隨著工業(yè)發(fā)展、環(huán)境保護及地球科學研究的深入,地質樣品中元素的快速測定在資源勘探、礦山開采、污染物識別、地球化學特征研究等領域的重要性與日俱增。然而,地質樣品元素組成復雜多樣,這要求未知樣品的分析方法不僅要具備快速響應能力,還需擁有高度靈活性。
現(xiàn)代X射線熒光(XRF)儀器中的半定量分析技術能夠在無參考物質前提下對未知樣品展開分析。其中,理學的 SQX 半定量分析(無標樣分析)程序尤為值得關注。它運用基本參數(shù)(FP)法,結合內部靈敏度庫進行理論計算,精準獲取元素濃度數(shù)據(jù)。程序以硼(或氟)到鈾的連續(xù)掃描測量計算結果為依據(jù),且集成了理論重疊校正功能,能夠有效消除元素譜線重疊帶來的干擾。正因如此,SQX 分析在未知地質樣品的篩查分析中展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢,為相關研究和實踐工作提供了可靠高效的技術支撐。
下面我們將展示了利用半定量分析方法測定地質樣品化學成分的過程。
理學 ZSX Primus III NEXT 與 ZSX Primus IV 作為波長色散型 X 射線熒光(下文簡稱:理學WDXRF)光譜儀中的佼佼者,在元素分析領域展現(xiàn)出卓越性能。憑借獨特的技術設計,它們在從輕元素到重元素的全元素分析中,均能實現(xiàn)高光譜分辨率與高靈敏度,精準捕捉各類元素的光譜特征。理學WDXRF以輸出可靠分析結果為設計核心目標,憑借強大的靈活性更使其能夠適配多樣化的應用場景,無論是科研探索中的復雜樣品檢測,還是工業(yè)生產中的質量把控,都能提供精準、高效的分析支持。
理學WDXRF配備有銠靶 X 射線管,其最大管功率分別為3kW和4kW。儀器最多可配置 10 塊分析晶體,可檢測元素范圍從鈹?shù)解櫋?/span>
在自動化配置方面,儀器內置智能自動進樣器(ASC),具備靈活升級特性,其進樣容量可按需拓展至 48 位或 96 位,顯著提升樣品處理效率,尤其適用于大批量樣品的連續(xù)分析場景。
在結構設計上,兩款儀器均采用 “上照式” 創(chuàng)新設計,專為粉末樣品分析深度優(yōu)化。上照射式儀器光管在樣品上方,不用擔心粉末壓片樣品掉渣和光管Be窗被污染的問題,在日常測試中,也無需在測試條件中增加保護性Be濾光片,這對超輕元素的測試有重要意義。更為突出的是,“上照式” 結構支持無粘結劑壓制粉末樣品的直接測量,這一特性在半定量分析中優(yōu)勢顯著,不僅簡化了繁瑣的樣品制備流程,還大幅縮短制樣時間,同時消除粘結劑使用成本,實現(xiàn)高效、經(jīng)濟與精準的多重突破。
理學 WDXRF 光譜儀的配套軟件充分考慮用戶使用體驗,為用戶打造了直觀易用的操作界面。軟件中的流程欄系統(tǒng)功能強大,能夠全面覆蓋定性與定量分析的各類設置操作,讓用戶可以輕松完成分析參數(shù)配置。特別是無需標準樣品的 “SQX” 分析程序,憑借其高度實用性脫穎而出。該程序打破傳統(tǒng)分析對標準樣品的依賴,無需復雜的標準樣品制備流程,即可快速、準確地確定未知樣品中的元素組成及其含量,顯著降低了分析門檻,大幅提升了分析效率,為科研與生產中的元素檢測工作帶來極大便利。
樣品制備
花崗巖(SARM 1/Mintek)被用作測試樣品。
壓片:將充分干燥(在 105 攝氏度下烘干 2 小時)的樣品用鋁制樣品支撐環(huán)在 100 kN的壓力下壓制。
壓片法是 X 射線熒光光譜法中粉末樣品最常用的技術。該方法不需要任何昂貴的熔劑和熔融設備,也不需要任何耗時的程序,對操作人員也沒有特殊技能或經(jīng)驗要求。
測量流程
本次實驗選用 ZSX Primus III NEXT 光譜儀開展分析工作。首先執(zhí)行從氟到鈾的連續(xù)掃描分析,隨后進行半定量分析(SQX),快速獲取樣品中元素的大致含量信息。值得一提的是,針對微量元素的測定,運用了 SQX 程序特有的固定角度測量法。當使用此功能進行測量時,軟件在完成掃描序列后,會精準地對峰頂固定角度及背景搜索位置的 X 射線強度進行定時計數(shù),有效降低統(tǒng)計計數(shù)誤差,大幅提升微量元素分析的精度。
