本書涵蓋土壤環(huán)境界面研究中17種**分析方法與表征技術(shù)，主要包括界面譜學分析，如X射線吸收光譜、原子配對分布函數(shù)、X射線吸收精細結(jié)構(gòu)光譜、紅外光譜、拉曼光譜、核磁共振波譜、穆斯堡爾譜、二次離子質(zhì)譜、傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜等；界面表征技術(shù)，如電位滴定、石英晶體微天平、原子力顯微鏡、微流控等；界面模型與理論計算，如表面絡(luò)合物模型、密度泛函理論等。各章節(jié)在簡要介紹方法或技術(shù)的概念、基本原理和功能的基礎(chǔ)上，重點介紹其在土壤環(huán)境界面研究中的應(yīng)用實例。本書編寫遵循基本原理與應(yīng)用相結(jié)合，先進性、系統(tǒng)性和實用性相統(tǒng)一的原則，力求深入淺出、通俗易懂，使讀者能夠了解和掌握相關(guān)技術(shù)和方法，并能最終應(yīng)用到相關(guān)研究中。
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目錄
第一篇 界面譜學分析
第1章 多晶粉末X射線衍射 2
1.1 基本原理 2
1.1.1 X射線的特征 2
1.1.2 X射線與物質(zhì)的相互作用 2
1.1.3 X射線衍射理論 3
1.1.4 X射線衍射的產(chǎn)生 3
1.1.5 X射線連續(xù)譜與特征譜 4
1.2 基本概念 5
1.2.1 晶體 5
1.2.2 空間點陣 6
1.2.3 晶胞 6
1.2.4 布拉維點陣 6
1.2.5 晶系 7
1.2.6 晶面指數(shù) 8
1.2.7 晶體對稱操作、點群和空間群 9
1.3 X射線衍射儀系統(tǒng)及常規(guī)測量 17
1.3.1 X射線衍射儀系統(tǒng) 17
1.3.2 X射線衍射儀的常規(guī)測量 19
1.4 物相鑒定 20
1.4.1 物相鑒定基礎(chǔ) 20
1.4.2 物相鑒定實例 22
1.5 Rietveld全譜擬合精修 24
1.5.1 Rietveld全譜擬合基礎(chǔ) 24
1.5.2 TOPAS軟件及其在環(huán)境界面研究中的應(yīng)用 27
參考文獻 34
第2章 高能X射線總散射 35
2.1 基本原理 35
2.2 數(shù)據(jù)采集與結(jié)構(gòu)分析 37
2.2.1 數(shù)據(jù)采集 37
2.2.2 直接信息 38
2.2.3 原子配對分布函數(shù)模型擬合 40
2.2.4 差分原子配對分布函數(shù) 41
2.3 高能X射線總散射分析在環(huán)境界面研究中的應(yīng)用 41
2.3.1 晶粒尺寸分析 42
2.3.2 弱晶質(zhì)礦物結(jié)構(gòu)解析 42
2.3.3 差分PDF（d-PDF）的應(yīng)用 43
參考文獻 46
第3章 X射線吸收精細結(jié)構(gòu)光譜 49
3.1 同步輻射光源簡介 49
3.1.1 同步輻射光源發(fā)展歷程 49
3.1.2 同步輻射光源特點 49
3.1.3 我國同步輻射光源發(fā)展情況 50
3.2 X射線吸收精細結(jié)構(gòu)光譜簡介 51
3.2.1 物質(zhì)對X射線的吸收和X射線吸收系數(shù) 51
3.2.2 X射線吸收精細結(jié)構(gòu)光譜 52
3.2.3 X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)光譜 53
3.2.4 擴展X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)光譜 53
3.3 樣品準備和數(shù)據(jù)采集 55
3.3.1 實驗?zāi)Ｊ?55
3.3.2 樣品準備 55
3.3.3 數(shù)據(jù)采集 55
3.4 XAFS光譜數(shù)據(jù)前處理 57
3.4.1 Athena軟件簡介 57
3.4.2 Athena軟件基本功能 57
