1．X射線熒光分析基本原理
熒光，顧名思義就是在光的照射下發(fā)出的光。X射線熒光就是被分析樣品在X射線照射下發(fā)出的X射線，它包含了被分析樣品化學(xué)組成的信息，通過對上述X射線熒光的分析確定被測樣品中各組份含量的儀器就是X射線熒光分析儀。
從原子物理學(xué)的知識我們知道，對每一種化學(xué)元素的原子來說，都有其特定的能級結(jié)構(gòu)，其核外電子都以各自特有的能量在各自的固定軌道上運(yùn)行，內(nèi)層電子在足夠能量的X射線照射下脫離原子的束縛，成為自由電子，我們說原子被激發(fā)了，處于激發(fā)態(tài)，這時，其他的外層電子便會填補(bǔ)這一空位，也就是所謂躍遷，同時以發(fā)出X射線的形式放出能量。由于每一種元素的原子能級結(jié)構(gòu)都是特定的，它被激發(fā)后躍遷時放出的X射線的能量也是特定的，稱之為特征X射線。通過測定特征X射線的能量，便可以確定相應(yīng)元素的存在，而特征X射線的強(qiáng)弱（或者說X射線光子的多少）則代表該元素的含量。
量子力學(xué)知識告訴我們，X 射線具有波粒二象性，既可以看作粒子，也可以看作電磁波。看作粒子時的能量和看作電磁波時的波長有著一一對應(yīng)關(guān)系。這就是著名的普朗克公式：E=hc/λ。顯然，無論是測定能量，還是波長，都可以實現(xiàn)對相應(yīng)元素的分析，其效果是完全一樣的。
2．X射線熒光分析儀的分類
2.1. 根據(jù)分光方式的不同，X射線熒光分析可分為能量色散和波長色散兩類，也就是通常所說的能譜儀和波譜儀，縮寫為EDXRF和WDXRF。
通過測定熒光X射線的能量實現(xiàn)對被測樣品的分析的方式稱之為能量色散X射線熒光分析，相應(yīng)的儀器稱之為能譜儀，通過測定熒光X射線的波長實現(xiàn)對被測樣品分析的方式稱之為波長色散X射線熒光分析，相應(yīng)的儀器稱之為X射線熒光光譜儀。
2.2. 根據(jù)激發(fā)方式的不同，X射線熒光分析儀可分為源激發(fā)和管激發(fā)兩種：用放射性同位素源發(fā)出的X射線作為原級X射線的X熒光分析儀稱為源激發(fā)儀器；用X射線發(fā)生器（又稱X光管）產(chǎn)生原級X射線的X熒光分析儀稱為管激發(fā)儀器。
2.3. 就能量色散型儀器而言，根據(jù)選用探測器的不同，X射線熒光分析儀可分為半導(dǎo)體探測器和正比計數(shù)管兩種主要類型。
2.4. 根據(jù)分析能力的大小還可分為多元素分析儀器和個別元素分析儀器。這種稱呼多用于能量色散型儀器。
2.5. 在波長色散型儀器中，根據(jù)可同時分析元素的多少可分為，單道掃描X熒光光譜儀、小型多道X熒光光譜儀和大型X熒光光譜儀。
3．選型誤區(qū)
隨著技術(shù)發(fā)展，X射線熒光分析儀的種類越來越多，商品名稱也比較混亂，再加上用戶對相關(guān)知識的了解有限，使得用戶合理選擇儀器的難度大大增加。
誤區(qū)1：強(qiáng)調(diào)“熒光”，許多用戶誤認(rèn)為只有用X光管作為激發(fā)源的管激發(fā)儀器才是X熒光儀，一味地強(qiáng)調(diào)所謂“熒光”。事實上，如前所述，無論是采用X光管還是采用放射性同位素源作為激發(fā)源，只要是由X射線激發(fā)、通過測定被測樣品發(fā)出的熒光X射線得出其化學(xué)成分及含量的儀器，都是X熒光分析儀。
