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成分分析四大家—XRF、ICP、EDS、WDS

來源：本站時間：2019-10-25 20:02:20 瀏覽：27831次

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XRF指的是X射線熒光光譜儀，可以快速同時對多元素進行測定的儀器。在X射線激發下，被測元素原子的內層電子發生能級躍遷而發出次級X射線（X-熒光）。從不同的角度來觀察描述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。WDX用晶體分光而后由探測器接收經過衍射的特征X射線信號。如分光晶體和探測器做同步運動，不斷地改變衍射角，便可獲得樣品內各種元素所產生的特征X射線的波長及各個波長X射線的強度，并以此進行定性和定量分析。EDX用X射線管產生原級X射線照射到樣品上，所產生的特征X射線進入Si（Li）探測器，便可進行定性和定量分析。EDX體積小，價格相對較低，檢測速度比較快，但分辨率沒有WDX好。

XRF用的是物理原理來檢測物質的元素，可進行定性和定量分析。即通過X射線穿透原子內部電子，由外層電子補給產生特征X射線，根據元素特征X射線的強度，即可獲得各元素的含量信息。這就是X射線熒光分析的基本原理。它只能測元素而不能測化合物。但由于XRF是表面化學分析，故測得的樣品必須滿足很多條件才準，比如表面光滑，成分均勻。如果成分不均勻，只能說明在XRF測量的那個微區的成分如此，其他的不能表示。

XRF的優點：

分析速度高。測定用時與測定精密度有關，但一般都很短，2-5分鐘就可以測完樣品中的全部元素。
非破壞性。在測定中不會引起化學狀態的改變，也不會出現試樣飛散現象。同一試樣可反復多次測量，結果重現性好。
分析精密度高。
制樣簡單，固體、粉末、液體樣品等都可以進行分析。
測試元素范圍大，WDX可在ppm-100%濃度下檢測B5-U92，而EDX可在1ppm-100ppm下檢測大多數元素，Na11-U92。此外還可以檢測Cu合金中的Be含量。
可定量分析材料元素組成，分辨率高，探針尺寸為500μm (WDX), 75μm (EDX)。

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

ICP-OES其前身為ICP-AES（電感耦合等離子體原子發射譜儀），它基于物質在高頻電磁場所形成的高溫等離子體中有良好的特征譜線發射,再以半導體檢測器檢測這些光譜能量，參照同時測定的標準溶液計算出試液中待測元素的含量.ICP-AES測試的有效波長范圍是120-800 nm，因為原子發射光譜的所有相關信息都集中在這個范圍內。其中，120-160 nm波段尤其適用于分析鹵素或者某些特殊應用的替代譜線。

注：測試的有效波長范圍跟儀器當然也直接相關，有些儀器只能測160 nm以上的波段。一般情況下，ICP-AES測試的都是液體樣品，因此測試時需要將樣品溶解在特定的溶劑中（一般就是水溶液）；測試的樣品必須保證澄清，顆粒、懸濁物有可能堵塞內室接口或者通道；溶液樣品中不能含有對儀器有損壞的成分（如HF和強堿等）。由于現在ICP發射光譜技術用到了越來越多的離子線，“原子發射光譜儀”已經不是那么科學，所以現在都叫OES了。

ICP—OES可同時分析常量和痕量組分，無需繁復的雙向觀測，還能同時讀出、無任何譜線缺失的全譜、直讀等離子體發射光譜儀，具有檢出限極低、重現性好，分析元素多等顯著特點，ICP-OES大部份元素的檢出限為1～10ppb，一些元素也可得到亞ppb級的檢出限。ICP-OES的檢測元素如下圖：

ICP-MS電感耦合等離子體質譜儀以質譜儀作為檢測器，通過將樣品轉化為運動的氣態離子并按質荷比（M/Z）大小進行分離并記錄其信息來分析。若其所得結果以圖譜表達，即所謂的質譜圖。ICP-MS的進樣部分及等離子體和ICP-AES的是極其相似的。但ICP-MS測量的是離子質譜，提供在3～250amu范圍內每一個原子質量單位（amu）的信息。還可進行同位素測定。

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

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

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EDS是能量色散X射線譜儀，簡稱能譜儀，常用作掃描電鏡或透射電鏡的微區成分分析。利用發射出來的特征X射線能量不同而進行的元素分析，稱為能量色散法。X射線能譜儀的主要構成單元是Si（Li）半導體檢測器，即鋰飄移硅半導體檢測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。能譜儀結構簡單，數據穩定性和重現性較好。

WDS全稱波長分散譜儀，簡稱波譜儀，常用作電子探針儀中的微區成分分析，其分辨率比能譜儀高一個數量級，但它只能逐個測定每一元素的特征波長，一次全分析往往需要幾個小時。在電子探針中，X射線是由樣品表面以下m數量級的作用體積中激發出來的，如果這個體積中的樣品是由多種元素組成，則可激發各個相應元素的特征X射線。被激發的特征X射線照射到連續轉動的分光晶體上實現分光（色散），即不同波長的X射線將在各自滿足布拉格方程的2θ方向上被（與分光晶體以2:1的角速度同步轉動的）檢測器接收。波譜儀的突出特點是波長分辨率很高，缺點是X射線信號的利用率極低，難以在低束流和低激發強度下使用。波譜儀可分析鈹（Be）— 鈾U之間的所有元素。

波譜儀的定量分析誤差（1-5%）遠小于能譜儀的定量分析誤差（2-10%）。波譜儀要求樣片表面平整，能譜儀對樣品表面沒有特殊要求。EDS需要與SEM、TEM、XRD等聯用，可做電分析、線分析和面分析。WDS對于微量元素即含量小于0.5%元素分析明顯比EDS準確。波譜儀分辨本領為0.5nm,相當于5-10eV,而能譜儀最佳分辨本領為149eV。

綜上所述，XRF和ICP常用作成分的定量分析，其中XRF用物理方法檢測而ICP用化學方法進行測試。相對XRF，ICP的檢測范圍更寬，檢測極限更低，檢測出的數據更準確。EDS和WDS常用作電鏡的附件進行成分分析，但多作為半定量分析，僅可以看出各個元素的比值和大概分布情況及含量，準確性不如XRF和ICP。

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