射線熒光光譜分析法解析

1、X射線熒光光譜分析法 利用原級 X射線光子或其他微觀粒子激發(fā)待測物質(zhì)中的原子,使之產(chǎn)生熒光（次級X射線）而進行物質(zhì)成分分析和化學態(tài)研究的方法。在成分分析方面,X射線熒光光譜分析法是現(xiàn)代常規(guī)分析中的一種重要方法。 簡史 20世紀20年代瑞典的G.C.de赫維西和R.格洛克爾曾先后試圖應(yīng)用此法從事定量分析，但由于當時記錄和探測儀器水平的限制，無法實現(xiàn)。40年代末，隨著核物理探測器的改進,各種計數(shù)器相繼應(yīng)用在X射線的探測上，此法的實際應(yīng)用才成為現(xiàn)實。1948年H.弗里德曼和 L.S.伯克斯制成了一臺波長色散的X射線熒光分析儀，此法才開始發(fā)展起來。此后,隨著X射線熒光分析理論和方法的逐漸開拓和完善、儀

2、器的自動化和計算機水平的迅速提高，60年代本法在常規(guī)分析上的重要性已充分顯示出來。70年代以后，又按激發(fā)、色散和探測方法的不同，發(fā)展成為X射線光譜法（波長色散）和X射線能譜法（能量色散）兩大分支，兩者的應(yīng)用現(xiàn)已遍及各產(chǎn)業(yè)和科研部門。 儀器 X射線熒光分析儀（見彩圖）主要由激發(fā)、色散（波長和能量色散）、探測、記錄和測量以及數(shù)據(jù)處理等部分組成。X射線光譜儀與X射線能譜儀兩類分析儀器有其相似之處，但在色散和探測方法上卻完全不同。在激發(fā)源和測量裝置的要求上，兩類儀器也有顯著的區(qū)別。 X射線熒光分析儀按其性能和應(yīng)用范圍,可分為實驗室用的X射線熒光光譜儀和能譜儀、小型便攜式X射線熒光分析儀及工業(yè)上的專用儀

3、器。 X射線熒光光譜儀 實驗室用的X射線熒光光譜儀的結(jié)構(gòu)見圖1 。由X射線管發(fā)射出來的原級X射線經(jīng)過濾光片投射到樣品上,樣品隨即產(chǎn)生熒光X射線,并和原級X射線在樣品上的散射線一起,通過光闌、吸收器（可對任何波長的X射線按整數(shù)比限制進入初級準直器的 X射線量）和初級準直器（索勒狹縫），然后以平行光束投射到分析晶體上。入射的熒光 X射線在分析晶體上按布喇格定律衍射，衍射線和晶體的散射線一起，通過次級準直器（索勒狹縫）進入探測器，在探測器中進行光電轉(zhuǎn)換，所產(chǎn)生的電脈沖經(jīng)過放大器和脈沖幅度分析器后，即可供測量和進行數(shù)據(jù)處理用。對于不同波長的標識X射線，通過測角器以1:2的速度轉(zhuǎn)動分析晶體和探測器，即可

4、在不同的布喇格角位置上測得不同波長的X射線而作元素的定性分析。 在定量分析中，經(jīng)過定標器的信號脈沖（分析線強度），可以直接輸入電子計算機，進行聯(lián)機處理而讀取分析元素的含量,也可從定標器上讀取分析線的強度,然后進行脫機處理。在定性分析中，經(jīng)過脈沖幅度分析器的信號，可以直接輸入計數(shù)率計，通過記錄器筆錄下來，進行定性或半定量分析。在作近似定量分析時，也可以通過數(shù)據(jù)處理機進行。 X 射線熒光能譜儀  這種儀器只須采用小型激發(fā)源（如放射性同位素和小型 X射線管等）、半導(dǎo)體探測器如硅（鋰）探測器、放大器和多道脈沖幅度分析器，就可以對能量范圍很寬的X射線譜同時進行能量分辨（定性分析）和定量測定（圖

5、2 ）。而且，由于無需分光系統(tǒng)，樣品可以緊靠著探測器，光程大大縮短,X射線探測的幾何效率可提高23個數(shù)量級，因而靈敏度大大提高，對激發(fā)源的強度要求則相應(yīng)降低。所以，整個譜儀的結(jié)構(gòu)要比波長色散譜儀簡單得多。 作為激發(fā)源的X射線管，其發(fā)射的X射線既可以在通過濾光片后直接激發(fā)樣品，還可以由激發(fā)次級靶，利用便于隨意選擇的靶材發(fā)射出來的標識線經(jīng)過濾光片后去激發(fā)待測的樣品，這可以大大提高分析線與本底的對比度，對少量或痕量元素的測定特別有利。 X射線熒光能譜儀的缺點是較適合于高能X射線的探測，對于能量小于2萬電子伏左右的能譜,其分辨率不如波長色散儀器好，而且隨著X射線能量的下降,其缺點越加突出，同時，探測器

