中國(guó)粉體網(wǎng)訊  元素分析在化學(xué)，材料學(xué)，環(huán)境檢測(cè)以及食品檢測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

元素分析的方法有很多，其中X射線熒光光譜法（XRF）和電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP），是目前應(yīng)用范圍較廣、技術(shù)較成熟的光譜分析手段，在元素分析中扮演著非常重要的角色。

1、X射線熒光光譜法（XRF）

1.1 X射線熒光光譜原理

當(dāng)能量高于原子內(nèi)層電子結(jié)合能的高能X射線與原子發(fā)生碰撞時(shí)，驅(qū)逐一個(gè)內(nèi)層電子而出現(xiàn)一個(gè)空穴，使整個(gè)原子體系處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)，然后自發(fā)地由能量高的狀態(tài)躍遷到能量低的狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程稱為馳豫過(guò)程。馳豫過(guò)程既可以是非輻射躍遷，也可以是輻射躍遷。當(dāng)較外層的電子躍遷到空穴時(shí)，所釋放的能量隨即在原子內(nèi)部被吸收而逐出較外層的另一個(gè)次級(jí)光電子，此稱為俄歇效應(yīng)，亦稱次級(jí)光電效應(yīng)或無(wú)輻射效應(yīng)，所逐出的次級(jí)光電子稱為俄歇電子。它的能量是特征的，與入射輻射的能量無(wú)關(guān)。當(dāng)較外層的電子躍入內(nèi)層空穴所釋放的能量不在原子內(nèi)被吸收，而是以輻射形式放出，便產(chǎn)生X射線熒光，其能量等于兩能級(jí)之間的能量差。

▲X射線熒光光譜原理

X射線熒光光譜（XＲF）的理論基礎(chǔ)是近代原子物理中的Moseley定律:

式中: λ為波長(zhǎng)；ν為頻率；Z為原子序數(shù)；k1、k2是依不同譜線而定的常數(shù)。公式表明元素特征X射線的頻率與原子序數(shù)的二次冪成線性關(guān)系，且特征X射線的強(qiáng)度與元素的含量正相關(guān)。X射線熒光的能量或波長(zhǎng)是特征性的，與元素有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。只要測(cè)出一系列X射線熒光譜線的波長(zhǎng)，即能確定元素的種類；測(cè)得譜線強(qiáng)度并與標(biāo)準(zhǔn)樣品比較，即可確定該元素的含量。

1.2 X射線熒光光譜儀原理

XRF分析的原理是用X射線作為激發(fā)源，照射待測(cè)樣品，使激發(fā)元素產(chǎn)生二次特征X射線（即熒光），使用X射線熒光儀測(cè)量并記錄樣品中待測(cè)元素的特征X射線的頻率、能量以及強(qiáng)度來(lái)定性或定量測(cè)定樣品中成分。根據(jù)分光方式的不同，分為波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀（WDXRF）和能量色散型X射線熒光光譜儀（EDXRF）兩大類。

波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀（WDXRF）一般由光源、分光系統(tǒng)（分光晶體、測(cè)角儀、準(zhǔn)直器）、檢測(cè)系統(tǒng)（檢測(cè)器、數(shù)據(jù)記錄處理系統(tǒng)）組成。由光源激發(fā)出試樣中各元素的特征X射線后，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直器投射到安裝在測(cè)角儀上的分光晶體上，分光晶體由測(cè)角儀驅(qū)動(dòng)按照2θ將各特征線進(jìn)行衍射，再逐一進(jìn)入探測(cè)器中，最后由數(shù)據(jù)記錄處理系統(tǒng)根據(jù)波長(zhǎng)和強(qiáng)度分析元素的種類和含量。

▲X射線熒光光譜儀原理圖

與WDXRF相比，EDXRF省卻了分光和測(cè)角系統(tǒng)，因此體積驟降且對(duì)X射線管的功率需求大大降低。借助高分辨率敏感半導(dǎo)體檢測(cè)器與多道分析器將未色散的X射線熒光按光子能量分離X射線光譜線，根據(jù)元素能量的高低來(lái)測(cè)定元素的含量。