源激發(fā)和管激發(fā)各有優(yōu)缺點。源激發(fā)類型的儀器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，特別是放射性同位素源發(fā)出X射線是自然現(xiàn)象，其強(qiáng)度是非常穩(wěn)定的。雖然有著自然衰減，但這種衰減是遵循可描述的物理規(guī)律的，也就是說是我們可以準(zhǔn)確計算出來的，而且作為商品化儀器選用的同位素源半衰期都比較長，在短周期內(nèi)這種衰減幾乎反映不出來。放射源的最大弱點在于，它發(fā)出的X射線強(qiáng)度小，能量分布不可調(diào)。因此可分析元素種類是受限制的，光路的幾何布置必須非常緊湊，分析時間相對要長一些，譜線處理和定量分析計算難度較大。
管激發(fā)型儀器的激發(fā)源是X射線管。與放射性同位素源相比，最大的優(yōu)點在于其可調(diào)節(jié)性。通過調(diào)節(jié)管流和高壓，可以在一定范圍內(nèi)改變輸出X射線的強(qiáng)度和分布，進(jìn)而有選擇性地提高或減小對某些特定元素的激發(fā)效率，提高分析能力。再者，X射線管的輸出強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于放射性同位素源，光路的幾何布置受限制小，可使用準(zhǔn)直器、濾光片、狹縫等進(jìn)一步提高性能。采用X光管的最大問題在于穩(wěn)定性，給X光管提供高壓的高壓電源穩(wěn)定性必須在萬分之三以下，X光管本身還需要冷卻，而且環(huán)境溫度、電網(wǎng)波動等因素都會影響X光管輸出X射線的穩(wěn)定性，從而影響儀器的穩(wěn)定性。因此，一般來講，管激發(fā)儀器對使用環(huán)境及外圍條件的要求要比源激發(fā)儀器高得多。
誤區(qū)2：重硬件輕軟件和技術(shù)。任何一種分析儀器在某一領(lǐng)域的成功應(yīng)用都是硬件、軟件和分析技術(shù)有機(jī)結(jié)合的結(jié)果，三者缺一不可。毫無疑問，硬件是基礎(chǔ)，但硬件并不能決定一切。從應(yīng)用的角度來講，硬件只有通過軟件才能充分發(fā)揮作用，而分析技術(shù)涉及到儀器應(yīng)用的每一個環(huán)節(jié)。一臺好儀器，一定是建立在分析技術(shù)研究基礎(chǔ)之上的，否則，它就很難適應(yīng)眾多用戶的各種需求，這樣的儀器等于沒有靈魂。對于軟件的考察，絕不能停留在畫面的漂亮與否、花樣是否齊全等表面文章上，關(guān)鍵要看采用的算法是否先進(jìn)有效，建立在怎樣的分析技術(shù)基礎(chǔ)上，是否適應(yīng)于主要被分析樣品的特性，還要考慮是否適合操作人員的素質(zhì)和能力。
誤區(qū)3：重價格輕服務(wù)。價格當(dāng)然是選購商品的重要因素，但不應(yīng)當(dāng)是決定性因素。分析儀器各部件質(zhì)量及其價格懸殊極大，并且直接決定了儀器的售價，單純追求價格便宜，很難保證質(zhì)量。對于X熒光分析儀這樣的設(shè)備來說，服務(wù)往往更為重要。這里所說的服務(wù)不僅指安裝調(diào)試、備品備件供應(yīng)、維修服務(wù)等，更重要的是應(yīng)用技術(shù)服務(wù)。對于大多數(shù)用戶來講，是不具備自行研究分析技術(shù)并用于指導(dǎo)應(yīng)用的，這種情況下，技術(shù)服務(wù)顯得尤為重要。
誤區(qū)4：聽別人多，看自己少。用戶在設(shè)備選型時經(jīng)常會開展一些調(diào)研考察，一方面了解一些各種儀器及廠家的基本情況，作一些相互比較；另一方面會去一些與自己情況類似的用戶那里考察。這當(dāng)然是必要的。但最重要的還是要根據(jù)自己的實際情況和具體需求來選擇。