X射线荧光光谱法的应用和发展前景

段鹤阳，潘俊帆(南华大学，湖南 衡阳 421000)

0 引言

X射线荧光光谱法的发展历史最早可以追溯到1895年，德国物理学家威廉·康拉德·伦琴在当年的11月份第一次观察并发现出了X射线，所以X射线在世界许多国家被称为伦琴射线。随后在1923年时，相关科研人员利用X射线发现了一些较为新奇的化学元素，开启了X光谱射线进行元素定量分析的趋势，因那时的资源条件有限，不能进行大规模运用，但是伴随科技的不断进步，在1948年时，美国就已经研发出了X射线光谱仪，直至1965年作用于X射线探测的仪器正式诞生，X射线荧光光谱法也随着进行发展。X射线荧光光谱法因科学的进步逐渐衍生处理X射线荧光光谱仪，而且还具备了十分强悍的性能，现如今，X射线荧光光谱法已经在科学研发方面广泛运用，而且涉及领域众多。

1 X射线荧光光谱法的基本原理

X射线荧光光谱法的基本原理是基态原子(一般蒸汽状态)吸收合适的特定频率的辐射而被激发至高能态，而后激发过程中以光辐射的形态发射出特征波长的荧光，测量待测元素的原子蒸汽在一定波长的辐射能激发下发射的荧光强度进行定量分析的方法[1]。而原子荧光的波长在紫外、可见光区和气态自由原子吸收特征波长的辐射后，原子的外层电子从基态或低能态跃到高能态，大概需要经过8～10 s，又跃迁到基态或低能态，同一时间发射出荧光。如果原子荧光的波长和吸收线波长相同则被称之为共振荧光，如果不同，那么就会称之为非共振荧光[2]。共振荧光强度大，分析中应用最多，在特定的条件下，共振荧光强度和样品中的某种元素浓度成正比，这种方法的优势在于灵敏度相对较高，而且谱线也比较简单，在低浓度时校准曲线的线性范围宽可达到3～5个数量级，尤其是使用激光做激发光源时效果更佳。

2 X射线荧光光谱法的特点

正常情况下，因其自身的特殊优势，X射线荧光光谱法会作为物质成分分析的主要方式。X射线荧光光谱法不会因受到化学方面的影响而被左右，将X射线荧光光谱法和原子发射光谱法进行比较，除氢元素之外，X射线荧光光谱法可以比较容易的进行定量分析的矫正，可以克服基体吸收和增加效应，所以，谱线较为简单，受到的干扰也相对较少[3]。从另一角度来讲，X射线荧光光谱法不存在连续X射线光谱，与原级X射线发射光谱法相比，以散射线为主构成的拥有本底强度小的特征，谱峰和本底的对比表现出了较高的灵敏度，而且操作也相对简单，能够适应各种固态及液态样品的检测，可以更好的完成自动化的分析过程。而且样品的击发过程中能够保持本性特征，强度测量有较好的再现性，更加适合无损分析的方式。

3 X射线荧光光谱法的应用

3.1 物质成分分析方法

物质成分分析的方法多种多样，但只有定型和半定量分析符合野外和实际分析的条件，而且使用便携式X射线荧光分析仪就可以达到规定的要求。定量分析主要包含了实验校正法以及数学校正法，在以往的发展历程中，定量分析大多运用在构成比较简洁的物料方面的数学校正法，因其发展迟缓，实验校正法在市场中被大规模运用。在后续的发展中，自动化仪器及计算机化程度帮助了X射线荧光光谱分析方式发展，开始广泛使用数学校正法，该方法不仅能够分析大量不同的对象，还可以进行有效计算，更正不同原因对分析结果形成的影响。除此之外，还有许多方法也都具备快速、简单的特征，并且是拥有更高精确度分析的技术。

3.2 X射线荧光光谱法在地质分析中的应用

由于当前的分析仪器以及技术的发展迅速，X射线荧光光谱法逐渐在各个领域中广泛应用，从地球科学理论下，可以获得准确的实验数据和相关参数，能够解答较为繁杂的地质现象。现如今，X射线荧光光谱法的分析技术已经相对成熟，对分析元素的结果也更加精准，灵敏度也符合地质样品的分析条件。

3.2.1 在区域地球化学调查样品化学分析中的应用

以往的地质分析工作通常会使用湿化学方法去分析地质样品的元素成分，这种方法的分析速度太慢，而且溶解和分离的过程非常容易出现意外的偏差，不适合分析大量的样品。X射线荧光光谱法与之比较有着分析速度快以及偏差无损的优势。X射线荧光光谱法现运用在我国各个地区的地球化学勘察、水系沉积物区域化探以及区域化探样品的分析和测试。而且区域地球化学调查样品分析方法的工作已经大规模开展，这种完备的X射线荧光光谱主要测定元素为主结合多种测定方式的化探样品分析计划产生了较好的效果，而X射线荧光光谱法更是当前分析地质样品的主要方式。

