土壤环境界面分析方法

目录
第一篇 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 基于ECOSAT软件的水相磷酸根的形态分布分析 292
14.5.2 基于NICA-Donnan模型的胡敏酸上Pb吸附行为和形态分布分析 294
参考文献 297
第15章 胶体颗粒相互作用和稳定性 300
15.1 DLVO理论 300
15.1.1 范德瓦耳斯作用力 301
15.1.2 静电作用力 301
15.2 非DLVO相互作用 302
15.2.1 疏水相互作用 303
15.2.2 水合作用 304
15.2.3 成键作用 304
15.2.4 桥接作用 305
15.2.5 空间位阻作用 305
15.3 胶体颗粒表面性质分析 306
15.3.1 粒径分析 306
15.3.2 表面电荷分析 306
15.3.3 疏水性分析 307
15.3.4 表面异质性分析 308
15.4 胶体界面理论的应用 309
15.4.1 矿物-细菌黏附的扩展DLVO模型模拟 309
15.4.2 矿物-有机分子界面作用 310
15.4.3 胶体团聚动力学及团聚形态 311
参考文献 312
第16章 密度泛函理论 315
16.1 量子力学发展历程 315
16.1.1 薛定谔方程 315
16.1.2 玻恩-奥本海默近似 315
16.1.3 哈特里-福克近似 316
16.1.4 霍恩伯格-科恩定理 317
16.1.5 交换相关能量泛函 317
16.2 常用计算软件 318
16.2.1 VASP 318
16.2.2 Gaussian 319
16.2.3 Materials Studio 320
16.2.4 LAMMPS 321
16.2.5 ADF 322
16.2.6 GROMACS 322
16.2.7 AMBER 323
16.2.8 其他软件 325
16.3 密度泛函理论计算在环境界面研究中的应用 325
16.3.1 吸附配位预测与模拟 325
16.3.2 催化反应机理 327
16.3.3 矿物稳定性分析 328
16.3.4 大气污染物形成机制 329
参考文献 331