比如：以全廠質(zhì)量控制為主要目的，樣品種類多，需要做全分析，準(zhǔn)確度要求高，應(yīng)用環(huán)境比較好，可以考慮X熒光光譜儀；以生產(chǎn)過程控制為主要目的，應(yīng)用環(huán)境較差則可考慮多元素分析儀、鈣鐵儀等源激發(fā)類儀器；原料不太好、波動大，沒有預(yù)均化措施或很簡陋，分析儀器要配置高一些，最好考慮在線分析儀器，在線鈣鐵儀加多元素分析儀或小型多道X熒光光譜儀便是很好的組合，當(dāng)然，有條件的可以上中子活化在線分析儀，而原料穩(wěn)定、預(yù)均化很有效，分析儀器的配置則可以低一些，多元素分析儀甚至離線鈣鐵儀便可以解決問題；操作人員素質(zhì)較高，儀器可以選擇小型多道X熒光光譜儀等功能多樣、靈活性較大的，反之則應(yīng)考慮選擇功能單一、操作簡單的源激發(fā)類儀器。
4．技術(shù)指標(biāo)誤區(qū)
評價一臺儀器好壞的技術(shù)指標(biāo)是多重、綜合的。用戶關(guān)心和看重的主要有分析元素范圍，即我們通常所說的可分析元素有哪些，分析時間長短，精確度如何等。技術(shù)指標(biāo)的重要性最終還是取決于應(yīng)用目的。
誤區(qū)1：片面追求高指標(biāo)。對于工業(yè)分析而言，被分析樣品的種類是確定的，甚至是單一的，對結(jié)果的要求也是確定的。對于遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出這些要求的指標(biāo)的追求實際上是一種資源的浪費。比如：大多數(shù)水泥廠的控制分析只做鈣、鐵，用于率值控制需要測鈣、鐵、硅、鋁，全分析則要求增加Na、Mg、S、K等元素，幾萬元的鈣鐵儀便可滿足控制要求，如追求能測硅鋁則需要約十萬元的多元素分析儀，多元素分析儀完全可以滿足率值控制四種主要元素分析的要求，如一定要提出更高精度和速度的要求就需要約百萬元的小型多道X熒光光譜儀了。由于被分析樣品的確定性，經(jīng)驗系數(shù)法是最有效的分析方法，如果一定要追求無標(biāo)樣法，便達(dá)不到經(jīng)驗系數(shù)法的效果。本來被測元素是確定的，而且數(shù)量有限，固定道就可以解決問題，一味追求可變道，既多花了錢，還犧牲了穩(wěn)定性和分析時間；就能量色散型儀器而言，ADC道數(shù)也并非越多越好。
誤區(qū)2：片面追求準(zhǔn)確度：每當(dāng)談到儀器性能，往往會自然而然地把結(jié)果是否準(zhǔn)確作為第一判斷標(biāo)準(zhǔn)，而且在日常應(yīng)用中也會把大量的精力用于判斷儀器“準(zhǔn)不準(zhǔn)”，最常見的就是與化學(xué)分析“對結(jié)果”。準(zhǔn)確性固然重要，但作為工業(yè)分析而言，精密度決不可忽視，首先要關(guān)注的是精密度問題，也就是說，同一樣品多次測量，其結(jié)果應(yīng)有良好的一致性，每一測量結(jié)果與均值的差要足夠小，至于測量值與真值的差，往往屬于系統(tǒng)偏差，是可以進(jìn)行數(shù)學(xué)校正的。
誤區(qū)3：不重視穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。所謂穩(wěn)定性是指同一樣品連續(xù)測量多次（通常為21次）的標(biāo)準(zhǔn)偏差，而重現(xiàn)性則是同一樣品間隔較長時間后再次測量的結(jié)果之間的一致性。這兩項指標(biāo)是作為工業(yè)分析儀器的關(guān)鍵指標(biāo)，工業(yè)分析的結(jié)果主要是用于生產(chǎn)過程的控制和參數(shù)調(diào)整，分析結(jié)果的相對變化直接關(guān)系著過程控制和調(diào)節(jié)。而相對變化的準(zhǔn)確測量是建立在穩(wěn)定性和重復(fù)性之上的。
