X射線熒光光譜分析

X射線熒光的激發源使用X射線而不使用電子束，因為使用X射線避免了樣品過熱的問題。幾乎所有的商品X射線熒光光譜儀均采用封閉的X射線管作為初始激發光源。某些較簡單的系統可能使用放射性同位素源，而電子激發一般不單獨使用在X射線熒光光譜儀中，它僅限于在電子顯微鏡中X射線熒光分析中使用。

X射線熒光譜儀具有快速，無損，高精度和適用性強的重要性能，對所有的元素能進行快速定量分析。波長色散光譜儀的最新進展已經把元素范圍擴展到碳(Z=6)。大部分測量范圍內可低到10-6水平的檢測限下，精度達千分之幾。

一、基本原理

熒光的產生是由于初始X射線光子能量足夠大，以致可以在樣品中產生電子—空穴，導致二次輻射(熒光)的產生。這種二次輻射是組成樣品的元素的特征。用于分離和測量初始X射線激發產生的分立的特征波長的技術，被稱為X射線熒光光譜學。X射線熒光光譜學提供了一個用測量其特征X射線輻射波長或能量來確定元素種類的定性分析方法，同時測量輻射的特征譜線的強度，然后把這一強度和元素的濃度聯系起來，即可進行給定元素的定量分析。根據莫塞萊定律，只要測出X熒光射線的波長，就可確定某元素的存在，只要測出X熒光射線的強度，就可確定某元素的含量。

二、X射線熒光光譜分析

X射線熒光光譜分析儀的主要部件為：激發源、探測器、高壓電源、前置放大器、主放大器、模數轉換器。

1.獲得X射線熒光光譜的方法

X射線熒光光譜法，即X射線發射光譜法，是一種非破壞性的儀器分析方法。為了區別不同寶玉石的成分，常采用兩種X熒光分光技術：

(1)波長色散光譜法：通過分光晶體對不同波長的X熒光進行衍射而達到分光的目的，然后用探測器探測不同波長處的熒光強度。

(2)能量色散光譜法：首先使用探測器接收所有不同能量的X熒光，由探測器轉變為電脈沖信號，經前置放大之后用多道脈沖高度分析器進行信號處理，得到不同能量的X熒光光譜。波譜儀使用分光晶體，各元素的譜線進入探測器之前已被分光，探測器每次只能接受某一波長的譜線；而能譜儀使用的探測器和多道脈沖分析器，直接測量不同能量的元素的特征X譜線的能量。圖13-4-1為合成碳化硅和鉆石X熒光能譜圖，由圖可見Si的能量峰尖銳，其SiKα能量峰位于1.739 keV，由于C是輕元素( Z=6)因此無論是波譜法，還是能譜法目前都較難檢測。

2.X熒光能譜儀的類別

(1)便攜式X熒光能譜儀：一般為定性、半定量分析。它是以同位素源為激發源。優點是體積小巧，便于攜帶，適用于現場分析、野外和大型工件或設備上某零件的元素分析及合金牌號的鑒定；主要缺點是分析精度較差。

圖13-4-1 碳化硅和鉆石X熒光能譜圖

(2)小型管激發X熒光能譜儀：一般僅用于高含量單元素的半定量分析。由于探測器采用正比計數管技術，因此體積較小。優點是價格便宜。

(3)大型X 熒光能譜儀：儀器的穩定性、靈敏度、準確度和重現性都很高，可同時分析Na～U 的各種元素，分析的濃度從100%至10-6級。主要特點是采用管激發和Si(Li)探測器技術。

3.制備樣品

對寶玉石樣品要進行表面拋光，才可放入儀器中進行直接測量。測量前還應做相應的設備檢查。

三、X熒光能譜儀在珠寶首飾檢測中的應用

1.貴金屬首飾成色檢測

市場上已有多種型號的測金儀出售，大多配備放射性同位素源，以正比計數管為探測器。固定的放射性同位素源激發能量的范圍較窄，正比計數管的分辨率一般較低。因此，這種組合適合于單元素或多元素樣品的定量測試。如使用241Am放射性同位素源，適合于激發能量較高的Au(L系)、Ag(K系)、Pt(L系)、Pd(K系)熒光，可用于貴金屬成色分析。為了達到準確定量分析的目的，所有儀器均使用標準樣品或標準物質進行校正。

2.寶玉石中主元素的確定

天然不同的寶玉石都具有特定的化學成分和晶體結構，測試出礦物中的主要化學元素對鑒定和區分外觀相似的寶玉石是具有重大的意義。

3.寶玉石中微量元素的確定

有許多寶玉石礦物屬于一個大家族，這些寶石常具有類似的化學成分，有的所含常量元素含量變化不大，但微量元素含量卻有不同，如剛玉有紅剛玉和藍剛玉，即紅寶石和藍寶石，根據X熒光能譜定量或半定量結果可以進行其亞種區分：紅寶石含Cr 波譜圖上出現鉻和鋁峰；藍寶石含Fe和Ti在譜圖上出現鋁、鐵和鈦峰。

4.寶石產地、產狀的識別

同一種寶石因產出的地質條件即產狀、產地不同，寶石內部微量元素或痕量元素的種類及含量會有變化，這些變化有時可以反應其產地、產狀信息。使用大型X熒光能譜儀可以區分天然紅寶石產地：泰國產紅寶石具有高鐵含量；緬甸抹谷產紅寶石具有高鎵含量；緬甸孟宿產紅寶石具有高鈦含量等特征。使用X熒光能譜儀可以區分海水養殖珍珠與淡水養殖珍珠：海水養殖珍珠鍶比錳高，而淡水養殖珍珠卻具有錳比鍶高。

5.合成寶石的鑒定

天然尖晶石與合成尖晶石具有不同的鎂鋁含量比值。在合成鉆石中經常可檢測到含有Ni、Co或Fe等元素。

6.優化處理寶石的鑒定

寶石經優化處理后，可能有外來元素進入而引起化學成分出現異常。使用大型X熒光能譜儀可以測出傳統銀鹽染色黑珍珠中的銀。