6、和場效應(yīng)管必須配以冷卻裝置。 如上所述，X射線熒光光譜儀和X射線熒光能譜儀各有優(yōu)缺點。就目前而論,實驗室中使用X射線光譜儀的仍然居多。盡管儀器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一次投資費用較大，但由于它對輕、重元素測定的適應(yīng)性更廣，對高、低含量的元素測定靈敏度也符合各主要產(chǎn)業(yè)部門和科學研究的需要，因此它仍有很大的發(fā)展可能。同時，在物質(zhì)的化學態(tài)研究方面，由于X射線分光計的開發(fā)較早,分辨率高和靈活多樣，例如有半聚焦和全聚焦彎晶分光計、雙晶分光計以及光柵分光計等。幾十年來在 X射線精細結(jié)構(gòu)研究中,X射線光譜法一直處于獨占地位；尤其是隨著超長波 X射線波段的不斷開拓和同步輻射源的推廣應(yīng)用，X射線熒光光譜儀的發(fā)展更具有廣

7、闊前途。 應(yīng)用 物質(zhì)成分分析  定性和半定量分析具有譜線簡單、不破壞樣品、基體的吸收和增強效應(yīng)較易克服、操作簡便、測定迅速等優(yōu)點，較適合于作野外和現(xiàn)場分析,而且一般使用便攜式X射線熒光分析儀，即可達到目的。如在室內(nèi)使用X射線能譜儀,則可一次在熒光屏上顯示出全譜，對物質(zhì)的主次成分一目了然，有其獨到之處。 定量分析可分為兩類,即實驗校正法（或稱標準工作曲線法）和數(shù)學校正法。它們都是以分析元素的 X射線熒光（標識線）強度與含量具有一定的定量關(guān)系為基礎(chǔ)的。70年代以前，數(shù)學校正法發(fā)展較慢，主要用于一些組成比較簡單的物料方面；大量采用的是實驗校正法。其中常用的有外標法、內(nèi)標法、散射線標準法、增

8、量法、質(zhì)量衰減系數(shù)測定法和發(fā)射吸收法等。70年代以后，隨著X射線熒光分析理論和方法的深入發(fā)展,以及儀器自動化和計算機化程度的迅速提高，人們普遍采用數(shù)學校正法。其中主要包括經(jīng)驗系數(shù)法、基本參數(shù)法和經(jīng)驗系數(shù)與基本參數(shù)聯(lián)用法等。應(yīng)用這些方法于各種不同分析對象，可有效地計算和校正由于基體的吸收和增強效應(yīng)對分析結(jié)果的影響。對于譜線干擾和計數(shù)死時間，也可以得到有效的校正。這些方法除基本參數(shù)法外，一般都比較迅速、方便，而且準確度更高。在許多領(lǐng)域中，無論是少量或常量元素分析，其結(jié)果足與經(jīng)典的化學分析法媲美,因而在常規(guī)分析中，X射線熒光分析法和原子吸收光譜法、等離子體光譜分析法一起，并列為儀器分析的主要手段。

9、X射線熒光分析法用于物質(zhì)成分分析,具有若干獨特的優(yōu)點。首先，與原級X射線發(fā)射光譜法比,不存在連續(xù)X射線光譜，以散射線為主構(gòu)成的本底強度小,譜峰與本底的對比度和分析靈敏度顯著提高，操作簡便，適合于多種類型的固態(tài)和液態(tài)物質(zhì)的測定，并易于實現(xiàn)分析過程的自動化。樣品在激發(fā)過程中不受破壞，強度測量的再現(xiàn)性好，以及便于進行無損分析等。其次，與原子發(fā)射光譜法相比,除輕元素外，特征（標識）X射線光譜基本上不受化學鍵的影響，定量分析中的基體吸收和增強效應(yīng)較易校正或克服，譜線簡單，互相干擾比較少，且易校正或排除。 X 射線熒光分析法可用于冶金、地質(zhì)、化工、機械、石油、建材等工業(yè)部門，以及物理、化學、生物、地學、環(huán)