3.5 EXAFS光譜數(shù)據(jù)擬合分析 63
3.5.1 Artemis軟件簡介 63
3.5.2 EXAFS擬合的理論依據(jù) 63
3.5.3 Artemis軟件中EXAFS擬合 64
3.6 XAFS光譜在環(huán)境界面研究中的應(yīng)用 68
3.6.1 XANES光譜應(yīng)用實例 68
3.6.2 EXAFS光譜應(yīng)用實例 70
3.7 其他吸收精細結(jié)構(gòu)光譜技術(shù) 76
3.7.1 快速X射線吸收精細結(jié)構(gòu)光譜 76
3.7.2 微區(qū)X射線吸收精細結(jié)構(gòu)光譜 78
參考文獻 82
第4章 分子振動光譜 84
4.1 紅外光譜 84
4.1.1 基本原理 84
4.1.2 測試分析方法 85
4.1.3 紅外光譜在礦物鑒定中的應(yīng)用 87
4.1.4 紅外光譜在固-液界面反應(yīng)中的應(yīng)用 89
4.1.5 二維相關(guān)紅外光譜及其應(yīng)用 91
4.2 拉曼光譜 96
4.2.1 基本原理 96
4.2.2 表面增強拉曼光譜 97
4.2.3 測試方法與數(shù)據(jù)分析 98
4.2.4 拉曼光譜在環(huán)境礦物學研究中的應(yīng)用 100
4.2.5 拉曼光譜在環(huán)境界面反應(yīng)中的應(yīng)用 103
參考文獻 104
第5章 核磁共振波譜 106
5.1 基本原理 106
5.1.1 原子核的自旋 106
5.1.2 核磁共振信號的產(chǎn)生 108
5.1.3 核磁共振信號的檢測與分析 109
5.2 液體核磁共振波譜 111
5.2.1 1H譜方法與譜圖分析 111
5.2.2 13C譜方法與譜圖分析 118
5.3 固體核磁共振波譜 122
5.3.1 固體核磁共振原理與應(yīng)用 122
5.3.2 31P譜方法與譜圖分析 122
5.3.3 27Al譜方法與譜圖分析 124
5.3.4 29Si譜方法與譜圖分析 124
5.4 二維核磁共振波譜 126
5.4.1 二維核磁共振波譜基礎(chǔ)知識 127
5.4.2 常用的二維核磁共振波譜 128
參考文獻 129
第6章 穆斯堡爾譜 131
6.1 穆斯堡爾效應(yīng) 131
6.1.1 穆斯堡爾效應(yīng)概述 131
6.1.2 穆斯堡爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn) 132
6.2 穆斯堡爾譜及其測定 133
6.2.1 穆斯堡爾譜儀 133
6.2.2 穆斯堡爾譜的產(chǎn)生 134
6.2.3 超精細相互作用及相關(guān)穆斯堡爾參數(shù) 136
6.2.4 制樣要求 139
6.2.5 穆斯堡爾譜的優(yōu)缺點 139
6.3 穆斯堡爾譜譜線擬合 140
6.3.1 數(shù)學算法 140
6.3.2 擬合程序 141
6.4 穆斯堡爾譜的應(yīng)用 141
6.4.1 固體的磁性 142
6.4.2 固體的物相鑒定及相變過程 145
6.4.3 界面電子傳遞介導黏土礦物結(jié)構(gòu)鐵化學形態(tài)變化的解析 146
6.4.4 地質(zhì)構(gòu)造運動的氧化還原環(huán)境的解析 147
參考文獻 149
第7章 X射線光電子能譜 151
7.1 基本原理 151
7.2 基本概念 153
7.2.1 原子能級 153
7.2.2 結(jié)合能和動能 153
7.2.3 化學位移 154
7.2.4 XPS信息深度 156
7.3 X射線光電子能譜譜線 156
7.3.1 光電子線 156
7.3.2 俄歇線 157
7.3.3 攜上線 157
7.3.4 多重分裂峰 158
7.3.5 價電子線 158
7.3.6 能量損失峰 159
7.3.7 衛(wèi)星峰 159
7.3.8 鬼峰 159
7.4 數(shù)據(jù)采集與能量校正 160
7.4.1 儀器簡介及測試 160
7.4.2 荷電效應(yīng)及其消除 161
