元素分析

XRF如何工作?

XRF释义

X射线荧光光谱仪(XRF)

XRF仪器可以提供多种材料的元素分析,包括金属、合金、聚合物、陶瓷、地质材料、石油产品、土壤、油漆等。XRF是什么?有哪些XRF仪器可用?可以测哪些元素?分析的准确性和速度如何?为您的分析需求找到合适的解决方案。

XRF原理

XRF可描述为高能辐射通过从最内层轨道打出电子来激发原子的过程。当原子退激发,即外层电子填充内层时,就会发射X射线荧光辐射。这些都是在不接触和损坏样品的情况下发生的。

发出的辐射很像原子的指纹。铜的X射线荧光与锌及元素周期表中其他元素的X射线荧光非常不同。这就是为什么XRF是进行元素分析最直接、最便捷的方法之一,被广泛应用于工业、研究和教育领域。其数据用以分析样品中主量、微量乃至痕量元素的定性、半定量和定量结果。

所以,唯一需要确认的是:你要用XRF做什么?是痕量元素分析还是水泥厂标准化高精度定量分析?是二维失效分析和生产控制,还是在废料场对金属进行分类,亦或在采掘现场对岩石进行预筛?

X射线荧光光谱仪(XRF)工作流程概述

EDXRF和WDXRF的区别

现今的XRF仪器都配有用以激发样品中原子的X射线光管和接收X射线荧光的探测器。光管中有水冷的4000W大功率光管,也有用于移动设备上如拇指般大小的4W微型光管。在X射线光子接收端,仪器可分为两种不同类型:能量色散型(EDXRF)或波长色散型(WDXRF)。尽管光子的能量E和它的波长λ实际上是可以相互转换的(根据公式 E = (c ∙ h)/λ,其中c为光速、h为普朗克常量) ,但是根据E或λ对光子进行分辨的方式是完全不同的。

波长色散型光谱仪将X射线视为波,并使用一些规则的结构(光栅或晶体)来产生干涉图样,从而实现非常高的光谱分辨率。能量色散探测器把X射线当作粒子来处理。它们的工作原理就像把一个保龄球(光子)扔进一个球坑(探测器)来观察每次撞击有多少个小塑料球(电子)被抛出。更重或更快的保龄球(更高的能量)会使更多的塑料球被抛出。

XRF仪器类型

XRF衍生出很多类型光谱仪。有些非常灵敏(TXRF),有些非常精准(WDXRF)。有些用于测量不可破坏的贵重、精致物品 (Micro-XRF/Macro-XRF),另一些用于对工业生产过程中使用或提取的材料进行分析(Direct & Polarized EDXRF)。有些可以给出样品中所有元素的精确含量(WDXRF);另一些可以告诉你样品中所含组成的确切位置(Micro-XRF)。它们大多是放置于实验室的仪器;有的也可以单手携带(Handheld-XRF)。


在工业质量管理过程中,有的荧光仪本来就是ISO和ASTM标准所要求的一部分,另外一些荧光仪由于其多功能性而越来越多地被研发实验室所采用。

哪类光谱仪才是最佳的选择由分析需求所决定:

  • 便携式、台式还是大型实验室专用仪器
  • 每日测样量
  • 材料/样品类型及制备
  • 关注的元素、含量范围和检出限
  • 准确性和精密度
  • 样品结构及样品尺寸

规格参数

仪器类型 便携式EDXRF 台式EDXRF 台式EDXRF 台式EDXRF 台式EDXRF 台式EDXRF 顺序式WDXRF 同时式WDXRF
    直接激发EDXRF 偏振光激发EDXRF 微区XRF 全反射XRF      
固体样品 +++ +++ ++ +++ ++ +++ +++ +++
液体样品 + +++ +++ ++ +++ +++ +++ -
元素范围 (F)Mg-Am (C)F - Am Mg-Am (C)Na-Am (Na)Mg-Am (C)F - Am (Be)B - Am (Be)B - Am
可移动性 +++ + ++ ++ (+)+ + - -
分析速度 +++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ +++
准确性与精密度 + ++ +++ ++ ++ ++ +++ +++
二维空间分辨率 ++ + - +++ - - ++ -
可分析含量范围 Ppm to wt.-% Ppm to wt.-% Sub-Ppm for S, Cl, P Ppm to wt.-% Ppb to wt.-% Ppm to wt.-% Sub-Ppm to wt.-% Ppm to wt.-%
了解更多 Portable XRF Direct EDXRF Polarized EDXRF Micro-XRF TXRF Benchtop WDXRF Sequential WDXRF Simultaneous WDXRF

