X射线荧光光谱仪（XRF）

1.项目介绍
1.1测试目的及应用场景

X 射线荧光光谱仪（X-ray Fluorescence Spectrometer，XRF 光谱仪）是一种快速无损的物质检测技术，可精准测定材料中的元素种类与含量。其原理是利用高能 X 射线或伽马射线轰击材料，激发产生次级 X 射线，该技术广泛应用于元素及化学分析，涉及金属、玻璃、陶瓷、建材研究，以及地球化学、法医学、考古学等领域。

1.2测试原理

X射线荧光（XRF）技术的基本原理主要分为两个核心过程，即原子的激发与荧光的产生，二者依次发生、相互关联，共同实现样品中元素的定性与半定量分析。

（1）原子的激发

当高速运动的高能粒子（如电子、质子、离子等）穿透样品原子时，会将自身的能量传递给原子内部的核外电子，使低能级（基态）电子获得足够能量后跃迁到高能级（激发态），这一过程称为原子的激发。由于激发态原子具有较高的能量，处于不稳定状态，其核外电子会在极短时间内从高能级自发向低能级（或基态）跃迁，在此过程中会释放出多余的能量，为荧光射线的产生提供能量基础。

（2）荧光的产生

原子从激发态向基态（或低能级激发态）跃迁时，释放的多余能量会以特定波长的射线形式辐射出来，这种射线即为荧光射线（也称X射线荧光）。不同元素的原子，其核外电子的能级差具有独特性，因此跃迁时释放的荧光射线能量也具有专属特征（即特征荧光）。基于这一特性，通过检测并分析荧光射线的能量（或波长），即可精准判断样品中所含的元素种类，进而通过荧光强度初步确定元素含量。

1.3测试步骤

X 射线荧光光谱仪的核心结构包含四大模块：

（1）激发系统：以 X 射线管为核心组件，能够产生一次 X 射线，通过照射样品促使其发射荧光 X 射线；

（2）分光系统：依托分光晶体，对样品内待测元素释放的特征荧光 X 射线实现精准区分；

（3）探测系统：负责检测待测元素特征荧光 X 射线的信号强度；

（4）仪器控制和数据处理系统：对探测信号进行解析处理，最终输出元素分析结论。

一般测试步骤为：

①把待测样品研磨处理成粉末状；

②借助压片机将样品粉末压制成片状试样；

③把制备完成的样品薄片置于仪器样品台，设定电压、电流、检测时长等相关参数；

④启动设备开展检测，仪器自动采集样品特征 X 射线的波长与强度数据；

⑤设备依据元素谱线强度自动计算得出各元素含量

2.样品要求

（1）样品形态：可接受粉末、块状及薄膜类样品。

（2）粉末样品要求：样品用量不少于 2g，建议≥3g；检测前需充分干燥，能通过 200 目筛的样品可直接使用，无需研磨；若碳元素含量高于 10%，需先灰化处理后再检测。

（3）块状及薄膜样品要求：样品尺寸控制在 2.5–4.5cm，需标注测试面，要求表面光洁平整，块状样品上下表面尽量保持平行。

3.常见问题

（1）为何XRF测试粉末样品用量建议达到3 g以上？

粉末样品需与硼酸、石蜡等黏结剂混合压片制样，若样品用量过少，需加入大量黏结剂，易造成待测元素被过度稀释，从而导致测试结果偏差。因此，粉末样品用量通常建议不低于 3 g。（2）为何XRF测试要求薄膜（块体）样品尺寸大于2.5 cm？

XRF 仪器样品槽的标准直径为 2.5 cm，薄膜或块体样品需完全覆盖并固定于样品槽内。若样品尺寸过小，无法稳定放置与准确定位，会影响测试准确性与重复性，故要求样品直径大于 2.5 cm。

（2）XRF测试的精度极限如何界定？

XRF 属于半定量分析方法，其结果主要用于元素含量的大致参考，无法实现高精度定量。受方法本身限制，XRF 对 C、N、O、F 等轻元素的检测稳定性与准确度较低。若对测试精度要求较高，建议选用其他更精准的分析方法。

（3）为何高含碳样品需经灰化处理后再测试？

高碳样品中碳元素在 XRF 中通常难以准确检测，在数据归一化处理时，碳未被计入，其余元素含量会按扣除碳后的总量重新折算为 100%，导致结果失真。同时，高碳样品本身成型性差，压片困难，若额外添加黏结剂会进一步稀释待测组分，提高方法检出限。因此，高碳及富含有机物的样品通常需先灼烧灰化，再进行 XRF 测试。