荧光仪器分析基础知识

1X射线荧光分析岛津国际贸易(上海)有限公司2007上海2基础知识简介3什么是仪器分析？仪器分析是一大类分析方法的总称，一般的说，仪器分析是指采用比较复杂或特殊的仪器设备，通过测量物质的某些物理或物理化学性质的参数及其变化来获取物质的化学组成、成分含量及化学结构等信息的一类方法。或者说通过施加给测试样品一定的能量，然后分析其对声、光、电等物理或物理化学信号的响应程度或变化大小。分析仪器即测量这些信号及变化的装置。根据待测物质在分析过程中被测量或用到的性质，仪器分析可分为光分析方法、电分析方法、分离分析方法等。4仪器分析法仪器分析法光分析法光分析法非光分析法非光分析法非光谱分析法非光谱分析法光谱分析法光谱分析法电导法电位法色谱法电泳法质谱法旋光法干涉法折射法原子吸收光谱原子发射光谱原子荧光光谱X射线荧光光谱分子磷光光谱法核磁共振波谱法电分析法电分析法分离分析法分离分析法5仪器分析方法的分类classificationofinstrumentanalyticalmethod仪器分析电化学分析法光分析法色谱分析法热分析法分析仪器联用技术质谱分析法6什么是光谱：光谱是一系列有规律排布的光。如雨后的彩虹。7810-1310-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-11101102103104紫外线超短波短波中波长波超声波nm1Åμmmkmgreenbluevioletyelloworengered３８０４３０４９０５５０５９０６４０７８０ｎｍradiant波长λ(ｍ)pmX射线γ射线可见光红外线微波(indigo)9光分析法：光学分析法是根据物质吸收、发射、散射电磁波或电磁波与物质作用而建立起来的一类分析方法。光学分析法可归纳为以下两大类：第一类光谱分析法。例如原子吸收光谱分析、原子发射光谱分析，分子吸收光谱分析，X射线荧光分析和穆斯鲍尔光谱分析等。第二类非光谱分析法。例如折射，偏振法，旋光色散法，浊度法，X射线衍射法，电子显微镜法等。10光分析法光谱分析法非光谱分析法原子光谱分析法分子光谱分析法原子吸收光谱原子发射光谱原子荧光光谱X射线荧光光谱折射法圆二色性法X射线衍射法干涉法旋光法紫外光谱法红外光谱法分子荧光光谱法分子磷光光谱法核磁共振波谱法11什么是光谱分析？•用特殊的仪器设备对特定物质的光谱进行分析的方法。•常见的光谱分析仪器有：原子吸收光谱仪；直读光谱分析仪ICP直读光谱分析仪；X射线荧光光谱仪原子荧光光谱仪……12X射线荧光分析13X射线荧光光谱仪的分类1.根据分光方式的不同，X射线荧光分析可分为能量色散和波长色散两类，缩写为EDXRF和WDXRF。2.根据激发方式的不同，X射线荧光分析仪可分为源激发和管激发两种14波长色散与能量色散分辨率的比较15波长色散X射线光谱仪分类1.纯扫描型:一般配备4-6块晶体、两个计数器、衰减器等.灵活,造价较低.但是分析速度慢,稳定性稍差,真空室过大,轻元素扫描道流气窗易损坏，故障率较高。2.纯多道同时型:每个元素一个通道,多数部件可以互换。稳定分析速度快、真空室很小.故障率低。但是造价高.163.多道加扫描道型:在多道同时型仪器上加扫描道,既有多道同时型的优点,又有灵活的优点.4.扫描型仪器加固定道:在扫描型仪器上加2-4个固定道.部分减少了扫描型仪器的慢速、稳定性差的缺点,但是基本构造没有改变,真空室很大,配备固定道后检测距离加大，灵敏度降低，故障率偏高。17扫描型与同时型的比较项目XRF-1800MXF-2400分析灵敏度最高很高高含量分析很好最好基本参数法全功能全功能工作曲线法最适合适合元素面成象可以无高次线解析标准无18X射线及X射线荧光X-射线：波长0.001～50nm；X射线荧光的有效波长:0.01～4.5nmX射线的能量与原子轨道能级差的数量级相同X-射线荧光分析利用元素内层电子跃迁产生的荧光光谱，应用于元素的定性、定量分析、固体表面薄层成分分析；X-射线光谱X-射线荧光分析X-射线吸收光谱X-射线衍射分析X-射线光电子能谱19X射线荧光分析基本原理X射线管发出一次X射线（高能）,照射样品，激发其中的化学元素,发出二次X射线,也叫X射线荧光,其波长是相应元素的标识－－特征波长(定性分析基础);依据谱线强度与元素含量的比例关系进行定量分析.20荧光分析的样品有效厚度一般为≤0.1mm。