X射線光電子能譜儀(XPS)?在實(shí)際生活中的應(yīng)用

化學(xué)、材料類實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)際生活，對(duì)一般人來說，可能覺得就像理論和現(xiàn)實(shí)的距離，其實(shí)不然。我們初中就用顯微鏡觀察洋蔥表皮細(xì)胞，當(dāng)初感慨原來吃下去的是這種小結(jié)構(gòu)；如若，我們把頭發(fā)絲、蚊子腿放到掃描電子顯微鏡下，看到的又是什么？把他們放到X射線光電子能譜儀(XPS)下，我們就可以知道元素組成。儀器和生活聯(lián)系在一起，你會(huì)發(fā)現(xiàn)生活不再神秘，儀器為我們的美好生活提供了更多的創(chuàng)新和可能。

X射線光電子能譜儀(XPS)是較常用的表面分析技術(shù)之一,它不僅能測(cè)定材料表面的組成元素,而且還能給出各元素的化學(xué)狀態(tài)信息；X射線光電子能譜儀(XPS)譜圖數(shù)據(jù)可對(duì)樣品進(jìn)行定性分析，得到有關(guān)組分，也可分別對(duì)各元素進(jìn)行化學(xué)態(tài)、原子分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵結(jié)合情況分析。因此它是一種用途廣泛的現(xiàn)代分析實(shí)驗(yàn)技術(shù)和表面分析的有力工具,應(yīng)用在固體物理學(xué)、基礎(chǔ)化學(xué)、催化科學(xué)、腐蝕科學(xué)、材料科學(xué)、微電子技術(shù)及薄膜研究等科學(xué)研究和工程技術(shù)的諸多領(lǐng)域中。近年來，X射線光電子能譜儀(XPS)越來越接近現(xiàn)實(shí)生活應(yīng)用。

首先，“吃”相關(guān)。隨著人們飲食結(jié)構(gòu)的精細(xì)化，大米加工精度也隨之提高，外觀越來越精美，從而使存在于大米表皮的營養(yǎng)物質(zhì)流失。因此，水稻中礦質(zhì)元素的分布、理化分析方法以及礦質(zhì)營養(yǎng)的研究等領(lǐng)域日益成為水稻研究的熱點(diǎn)。通過X射線光電子能譜儀對(duì)水稻籽粒穎果外表面、近表面、近中部和米中部的元素含量進(jìn)行定量分析。結(jié)果表明，不同加工等級(jí)間大米中Na、Mg、K、Ca、Cr、Mn、Co、Cu、Zn、Rb和Sr的11種元素存在極顯著差異（P＜0.01），并且11 種元素在不同等級(jí)間損失率不同；Na、K、Ca、Fe元素在水稻籽粒不同部位的含量有差異，穎果表面Na、K、Ca、Fe含量較高，近中部和米中含量較低。各營養(yǎng)元素在稻谷中分布不均勻，在加工過程中，營養(yǎng)元素將不同程度地?fù)p失。

人們的飲食觀念逐步由粗放型向營養(yǎng)保健型發(fā)展，蕓豆作為很重要的一種雜糧，越來越多的受到國內(nèi)外研究者的青睞，具有廣闊的研究開發(fā)前景。利用光電子能譜儀測(cè)定蕓豆子葉和種皮，并對(duì)其譜圖進(jìn)行了分析和比較。結(jié)果表明，蕓豆的子葉主要是由C、O、N 元素組成。黑蕓豆子葉中氧碳物質(zhì)的量比( nO /nC) 最高，為0.26。蕓豆的種皮除了有C、O、N 還有Si、Ca、Zn 元素，Si、Ca和Zn的含量超過子葉中的含量，花蕓豆種皮氧碳物質(zhì)的量比最高，為0.22。紅蕓豆、白蕓豆和花蕓豆的子葉和種皮中的碳有 C-C( 或 C-H)、C-O( 或C-N) 和C=O這3種存在形態(tài)，氧對(duì)應(yīng)有C-O和C=O 2種存在形態(tài)。黑蕓豆子葉中碳的形態(tài)中還出現(xiàn)了O-C=O或者N-CO=N結(jié)合形成的峰，氧對(duì)應(yīng)有3種存在形態(tài)。蕓豆種皮的碳有3種形態(tài)，氧有2種形態(tài)。利用這種制樣簡(jiǎn)單、對(duì)樣品無損的光電子能譜技術(shù)對(duì)蕓豆表面的元素組成及分布進(jìn)行研究，并且比較分析不同種類的蕓豆種子種皮和子葉中化學(xué)組成及含量的共性與特性，為蕓豆的開發(fā)和利用提供信息，對(duì)蕓豆的再利用和精細(xì)加工起到了一定的指導(dǎo)作用。