7.5 X射線光電子能譜的應(yīng)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 元素價態(tài)分析 163
7.5.4 元素賦存形態(tài)定量分析 164
7.5.5 化合物結(jié)構(gòu)分析 166
參考文獻 166
第8章 二次離子質(zhì)譜 168
8.1 概述 168
8.1.1 發(fā)展歷程 168
8.1.2 基本原理 169
8.1.3 離子源 171
8.1.4 質(zhì)量分析器 173
8.1.5 檢測器 174
8.2 樣品制備及數(shù)據(jù)分析 174
8.2.1 粉末樣品制備 175
8.2.2 生物樣品制備 175
8.2.3 團塊狀樣品制備 176
8.2.4 元素定量分析 176
8.2.5 數(shù)據(jù)分析 177
8.3 二次離子質(zhì)譜在環(huán)境界面研究中的應(yīng)用 178
8.3.1 重金屬及有機污染物界面行為 178
8.3.2 土壤養(yǎng)分循環(huán) 179
8.3.3 微生物代謝及含水樣品分析 180
參考文獻 182
第9章 傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜 184
9.1 基本原理 184
9.2 DOM樣品準備及數(shù)據(jù)分析 185
9.2.1 常用電離源 186
9.2.2 固相萃取 186
9.2.3 數(shù)據(jù)分析 187
9.3 FT-ICR MS在DOM與礦物界面中的應(yīng)用 191
9.3.1 DOM在礦物界面的吸附分餾 191
9.3.2 DOM在錳氧化物表面的吸附降解 192
9.3.3 DOM在土壤中的吸附分餾 192
參考文獻 193
第二篇 界面表征技術(shù)
第10章 電位滴定 198
10.1 基本概念 198
10.1.1 定義與類型 198
10.1.2 滴定劑 198
10.1.3 滴定終點 199
10.2 常見電位滴定法 200
10.2.1 酸堿滴定法 200
10.2.2 沉淀滴定法 200
10.2.3 配位滴定法 201
10.2.4 氧化還原滴定法 201
10.3 自動電位滴定儀 202
10.3.1 儀器硬件 202
10.3.2 儀器軟件 202
10.3.3 常用電極 203
10.4 常用方法 206
10.4.1 電極校正 206
10.4.2 終點滴定 207
10.4.3 恒定pH 滴定 208
10.4.4 等量滴定 208
10.4.5 動態(tài)滴定 208
10.5 電位滴定的應(yīng)用 209
10.5.1 酸堿標定 209
10.5.2 針鐵礦表面電荷測定 210
10.5.3 胡敏酸對Pb的吸附行為 213
參考文獻 216
第11章 石英晶體微天平 217
11.1 概述 217
11.1.1 發(fā)展歷史 217
11.1.2 基本原理 217
11.1.3 儀器構(gòu)造及特點 218
11.1.4 儀器運行程序 218
11.1.5 QCM-D技術(shù)的優(yōu)勢和局限性 219
11.2 數(shù)據(jù)分析 219
11.2.1 Sauerbrey模型 219
11.2.2 耦合振蕩模型 220
11.2.3 黏彈性計算 221
11.2.4 定量分析模型 221
11.3 QCM-D在環(huán)境界面過程研究中的應(yīng)用 223
11.3.1 有機分子的表面吸附 223
11.3.2 納米顆粒沉積 224
11.3.3 微生物表面黏附與定殖 225
參考文獻 226
第12章 原子力顯微鏡 229
12.1 基本原理 229
12.2 成像模式 230
12.2.1 接觸模式成像 231
12.2.2 非接觸模式成像 231
12.2.3 輕敲模式成像 231
12.3 其他工作模式 232
12.3.1 凱爾文表面電勢測量 232
12.3.2 單分子力譜測量 233
12.3.3 楊氏模量測量 233
12.4 原子力顯微鏡在環(huán)境界面研究中的應(yīng)用 235
