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X射线荧光分析的原理及应用

2018年08月03日 15:44人气：1843

　　【中国仪器网使用手册】X射线荧光分析(XRF)——是对任何种类的样品进行元素分析的好分析技术，无论必需分析的样品是液体、固体还是粉末。XRF可以将高的准确度和精密度与简单和快速的样品准备结合，对铍 (Be) 到铀 (U) 的元素喜迁分析，浓度范围从 100 % 到低至亚 ppm 级。

　　作为一种确定各种材料化学组成的一种分析方法，XRF的被测材料可以是固体、液体、粉末或其它形式。XRF还可测定镀层和薄膜的厚度及成分。XRF具有分析速度快、准确度高、不破坏样品及样品前处理简单等特点。应用范围广泛，涉及金属、水泥、油品、聚合物、塑料、食品以及矿物、地质和环境等领域，在医药研究方面，XRF也是一种非常有用的分析方法。

　　X荧光光谱仪可分为能量色散(EDXRF)和波长色散(WDXRF)两大类，随后将详细介绍。可分析的元素及检测限主要取决于所用的光谱仪系统。EDXRF分析的元素从Na到U； WDXRF分析的元素从Be到U。浓度范围从ppm到100%。通常重元素的检测限优于轻元素。

　　XRF分析的精密度和重现性很高。若有合适的标准，分析的准确度非常高，当然没有标准时也可以分析。测量时间取决于待测的元素数目和要求的精度，在几秒至30分钟间变动。测量后的数据处理时间只需几秒钟。

　　在XRF中，样品受光源产生的X射线照射。通常，这种光源是一种X光管。样品中存在的元素发射出能量不同(分立)的标征这些元素的荧光X射线辐射(相当于可见光不同的颜色)。不同的能量相当于不同的颜色。通过测定样品发射的辐射能量(决定颜色)就可以确定样品中存在那些元素，此步即称为定性分析。通过测定能量的强度可以知道元素的含量，这就是定量分析。

　　特征X荧光射线的产生

　　经典的原子模型中，原子是由原子核和核外电子组成，原子核由带正电的质子和不带电的中子组成，核外电子分布在一定的轨道上，内层称K层，往外依次为L层、M层等，L层又分为LⅠ、LⅡ和LⅢ三个子壳层，M层分为MⅠ、MⅡ、MⅢ、MⅣ和MⅤ五个子壳层。K层有2个电子，L层有8个，M层有18个。一个电子所具有的能量取决于它所属的元素及所处的壳层。当采用能量足够高X光子和电子辐照原子时，就会从原子中逐出电子。

　　注意XRD与XRF波长色散的区别和联系，XRF分光晶体即为XRD的样品，也就是说晶格常数是已知的。

　　1，用途不同。XRD是x射线衍射光谱，(X-ray diffraction analysis)是用于测定晶体的结构的，而XRF是x射线荧光发射谱，(X-ray fluorescence analysis)主要用于元素的定性、定量分析的，一般测定原子序数小于Na的元素，定量测定的浓度范围是常量、微量、痕量。

　　2，原理上的差别。XRD是以X射线的相干散射为基础，以布拉格公式2d sinθ=nλ、晶体理论、倒易点阵厄瓦尔德图解为主要原理的；

　　XRF则是以莫斯莱定律(1/λ)1/2=k(Z-S)，k,S是与线性有关的常数。因此，得出不同元素具有不同的X射线(即特征线)为基础对元素定性、定量分析的。布拉格方程是结构分析的基本和重要的公式。

　　X射线是原子内层电子在高速运动电子的轰击下跃迁而产生的光辐射，主要有连续X射线和特征X射线两种。晶体可被用作X光的光栅，这些很大数目的粒子(原子、离子或分子)所产生的相干散射将会发生光的干涉作用，从而使得散射的X射线的强度增强或减弱。由于大量粒子散射波的叠加，互相干涉而产生大强度的光束称为X射线的衍射线。满足衍射条件，可应用布拉格公式：2dsinθ=nλ

　　应用已知波长的X射线来测量θ角，从而计算出晶面间距d，这是用于X射线结构分析；另一个是应用已知d的晶体来测量θ角，从而计算出特征X射线的波长，进而可在已有资料查出试样中所含的元素。

　　另一种能量色散EDS的荧光法常与扫描电镜联用

　　EDS是半定量分析，误差一般在5%~10%左右，是自动判断出元素后需要根据样品，人为的添加或去除某些不可能存在的元素，如果元素一点都没有显示也是0，这个还是具有一点的参考值，EDS是利用电子激发原子内层电子产生空位，更高原子能级电子跃迁产生特征X射线，从而进行元素分析。特征X射线的强度与很多因素有关，比如表面含量、电离截面、X射线产率等，特征X射线的产生与俄歇电子的产生是竞争关系，与元素的原子序数有关，随着原子序数的减少，俄歇电子的产率增加，而特征X射线的产率降低，当原子序数=19(即K元素)时，俄歇电子的产率是90%，相应的特征X射线的产率=10%，因此，EDS适用于对于检测原子序数较大的元素比较准确，而在原子序数较小的元素的检测对仪器、操作条件以及样品等的要求就很高。

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