10、境科學、考古學等。還可用于測定涂層和金屬薄膜的厚度和組成以及動態(tài)分析等。 在常規(guī)分析和某些特殊分析方面，包括工業(yè)上的開環(huán)單機控制和閉環(huán)聯(lián)機控制，本法均能發(fā)揮重大作用。分析范圍包括原子序數(shù)Z3（鋰）的所有元素，常規(guī)分析一般用于Z9（氟）的元素。分析靈敏度隨儀器條件、分析對象和待測元素而異，新型儀器的檢出限一般可達10-510-6克克；在比較有利的條件下，對許多元素也可以測到10-710-9克/克（或10-710-9克厘米3）,而采用質(zhì)子激發(fā)的方法，其靈敏度更高，檢出限有時可達10-12克克（對Z15的元素）。至于常量元素的測定，X射線熒光分析法的迅速和準確,是許多其他儀器分析方法難與相比的。 化

11、學態(tài)研究 隨著大功率 X射線管和同步輻射源的應(yīng)用、各種高分辨率 X射線分光計的出現(xiàn)、計算機在數(shù)據(jù)處理方面的廣泛應(yīng)用，以及固體物理和量子化學理論計算方法的進步,通過X射線光譜的精細結(jié)構(gòu)（包括譜線的位移、寬度和形狀的變化等）來研究物質(zhì)中原子的種類及基的本質(zhì)、氧化數(shù)、配位數(shù)、化合價、離子電荷、電負性和化學鍵等，已經(jīng)取得了許多其他手段難以取得的重要結(jié)構(gòu)信息，在某些方面（例如配位數(shù)的測定等）甚至已經(jīng)得到非常滿意的定量結(jié)果。這種研究方法具有不破壞樣品、本底低、適應(yīng)范圍廣、操作簡便等優(yōu)點，不僅適用于晶體物質(zhì)研究，而且對于無定形固體物質(zhì)、溶液和非單原子氣體也可以發(fā)揮其獨特的作用，可以解決X 射線衍射法和其他光

12、譜、波譜技術(shù)所不能解決的一些重要難題。 展望 X射線熒光分析法同其他分析技術(shù)一樣,不是完美無缺的。在物質(zhì)成分分析中,它對一些最輕元素（Z8）的測定還不完全成熟,只能是屬于初期應(yīng)用的階段。常規(guī)分析中某些元素的測定靈敏度不如原子發(fā)射光譜法高（采用同步輻射和質(zhì)子激發(fā)的 X射線熒光分析除外），根據(jù)各個工業(yè)部門生產(chǎn)自動化的要求（例如選礦流程中的自動控制分析）,X射線熒光分析法正在不斷完善中。某些新發(fā)展起來的激發(fā)、色散和探測新技術(shù)還未能得到普遍的推廣應(yīng)用，儀器的自動化和計算機化水平尚待進一步提高。尤其突出的是,在快速分析方面,至今實驗室的制樣自動化水平仍然是很低的,還不能適應(yīng)全自動X射線熒光分析儀連續(xù)運轉(zhuǎn)

13、的要求。 在儀器技術(shù)的改進方面,對于常規(guī)的X射線熒光分析來說，為提高分析靈敏度，這種改進主要仍決定于激發(fā)、色散和探測等三個基本環(huán)節(jié)。在激發(fā)源方面,常規(guī)X射線管對輕元素的激發(fā)，除銠靶外，還發(fā)現(xiàn)鈧靶的效率較高。新型的強大的同步輻射源在分析上的應(yīng)用研究也已開始，在特征 X射線外延吸收譜精細結(jié)構(gòu)研究中更引起人們的高度重視。在色散元件方面,隨著一些新型晶體,尤其是輕、重元素交替淀積的碳化物多層膜質(zhì)晶體的發(fā)展，在提高衍射效率方面對輕元素分析有可能獲得較大的效益。對于超長波X射線色散用的各種分析晶體和光柵,在提高分辨率和擴大應(yīng)用范圍方面，不斷取得新的進步。在探測器方面，作為能譜儀的心臟，可以在室溫下工作，具有優(yōu)良能量分辨本領(lǐng)的碘化汞晶體探測器也正在開發(fā)之中?？梢哉f，以上儀器三個基本環(huán)節(jié)的突破，以及儀器結(jié)構(gòu)的不斷改進（例如能量與波長色散譜儀的結(jié)合等），對于提高儀器的使用水平,必將有很大的促進。此外,基本參數(shù)法的推廣應(yīng)用，尚有賴于有關(guān)方面不斷地提高質(zhì)量衰減系數(shù)、吸收陡變、熒光產(chǎn)額和原級 X射線光譜的強度分布等基本參數(shù)的準確度。 至于分析理論和方法的發(fā)展，在物質(zhì)成分的分析方面主要包括克服基體效應(yīng)的基礎(chǔ)研究和擴大分析應(yīng)用范圍兩方面?，F(xiàn)在，基體效應(yīng)的數(shù)學校正法正在通過校正模型的更深入研究和計算機軟件的進一步開發(fā)，向更高水平的方向發(fā)展。而且,隨著制樣技術(shù)的逐步自動化