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科普帖 | XRF技術如何助力土壤元素的精準檢測？
X射線熒光（XRF）是一種常用的化學分析技術，用于對環(huán)境空氣中的微粒和土壤與沉積物中的無機污染物進行檢測。X射線和熒光這兩個詞對非科學家來說可能有些神秘，但可以簡單地進行如下解釋。
讓我們從“熒光”這個詞開始。大多數人從學校教室、工廠和商店里常見的熒光燈中知道這個詞。“熒光”的簡單意思是輻射出光或其他能量。典型的熒光燈使用電力來激發(fā)氬和汞原子，使之產生白光輻射，而白熾燈產生電子作為光源。
XRF儀器使用X射線來“激發(fā)”材料，以便通過識別樣品中的元素（定性分析）或通過測定樣品中某種元素的強度（定量分析）來表征其組成。
X射線光譜學
那么，“X射線”這個詞是怎么回事？
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)過程的副產品。為此，我們需要一點科學知識。X射線是電磁波譜的一個子集，而電磁波譜涵蓋了從無線電波到可見光，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、質子和電子。質子和電子是帶電的，而中子是“中性的”。作為化學的真正主力，電子通過原子核的質子電荷束縛在原子上。當一個原子失去一個電子時，它會被電離，原子的電荷通常會吸引其他原子的原子核以形成化學鍵。大多數元素，特別是金屬，傾向于與氧結合并被氧化——比如鐵上的銹。它們可以與自身結合，形成一種元素材料，或者找到像鈉這樣的高活性原子進行結合，從而造成各種破壞。在常見的化合物中，大多數元素與其他元素相處時表現穩(wěn)定。
用特征X射線能量分類元素
我們如何獲得并分類特征X射線？
電子在一系列殼層中圍繞原子核運行，這些殼層被標記為K、L、M、N等。
當內殼層（低能級）因輻射失去一個電子，變得不平衡時，外殼層（高能級）中的電子會躍遷到內殼層以保持穩(wěn)定。這個電子的躍遷過程會發(fā)射出在X射線范圍內特定的能量。在你的儀器里放一個探測器來測量這些特征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，你就會發(fā)現一系列數字，這些數字代表了從外殼層到內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字組合。這些數字組合表示的能量都是以千電子伏特（Kev）來描述。
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，你會注意到，當超過元素鋅時，L殼層的數字與元素鈉的k殼層具有相近的能量，這種現象會一直在原子序數靠后的元素中反復上演。例如，鋇-L（4.467keV）幾乎與鈦-K（4.508keV）相同。地質學家和農學家觀察土壤中的礦物質，很可能會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。如果使用者對材料有一定的了解，他們可以調整不同的激發(fā)能量，以選擇更為特定的光譜范圍或使用濾光片組件來篩選出沖突的能量。XRF軟件還可以使用光譜擬合算法來幫助校準儀器，以獲得更高的精度。
波長色散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，產生的特征X射線被約束并以平行光的方式通過狹縫（準直器）進而通過晶體發(fā)生衍射現象，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能量的一個寬峰，掩蓋了兩種元素的存在，而WDXRF光譜儀則能夠顯示出來自這兩種元素的兩個不同的峰。
使用XRF分析空氣質量和土壤/沉積物樣品
X射線熒光是環(huán)境科學家和監(jiān)管機構檢測空氣中的微粒和識別土壤和沉積物中的污染物的首選技術。由于該技術的非破壞性及其靈敏度，X射線熒光是分析與空氣監(jiān)測相關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別多達40種元素。由于對空氣濾膜進行的是非破壞性分析，因此它們還可以被其他技術進行更進一步分析。
我們的Thermo Scientific ARL Quant’X EDXRF光譜儀提供的最低檢出限在標準上優(yōu)于US EPA （美國環(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，鉛的能級為10.549keV，而砷的能級為10.532keV，兩者無法用EDXRF進行分辨。由于其準確度、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。自動化技術被用于處理元素組成更復雜的高通量樣品。我們的Thermo Scientific ARL Perform’X WDXRF 光譜儀專為高通量環(huán)境實驗室而設計，最快每小時能夠處理60多個樣品，提供多達84種元素的快速精確分析。
