全反射X射线荧光光谱仪(TXRF)原理及结构简述

2022-12-22 08:32:30 利曼中国

X射线荧光(XRF)是当原级X射线照射样品时，受激原子内层电子产生能级跃迁所发射的特征二次X射线。该二次X射线的能量及强度可被探测，与样品内待测元素的含量相关，此为XRF光谱仪的理论依据。

根据分光系统的不同，XRF光谱仪主要有波长色散型(WDXRF)和能量色散型(EDXRF)两种，二者结构示意如下图：

图1 WDXRF结构示意图

图2 EDXRF结构示意图

自上世纪40年代XRF光谱仪诞生，作为元素光谱分析技术的重要分支，在冶金、地质、矿物、环境等领域有着广泛应用。但常规XRF光谱仪并不适于痕量元素的检测，而且复杂多变的基体效应导致系统误差较大。目前，多采用数学校正、基体分离等手段以克服这些缺点。

在上世纪70年代，出现了将全反射现象应用于XRF分析的技术，即将少量样品置于平滑的全反射面上进行检测，称为全反射X射线荧光(TXRF)。如下图：

图3 TXRF结构示意图

由上图可以看出，EDXRF中X射线的出入射角度通常约为40度，分析深度通常发生在近表层100μm左右，有较强的背景及基体影响；TXRF为EDXRF的变种，其入射角度<0.1度，分析深度通常<1μm，原级束几乎被全反射。

通常，仅需将样品溶液或悬浊液置于支撑的光学平面上(如石英玻璃)，蒸干后，残留物上机检测。因平面的高反射率，载体的光谱背景几乎被消除；少量的残留物所形成的薄层样品基体效应很小，具有以下几点重要的优势：

1/ TXRF可不使用标准曲线，仅用内标法便完成定量分析；

2/ 具有出色的检出能力，低至10^(-7)~10^(-12)g；

3/ 微量样品中痕量元素的检测。

全反射X射线荧光光谱仪(TXRF)主要包括：X射线源、光路系统、进样系统、探测器、数据处理系统及其他附件，下文主要介绍前四部分。

一、X射线源：由高压发生器及射线管组成。提供初级X射线，对样品中待测元素进行激发得到X射线荧光，其强度正比于初级X射线的强度。通常，XRD或XRF发生器便可满足TXRF的需求，高压可达到80kV、电流可达80mA、整体功率可达3kW或以上；输入稳定性一般<10%，输出稳定性<0.01%。

目前商用TXRF所用X射线管多为Mo或W靶，或是混合靶材，如GNR的TX 2000全反射X射线荧光光谱仪提供Mo/W混合靶材。

图4 Mo/W混合靶材

二、光路系统：为满足TXRF应用需求(入射角、能量分布等)，需进一步对初级X射线的几何形状和光谱分布进行调节，主要有光阑、滤波器、准直狭缝、单色器等。

初级X射线具有一定发散角，使用准直狭缝即可完成对几何形状的调整。

射线管发射连续谱带中的高能光子激发效率低于低能光子，且低能光子的全反射临界角大于高能光子。因此，在满足低能光子全反射条件下，连续光谱中的高能光子则不满足全反射条件，背景大幅提高，需要进一步滤除高能光子，通常采用滤波器及单色器来实现。

常用滤波器多采用全反射原理，即低能光子全反射而高能光子发生散射或吸收，进而达到滤波目的，通常有单全反射及双全反射体之分，如下图：

图5 单全反射滤波器

图6 双全反射滤波器

单色光激发是全反射理想的情况，但仅依靠滤波器等无法实现单色的目的，因此，采用布拉格反射体的单色器及多种技术结合的手段在目前商用仪器中颇为常见。GNR的TX 2000及HORIZON两款全反射X射线荧光光谱仪均可提供双全反射光路、多层Si/W单色器(TX 2000还可实现TXRF及常规XRF的切换)，如下图：

图7 光路示意图

三、进样系统：提供样品载体，满足全反射条件、完成自动进样操作，多为石英玻璃、有机玻璃等。

图8 样品台

图9 样品载体

四、探测器：作为数据读出的核心部件，需要有较高的能量分辨率、较小的热效应等特性，主要有半导体探测器、硅漂移探测器及位敏探测器，目前商用仪器多使用硅漂移探测器(SDD)，GNR即采用半导体制冷的SDD探测器。

图10 探测器

意大利GNR公司是一家老牌的欧洲光谱仪生产商，其X射线产品线诞生于1966年，经过半个多世纪的开发和研究，该产品线已经拥有众多型号满足多个行业的分析需求。

X射线衍射仪（XRD）可测试粉末、薄膜等样品的晶体结构等指标，多应用于分子结构分析及金属相变研究；而全反射X荧光光谱仪（TXRF）的检测限已达到皮克级别，其非破坏性分析特点应用在痕量元素分析中，涉及环境、医药、半导体、核工业、石油化工等行业；为迎合工业市场需求而设计制造的专用残余应力分析仪、残余奥氏体分析仪，近年来被广泛应用在高端材料检测领域，其操作的便捷性颇受行业青睐。