成分分析XRF與ICP/EDX和WDS之間的關(guān)系及不同

成分分析技術(shù)主要用于對(duì)未知物、未知成分等進(jìn)行分析，通過(guò)成分分析技術(shù)可以快速確定目標(biāo)樣品中的各種組成成分是什么，幫助實(shí)驗(yàn)人員對(duì)樣品進(jìn)行定性定量分析，鑒別等。今天，鑠思百檢測(cè)就給大家介紹四種成分分析的常見(jiàn)設(shè)備：XRF、ICP、EDX和WDX。

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X射線熒光光譜儀(XRF)

XRF指的是X射線熒光光譜儀，可以快速同時(shí)對(duì)多元素進(jìn)行測(cè)定的儀器。在X射線激發(fā)下，被測(cè)元素原子的內(nèi)層電子發(fā)生能級(jí)躍遷而發(fā)出次級(jí)X射線（X-熒光）。從不同的角度來(lái)觀察描述X射線，可將XRF分為能量散射型X射線熒光光譜儀，縮寫為EDXRF或EDX和波長(zhǎng)散射型X射線熒光光譜儀，可縮寫為WDXRF或WDX，但市面上用的較多的為EDX。

高靈敏度X射線熒光光譜儀（HS XRF○R）原理

單波長(zhǎng)激發(fā)-能量色散X射線熒光原理

X射線管出射譜由連續(xù)譜線和特征譜線組成，全聚焦型雙曲面彎晶僅衍射X射線光管出射譜中的高強(qiáng)度特征X射線，從而入射到樣品的X射線具有很好的單色性，因此從樣品出射的X射線除了樣品中的元素被激發(fā)產(chǎn)生的熒光X射線（線光譜）和單色入射線的瑞利散射和康普頓散射以外，不存在連續(xù)散射背景，從而保證待測(cè)元素特征線具有極低的背景干擾，被激發(fā)元素的熒光X射線用SDD（硅漂移探測(cè)器）檢測(cè)，得到高分辨和高靈敏度的測(cè)試結(jié)果。

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電感耦合等離子譜儀（ICP）

ICP是電感耦合等離子譜儀。根據(jù)檢測(cè)器的不同分為ICP—OES（電感耦合等離子發(fā)射光譜儀，也稱ICP-AES）和ICP-MS（電感耦合等離子質(zhì)譜儀）。兩者均能測(cè)元素周期表中的絕大部分元素，但能測(cè)得元素稍微有異，檢測(cè)能力上后者要比前者高。因?yàn)镮CP光源具有良好的原子化、激發(fā)和電離能力，所以它具有很好的檢出限。對(duì)于多數(shù)元素，其檢出限一般為0.1～100ng/ml，可以同時(shí)測(cè)試多種元素，靈敏度高，檢測(cè)限低，測(cè)試范圍寬（低含量成分和高含量成分能夠同時(shí)測(cè)試）。

ICP-OES其前身為ICP-AES（電感耦合等離子體原子發(fā)射譜儀），它基于物質(zhì)在高頻電磁場(chǎng)所形成的高溫等離子體中有良好的特征譜線發(fā)射,再以半導(dǎo)體檢測(cè)器檢測(cè)這些光譜能量，參照同時(shí)測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)溶液計(jì)算出試液中待測(cè)元素的含量.ICP-AES測(cè)試的有效波長(zhǎng)范圍是120-800 nm，因?yàn)樵影l(fā)射光譜的所有相關(guān)信息都集中在這個(gè)范圍內(nèi)。其中，120-160 nm波段尤其適用于分析鹵素或者某些特殊應(yīng)用的替代譜線。

ICP—OES可同時(shí)分析常量和痕量組分，無(wú)需繁復(fù)的雙向觀測(cè)，還能同時(shí)讀出、無(wú)任何譜線缺失的全譜、直讀等離子體發(fā)射光譜儀，具有檢出限極低、重現(xiàn)性好，分析元素多等顯著特點(diǎn)，ICP-OES大部份元素的檢出限為1～10ppb，一些元素也可得到亞ppb級(jí)的檢出限。ICP-OES的檢測(cè)元素如下圖：

ICP-MS電感耦合等離子體質(zhì)譜儀以質(zhì)譜儀作為檢測(cè)器，通過(guò)將樣品轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的氣態(tài)離子并按質(zhì)荷比（M/Z）大小進(jìn)行分離并記錄其信息來(lái)分析。若其所得結(jié)果以圖譜表達(dá)，即所謂的質(zhì)譜圖。ICP-MS的進(jìn)樣部分及等離子體和ICP-AES的是極其相似的。但I(xiàn)CP-MS測(cè)量的是離子質(zhì)譜，提供在3～250amu范圍內(nèi)每一個(gè)原子質(zhì)量單位（amu）的信息。還可進(jìn)行同位素測(cè)定。

ICP-MS具有極低的檢出限，其溶液的檢出限大部份為ppt級(jí)，石墨爐AAS的檢出限為亞ppb級(jí)，但由于ICP-MS的耐鹽量較差，ICP-MS的檢出限實(shí)際上會(huì)變差多達(dá)50倍，一些輕元素（如S、Ca、Fe、K、Se）在ICP-MS中有嚴(yán)重的干擾，其實(shí)際檢出限也很差。ICP-MS的檢測(cè)元素和檢測(cè)極限如下圖：

