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科普帖 | XRF技術(shù)如何助力土壤元素的精準(zhǔn)檢測(cè)？
X射線熒光（XRF）是一種常用的化學(xué)分析技術(shù)，用于對(duì)環(huán)境空氣中的微粒和土壤與沉積物中的無(wú)機(jī)污染物進(jìn)行檢測(cè)。X射線和熒光這兩個(gè)詞對(duì)非科學(xué)家來(lái)說可能有些神秘，但可以簡(jiǎn)單地進(jìn)行如下解釋。
讓我們從“熒光”這個(gè)詞開始。大多數(shù)人從學(xué)校教室、工廠和商店里常見的熒光燈中知道這個(gè)詞。“熒光”的簡(jiǎn)單意思是輻射出光或其他能量。典型的熒光燈使用電力來(lái)激發(fā)氬和汞原子，使之產(chǎn)生白光輻射，而白熾燈產(chǎn)生電子作為光源。
XRF儀器使用X射線來(lái)“激發(fā)”材料，以便通過識(shí)別樣品中的元素（定性分析）或通過測(cè)定樣品中某種元素的強(qiáng)度（定量分析）來(lái)表征其組成。
X射線光譜學(xué)
那么，“X射線”這個(gè)詞是怎么回事？
我們提到X射線是XRF儀器中的激發(fā)源，但在我們的定義中，這不是它的主要目的。特征X射線是激發(fā)過程的副產(chǎn)品。為此，我們需要一點(diǎn)科學(xué)知識(shí)。X射線是電磁波譜的一個(gè)子集，而電磁波譜涵蓋了從無(wú)線電波到可見光，再到X射線及伽馬射線。所有材料都由原子組成，不同原子在元素周期表中表示為不同元素。
原子由亞原子粒子組成，包括：中子、質(zhì)子和電子。質(zhì)子和電子是帶電的，而中子是“中性的”。作為化學(xué)的真正主力，電子通過原子核的質(zhì)子電荷束縛在原子上。當(dāng)一個(gè)原子失去一個(gè)電子時(shí)，它會(huì)被電離，原子的電荷通常會(huì)吸引其他原子的原子核以形成化學(xué)鍵。大多數(shù)元素，特別是金屬，傾向于與氧結(jié)合并被氧化——比如鐵上的銹。它們可以與自身結(jié)合，形成一種元素材料，或者找到像鈉這樣的高活性原子進(jìn)行結(jié)合，從而造成各種破壞。在常見的化合物中，大多數(shù)元素與其他元素相處時(shí)表現(xiàn)穩(wěn)定。
用特征X射線能量分類元素
我們?nèi)绾潍@得并分類特征X射線？
電子在一系列殼層中圍繞原子核運(yùn)行，這些殼層被標(biāo)記為K、L、M、N等。
當(dāng)內(nèi)殼層（低能級(jí)）因輻射失去一個(gè)電子，變得不平衡時(shí)，外殼層（高能級(jí)）中的電子會(huì)躍遷到內(nèi)殼層以保持穩(wěn)定。這個(gè)電子的躍遷過程會(huì)發(fā)射出在X射線范圍內(nèi)特定的能量。在你的儀器里放一個(gè)探測(cè)器來(lái)測(cè)量這些特征X射線能量，你就能知道你的材料里有什么元素啦。如果你看XRF的元素周期表，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)一系列數(shù)字，這些數(shù)字代表了從外殼層到內(nèi)殼層的每一次躍遷的特征X射線的能量，不同的元素都具有唯一不同的數(shù)字組合。這些數(shù)字組合表示的能量都是以千電子伏特（Kev）來(lái)描述。
解決沖突的光譜峰
如果你看XRF元素周期表中各元素的特征X射線能量，你會(huì)注意到，當(dāng)超過元素鋅時(shí)，L殼層的數(shù)字與元素鈉的k殼層具有相近的能量，這種現(xiàn)象會(huì)一直在原子序數(shù)靠后的元素中反復(fù)上演。例如，鋇-L（4.467keV）幾乎與鈦-K（4.508keV）相同。地質(zhì)學(xué)家和農(nóng)學(xué)家觀察土壤中的礦物質(zhì)，很可能會(huì)在他們的樣本中獲得大量難以分辨的L線能量。
能量色散X射線熒光光譜法
能量色散XRF（EDXRF）儀器激發(fā)并檢測(cè)從氟到鈾的所有元素，提供具有表征材料特性的能量峰的能量譜。如果使用者對(duì)材料有一定的了解，他們可以調(diào)整不同的激發(fā)能量，以選擇更為特定的光譜范圍或使用濾光片組件來(lái)篩選出沖突的能量。XRF軟件還可以使用光譜擬合算法來(lái)幫助校準(zhǔn)儀器，以獲得更高的精度。
波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜法
但在某些情況下，重疊的能量根本無(wú)法在能量色散儀器中解析。為此，我們需要用到布拉格定律和專門的設(shè)備。布拉格定律描述了X射線如何穿過晶體中的平行原子平面。在樣品材料被激發(fā)后，產(chǎn)生的特征X射線被約束并以平行光的方式通過狹縫（準(zhǔn)直器）進(jìn)而通過晶體發(fā)生衍射現(xiàn)象，該晶體起到高靈敏度X射線過濾器的作用。在EDXRF中，具有鋇和鈦的樣品將顯示出約4.5keV能量的一個(gè)寬峰，掩蓋了兩種元素的存在，而WDXRF光譜儀則能夠顯示出來(lái)自這兩種元素的兩個(gè)不同的峰。
使用XRF分析空氣質(zhì)量和土壤/沉積物樣品
X射線熒光是環(huán)境科學(xué)家和監(jiān)管機(jī)構(gòu)檢測(cè)空氣中的微粒和識(shí)別土壤和沉積物中的污染物的首選技術(shù)。由于該技術(shù)的非破壞性及其靈敏度，X射線熒光是分析與空氣監(jiān)測(cè)相關(guān)的樣品的備受青睞的方法。EDXRF僅需20分鐘就可以從收集環(huán)境可吸入顆粒物的過濾器中識(shí)別多達(dá)40種元素。由于對(duì)空氣濾膜進(jìn)行的是非破壞性分析，因此它們還可以被其他技術(shù)進(jìn)行更進(jìn)一步分析。
我們的Thermo Scientific ARL Quant’X EDXRF光譜儀提供的最低檢出限在標(biāo)準(zhǔn)上優(yōu)于US EPA （美國(guó)環(huán)保署）Compendium Method IO-3.3中規(guī)定的可吸入顆粒物XRF分析的檢出限。
富含礦物質(zhì)的土壤和沉積物樣品的成分需要更為深入的精確分析。例如，鉛的能級(jí)為10.549keV，而砷的能級(jí)為10.532keV，兩者無(wú)法用EDXRF進(jìn)行分辨。由于其準(zhǔn)確度、精密度、寬濃度范圍（ppm至100%）和易用性，WDXRF是土壤和沉積物分析的常用技術(shù)。自動(dòng)化技術(shù)被用于處理元素組成更復(fù)雜的高通量樣品。我們的Thermo Scientific ARL Perform’X WDXRF 光譜儀專為高通量環(huán)境實(shí)驗(yàn)室而設(shè)計(jì)，最快每小時(shí)能夠處理60多個(gè)樣品，提供多達(dá)84種元素的快速精確分析。
