3.051/BE.340 第10讲真空状态下生物材料的表面表征 生物材料表面结构和化学性质在很大程度上影响着植入物的生物相容性,所以生物材料 的表面表征是生物材料研究中一个重要的方面 表面化学可利用高真空方式直接进行研究: ●化学分析的电子能谱(ESCA)/X-射线光电子能谱(XPS) ●俄歇尔电子能谱(AES) 次离子质谱(SIMS) S/ESCA 基本原理 X-射线用特征能量轰击样品近表面(0.5-10nm)激发的二次电子 对光电子能量的分析可进行表面组成的定量测量
1 3.051/BE.340 第 10 讲 真空状态下生物材料的表面表征 生物材料表面结构和化学性质在很大程度上影响着植入物的生物相容性，所以生物材料 的表面表征是生物材料研究中一个重要的方面。 表面化学可利用高真空方式直接进行研究： z 化学分析的电子能谱（ESCA）/X-射线光电子能谱（XPS） z 俄歇尔电子能谱（AES） z 二次离子质谱（SIMS） 1． XPS/ESCA 基本原理： ¾ X-射线用特征能量轰击样品近表面（0.5-10nm）激发的二次电子 ¾ 对光电子能量的分析可进行表面组成的定量测量
3.051/BE.340 电能分析器 (可变延迟电压) X射线源 透镜 监测器 (E=hv) e P≈10Tom E1 Ey S EF 光电子键合能是元素和 键合环境的特征反映← B LLL 正 化学分析! K 键合能=入射Ⅹ-射线能量一光电子动能 EB=hv- Ekin
2 3.051/BE.340 光电子键合能是元素和 键合环境的特征反映 化学分析! 键合能=入射 X-射线能量—光电子动能 电能分析器 （可变延迟电压） X-射线源 透镜 监测器
3.051/BE.340 元素定量分析 低-分辨率谱图 强度 N1 500 300 键合能(eV) l;峰值下的面积∝激发的电子数(和原子数) 只有近表面区域的电子通过非弹性碰撞“逃出”而不损失能量 敏感度:依赖于元素。元素在>0.1原子%的浓度下基本可被检测到(H和He不能被测 原子分数C的量化(被测到的元素) Si是敏感系数 ./s -f(仪器和原子参数) 能用于计算 检测到元素的和
3 3.051/BE.340 元素定量分析 键合能（eV） ¾ Ii 峰值下的面积∝激发的电子数（和原子数） ¾ 只有近表面区域的电子通过非弹性碰撞“逃出”而不损失能量 ¾ 敏感度：依赖于元素。元素在>0.1 原子%的浓度下基本可被检测到（H 和 He 不能被测 到） ¾ 原子分数 Ci的量化（被测到的元素） 检测到元素的和 强度 低-分辨率谱图 Si 是敏感系数 - f（仪器和原子参数） - 能用于计算
3.051/BE.340 C 高分辨率谱图 Is 强度 PMMA 290 285 键合能(eV) 在特定的键合配置情况下,从峰值面积的比率得到从原子激发的光电子比率(S=常数) 举例PMMA H CH3 H CH3 (a)最低的EaC1s E8≈285.0eV H C=O H C (b)中间的EBC1s EB≈286.8eV CH 为什么核心电子EB随着价电 子层的配置而变? c)最高的EBCs EB≈289.0eV
4 3.051/BE.340 键合能（eV） 在特定的键合配置情况下，从峰值面积的比率得到从原子激发的光电子比率（Si=常数） 5 个碳 举例 PMMA (a) 最低的 EBC1s EB≈285.0eV (b) 中间的 EBC1s EB≈286.8eV 为什么核心 电子 EB随着价 电 子层的配置而变？ (c) 最高的 EBC1s EB≈289.0eV 强度 高分辨率谱图
3.051/BE.340 负电子氧“抢夺”碳价电子 (电子密度高向氧原子) 碳核心电子紧密趋向原子核 (几乎无正电荷的屏蔽) 微弱变化到较高的Cls键合能 同样,金属不同的氧化状态可被区别 例如: Fe Feo Fe2O3Fe3O4 Fe2n键能 XPS信号来自样品表面~10nm 假如样品在该深度范围内存在浓度梯度将会是什么情况? 表面分离类型 吸附类型 10nml 多价氧合层
5 3.051/BE.340 同样，金属不同的氧化状态可被区别 例如： Fe2p 键能 XPS 信号来自样品表面~10nm 假如样品在该深度范围内存在浓度梯度将会是什么情况？ 表面-分离类型 吸附类型 多价氧合层 负电子氧“抢夺”碳价电子 （电子密度高向氧原子） Ø 碳核心电子紧密趋向原子核 （几乎无正电荷的屏蔽） Ø 微弱变化到较高的 C1s 键合能