扫描电镜中XRF与EDS分析结合-陶瓷地矿冶金领域微量元素分析

天美Marketing天美(中国)科学仪器有限公司TECHCOMP (CHINA) LTD. 天美Marketing天美(中国)科学仪器有限公司TECHCOMP (CHINA) LTD.E-MAIL： techcomp@techcomp.cn 中国北京朝阳区天畅园7号楼1、3层 TEL：010-64010651 FAX：010-64060202 E-MAIL： techcomp@techcomp.cn 扫描电镜中XRF与 EDS分析结合 陶瓷地矿冶金领域微量元素分析 摘要： 随着电制冷能量色散X射线探测器的出现，X射线荧光仪(XRF)得以快速发展。由于方便携带、操作简单和分析快速，手持式X射射荧光仪被广泛应用在陶瓷、岩石、土壤、冶金以及玩具检测等领域，使用X射线源来激发被分析材料中元素的特征X射线，用来检测微量元素尤其是重金属的成分及含量。 图1.手持式X射线荧光仪的应用 扫描电镜能谱仪(EDS)则用电子束来激发材料的特征X射线，作为材料成分分析的重要手段， EDS 具有定性，半定量以及快速分析的特点，并且结合扫描电镜，可以进行元素线扫描以及面分布分析，以及颗粒物分析等高级功能，已经成为扫描电镜的重要配件。但是 SEM-EDS 分析的检测限最优只能达到1000ppm，对于微量元素无法检测，定量不够准确，且激发电压过大会对被分析样品造成损伤。 为了弥补以上 SEM-EDS 分析的不足，iXRF公司独家推出将X射线管装在SEM 上面进行 XRF分析，且与EDS 结合实现全谱分析。X射线激发对样品没有损伤，对于容易受到电子束损伤的样品，可以采用低电压扫描样品得到图像的同时，利用X射线源来激发低电压无法激发的X射线信号，弥补补通能谱分析低电压无法实现激发高能量 X射线信号的缺点。另外，在 SEM 高真空样品仓中进行分析，微量元素的 XRF定量更加 中国北京朝阳区天畅园7号楼1、3层TEL：010-64010651FAX：010-64060202 准确，且结合SEM 的自动样品台，可实现微量元素的 XRF面分布分析。 SEM-XRF分析相比于 SEM-EDS分析的优势： 1.具有更高的信噪比； 2.对于原子序数越高的样品，具有越好的元素灵敏度； 3.灵敏度是EDS的10到1000倍； 4.无需喷镀，即可直接分析不导电样品； 5.减化了重叠峰的处理难度； 6.与EDS软件整合后能实现最精确的全谱分析； 7.能实现 PPM量级的分析。 X射线管 图2.iXRF公司 SEM-XRF结构示意图 为了让电镜操作者进一步了解 iXRF公司产品、SEM-XRF分析方法以及应用。本文会对EDS 和 XRF 谱图进行比较；然后选择陶瓷材料中微量元素的 XRF元素面分布分析以及 XRF-EDS 的全谱结合进行阐释；最后选取铅材料的分析比较 XRF与 EDS 两种分析手段的区别与结合，以及 XRF分析在重金属领域内的分析优势。 结果与讨论： 首先我们用 20keV 条件下采集的EDS谱(红色)和50keV 条件下采集的Micro-XRF谱图(黑色)进行比较让大家对于二者的区别有个直观的认识： 中国北京朝阳区天畅园7号楼1、3层TEL：010-64010651FAX：010-64060202 E-MAIL： techcomp@techcomp.cn 图3. EDS 与 XRF都可以检测到镁、铝、硅及铜元素，但是 XRF 还可以检测到不能被EDS检测到钒、铬、锰、铁及镍元素。 从图3中可以看出，XRF更有利于分析不能被 EDS检测的相对重原子序数的元素，不仅仅可以分析重元素 ， XRF更有利于激发重元素的K线，从而可以得到准确的标定。对于 EDS ，如果元素含量足够高到可以激发出铬、锰及铁的L线系，它们也会严重重叠，同时也将被锌的L线系覆盖，无法指标。然而 XRF 有能力激发出重原子序数元素的K线系，从而可以分析同时含有铬、锰和铁三种元素的样品。 陶瓷或者岩石类材料中有碳、氧、硅等原子序数较小元素，又含有原子序数较高的金属元素，前者适合用 EDS分析，而后者则适合用 XRF分析。以下的陶瓷碎片样品在扫描电镜上的元素分布分析就体现了 XRF 结合 EDS分析的优势，面分布分析不但可以标定出元素成分，还可以标定出元素在陶瓷碎片中的位置。为了更好的展示分析结果，几种不同的元素组合形式如下： 硅：灰色锌：亮红色镁：绿色 硅：灰色 铁：红色 锌：黄色 镍：绿色 磷：灰色 锰：亮红色钙：蓝色车：黄色 天 美 中国北京朝阳区天畅园7号楼1、3层 TEL：010-64010651 FAX：010-64060202 E-MAIL： techcomp@techcomp.cn 图4.陶瓷碎片的 XRF元素面分布组合 图4中陶瓷碎片样品的XRF元素面分布显示硅是材料的主要组成元素，而其他如锌、铁、镍、锰、钙以及钒都是样品中的微量元素。 以下的图片是陶瓷碎片样品通过 iXRF软件Iridium Ultra 采集及分析的全部元素的面分布。这个结果证明 EDS-XRF 在扫描电镜上的分析结合可以检测到其他单独的EDS无法检测到的微量元素。采集 EDS-XRF全谱元素面分布须使用 Micro-X ray beam 以及自动 SEM 样品台。 图5.陶瓷碎片的 EDS-XRF全谱元素面分布 中国北京朝阳区天畅园7号楼1、3层TEL：010-64010651FAX：010-64060202 铅材料中的 EDS 与 XRF分析比较： 图6.铅样品的EDS面分布(碳：蓝色；铅：红色；硅：黄色) 为了跟 EDS的元素面分布比较 ， XRF的元素面分布图片列与图7中.铁、铜、锆、锡与铝几种无无被 EDS检测的金属元素，却很容易被 XRF检测。 图7.铅样品的 XRF面分布 中国北京朝阳区天畅园7号楼1、3层TEL：010-64010651FAX：010-64060202 E-MAIL： techcomp@techcomp.cn 图8.铅样品的 EDS 和XRF图谱比较 铅样品的 EDS 和 XRF 也被采集并且叠加在图8中作为比较， EDS 谱在 20keV电子束能量下激发，而 XRF则在 50keV 的X射线管能量下激发。XRF可以分析铅元素的所有L线系， 而 EDS只能分析其中两条。另外， XRF可以检测到 EDS不能检测到微量的锡、铁、铜及锆元素。 结论： 在扫描电镜中只需装一套X射线管，利用扫描电镜能谱(EDS)探头接受X射线信号，即可实现扫描电镜中的 XRF分析，弥补EDS 分析的不足。XRF具有更好的峰背比、高灵敏度、不导电样品无须喷镀、低的 PPM 检测限、定量准确、简化重叠峰处理难度等特点，与 EDS 结合可实现全谱分析。在陶瓷地矿、微量元素成分分析研究领域具有优越的应用前景。