直接激发和偏振光激发EDXRF

直接激发和偏振光激发EDXRF

台式能量色散型X射线荧光光谱仪(EDXRF)体积小巧、安装方便。采用50瓦的X射线光管来激发样品,用硅漂移探测器(SDD)对特征谱线的X射线光子数量和能量进行计数。SDD可以同时采集整个能谱,因此可以同时测量多个元素。直接激发EDXRF是一种通用型设备,它采用紧凑耦合光路来测量各种液体、粉末、颗粒、固体样品中的主量、微量和痕量元素。偏振光激发EDXRF利用单波长X射线来提高石化样品中S、P和Cl等元素的信噪比,尽管是袖珍型设备,也能达到超低的检出限。

直接激发EDXRF光路

手持式X射线荧光光谱仪

便携式/手持式X射线荧光光谱仪

手持式X射线荧光光谱仪主视图

手持式 X射线荧光光谱仪体积小巧,单手握持方便,可以通过电池供电,可以在几秒钟内完成材料的识别。 手持式 X射线荧光光谱仪 具有与大型 台式能量色散X射线光谱仪器有着同样的仪器构造,但它的体积更加小巧。 尽管二者的尺寸差异很大,但在测试样品时, 设备的光管和探测器距离样品很近,因此这些仪器对于从镁开始的所有元素都有着很好的探测灵敏度和准确性,所以他们不仅可以在废品回收中用于金属分类,还可以在地质勘探现场进行微量元素分析。 

微区 X 射线荧光光谱仪

微区 X 射线荧光光谱仪

Micro-XRF是一种能量色散型分析方法, 靶材产生的X 射线经过多导毛细管聚焦后以极小的光斑(微米级)对样品进行激发。因此,它不仅能够实现对样品中元素的定性、定量分析,还能够直接获得样品中各个元素的分布情况。

Micro-XRF的面扫描功能强大,是不均匀样品分析的理想方法。Micro-XRF可对各类样品进行测试, 样品类型包括固态,液态,颗粒等,几乎无需样品制备,样品在测量过程完全无损。 这使得Micro-XRF成为一种理想的不同类型样品预筛技术,不仅适用于刑侦分析领域, 也能够很好的满足地质、考古等方向客户的样品分析需求。

用微区X射线荧光光谱仪获得的元素分布图  

全反射X射线荧光光谱仪

全反射X射线荧光光谱仪

TXRF光谱使用多层单色仪产生较窄的特定能量范围的X射线光束,以非常小的角度掠入射的方式激发样品,提升样品被激发产生的特征X射线荧光产率,降低光谱北背景干扰,使痕量元素分析成为可能  

作为特别的一种能量色散型分析技术,全反射XRF (TXRF)通过使用单色仪、调整光路设计以优化信噪比,因此,具有更低的检出限。 与所有其他EDXRF技术的具体区别是TXRF具有极小的入射角,以致于经单色仪作用后产生的激发x射线在光滑的载样基底上发生全反射,因此得名全反射XRF。 这种光路结构有三个主要优势:  

  • 不进入载样基底,因此不会有来自载样基底的散射背景信号。  
  • 通过反射,激发光束能够两次穿过位于载样基底上的样品。
  • 由于x射线束经全反射由一侧进入另一侧,探测器可以放置于离样品表面非常近的地方,而不会阻碍样品被激发后产生的X射线。 因此,样品被激发产生的几乎所有的特征X射线荧光都能够被SDD探测器采集。 通过简单的样品制备,可对极少量的样品(低至微升或微克)进行ppb量级的定量分析。

波长色散型X射线荧光光谱仪

波长色散型X射线荧光光谱仪

波长色散型X射线荧光光谱仪(WDXRF)与EDXRF系统相比,其采用了更复杂的配置,使得灵敏度提高1-2个数量级。WDXRF系统装配大功率X射线管(高达4000 W),多个光学组件(如滤光片、准直器),并利用分光晶体将样品发射的X射线光子依据布拉格定律按照波长色散开。顺序式落地WDXRF台式WDXRF系统都配备有测角仪,它根据不同谱线波长来改变角度和转换晶体,也就是说,元素含量是按顺序测量的。大型同时式WDXRF采用固定通道,同时测量多个元素,以达到最短的测量时间。

落地式WDXRF光路

应用

XRF典型应用

X射线荧光光谱仪可以应用于任何需要进行元素分析的地方。采矿、水泥及建筑材料、石化和聚合物、食品和动物饲料以及金属生产中的过程监控和质量控制只是其中的一部分应用。便携式光谱仪在野外勘探及废金属分类时非常有用。XRF也经常应用于艺术品、文物保护和考古以及法医取证等领域。其功能多样性和简单的样品制备使得XRF成为许多服务实验室、政府机构以及学术界和研究机构所不可或缺的工具。