12.4.1 環(huán)境礦物表面溶解動力學 235
12.4.2 環(huán)境礦物界面中的溶解-再沉淀 238
12.4.3 無機礦物-有機物界面作用機制 241
12.4.4 土壤礦物-有機分子間弱相互作用 244
參考文獻 247
第13章 微流控 249
13.1 微流控芯片的設(shè)計制作 250
viii
13.1.1 微流控芯片材料 250
13.1.2 微柱陣列微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計 251
13.1.3 微流控芯片制作步驟 252
13.1.4 微流控芯片修飾與改性 254
13.2 微流控芯片的流體控制 255
13.2.1 流體驅(qū)動方案 255
13.2.2 流體理化參數(shù)控制方法 256
13.3 微流控系統(tǒng)界面過程表征技術(shù) 257
13.3.1 可見光和熒光顯微技術(shù) 257
13.3.2 紅外吸收光譜技術(shù) 259
13.3.3 拉曼散射光譜技術(shù) 259
13.3.4 X射線顯微光譜技術(shù) 261
參考文獻 262
第三篇 界面模型與理論計算
第14章 表面絡(luò)合模型 266
14.1 模型概述 266
14.2 土壤有機物離子吸附的表面絡(luò)合模型 267
14.2.1 NICA-Donnan模型 267
14.2.2 WHAM模型 271
14.2.3 NICA-Donnan模型與Models II-VI的異同 273
14.3 土壤無機礦物的表面絡(luò)合模型 274
14.3.1 CD-MUSIC模型 275
14.3.2 其他無機礦物表面絡(luò)合模型 283
14.4 多相或土壤體系的表面絡(luò)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 常見化學形態(tài)模型分析軟件的應(yīng)用 291
14.5.1 基于ECOSAT軟件的水相磷酸根的形態(tài)分布分析 292
14.5.2 基于NICA-Donnan模型的胡敏酸上Pb吸附行為和形態(tài)分布分析 294
參考文獻 297
第15章 膠體顆粒相互作用和穩(wěn)定性 300
15.1 DLVO理論 300
15.1.1 范德瓦耳斯作用力 301
15.1.2 靜電作用力 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 成鍵作用 304
15.2.4 橋接作用 305
15.2.5 空間位阻作用 305
15.3 膠體顆粒表面性質(zhì)分析 306
15.3.1 粒徑分析 306
15.3.2 表面電荷分析 306
15.3.3 疏水性分析 307
15.3.4 表面異質(zhì)性分析 308
15.4 膠體界面理論的應(yīng)用 309
15.4.1 礦物-細菌黏附的擴展DLVO模型模擬 309
15.4.2 礦物-有機分子界面作用 310
15.4.3 膠體團聚動力學及團聚形態(tài) 311
參考文獻 312
第16章 密度泛函理論 315
16.1 量子力學發(fā)展歷程 315
16.1.1 薛定諤方程 315
16.1.2 玻恩-奧本海默近似 315
16.1.3 哈特里-�？私� 316
16.1.4 霍恩伯格-科恩定理 317
16.1.5 交換相關(guān)能量泛函 317
16.2 常用計算軟件 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 其他軟件 325
16.3 密度泛函理論計算在環(huán)境界面研究中的應(yīng)用 325
16.3.1 吸附配位預(yù)測與模擬 325
16.3.2 催化反應(yīng)機理 327
16.3.3 礦物穩(wěn)定性分析 328
16.3.4 大氣污染物形成機制 329
參考文獻 331
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