3.2.2 在岩石矿物中主、次量元素测定方面的应用

在分析岩石矿物中主、微量元素时，不宜实行过于繁琐的处理流程，环节越多，样品就会更容易受到污染。可以运用X射线荧光光谱法去联合化学的分析方式，能够使实验的分析过程得到缩减和简洁[4]。相关专家对X射线荧光光谱分析的熔融制样进行了概括。其中涵盖了氧化剂、铁合金以及石墨材料等样品熔融制备玻璃片的方式。而且在硅酸盐的全岩分析中运用了偏硼酸锂，使用熔融制样的方法，用X射线荧光光谱法去测定硅酸盐这种类型样品中的元素，运用理论α系数-康普顿三射线作内标，校正元素间的吸收-增加效应，得出的分析结果精确程度能够和化学法进行比较。在分析矿石样品方面，相关专家表示使用X射线荧光光谱法测定铁矿石中全铁元素的研究取得了进展，在比较标准样品的选择及制备、助溶剂组成对样品制备的影响和损耗对分析结果的影响。还有相关专家在波长色散X射线荧光光谱分析时，运用粉末压片法制样带来的矿物效应进行了校正研究。相关专家主要使用两种方法进行了校正研究，分别是2θ角度校正及谱峰面积校正，将27个国家一级地质标准样品和4个铁矿石标准样品的结果进行对比。与此同时，还使用10种国内铁矿石标准样品并使用相同的方法对铁矿石样品中的主、次量元素的矿物效应进行校正。从校正结果能够发现，这两种方法在对矿物效应校正的过程中能够对铁矿石中主要元素的校正曲线进行不同程度的优化，特别是对硫的校正曲线最为明显。在峰面积法或角度校正法的基础上使用基体校正系数，除全Fe之外，其他组均能满足分析的要求，但是，全Fe必须使用其他的措施。使用熔融片制样，并加入钴元素作为铁的内标，使用多数类型的铁矿标准样品为校准，理论α系数内标法以及康普敦散射作为内标校正基体效应，然后运用X射线荧光光谱法对铁等多种元素进行检测。使用X射线荧光光谱法分析，运用粉末压片法，并选用资质的钼含量呈梯度变化的钼矿石样品和钼矿石、钨矿石、铅矿石、锌矿石、铜矿石、铋矿石等国家标准物质作为校准样品构建标准的曲线，矿物效应明显降低，运用经验系数法消除谱线重叠及基体干扰。对各种元素的测定结果和电感耦合等离子发射光谱法等方法的测量值一致。有关人员使用熔融法对锰矿中的八种成分进行了测定，首先加入了硝酸去破坏锰矿样品中的有机物进行熔融，并对熔剂、熔融的时间以及加入的硝酸数量进行了最佳选择。除此之外，使用X射线荧光光谱法测定主、次量元素并联合化学法的岩石分析方式已经在我国的许多领域大规模运用。而且X射线荧光光谱分析的方法在许多矿物质的分析过程中也发挥出了很大的作用。比如，分析铜矿石以及非金属矿物均有运用。X射线荧光光谱法自身的分析结果比较稳定，也可以在土壤和水系沉积物等物质的植被中进行了均匀性的检测试验，同样得到了非常广阔的运用。

4 X射线荧光光谱法的发展前景

虽然X射线荧光光谱法存在问题，但是在物质成分的分析检测中表现较好。许多新型技术的迅速发展，导致X射线不能进行大规模的使用。在科学仪器的技术改进方面，需要针对传统的X射线荧光光谱法进行分析，主要包含色散、探测和激发[5]。在色散方面，因各种高科技产品的出现，轻、重元素交替的碳化物多层膜警惕的发展飞快，在衍射效率的提高方面，能够取得较大的效益应属轻元素分析。在探测方面，碘化汞警惕探测器也在进行研发，这种探测仪器能够在室温环境下进行工作，而且还具备优良能量分辨的能力。所以，需要对分析检测仪器进行不断研究，提高分析检测仪器的应用水平，能够发挥出巨大的作用，还需要跟随物理化学中处理方式的改进以及制样技术的自动化，拓展分析范围方面，以便更好的开展痕量元素的测定，无论在何种领域都能具有良好的发展前景。

5 结语

综上所述，X射线荧光光谱法虽然在现在看来还存在着许多的不足，但是相关人员正在对X射线荧光光谱法进行完备，能够在地质、冶金以及石油等方面进行运用，还能够对土层以及金属薄膜的厚度进行分析检测地研究，运气灵敏度较高的特点，可以对一些特殊物质进行不间断的测定，在我国各个地区和领域都得到了大规模的使用，是分析检测中不可缺少的关键技术。