誤區(qū)4：分析時間越短越好。X射線測量是隨機(jī)事件的統(tǒng)計測量，是由統(tǒng)計規(guī)律決定的，計數(shù)的絕對量取決于測量時間，并直接決定著測量誤差的大小，足夠長的測量時間是測量精度的前提條件，為了保證測量精度，必須有足夠的測量時間。
5．分析技術(shù)誤區(qū)
分析技術(shù)是獲得正確結(jié)果的保證。分析技術(shù)貫穿于儀器應(yīng)用的全過程。分析方法的選擇必須滿足儀器應(yīng)用的需要。
誤區(qū)1：標(biāo)樣制備太麻煩，最好用無標(biāo)樣法。X射線熒光分析事實上是一種對比分析，特別是經(jīng)驗系數(shù)法，測得的X射線強(qiáng)度與相應(yīng)元素濃度的對應(yīng)關(guān)系完全是建立在標(biāo)準(zhǔn)樣品的基礎(chǔ)之上的，必須制備足夠數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)樣品，標(biāo)樣的質(zhì)量直接決定了分析結(jié)果的可靠性。基本參數(shù)法等無標(biāo)樣分析法一般是用于完全未知樣品的初步分析的，所謂無標(biāo)樣也只是不需要系列標(biāo)準(zhǔn)樣而已。
誤區(qū)2：標(biāo)準(zhǔn)樣品可以購買別人的。由于每個用戶的原料情況、配比是各不相同的，而對于X熒光分析而言，標(biāo)樣與被測未知樣越相似，測定結(jié)果越好，因此，為了取得好的分析結(jié)果，各用戶應(yīng)自己配制標(biāo)樣。標(biāo)樣的配置應(yīng)注意幾個問題：
（1）必須主要用生產(chǎn)用原料配制，個別少量組份可用化學(xué)試劑；
（2）標(biāo)樣數(shù)目應(yīng)大于被分析元素個數(shù)（至少多兩個）；
（3）標(biāo)樣中被測元素的含量范圍應(yīng)完全覆蓋未知樣品相應(yīng)元素的濃度變化范圍；
（4）標(biāo)樣中各被測元素的濃度之間不應(yīng)存在相關(guān)性。
誤區(qū)3：工作曲線的評價。通常對工作曲線的定量評價標(biāo)準(zhǔn)主要是相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差，從數(shù)學(xué)上來講，相關(guān)系數(shù)越接近1越好，標(biāo)準(zhǔn)偏差越小越好。但必須首先檢查是否符合物理意義，斜率大小是否合適。
誤區(qū)4：基體校正中元素間影響因子的設(shè)定越多越好。如不考慮物理意義就數(shù)學(xué)結(jié)果而選擇影響因子，就無法保證未知樣分析的正確可靠。影響因子的設(shè)定應(yīng)遵循相鄰元素、主元素、濃度變化范圍大的元素、重元素的原則，在此基礎(chǔ)上根據(jù)經(jīng)驗試設(shè)。
6．幾點建議
（一）儀器選型一定要適應(yīng)本企業(yè)的實際情況，根據(jù)預(yù)想的主要用途和本企業(yè)原料、工藝乃至人員素質(zhì)情況選購儀器；
（二）再好的儀器也要靠人用，應(yīng)當(dāng)充分重視分析技術(shù)在儀器應(yīng)用中的重要作用；
（三）關(guān)于在線分析：近年來，中子活化在線分析取得的成功，使在線分析成為水泥工業(yè)分析的一個亮點，其突出特點在于實現(xiàn)了前饋控制，與生產(chǎn)工藝有機(jī)地結(jié)合在一起。作為投資不大，簡單實用的國產(chǎn)在線分析系統(tǒng)，在線鈣鐵儀和多元素分析儀或小型多道X熒光光譜儀的組合也是一種很好的選擇。在線分析已經(jīng)開始受到水泥行業(yè)工藝技術(shù)人員的關(guān)注，在水泥生產(chǎn)過程控制中必將占據(jù)更為重要的位置。
|