整體來(lái)說(shuō)，ICP-OES和ICP-MS可分析的元素基本一致，不過(guò)由于分析檢測(cè)系統(tǒng)的差異，兩者的檢測(cè)限有差異：ICP-MS的檢測(cè)限很低，最好的可以達(dá)到ng/L（ppt）的水平；而ICP-AES一般是ug/L（ppb）的級(jí)別。不過(guò)ICP-MS只能分析固體溶解量為0.2%左右的溶液（因此經(jīng)常需要稀釋），而ICP-AES則可以分析固體溶解量超過(guò)20%的溶液。

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能量色散X射線譜儀(EDS)

EDS是能量色散X射線譜儀，簡(jiǎn)稱能譜儀，常用作掃描電鏡或透射電鏡的微區(qū)成分分析。利用發(fā)射出來(lái)的特征X射線能量不同而進(jìn)行的元素分析，稱為能量色散法。X射線能譜儀的主要構(gòu)成單元是Si（Li）半導(dǎo)體檢測(cè)器，即鋰飄移硅半導(dǎo)體檢測(cè)器和多道脈沖分析器。目前還不能用于分析超輕元素（O、N、C等）。由于能譜儀中Si（Li）檢測(cè)器的Be窗口吸收超輕元素的X射線，故只能分析Na以后的元素。能譜儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和重現(xiàn)性較好。

能量色散X射線譜儀（EDS）的結(jié)構(gòu)與工作原理：不同元素發(fā)射出來(lái)的特征X射線能量是不相同的，利用特征X射線能量不同而進(jìn)行的元素分析稱為能量色散法。所用譜儀稱為能量色散X射線譜儀（EDS），簡(jiǎn)稱能譜儀。

X射線能譜儀的主要構(gòu)成單元是Si(Li)半導(dǎo)體檢測(cè)器，即鋰漂移硅半導(dǎo)體檢測(cè)器和多道脈沖分析器。能量為數(shù)千電子伏特的入射電子束照射到樣品上，激發(fā)出特征X射線，通過(guò)Be窗直接照射到Si(Li)半導(dǎo)體檢測(cè)器上，使Si原子電離并產(chǎn)生大量電子-空穴對(duì)，其數(shù)量與X射線能量成正比。

EDS能譜曲線：常用的X射線能量范圍在0.2-20.48 keV。如果總道址數(shù)為1024，那么每個(gè)道址對(duì)應(yīng)的能量范圍是20 eV。X光子（射線）能量低的對(duì)應(yīng)道址號(hào)小，能量高的對(duì)應(yīng)道址號(hào)大。根據(jù)不同道址上記錄的X射線的數(shù)目，就可以確定各種元素的X射線強(qiáng)度。然后，在X-Y記錄儀或陰極射線管上把脈沖數(shù)與脈沖高度曲線顯示出來(lái)，這就是X射線的能譜曲線。

能譜儀的優(yōu)點(diǎn)（相對(duì)于另一項(xiàng)常用的成分分析工具——波譜儀（WDS）而言）

①檢測(cè)效率：能譜儀中鋰漂移硅探測(cè)器對(duì)X射線發(fā)射源所張的立體角顯著大于波譜儀，所以前者可以接收到更多的X射線信號(hào)；其次波譜儀因分光晶體衍射而造成部分X射線強(qiáng)度損失。因此能譜儀的檢測(cè)效率較高。

②空間分析能力：能譜儀因檢測(cè)效率高，可在較小的電子束流下工作，使束斑直徑減小，空間分析能力提高。目前，在分析電鏡中的微束操作方式下能譜儀分析的最小微區(qū)已經(jīng)達(dá)到納米數(shù)量級(jí)，而波譜儀的空間分辨率僅處于微米數(shù)量級(jí)。

③分辨本領(lǐng)：能譜儀的最佳能量分辨本領(lǐng)為149eV，波譜儀的波長(zhǎng)分辨本領(lǐng)表述為能量的形式后相當(dāng)于5-10eV，可見(jiàn)波譜儀的分辨本領(lǐng)比能譜儀高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

④分析速度：能譜儀可在同一時(shí)間內(nèi)對(duì)分析點(diǎn)內(nèi)的所有X射線光子的能量進(jìn)行檢測(cè)和計(jì)數(shù)，僅需幾分鐘時(shí)間可得到全譜定性分析結(jié)果；波譜儀只能逐個(gè)測(cè)定每一元素的特征波長(zhǎng)，一次全分析往往需要幾個(gè)小時(shí)。

⑤分析元素的范圍：波譜儀可以測(cè)量鈹(Be)-鈾(U)之間的所有元素，而能譜儀中Si(Li)檢測(cè)器的鈹窗口吸收超輕元素的X射線，只能分析鈉（Na）以后的元素。

⑥可靠性：能譜儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)部分，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性較好。波譜儀的定量分析誤差（1-5%）遠(yuǎn)小于能譜儀的定量分析誤差（2-10%）。

⑦樣品要求：波譜儀在檢測(cè)時(shí)要求樣品表面平整。能譜儀對(duì)樣品表面沒(méi)有特殊要求，適合于粗糙表面的分析。

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波長(zhǎng)分散譜儀(WDS)

綜上所述，XRF和ICP常用作成分的定量分析，其中XRF用物理方法檢測(cè)而ICP用化學(xué)方法進(jìn)行測(cè)試。相對(duì)XRF，ICP的檢測(cè)范圍更寬，檢測(cè)極限更低，檢測(cè)出的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。EDS和WDS常用作電鏡的附件進(jìn)行成分分析，但多作為半定量分析，僅可以看出各個(gè)元素的比值和大概分布情況及含量，準(zhǔn)確性不如XRF和ICP。