1.3 X射線熒光光譜法特點(diǎn)

2、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP）

2.1 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀原理

高頻振蕩器發(fā)生的高頻電流，經(jīng)過(guò)耦合系統(tǒng)連接在位于等離子體發(fā)生管上端，銅制內(nèi)部用水冷卻的管狀線圈上。石英制成的等離子體發(fā)生管內(nèi)有三個(gè)同軸氫氣流經(jīng)通道。冷卻氣(Ar)通過(guò)外部及中間的通道，環(huán)繞等離子體起穩(wěn)定等離子體炬及冷卻石英管壁，防止管壁受熱熔化的作用。

工作氣體(Ar)則由中部的石英管道引入，開始工作時(shí)啟動(dòng)高壓放電裝置讓工作氣體發(fā)生電離，被電離的氣體經(jīng)過(guò)環(huán)繞石英管頂部的高頻感應(yīng)線圈時(shí)，線圈產(chǎn)生的巨大熱能和交變磁場(chǎng)，使電離氣體的電子、離子和處于基態(tài)的氖原子發(fā)生反復(fù)猛烈的碰撞，各種粒子的高速運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致氣體完全電離形成一個(gè)類似線圈狀的等離子體炬區(qū)面，此處溫度高達(dá)6000一10000攝氏度。

樣品經(jīng)處理制成溶液后，由超霧化裝置變成全溶膠由底部導(dǎo)入管內(nèi)，經(jīng)軸心的石英管從噴嘴噴入等離子體炬內(nèi)。樣品氣溶膠進(jìn)入等離子體焰時(shí)，絕大部分立即分解成激發(fā)態(tài)的原子、離子狀態(tài)。當(dāng)這些激發(fā)態(tài)的粒子回收到穩(wěn)定的基態(tài)時(shí)要放出一定的能量（表現(xiàn)為一定波長(zhǎng)的光譜），測(cè)定每種元素特有的譜線和強(qiáng)度，與標(biāo)準(zhǔn)溶液相比，就可以知道樣品中所含元素的種類和含量。

▲電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

ICP法主要采用液體進(jìn)樣，也就是說(shuō)對(duì)溶液進(jìn)行分析。對(duì)于金屬材料固體樣品來(lái)說(shuō)，其首要任務(wù)是將其溶解成溶液；如果樣品溶解不完全，可導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果偏低，因此前處理是很重要的。其次干擾問(wèn)題也是要注意的，由于ICP法相對(duì)于傳統(tǒng)的原子光譜分析來(lái)說(shuō)，光源的激發(fā)性能有所提高，但是依然存在光譜自吸現(xiàn)象；另外還存在光源的電子密度分布不均勻引起的溫度空間分布不同，氣溶膠在ICP 中心通道的滯留時(shí)間不同將會(huì)導(dǎo)致元素譜線的強(qiáng)度會(huì)隨著載氣壓力的不同而改變。對(duì)于基體元素的干擾，大部分可以采用匹配法繪制校準(zhǔn)曲線來(lái)消除基體效應(yīng)的影響；對(duì)于基體匹配法不能解決的樣品，可以采用基體元素及共存元素與被測(cè)元素分離的辦法來(lái)解決，另外也可以采用內(nèi)標(biāo)法或多元光譜擬合（MSF）校正法解決。

2.2 電感耦合等離子體發(fā)射光譜法特點(diǎn)

粉體網(wǎng)攜手德國(guó)斯派克分析儀器公司，將于8月31日在粉體公開課直播平臺(tái)組織線上技術(shù)交流會(huì)，屆時(shí)將介紹XRF和ICP在粉體元素檢測(cè)中的組合應(yīng)用，以提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確度，歡迎對(duì)這兩種技術(shù)感興趣的用戶報(bào)名參加。

專家簡(jiǎn)介：

焦慎地，德國(guó)斯派克分析儀器公司產(chǎn)品經(jīng)理，具有多年的ICP、XRF光譜儀分析應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

資料來(lái)源：

百度文庫(kù)

王世芳等.X射線熒光光譜分析法在土壤重金屬檢測(cè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

胡波等.X射線熒光光譜儀的發(fā)展及應(yīng)用

周西林等.電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法在金屬材料分析應(yīng)用技術(shù)方面的進(jìn)展 

崔天龍.電感耦合等離子體發(fā)射光譜法在化學(xué)分析中的應(yīng)用

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/長(zhǎng)安）

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