文献 129 第6章 穆斯堡尔谱 131 6.1 穆斯堡尔效应 131 6.1.1 穆斯堡尔效应概述 131 6.1.2 穆斯堡尔效应的发现 132 6.2 穆斯堡尔谱及其测定 133 6.2.1 穆斯堡尔谱仪 133 6.2.2 穆斯堡尔谱的产生 134 6.2.3 超精细相互作用及相关穆斯堡尔参数 136 6.2.4 制样要求 139 6.2.5 穆斯堡尔谱的优缺点 139 6.3 穆斯堡尔谱谱线拟合 140 6.3.1 数学算法 140 6.3.2 拟合程序 141 6.4 穆斯堡尔谱的应用 141 6.4.1 固体的磁性 142 6.4.2 固体的物相鉴定及相变过程 145 6.4.3 界面电子传递介导黏土矿物结构铁化学形态变化的解析 146 6.4.4 地质构造运动的氧化还原环境的解析 147 参考文献 149 第7章 X射线光电子能谱 151 7.1 基本原理 151 7.2 基本概念 153 7.2.1 原子能级 153 7.2.2 结合能和动能 153 7.2.3 化学位移 154 7.2.4 XPS信息深度 156 7.3 X射线光电子能谱谱线 156 7.3.1 光电子线 156 7.3.2 俄歇线 157 7.3.3 携上线 157 7.3.4 多重分裂峰 158 7.3.5 价电子线 158 7.3.6 能量损失峰 159 7.3.7 卫星峰 159 7.3.8 鬼峰 159 7.4 数据采集与能量校正 160 7.4.1 仪器简介及测试 160 7.4.2 荷电效应及其消除 161 7.5 X射线光电子能谱的应用 162 7.5.1 元素定性分析 162 7.5.2 元素定量分析 162 7.5.3 元素价态分析 163 7.5.4 元素赋存形态定量分析 164 7.5.5 化合物结构分析 166 参考文献 166 第8章 二次离子质谱 168 8.1 概述 168 8.1.1 发展历程 168 8.1.2 基本原理 169 8.1.3 离子源 171 8.1.4 质量分析器 173 8.1.5 检测器 174 8.2 样品制备及数据分析 174 8.2.1 粉末样品制备 175 8.2.2 生物样品制备 175 8.2.3 团块状样品制备 176 8.2.4 元素定量分析 176 8.2.5 数据分析 177 8.3 二次离子质谱在环境界面研究中的应用 178 8.3.1 重金属及有机污染物界面行为 178 8.3.2 土壤养分循环 179 8.3.3 微生物代谢及含水样品分析 180 参考文献 182 第9章 傅里叶变换离子回旋共振质谱 184 9.1 基本原理 184 9.2 DOM样品准备及数据分析 185 9.2.1 常用电离源 186 9.2.2 固相萃取 186 9.2.3 数据分析 187 9.3 FT-ICR MS在DOM与矿物界面中的应用 191 9.3.1 DOM在矿物界面的吸附分馏 191 9.3.2 DOM在锰氧化物表面的吸附降解 192 9.3.3 DOM在土壤中的吸附分馏 192 参考文献 193 第二篇 界面表征技术 第10章 电位滴定 198 10.1 基本概念 198 10.1.1 定义与类型 198 10.1.2 滴定剂 198 10.1.3 滴定终点 199 10.2 常见电位滴定法 200 10.2.1 酸碱滴定法 200 10.2.2 沉淀滴定法 200 10.2.3 配位滴定法 201 10.2.4 氧化还原滴定法 201 10.3 自动电位滴定仪 202 10.3.1 仪器硬件 202 10.3.2 仪器软件 202 10.3.3 常用电极 203 10.4 常用方法 206 10.4.1 电极校正 206 10.4.2 终点滴定 207 10.4.3 恒定pH 滴定 208 10.4.4 等量滴定 208 10.4.5 动态滴定 208 10.5 电位滴定的应用 209 10.5.1 酸碱标定 209 10.5.2 针铁矿表面电荷测定 210 10.5.3 胡敏酸对Pb的吸附行为 213 参考文献 216 第11章 石英晶体微天平 217 11.1 概述 217 11.1.1 发展历史 217 11.1.2 基本原理 217 11.1.3 仪器构造及特点 218 11.1.4 仪器运行程序 218 11.1.5 QCM-D技术的优势和局限性 219 11.2 数据分析 219 11.2.1 Sauerbrey模型 219 11.2.2 耦合振荡模型 220 11.2.3 黏弹性计算 221 11.2.4 定量分析模型 221 11.3 QCM-D在环境界面过程研究中的应用 223 11.3.1 有机分子的表面吸附 223 11.3.2 纳米颗粒沉积 224 11.3.3 微生物表面黏附与定殖 225 参考文献 226 第12章 原子力显微镜 229 12.1 基本原理 229 12.2 成像模式 230 12.2.1 接触模式成像 231 12.2.2 非接触模式成像 231 12.2.3 轻敲模式成像 231 12.3 其他工作模式 232 12.3.1 凯尔文表面电势测量 232 12.3.2 单分子力谱测量 233 12.3.3 杨氏模量测量 233 12.4 原子力显微镜在环境界面研究中的应用 235 12.4.1 环境矿物表面溶解动力学 235 12.4.2 环境矿物界面中的溶解-再沉淀 238 12.4.3 无机矿物-有机物界面作用机制 241 12.4.4 土壤矿物-有机分子间弱相互作用 244 参考文献 247 第13章 微流控 249 13.1 微流控芯片的设计制作 250 viii 13.1.1 微流控芯片材料 250 13.1.2 微柱阵列微观结构设计 251 13.1.3 微流控芯片制作步骤 252 13.1.4 微流控芯片修饰与改性 254 13.2 微流控芯片的流体控制 255 13.2.1 流体驱动方案 255 13.2.2 流体理化参数控制方法 256 13.3 微流控系统界面过程表征技术 257 13.3.1 可见光和荧光显微技术 257 13.3.2 红外吸收光谱技术 259 13.3.3 拉曼散射光谱技术 259 13.3.4 X射线显微光谱技术 261 参考文献 262 第三篇 界面模型与理论计算 第14章 表面络合模型 266 14.1 模型概述 266 14.2 土壤有机物离子吸附的表面络合模型 267 14.2.1 NICA-Donnan模型 267 14.2.2 WHAM模型 271 14.2.3 NICA-Donnan模型与Models II-VI的异同 273 14.3 土壤无机矿物的表面络合模型 274 14.3.1 CD-MUSIC模型 275 14.3.2 其他无机矿物表面络合模型 283 14.4 多相或土壤体系的表面络合模型 284 14.4.1 NOM-CD模型 284 14.4.2 LCD 模型 284 14.4.3 多表面模型 288 14.5 常见化学形态模型分析软件的应用 291 14.5.1