（金属≤0.1ｍｍ；树脂≤3ｍｍ）▲有效厚度并非初级线束穿透的深度，而是由分析线能够射出的深度决定的！21XRF－1800结构概念图示波长色散型WDX(顺序扫描型)22顺序型单道扫描XRF系统配置23多道同时型XRF仪器结构24多道荧光工作原理图样品检测器X射线束分光晶体分光晶体检测器25多道同时型荧光光谱仪概念图26X射线及X射线荧光27原子的壳层结构28特征X射线•在X射线管中，当撞击靶的电子具有足够能量时，这个电子可将靶原子中最靠近原子核的处于最低能量状态的K层电子逐出，在K电子层中出现空穴，使原子处于激发状态，外侧L层电子则进入内层空穴中去，多余的能量以X射线的形式释放出来，原子再次恢复到正常的能量状态。产生的是Ka线。•对应其他的跃迁则产生Kb、La、Lb等等2930荧光X射线入射X射线激发原子的内层电子，使电子层出现空洞，原子成为不稳定状态（激发状态），外层电子进入空洞而使原子成为稳定状态，多余的能量释放出来这个能量就是荧光X射线•由于电子轨道分为K，L，M以及，，，因此也分别称为K线、L线N层M层L层K层KKKγLL31X射线的产生。从阳极发出的高速电子撞击对阴极而产生X射线•以X射线形式辐射出的能量极小，大部分能量转变成热能•阴极的热量用水或风进行冷却32X射线管的结构33初级X射线的产生高速电子撞击阳极(Rh、Cu、Cr等重金属)：热能(99%)+X射线(1%)高速电子撞击使阳极元素的内层电子激发；产生X射线辐射；34连续光谱连续光谱又称为“白色”X射线，包含了从短波限λm开始的全部波长，其强度随波长变化连续地改变。从短波限开始随着波长的增加强度迅速达到一个极大值，之后逐渐减弱，趋向于零。连续光谱的短波限λm只决定于X射线管的工作高压。35不同靶的连续谱图特征光谱36布拉格公式：高级次谱线(n=2)和一级次谱线(n=1)在相同的角度被检测分光晶体的工作原理：37当X射线入射到物质中时，其中一部分会被物质原子散射到各个方向。当被照射的物质为晶体时，且原子层的间距与照射X射线波长有相同数量级，在某种条件下，散射的X射线会得到加强，显示衍射现象。当晶面距离为d，入射和反射X射线波长为λ时，相临两个晶面反射出的两个波，其光程差为2dsinθ，当该光程差为X射线入射波长的整数倍时，反射出的x射线相位一致，强度增强，为其他值时，强度互相抵消而减弱。满足2dsinθ=nλ时，衍射线在出射角θ方向产生衍射，从而达到分光的目的。38相干散射线的干涉现象；相等，相位差固定，方向同，n中n不同，产生干涉X射线的衍射线：大量原子散射波的叠加、干涉而产生最大程度加强的光束；Bragg衍射方程：DB=BF=dsinn=2dsin光程差为的整数倍时相互加强；只有当入射X射线的波长≤2倍晶面间距时，才能产生衍射39X射线荧光光谱仪X-rayfluorescencespectrometer波长色散型：晶体分光能量色散型：高分辨半导体探测器分光波长色散型X射线荧光光谱仪四部分：X光源；分光晶体；检测器；记录显示；按Bragg方程进行色散；测量第一级光谱n=1；检测器角度2；分光晶体与检测器同步转动进行扫描。40全固态检测器41仪器结构和微区分析系统专利]可以在30mm直径内的任意位置进行分析。42250um成图分析，世界首创实用的详细显示岩石样品Ba250μm成图Ba1mm成图43滤光片初级滤光片次级滤光片44初级滤光器(光源滤光片)作用–降低背景–改善荧光检测器X射线源初级滤光片样品45次级滤光片（检测器滤光片）.