x射线荧光光谱仪（XRF）

1. X射线荧光光谱仪基本原理

X射线荧光光谱仪（X-ray fluorescence spectrometer，简称XRF）是一种利用X射线激发样品发出特征荧光，并根据荧光的能量和强度来分析样品成分的仪器。XRF的基本原理如下图所示：

当X射线照射到样品上时，会与样品中的原子发生相互作用，导致原子内层电子被打出，形成空位。为了恢复稳定，外层电子会跃迁到内层，同时放出一定能量的荧光。这种荧光的能量与跃迁电子所经过的能级差有关，而这个能级差是由原子序数（即元素种类）决定的。因此，不同元素会发出不同能量的荧光，这就是元素的特征荧光。通过测量样品发出的荧光的能量和强度，就可以确定样品中含有哪些元素以及各元素的含量。

XRF可以分为两种类型：波长色散型（wavelength dispersive X-ray fluorescence，简称WDXRF）和能量色散型（energy dispersive X-ray fluorescence，简称EDXRF）。两者的主要区别在于对荧光信号进行分离和检测的方式不同。WDXRF使用晶体或其他色散元件对荧光信号进行波长分离，然后用气体比例计数器或闪烁计数器进行检测；EDXRF使用半导体探测器直接对荧光信号进行能量分离和检测。WDXRF和EDXRF各有优缺点，具体选择要根据分析目的、样品性质、仪器性能等因素综合考虑。

2. X射线荧光光谱仪应用范围

XRF是一种非破坏性、快速、准确、灵敏、多元素、多形态的分析方法，广泛应用于各个领域，如地质、冶金、材料、化工、环境、生物、医学、考古等。XRF可以分析固体、液体、粉末等不同形态的样品，可以测定从氟（Z=9）到铀（Z=92）之间几乎所有元素的含量。XRF可以实现从百分比级到微量级甚至痕量级的定性和定量分析。

以下是一些XRF应用的具体案例：

• 在地质领域，XRF可以用于岩石、矿物、土壤等样品的元素分析，为矿产勘探、资源评价、地球化学研究提供数据支持。

• 在冶金领域，XRF可以用于金属和合金材料的成分分析和质量控制，为钢铁、有色金属、稀土等行业提供快速、准确的检测结果。

• 在材料领域，XRF可以用于陶瓷、玻璃、水泥、建筑材料等样品的元素分析，为材料开发、性能评价、工艺优化提供依据。

• 在化工领域，XRF可以用于石油、化肥、塑料、橡胶、涂料等样品的元素分析，为产品质量监测、工艺改进、环境保护提供参考。

• 在环境领域，XRF可以用于水、空气、废物等样品的元素分析，为环境监测、污染防治、生态修复提供技术支持。

• 在生物领域，XRF可以用于植物、动物、微生物等样品的元素分析，为生物学研究、食品安全、医学诊断提供信息。

• 在医学领域，XRF可以用于人体组织、器官、骨骼等样品的元素分析，为疾病诊断、治疗效果评估、药物开发提供依据。

• 在考古领域，XRF可以用于文物、古陶瓷、古玻璃等样品的元素分析，为文化遗产保护、历史研究提供线索。

XRF分析的样品要求包括以下几个方面：

（1）样品量：样品量的大小影响着分析的准确性和灵敏度。一般来说，样品量越大，分析结果越准确，但也会增加样品制备的难度和时间。样品量的选择要根据仪器的检测范围和样品的均匀性来确定。例如，对于波长色散型XRF，样品量通常在2g~20g之间；对于能量色散型XRF，样品量通常在2~10g之间。

（2）样品形态：样品形态的不同影响着分析的便利性和效率。一般来说，样品形态可以分为固体、液体、粉末等。对于固体样品，可以直接放入仪器进行分析，但要注意样品表面的平整度和清洁度；对于液体样品，可以用薄膜或玻璃管等容器装载后进行分析，但要注意防止泄漏和污染；对于粉末样品，可以用压片机或烧结机等设备制成片状后进行分析，但要注意压片或烧结过程中可能引入的误差。

（3）样品制备：样品制备是指将原始样品处理成适合XRF分析的形式的过程。样品制备的方法和步骤取决于仪器类型、分析目的、样品性质等因素。一般来说，样品制备包括以下几个步骤：

- 取样：取样是指从原始样品中选取一定数量和位置的部分作为代表性的分析对象。取样的方法和技巧要根据原始样品的均匀性、异质性、稳定性等特点来确定。例如，对于均匀且稳定的原始样品，可以随机取样；对于异质且不稳定的原始样品，可以采用系统取样或复合取样等方法。

- 预处理：预处理是指对取得的样品进行干燥、粉碎、混合、筛分等物理处理，以提高样品的均匀性和稳定性。预处理的方法和条件要根据原始样品的物理状态、化学性质、含水量等因素来确定。例如，对于含水量较高或易变质的原始样品，可以先进行干燥处理；对于颗粒较大或结构复杂的原始样品，可以先进行粉碎和混合处理。

- 制片：制片是指将预处理后的粉末状或液态样品制成片状或管状等适合XRF分析的形式。制片的方法和设备要根据仪器类型、分析目标、粉末特性等因素来确定。例如，对于波长色散型XRF，可以用压片机或烧结机等设备制成片状样品；对于能量色散型XRF，可以用薄膜或玻璃管等容器装载液态样品。

- 标定：标定是指用已知成分的标准样品或参考物质来校准仪器的分析性能和参数的过程。标定的方法和频率要根据仪器类型、分析目的、样品种类等因素来确定。例如，对于波长色散型XRF，可以用国家或国际认可的标准样品进行标定；对于能量色散型XRF，可以用内部或外部的参考物质进行标定。