仪器分析培训

X射线荧光光谱仪

日本岛津国际贸易有限公司型号：XRF-1800

第一页，共八十页。主要配置：LiF、Ge、PET、TAP、SX-52及SX-98N6块分光晶体；FPC、SC检测器；液体样品盒；微区刻度尺主要性能指标：1、检测元素范围：4Be-92U2、元素含量范围：0.0001%-100%3、最大扫描速度：300°/min第二页，共八十页。主要用途：1、测量块状、粉末、薄膜和液态材料的元素种类及含量，并建立工作曲线。2、对矿石样品进行局部分析。3、通过元素含量分析涂层、薄膜厚度。主要优点：分析迅速、样品前处理简单、可分析元素范围广、谱线简单，光谱干扰少第三页，共八十页。

基础知识简介第四页，共八十页。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。

第五页，共八十页。第六页，共八十页。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第七页，共八十页。什么是光谱：光谱是一系列有规律排布的光。如雨后的彩虹。第八页，共八十页。第九页，共八十页。10-1310-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-11101102103104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)第十页，共八十页。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。第十一页，共八十页。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第十二页，共八十页。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……第十三页，共八十页。X射线荧光分析第十四页，共八十页。

X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第十五页，共八十页。波长色散与能量色散分辨率的比较第十六页，共八十页。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.第十七页，共八十页。

3.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。第十八页，共八十页。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第十九页，共八十页。

X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-射线光电子能谱第二十页，共八十页。

X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.第二十一页，共八十页。

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！第二十二页，共八十页。XRF－1800结构概念图示波长色散型WDX(顺序扫描型)

第二十三页，共八十页。顺序型单道扫描XRF系统配置第二十四页，共八十页。多道同时型XRF仪器结构第二十五页，共八十页。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第二十六页，共八十页。多道同时型荧光光谱仪概念图第二十七页，共八十页。X射线及X射线荧光第二十八页，共八十页。原子的壳层结构第二十九页，共八十页。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等等第三十页，共八十页。第三十一页，共八十页。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KKKγL

L第三十二页，共八十页。X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第三十三页，共八十页。X射线管的结构第三十四页，共八十页。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；

第三十五页，共八十页。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。

第三十六页，共八十页。不同靶的连续谱图特征光谱第三十七页，共八十页。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：第三十八页，共八十页。

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。第三十九页，共八十页。

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，才能产生衍射第四十页，共八十页。X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。第四十一页，共八十页。全固态检测器第四十二页，共八十页。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。第四十三页，共八十页。250um成图分析，世界首创实用的详细显示

岩石样品Ba250μm成图Ba1mm成图第四十四页，共八十页。滤光片初级滤光片次级滤光片第四十五页，共八十页。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第四十六页，共八十页。次级滤光片（检测器滤光片）

.滤去无用的线样品检测器X射线源次级滤光片第四十七页，共八十页。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）第四十八页，共八十页。对标样的依赖性第四十九页，共八十页。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

第五十页，共八十页。工作曲线C3C2C1含量强度R1R2R3第五十一页，共八十页。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。第五十二页，共八十页。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,Base第五十三页，共八十页。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第五十四页，共八十页。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第五十五页，共八十页。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、代表性等问题第五十六页，共八十页。

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!第五十七页，共八十页。

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.熔融产物第五十八页，共八十页。

常用的制样方法

1.金属块状样品和其它块状材料：

浇铸---切割---磨光或抛光或车制要求：1、块状大小合适2、有合适的平面且平整、光洁、无裂纹、无气孔3、表面干净无污染第五十九页，共八十页。

2.粉末样品压片法：一些脆性材料，如矿石、水泥、陶瓷、耐火材料、渣、部分合金可以制成粉末样品。一般是以粒度200目以上为平均指标。一般疏松样品不易成块，压片成型时可以加入10-15%的粘结剂，如甲基或乙基纤维素，淀粉，硼酸等。第六十页，共八十页。

3、粉末样品熔融法：

一些基体复杂，矿物效应严重不能采用压片法的可考虑熔融。熔融一般使用5%黄金95%铂金的坩埚，溶剂与粉体质量比一般为为10：1，常用溶剂为Li2B4O7（熔点930℃）、LiBO2（熔点850℃），常用的脱模剂为NaBr、LiF、NH4I、NH4Br。第六十一页，共八十页。第六十二页，共八十页。X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）Cu8.04/0.1548.90/0.139Zn8.63/0.1439.57/0.129Pb10.55/0.11812.61/0.098As10.54/0.11711.72/0.106第六十三页，共八十页。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)第六十四页，共八十页。标准化和漂移校正

标准化（漂移校正）控样分析第六十五页，共八十页。

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。第六十六页，共八十页。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。第六十七页，共八十页。持久曲线控制曲线

C0C控含量强度R第六十八页，共八十页。基本参数(FP)法1标准基本参数法无标样定量分析2推定基本参数法定性、定量分析分析3定量基本参数法少量标样（1~2个）的精确定量分析4背景基本参数法（BG-FP）（岛津专利）第六十九页，共八十页。典

型

应

用第七十页，共八十页。X射线荧光分析特点1、X射线荧光分析的优点

①样品处理相对简单②峰背比较高,分析灵敏度高.③不破坏试样,无损分析.④分析元素多(一般从8～92号),分析含量范围广ppm～100%.⑤试样形态多样化,(固体、液体、粉末等).⑥快速方便.⒉X射线荧光分析的缺点

①基体效应还是比较严重,试样要求严格.②仪器复杂,价格高.③轻元素分析困难④一般来说，X射线光谱法的灵敏度比光学光谱法至少低二个数量级，但非金属元素例外。第七十一页，共八十页。X射线荧光分析技术误区标样制备太麻烦，最好用无标样法。

第七十二页，共八十页。X射线荧光分析技术误区

标准样品可以购买别人的。

第七十三页，共八十页。X射线荧光分析技术误区工作曲线的评价。通常对工作曲线的定量评价标准主要是相关系数和标准偏差，从数学上来讲，相关系数越接近1越好，标准偏差越小越好。但必须首先检查是否符合物理意义，斜率大小是否合适。第七十四页，共八十页。X射线荧光分析技术误区

基体校正中元素间影响因子的设定越多越好。

第七十五页，共八十页。X射线的防护

1、距离防护，I—1/S22、时间防护，I—t3、屏蔽防护,Pb,