什么是 X 射线荧光 (XRF)？

XRF 如何工作？

X 射线荧光 (XRF) 是一种分析技术，它利用 X 射线与材料的相互作用来确定其元素组成。XRF 适用于固体、液体和粉末，并且在大多数情况下是无损的。

有两种主要的 XRF 方法 - 能量色散 (EDXRF) 和波长色散 (WDXRF)，稍后将更详细地解释。每种方法都有自己的优点和缺点。
可检测元素的范围因仪器配置和设置而异，但通常 EDXRF 涵盖从钠 (Na) 到铀 (U) 的所有元素，而 WDXRF 可以将其扩展到铍 (Be)。浓度范围可以从 100% 到 ppm，在某些情况下可以达到亚 ppm 水平。检测限取决于特定元素和样品基质，但一般来说，较重的元素将具有更好的检测限。
XRF 被广泛用作全球许多分析实验室的快速表征工具，其应用范围广泛，包括冶金、法医学、聚合物、电子、考古、环境分析、地质和采矿。

X 射线

X 射线是电磁波谱的一部分，其特征是介于紫外线和伽马辐射之间的能量。波长通常在 0.01 到 10 nm 的范围内，相当于 125 keV 到 0.125 keV 的能量。

尽管在 19 世纪最后 25 年对 X 射线辐射进行了各种探索，但正是威廉·伦琴 (Wilhelm Röntgen) 的工作通过在 1895 年的初步交流才真正引起了科学家们的注意。伦琴后来被授予诺贝尔奖为了他的工作，在许多语言中，X 射线仍然以他的名字命名。

X 射线在当今社会中被广泛使用，包括用于医院的医学成像和机场安检口的行李检查。在科学中，它们的特性是许多元素和结构分析技术不可或缺的一部分。

X 射线与物质的相互作用

伦琴在 19 世纪末和 20 世纪初的研究很快确立了 X 射线的穿透性，并很快意识到了医学成像的潜力。然而，X 射线与物质的相互作用比简单的“穿过”要复杂得多。在到达一种材料时，一些 X 射线会被吸收，一些会被散射——如果这两个过程都不发生，X 射线将穿过材料。

当吸收发生时，X 射线在原子水平上与材料相互作用，并会引起随后的荧光——正是这种 X 射线荧光构成了 XRF 光谱的基础，该过程将在下一节中更详细地讨论. 除了吸收/荧光过程之外，X 射线还可以从材料中散射。这种散射可以在有或没有能量损失的情况下发生，分别称为康普顿散射和瑞利散射。

吸收/荧光、康普顿和瑞利散射和透射比取决于样品厚度、密度和成分以及 X 射线能量。

X 射线荧光 - 基本过程

X 射线荧光 (XRF) 可以被认为是在原子水平上发生的简单三步过程：

·      初级 X 射线从材料原子内的原子核周围的轨道中敲出一个电子。

·      在轨道上产生一个空穴，导致原子的高能、不稳定构型。

·      为了恢复平衡，来自更高能量的外轨道的电子落入空穴中。由于这是一个较低能量的位置，多余的能量以荧光 X 射线的形式发射。

排出电子和置换电子之间的能量差异是发生荧光过程的元素原子的特征——因此，发射的荧光 X 射线的能量与被分析的特定元素直接相关。正是这一关键特性使 XRF 成为元素组成的快速分析工具。

一般而言，特定元素发射的 X 射线的能量与材料的化学性质无关。例如，对于所有三种材料，从 CaCO ₃、CaO 和 CaCl ₂获得的钙峰 将处于完全相同的光谱位置。

X 射线荧光 - 多重跃迁

由于大多数原子包含多个电子轨道（例如，K 壳层、L 壳层、M 壳层），因此可能存在多个可能的荧光跃迁。

例如，X 射线与具有 K、L 和 M 壳层的原子的相互作用可能导致在 K 壳层中形成一个空穴，然后该空穴被来自 L 壳层或 M 壳层的电子填充。在任何一种情况下，这些都称为 K 转换。或者，可以在 L 壳层中形成一个空穴，随后被来自 M 壳层的电子填充（称为 L 跃迁）。

因此，对于单个元素，可能有多个 XRF 峰，并且通常这些峰都将出现在光谱中，并具有不同的强度。它们形成特定元素的特征指纹。

X 射线荧光 - 强度

特定材料对 X 射线的吸收根据 X 射线的能量而变化。根据经验，低能 X 射线比高能光子更容易被吸收。

为了将电子从其中一个轨道中排出，X 射线能量必须超过该电子的结合能——但是，如果 X 射线能量太高，则 X 射线和电子之间的耦合效率低下，并且只有少数电子会被淘汰。随着 X 射线能量降低，并接近电子结合能，因此被发射电子的产率增加。刚好低于这个结合能，观察到吸收下降，因为能量不足以从该壳层发射电子，并且能量太高而不能从较低能量的壳层发射电子。

如前一节所述，并非所有入射 X 射线都会产生荧光。荧光产率是荧光 X 射线与入射 X 射线的比率。下图说明了作为原子序数 Z 函数的 K 和 L 荧光产率。很明显，轻元素的产率非常低，这反映在这些元素可实现的灵敏度上。

能量色散 XRF

能量色散检测系统直接测量样品发射的 X 射线的不同能量。通过计算和绘制每种能量下 X 射线的相对数量，可以生成 XRF 光谱。 
能量色散 (ED) 检测器（例如 HORIBA Xerophy™）的原理是基于在半导体材料（通常是硅）中产生电子-空穴对。能量为 EX 的入射 X 射线被探测器材料吸收，并导致形成一个或多个电子-空穴对。对于该特定材料，执行此操作的能量^EHP是固定的。X 射线将在其能量允许的范围内形成尽可能多的电子-空穴对：电子-空穴对数 = E ^X  / E ^EHP
一旦发生这种情况，电子就会从探测器中拉出，产生的电流与电子-空穴对的数量成正比，这本身与 X 射线能量直接相关。
这个分析过程以非常高的速率重复，并将结果分类到能量通道中。

波长色散 XRF

波长色散检测系统根据 X 射线的波长物理分离它们。

X 射线被导向晶体，晶体根据 X 射线的波长（能量）将 X 射线衍射到不同方向。

在顺序系统中，检测器放置在固定位置，旋转晶体以使检测器拾取不同的波长。XRF 光谱是逐点建立的。在同步系统中，使用了多个晶体/检测器单元，因此可以同时检测一系列元素。

ED 和 WDXRF 技术之间的主要区别在于可实现的能量（光谱）分辨率。WDXRF 系统通常可以提供 5 eV 到 20 eV 之间的工作分辨率，具体取决于它们的设置，而 EDXRF 系统通常提供 150 eV 到 300 eV 或更高的分辨率，具体取决于所使用的探测器类型。

WDXRF 的更高分辨率在减少光谱重叠方面具有优势，因此可以更准确地表征复杂样品。此外，高分辨率降低了背景，提高了检测限和灵敏度。

然而，WDXRF 系统的附加光学组件（例如，衍射晶体和准直器）意味着它的效率大大降低。通常，这可以通过高功率 X 射线源进行补偿，这会对成本和易用性产生重大影响。WDXRF 的附加光学元件也会影响成本，并制造出相对昂贵的仪器。

最后的区别在于光谱采集。借助JPSPEC系列等 EDXRF 系统，几乎可以同时采集整个光谱，因此可以在几秒钟内检测到元素周期表中大部分的元素。WDXRF 光谱采集要么以逐点方式进行（非常耗时），要么同时检测器数量非常有限（这是一个昂贵的选择）。

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