科普帖 | XRF技术如何助力土壤元素的精准检测？

X射线荧光（XRF）是一种常用的化学分析技术，用于对环境空气中的微粒和土壤与沉积物中的无机污染物进行检测。X射线和荧光这两个词对非科学家来说可能有些神秘，但可以简单地进行如下解释。

让我们从“荧光”这个词开始。大多数人从学校教室、工厂和商店里常见的荧光灯中知道这个词。“荧光”的简单意思是辐射出光或其他能量。典型的荧光灯使用电力来激发氩和汞原子，使之产生白光辐射，而白炽灯产生电子作为光源。

XRF仪器使用X射线来“激发”材料，以便通过识别样品中的元素（定性分析）或通过测定样品中某种元素的强度（定量分析）来表征其组成。

那么，“X射线”这个词是怎么回事？

我们提到X射线是XRF仪器中的激发源，但在我们的定义中，这不是它的主要目的。特征X射线是激发过程的副产品。为此，我们需要一点科学知识。X射线是电磁波谱的一个子集，而电磁波谱涵盖了从无线电波到可见光，再到X射线及伽马射线。所有材料都由原子组成，不同原子在元素周期表中表示为不同元素。

原子由亚原子粒子组成，包括：中子、质子和电子。质子和电子是带电的，而中子是“中性的”。作为化学的真正主力，电子通过原子核的质子电荷束缚在原子上。当一个原子失去一个电子时，它会被电离，原子的电荷通常会吸引其他原子的原子核以形成化学键。大多数元素，特别是金属，倾向于与氧结合并被氧化——比如铁上的锈。它们可以与自身结合，形成一种元素材料，或者找到像钠这样的高活性原子进行结合，从而造成各种破坏。在常见的化合物中，大多数元素与其他元素相处时表现稳定。

我们如何获得并分类特征X射线？

电子在一系列壳层中围绕原子核运行，这些壳层被标记为K、L、M、N等。

当内壳层（低能级）因辐射失去一个电子，变得不平衡时，外壳层（高能级）中的电子会跃迁到内壳层以保持稳定。这个电子的跃迁过程会发射出在X射线范围内特定的能量。在你的仪器里放一个探测器来测量这些特征X射线能量，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，你就会发现一系列数字，这些数字代表了从外壳层到内壳层的每一次跃迁的特征X射线的能量，不同的元素都具有唯一不同的数字组合。这些数字组合表示的能量都是以千电子伏特（Kev）来描述。

如果你看XRF元素周期表中各元素的特征X射线能量，你会注意到，当超过元素锌时，L壳层的数字与元素钠的k壳层具有相近的能量，这种现象会一直在原子序数靠后的元素中反复上演。例如，钡-L（4.467keV）几乎与钛-K（4.508keV）相同。地质学家和农学家观察土壤中的矿物质，很可能会在他们的样本中获得大量难以分辨的L线能量。

能量色散XRF（EDXRF）仪器激发并检测从氟到铀的所有元素，提供具有表征材料特性的能量峰的能量谱。如果使用者对材料有一定的了解，他们可以调整不同的激发能量，以选择更为特定的光谱范围或使用滤光片组件来筛选出冲突的能量。XRF软件还可以使用光谱拟合算法来帮助校准仪器，以获得更高的精度。

但在某些情况下，重叠的能量根本无法在能量色散仪器中解析。为此，我们需要用到布拉格定律和专门的设备。布拉格定律描述了X射线如何穿过晶体中的平行原子平面。在样品材料被激发后，产生的特征X射线被约束并以平行光的方式通过狭缝（准直器）进而通过晶体发生衍射现象，该晶体起到高灵敏度X射线过滤器的作用。在EDXRF中，具有钡和钛的样品将显示出约4.5keV能量的一个宽峰，掩盖了两种元素的存在，而WDXRF光谱仪则能够显示出来自这两种元素的两个不同的峰。

X射线荧光是环境科学家和监管机构检测空气中的微粒和识别土壤和沉积物中的污染物的首选技术。由于该技术的非破坏性及其灵敏度，X射线荧光是分析与空气监测相关的样品的备受青睐的方法。EDXRF仅需20分钟就可以从收集环境可吸入颗粒物的过滤器中识别多达40种元素。由于对空气滤膜进行的是非破坏性分析，因此它们还可以被其他技术进行更进一步分析。

我们的Thermo Scientific ARL Quant’X EDXRF光谱仪提供的最低检出限在标准上优于US EPA （美国环保署）Compendium Method IO-3.3中规定的可吸入颗粒物XRF分析的检出限。

富含矿物质的土壤和沉积物样品的成分需要更为深入的精确分析。例如，铅的能级为10.549keV，而砷的能级为10.532keV，两者无法用EDXRF进行分辨。由于其准确度、精密度、宽浓度范围（ppm至100%）和易用性，WDXRF是土壤和沉积物分析的常用技术。自动化技术被用于处理元素组成更复杂的高通量样品。我们的Thermo Scientific ARL Perform’X WDXRF 光谱仪专为高通量环境实验室而设计，最快每小时能够处理60多个样品，提供多达84种元素的快速精确分析。