其次，“用”相關(guān)。X射線光電子能譜儀(XPS)已發(fā)展成為分析木材原料的主要研究手段之一，具體主要講是應(yīng)用于纖維表面和紙頁涂層表面分析。X射線光電子能譜儀(XPS)可對(duì)植物纖維表面納米級(jí)形態(tài)觀察，對(duì)纖維表面化學(xué)成分定性、定量研究。Seisto等用X射線光電子能譜儀(XPS)測(cè)定了云杉Milox漿和KP纖維表面的化學(xué)組成，測(cè)定了Milox法廢液中的木素。結(jié)果表明，Milox漿纖維表面上的可抽提物遠(yuǎn)低于KP纖維，在總木素含量相同的情況下，Milox 漿纖維的木素含量低。X. Hua等人用XPS對(duì)楊木爆破漿的表面進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，爆破處理使楊木纖維表面的O/C有所提高，C1峰面積減小，說明爆破漿表面有較高的碳水化合物含量、較低的木素和抽提物。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)爆破漿中S/C提高，說明爆破使纖維表面的木素磺化度提高，從而解釋了引起爆破漿強(qiáng)度高的原因之一。另外，X射線光電子能譜儀(XPS)還可用于紙頁涂層表面分析，主要用于測(cè)定膠黏劑在涂層表面和內(nèi)部的分布、及其與印刷花斑的關(guān)系、膠黏劑與顏料的分布關(guān)系等。Salvati對(duì)各種涂布紙和未涂布紙的表面分析進(jìn)行了概括描述。在對(duì)顏料涂布紙進(jìn)行分析的同時(shí)也用X射線光電子能譜儀(XPS)分析合成施膠劑，如AKD、ASA等。與未涂布紙相比，顏料涂布紙如低定量涂布紙（雜志紙）進(jìn)行X射線光電子能譜儀(XPS)分析時(shí)有較理想的表面，這是因?yàn)橥坎技埍砻娓悠交?，更加均勻?strong style="color:#393939;font-family:宋體, Verdana, Geneva, sans-serif;text-indent:20px;background-color:#FFFFFF;">X射線光電子能譜儀(XPS)作為一種新型的紙張表面狀況分析技術(shù)在國內(nèi)外已得到應(yīng)用，尤其對(duì)纖維表面特性、涂布紙表面涂層結(jié)構(gòu)、膠黏劑的遷移狀況及紙張?zhí)砑觿┑确矫娴难芯烤哂兄匾饬x。

落葉松具有質(zhì)地堅(jiān)硬、紋理美觀、耐腐蝕性良好等特點(diǎn)，廣泛用于建材和家裝等領(lǐng)域，但其存在尺寸穩(wěn)定性差、樹脂含量高等缺陷，嚴(yán)重制約了其在更廣闊領(lǐng)域的應(yīng)用。利用X射線光電子能譜儀(XPS)可對(duì)熱處理過程中木材表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化分析。X射線光電子能譜儀(XPS)分析表明，木材表面熱處理過后氧元素及氧碳比降低，隨著熱處理溫度的升高，木材表面的木質(zhì)素與抽提物含量增加，羥基數(shù)量有所減少。此研究結(jié)果從表面化學(xué)組成變化方面解釋了木材潤(rùn)濕性下降的原因之一，從而為制定適用于落葉松木材真空熱處理的合理工藝提供了理論依據(jù)和參考，并對(duì)運(yùn)用真空熱處理改性人工林木材生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品提供了有用的借鑒。

隨著研究的不斷深入，X射線光電子能譜儀(XPS)將會(huì)逐漸得到應(yīng)用并發(fā)揮出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。今后的發(fā)展趨勢(shì)不再是單一技術(shù)的使用，而是多種測(cè)試手段，如掃描電鏡、原子力顯微鏡、激光共聚焦掃描顯微鏡等的綜合利用，以便能揚(yáng)長(zhǎng)避短，得到最理想的綜合分析結(jié)果。我們相信，在不久的將來，X射線光電子能譜儀(XPS)分析技術(shù)將在科學(xué)研究中得到更廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用也越來越貼近生活。