滤去无用的线样品检测器X射线源次级滤光片46滤光片的原理与使用•Cu的X射线光谱在通过Ni滤片之前(a)和通过滤片之后(b)的比较（虚线为Ni的质量吸收系数曲线）47对标样的依赖性48工作曲线法•标样绘制曲线•标样的要求•标样与试样的关系•使用中的一致性49工作曲线C3C2C1含量强度R1R2R350什么是FP法•FP法也叫基本参数法纯理论状态下，物质的量与X射线的强度之间具有一定的函数关系。现实中由于散射、吸收－增强等因素以及晶体衍射效率的变化等等因素造成实测强度与理论强度的不一致，通过校准实测强度与理论强度之间的差异而建立起来的一种以理论参数为主的分析方法。其需要较少的标准样品或仅需要一些纯物质即可以进行半定量－定量分析的计算。51基体效应•基体：分析元素以外的全部•基体效应：在一定的分析条件下，试样中基体元素对分析元素测量结果的综合影响。Wi=(aI2+bI+c)(1+ΣdjWj)-ΣljWjj≠i,Base52矿物效应和粒度效应•在矿石分析中，由于同一元素会以不同的价态、不同的结构、不同的晶体存在。这种微观上的差别无法用机械方法除去，这称为矿物效应。•当样品中的颗粒达到一定细度是，X射线的强度达到恒定。颗粒度增加X射线强度下降。波长越长该现象越严重。金属的表面处理也有类似的情况，我们称其为粒度效应和表面效应53试样的组成及元素间的影响•试样表面的处理•颗粒度的影响•成分波动的影响•重叠影响•高含量元素峰影响54样品的制备及样品与标样的一致性•荧光分析中标样与分析样品的一致性是影响分析结果的重要因素。有时甚至将一致性放在最重要的地位。最好使两者具有：相似的组成、相似的状态、相同的加工方式、相似的大小•在样品制备中还要考虑：均匀、无夹杂、无气孔、无污染、代表性等问题55理想待测试样应满足的条件：1.有足够的代表性（因为荧光分析样品的有效厚度一般只有10～100µｍ）2.试样均匀。3.表面平整、光洁、无裂纹。4.试样在Ｘ射线照射及真空条件下应该稳定、不变型、不引起化学变化。5.组织结构一致!56样品的基本展示形态：1.固体：铸块类；板、陶瓷、玻璃类；橡皮、木材、纸类2.小零件类3.粉末及压块4.液体和溶液5.支撑式样品：薄膜和镀层6.熔融产物57常用的制样方法：1.金属块状样品和其它块状材料：582.粉末样品压片法：593、粉末样品熔融法：6061X射线荧光分析技术谱线重叠影响例：元素Ka（Kev/nm）Kb（Kev/nm）La（Kev/nm）Lb（Kev/nm）Cu8.04/0.1548.90/0.139Zn8.63/0.1439.57/0.129Pb10.55/0.11812.61/0.098As10.54/0.11711.72/0.10662吸收—增强效应1.基体：不包括分析元素本身的其他组成。2.产生吸收—增效效应的原因：①基体吸收初级线（较小但不容易修正）②基体吸收二次分析线（严重，但容易发现，容易修正）③基体元素发射出自身的特征谱线，分析元素受基体元素特征谱线的激发而发射特征谱线（增强)63标准化和漂移校正•标准化（漂移校正）•控样分析64标准化分析仪器因时间变化、计数器老化、X光管老化等引起工作曲线的偏离－－漂移。用高低标或高号标样的测定强度与标准强度比较，再利用数学方法将测定的强度修正到标准强度的过程叫做标准化。1.用接近上限和下限的两个标准试样标准化叫做两点标准化。2.用接近上限的一个标准试样标准化称做一点标准化。3.标准化样品必须均匀并能得到稳定的谱线强度比。65控制试样法在实际工作中，由于分析试样和标准试样的差异，常使分析结果出现系统偏差，往往使用一个与分析试样的状态一致的控制试样来确保分析结果。控样实际是一个标样，应满足：•控样的含量与分析试样的尽可能一致；•控样与试样的冶金物理过程一致；•控制试样含量准确、成分均匀、无缺陷。•在日常分析时，将控制样与试样在相同的条件下进行分析，通过点(R控,C控)作原曲线的平行线，这就是控样法的校准曲线。66持久曲线控制曲线C0C控含量