X 射线荧光光谱仪的应用和发展趋势

X 射线荧光光谱仪的应用和发展趋势

黄肖青

中山市质量计量监督检测所，广东中山， 528400

摘要：简述X射线荧光光谱仪的基本原理及其分类，综述X射线荧光光谱在不同领域的应用，以及对其未来发展趋势进行了展望。

关键词：X射线荧光光谱、重金属、食品

自1948年世界首台波长色散X射线荧光光谱研制以来^[1],X射线荧光光谱分析法以其分析速度快、非破坏性、制样方法简单、操作简便等优势，在组分结构分析中占据重要地位，甚至在某些方面取代了化学分析法等传统分析方法，广泛应用于工业生产、化学、材料、医学、考古等领域。

XRF的基本原理及分类

1.1基本原理

X射线荧光光谱（XRF）的理论基础是近代原子物理中的Mosley定律^[2]，通过定律可知元素特征X射线的频率平方根与原子序数呈线性关系，特征X射线的强度与元素的含量正相关。当试样受到足够高能量的光子照射时，各元素原子的内层电子被电离形成了空穴，此时整个原子体系处于激发态，随后在极短的时间内，较高能级的电子会自发向内层跃迁填充空穴，从而使原子恢复到低能态，并辐射出具有特定能级差的Ｘ射线，即为特征Ｘ射线。因此通过测定样品中每种元素的特征Ｘ射线谱线及其强度，便能够对样品中的元素进行定性定量分析。

1.2分类

Ｘ射线荧光光谱仪的类型有多种，按照获得和分辨特征Ｘ射线荧光光谱的方式可以分为波长色散Ｘ射线荧光光谱仪（WDXRF）和能量色散Ｘ射线荧光光谱仪（EDXRF）；按照激发条件的不同可以分为全反射Ｘ射线荧光光谱仪（TXRF）、同步辐射Ｘ射线荧光光谱仪（SRXRF）、微束Ｘ射线荧光光谱仪（μ-XRF）、偏振Ｘ射线荧光光谱仪（P-EDXRF）、质子激发Ｘ射线荧光光谱仪（PIXE）等。

2.XRF技术的应用

2.1在工业生产的应用

因XRF技术不受样品形态的约束，分析范围广泛，制样方法简单等优势常用于合金生产分析以及矿石成分分析中，Yellepeddi等^［3］介绍了ARLXRF-XRD 结合型光谱仪在钢铁工业、铝工业、水泥工业及无标样分析中的应用，该光谱仪可以同时对同一样品中的元素和化合物进行测定，与一般的湿化学法相比，节省了分析时间、提高了分析可靠性。

2.2在环境领域的应用

近年来，我国电子产品、家用电器、计算机相关产品应用极为广泛， 但随之而来的电子产品及电气设备报废问题极为严重，给环境造成极大危害。XRF技术由于速度快、成本低、破坏性小等，现已成为检测控制有害元素含量的重要方法，在对电器电子产品有害物质(RoHS)限制使用检测应用广泛。

2.3在食品领域的应用

XRF技术可用于元素含量的测定如检测植物产品中的重金属含量是否超标，因其不用经过复杂的前处理过程，可直接快速测定避免样品损失。并且可以通过测定产品中元素的含量将假冒样品与其他样品区分开。如许志彬^［4］等人采用ZSXPrimus型XRF测定12例市售小麦粉中TiO₂的含量，检测结果与电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）所测结果基本一致。

2.4在生物医药领域的应用

在生命科学、医学和药学的应用中，生物细胞和组织中微量元素与生命体健康、疾病的相关性研究，药品质量的监测等均是XRF所涉猎的范围。XRF技术不仅可用于药品中的元素成分分析，还可控制药品质量过程，而且还能对药品的种类进行筛选。甚至XRF还可与SRXRF技术联用在医学诊断方面发挥至关重要作用。王文静等^［5］采用XRF测定６个不同产地阿胶样品中的元素种类、含量，通过样品与阿胶对照品元素特征谱的对比分析，探讨快速鉴别阿胶真伪的方法，结果表明以元素的种类及含量的差异性可简捷、快速识别阿胶的真伪，并判断劣质阿胶产品中有害元素的引入来源。

2.5在考古领域的应用

在考古和文物保护领域，XRF 占据着愈发重要的地位。Froster 等^［6］ 研究了影响现场 XＲF 在古陶瓷分析中的一些制约因素，如曲面分析、有机表面涂层、晶粒大小、矿物学等，并以土耳其中部出土的多种陶瓷制品为样本，综合考虑上述因素，对古陶瓷进行了地球化学识别，得到了很高的精度和准确度。

3.发展趋势

X射线荧光光谱仪是进行组分和结构无损分析的强有力工具，近几年随着电子技术、真空技术、光学技术、计算机技术的发展，分析仪器的体积在不断缩减，检出限在不断降低，分析精度在不断提高，X射线荧光光谱仪将不断朝着小型化、多功能化、智能化方向发展。在一方面XRF技术在场外进行快速检测将会得到更多的关注，比如P-XRF由于体积小易于携带的优点，更多应用于在现场或野外的分析测定，以便提高实验员检测工作效率。而单一功能的仪器无论在分析效率还是成本控制方面都不能满足当前分析工作的需要，发展多功能化的仪器是必要的选择，XRF技术和其他技术联用将持续性增多。另一方面XRF仪器的正确度有待进一步提高，而在食品中重金属的快速检测,药品生产的过程控制等方面需要进行更加深入的研究。随着X射线荧光光谱仪家族体系不断丰富并不断扩展其应用领域，作为一项已有半个多世纪历史的技术，X射线荧光光谱仪依然有着巨大的生命力和广阔的应用前景。

参考文献

［1］章连香，符斌．X－射线荧光光谱分析技术的发展［J］．中国无机分析化学，2013，3（3）:1-7.

［2］胡波，武晓梅，余韬等．X射线荧光光谱仪的发展及应用［J］．核电子学与探测技术，2015,35（7）:695-702.

［3］Yellepeddi R．ARLXRF-XRD结合型光谱仪在钢铁工业的应用［J］． 钢铁，1998，33(8) : 61 － 63.

[4］许志彬，曾令浩．X射线荧光光谱法测定小麦粉中二氧化钛的含量［J］．理化检验－化学分册，2017，53(6):712-715.

［5］王文静，关颖，朱艳英．阿胶真伪品的X射线荧光光谱的鉴别研究［J］．光谱学与光谱分析，2007，27(9)：1866-1868.

［6］Forster N，Grave P，Vickery N，et al．X-Ray Spectrometry，2011，40(5):389－398.