同時,為進一步優(yōu)化分析效率,順序定性掃描與半定量 FP 計算已被整合編程為連貫的自動化流程,無需人工過多干預,即可實現(xiàn)從初步定性掃描到精準半定量計算的無縫銜接,顯著提升整體分析效能。
實驗結果
表 1 系統(tǒng)呈現(xiàn)了 SQX 分析結果與參考值的對比數(shù)據(jù),二者展現(xiàn)出良好的吻合度。同時,表中還分別列出了使用標準靈敏度庫和匹配庫(Matching library)功能(基于標準庫進行優(yōu)化)后的分析結果。作為基本參數(shù)(FP)靈敏度庫的特色拓展功能,“匹配庫” 能夠依據(jù)未知樣品的濃度及性質,通過智能算法自動檢索最適配的參考樣品。
從表 1 數(shù)據(jù)來看,“匹配庫” 功能在輕元素分析中的優(yōu)化效果尤為顯著。以花崗巖樣品為例,未使用該功能時,SiO?的 SQX 分析值為72.8%,Al2O3的SQX分析值為13.5%,使用后,SiO2分析值提升至 74.9%,與 75.70% 的認證值更為接近;Al2O3的分析值降低至12.6%,同樣與12.08%的認證值更為接近。粉末樣品在采用壓片法制樣時,輕元素的分析結果常因粒度效應和礦物效應而產生較大誤差。通常,地質樣品主要由硅酸鹽礦物構成,如石英、長石等,富含硅、鋁等輕元素,因此輕元素占主導地位。所以,“匹配庫”功能對于在 SQX 分析中校正這些效應以獲得準確結果非常有效。
依托智能算法的 “匹配庫” 機制,賦予了 SQX 程序強大的分析能力。即便在無標準樣品輔助的情況下,它也能通過結合 X 射線散射強度與基本參數(shù)模型進行理論計算,實現(xiàn)高精度的半定量分析。特別是針對以輕元素為主的復雜地質樣品,“匹配庫” 功能優(yōu)勢盡顯:實現(xiàn)了 “無標樣分析” 技術層面的重要突破,為地質樣品元素分析提供了更高效、精準的解決方案。
圖 1 展示了稀土元素光譜圖,該圖譜由 ZSX Primus III NEXT 光譜儀在標準光學條件下,采用 LiF (200) 晶體完成測量。在本研究過程中,針對鈣至鈉的輕元素分析,特別使用了匹配庫配合 SQX 程序進行計算,同時充分利用 SQX 程序內置的理論重疊校正功能,確保分析結果的準確性。
稀土元素中的鑭系元素由于原子序數(shù)連續(xù),其光譜(L 線)在 2θ 角度范圍內呈現(xiàn)高度密集分布的特征,致使譜線極易發(fā)生相互重疊,如圖 1 所示的復雜光譜狀況便是典型體現(xiàn)。面對這一分析難題,SQX 程序的理論重疊校正功能展現(xiàn)出強大的技術優(yōu)勢,無需人工進行繁瑣的參數(shù)調整與手動校正,便能自動識別重疊譜線并執(zhí)行優(yōu)化校正,在復雜光譜環(huán)境下依然能夠穩(wěn)定、高效地保障分析的精度與可靠性。
結論
Conclusions
理學 WDXRF 光譜儀搭載的壓片法半定量分析技術,憑借高效快速的優(yōu)勢,成為獲取未知樣品化學成分的有力工具。本次實驗選用配備 3 kW X 射線管的 ZSX Primus III NEXT 光譜儀完成分析工作,其出色的性能保障了數(shù)據(jù)的準確性與穩(wěn)定性。值得注意的是,配備 4 kW X 射線管的ZSX Primus III NEXT 和 ZSX Primus IV 光譜儀在微量元素測定領域更具優(yōu)勢,能夠實現(xiàn)更精準的檢測效果。
在軟件功能層面,SQX 程序展現(xiàn)出卓越的專業(yè)性與實用性。其內置的多種獨特功能,尤其是適配各類復雜地質未知樣品的匹配庫,可根據(jù)樣品特性智能調整分析參數(shù)。這些功能的協(xié)同運作,不僅顯著提升了分析結果的可靠性,還極大地拓展了地質樣品篩查分析的應用范圍,為地質科研與資源勘探等領域提供了堅實的技術支撐。
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做冷熱沖擊試驗時,是否必須在樣品達到溫度穩(wěn)定后才開始計時?
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