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元素分析仪器介绍

发布时间:2020-11-07 12:59

  元素分析仪器介绍_化学_自然科学_专业资料。成分分析四大家——XRF、ICP、EDS、WDS XRF XRF(X-Ray Fluorescence spectrometer)指的是 X 射线荧光光谱仪,可以快速同 时对多元素进行测定的仪器。在

  成分分析四大家——XRF、ICP、EDS、WDS XRF XRF(X-Ray Fluorescence spectrometer)指的是 X 射线荧光光谱仪,可以快速同 时对多元素进行测定的仪器。在 X 射线激发下,被测元素原子的内层电子发生 能级跃迁而发出次级 X 射线(X-荧光)。从不同的角度来观察描述 X 射线,可 将 XRF 分为能量散射型 X 射线荧光光谱仪,缩写为 EDXRF 或 EDX 和波长散 射型 X 射线荧光光谱仪,可缩写为 WDXRF 或 WDX,但市面上用的较多的为 EDX。WDX 用晶体分光而后由探测器接收经过衍射的特征 X 射线信号。如分光 晶体和探测器做同步运动,不断地改变衍射角,便可获得样品内各种元素所产生 的特征 X 射线的波长及各个波长 X 射线的强度,并以此进行定性和定量分析。 EDX 用 X 射线管产生原级 X 射线照射到样品上,所产生的特征 X 射线进入 Si (Li)探测器,便可进行定性和定量分析。EDX 体积小,价格相对较低,检测 速度比较快,但分辨率没有 WDX 好。 XRF 用的是物理原理来检测物质的元素,可进行定性和定量分析。即通过 X 射 线穿透原子内部电子,由外层电子补给产生特征 X 射线,根据元素特征 X 射线 的强度,即可获得各元素的含量信息。这就是 X 射线荧光分析的基本原理。它 只能测元素而不能测化合物。但由于 XRF 是表面化学分析,故测得的样品必须 满足很多条件才准,比如表面光滑,成分均匀。如果成分不均匀,只能说明在 XRF 测量的那个微区的成分如此,其他的不能表示。 XRF 的优点: ? 分析速度高。测定用时与测定精密度有关,但一般都很短,2-5 分钟就可 以测完样品中的全部元素。 ? 非破坏性。在测定中不会引起化学状态的改变,也不会出现试样飞散现象。 同一试样可反复多次测量,结果重现性好。 ? 分析精密度高。 ? 制样简单,固体、粉末、液体样品等都可以进行分析。 ? 测试元素范围大,WDX 可在 ppm-100%浓度下检测 B5-U92,而 EDX 可 在 1ppm-100ppm 下检测大多数元素,Na11-U92。此外还可以检测 Cu 合 金中的 Be 含量。 ? 可定量分析材料元素组成,分辨率高,探针尺寸为 500μm (WDX), 75μm (EDX)。 1 ICP ICP(Inductive Coupled Plasma Spectrometer)是电感耦合等离子谱仪。根据检测 器的不同分为 ICP—OES(电感耦合等离子发射光谱仪,也称 ICP-AES)和 ICP-MS (电感耦合等离子质谱仪)。两者均能测元素周期表中的绝大部分元素,但能测 得元素稍微有异,检测能力上后者要比前者高。因为 ICP 光源具有良好的原子化、 激发和电离能力,所以它具有很好的检出限。对于多数元素,其检出限一般为 0.1~100ng/ml,可以同时测试多种元素,灵敏度高,检测限低,测试范围宽(低 含量成分和高含量成分能够同时测试)。 ICP-OES 其前身为 ICP-AES(电感耦合等离子体原子发射谱仪),它基于物质在 高频电磁场所形成的高温等离子体中有良好的特征谱线发射,再以半导体检测器 检测这些光谱能量,参照同时测定的标准溶液计算出试液中待测元素的含 量.ICP-AES 测试的有效波长范围是 120-800 nm,因为原子发射光谱的所有相关 信息都集中在这个范围内。其中,120-160 nm 波段尤其适用于分析卤素或者某 些特殊应用的替代谱线。 注:测试的有效波长范围跟仪器当然也直接相关,有些仪器只能测 160 nm 以上 的波段。一般情况下,ICP-AES 测试的都是液体样品,因此测试时需要将样品溶 解在特定的溶剂中(一般就是水溶液);测试的样品必须保证澄清,颗粒、悬浊 物有可能堵塞内室接口或者通道;溶液样品中不能含有对仪器有损坏的成分(如 HF 和强碱等)。由于现在 ICP 发射光谱技术用到了越来越多的离子线,“原子发 射光谱仪”已经不是那么科学,所以现在都叫 OES 了。 展开全文 ICP—OES 可同时分析常量和痕量组分,无需繁复的双向观测,还能同时读出、 无任何谱线缺失的全谱、直读等离子体发射光谱仪,具有检出限极低、重现性好, 分析元素多等显著特点,ICP-OES 大部份元素的检出限为 1~10ppb,一些元素 也可得到亚 ppb 级的检出限。ICP-OES 的检测元素如下图: 2 ICP-MS 电感耦合等离子体质谱仪以质谱仪作为检测器,通过将样品转化为运动 的气态离子并按质荷比(M/Z)大小进行分离并记录其信息来分析。若其所得结 果以图谱表达,即所谓的质谱图。ICP-MS 的进样部分及等离子体和 ICP-AES 的 是极其相似的。但 ICP-MS 测量的是离子质谱,提供在 3~250amu 范围内每一个 原子质量单位(amu)的信息。还可进行同位素测定。 ICP-MS 具有极低的检出限,其溶液的检出限大部份为 ppt 级,石墨炉 AAS 的检 出限为亚 ppb 级,但由于 ICP-MS 的耐盐量较差,ICP-MS 的检出限实际上会变 差多达 50 倍,一些轻元素(如 S、Ca、Fe、K、Se)在 ICP-MS 中有严重的干扰, 其实际检出限也很差。ICP-MS 的检测元素和检测极限如下图: 整体来说,ICP-OES 和 ICP-MS 可分析的元素基本一致,不过由于分析检测系统 的差异,两者的检测限有差异:ICP-MS 的检测限很低,最好的可以达到 ng/L(ppt) 3 的水平;而 ICP-AES 一般是 ug/L(ppb)的级别。不过 ICP-MS 只能分析固体溶 解量为 0.2%左右的溶液(因此经常需要稀释),而 ICP-AES 则可以分析固体溶 解量超过 20%的溶液。 EDS EDS(Energy Dispersive Spectrometer)是能量色散 X 射线谱仪,简称能谱仪,常用 作扫描电镜或透射电镜的微区成分分析。利用发射出来的特征 X 射线能量不同 而进行的元素分析,称为能量色散法。X 射线能谱仪的主要构成单元是 Si(Li) 半导体检测器,即锂飘移硅半导体检测器和多道脉冲分析器。目前还不能用于分 析超轻元素(O、N、C 等)。由于能谱仪中 Si(Li)检测器的 Be 窗口吸收超轻 元素的 X 射线,故只能分析 Na 以后的元素。能谱仪结构简单,数据稳定性和重 现性较好。 WDS 全称波长分散谱仪,ag追杀模式前兆。简称波谱仪,常用作电子探针仪中的微区成分分析, 其分辨率比能谱仪高一个数量级,但它只能逐个测定每一元素的特征波长,一次 全分析往往需要几个小时。在电子探针中,X 射线是由样品表面以下 m 数量级 的作用体积中激发出来的,如果这个体积中的样品是由多种元素组成,则可激发 各个相应元素的特征 X 射线。被激发的特征 X 射线照射到连续转动的分光晶体 上实现分光(色散),即不同波长的 X 射线将在各自满足布拉格方程的 2θ 方向 上被(与分光晶体以 2:1 的角速度同步转动的)检测器接收。波谱仪的突出特点 是波长分辨率很高,缺点是 X 射线信号的利用率极低,难以在低束流和低激发 强度下使用。波谱仪可分析铍(Be)— 铀 U 之间的所有元素。 波谱仪的定量分析误差(1-5%)远小于能谱仪的定量分析误差(2-10%)。波谱 仪要求样片表面平整,能谱仪对样品表面没有特殊要求。EDS 需要与 SEM、TEM、 XRD 等联用,可做电分析、线分析和面分析。WDS 对于微量元素即含量小于 0.5% 元素分析明显比 EDS 准确。波谱仪分辨本领为 0.5nm,相当于 5-10eV,而能谱仪最 佳分辨本领为 149eV。 Final 综上所述,XRF 和 ICP 常用作成分的定量分析,其中 XRF 用物理方法检测而 ICP 用化学方法进行测试。相对 XRF,ICP 的检测范围更宽,检测极限更低,检测出 的数据更准确。EDS 和 WDS 常用作电镜的附件进行成分分析,但多作为半定量 分析,仅可以看出各个元素的比值和大概分布情况及含量,准确性不如 XRF 和 ICP。 4 光谱分布图 光波:波长为 10—106nm 的电磁波 可见光:波长 380—780nm 紫外线nm, 光谱分布 波长 300—380nm 称为近紫外线nm 称为远紫外线nm 称为极远紫外线nm)以下的称近红外线μm 的红外线