X射线荧光光谱分析在地质分析中的应用
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X射线荧光光谱分析在地质分析中的应用

1 X射线荧光光谱仪的原理

X射线荧光是一种由于原子内部结构变化所导致的现象。众所周知, 一个原子由原子核及核外电子组成, 若内层电子受到足够能量的X射线照射, 会脱离原始运行轨道释放出电子, 并在该电子壳层上产生电子空位, 此时该电子空位会被处于高能量电子壳层的电子通过自发性跃迁填补。由于不同电子壳层之间存在着能量差并以荧光 (二次X射线) 的形式释放出来, 而不同元素所释放出来的二次X射线能量也不同, 因此, 只要测出荧光X射线的波长或者能量, 就可以确定元素的种类, 对元素进行定性分析;另外, 荧光强度与元素在样品中的含量也有一定关系, 从而可以进行对元素进行半定量或定量分析。

2 X射线荧光光谱技术在地质分析中的应用

近年来, 随着仪器研究技术的发展, X荧光光谱分析的应用领域范围不断拓展, 可广泛应用于地质、有色、环保、冶金、商检、卫生、建材等各个领域, 下面主要介绍X射线荧光光谱分析在地质分析中的用途。

X射线荧光光谱法 (XRF) 是地质分析中一种比较成熟的分析技术, 该方法对于各种基体成分分析非常有效, 测量结果的准确度、精密度和灵敏度较高, 很好地满足了地质分析的要求。目前, XRF已经成为地质样品分析的标准方法。

2.1对区域化探和地球化学研究的贡献

沈阳综合岩矿测试中心等实验室利用XRF分析可以直接使用粉末样品压片制样进行多元素测定, 具有经济、快速、淮确、精密度高等优点, 采用XRF分析进行区域化探样品的多元素测定, 并为区域化探的数据处理开发了专用软件。在区域化探要求测定的39种元素中, XRF分析法可以测定其中的24~26种, 占全部测定元素的60%以上。每台仪器每年完成近万件地质样品的测定。另外, 地球化学样品的XRF法多元素测定的工作也已较好地开展。这套比较完整的以XRF测定多元素为主, 结合其它测定方法的化探样品分析方案, 已在国内得到了广泛应用, 取得了显著的经济和社会效益。

2.2岩石矿物中主微量元素的高精密度测定

岩石矿物中主微量元素的化学分析不仅工作量大、耗时长, 而且操作十分繁重, 而采用XRF法结合化学分析方法完成精密度要求很高的岩石全分析可以大大简化实验分析过程, 并且效果很好。70年代初, 人们试图利用当时的条件解决这个问题, 试验过薄试样法、粉末压片法和熔融法, 直到70年代中、后期, 硼酸盐熔融制样、基体效应的数学校正及计算机的应用三项关键技术方法的相继解决, 为X荧光光谱分析技术在岩石和矿物主微量元素分析中的广泛应用奠定了基础。此后, 用熔融法制样进行硅酸盐岩石分析逐渐为国内岩矿分析工作者所重视。许多研究人员对此做了相关的研究, 先后用熔融法测定了硅酸盐岩石中30种元素, 并对熔融制样的条件做了进一步试验。

总之, 用XRF法测定主、次量元素, 结合化学法测定Fe O、CO2、H2O+或烧失量等的岩石全分析方法, 已在我国的地矿、冶金、建材、化工等部门广泛应用。经多批硅酸盐岩石国家标准物质定值分析的验证表明, 方法的精密度和准确度很好, 符合有关部门质量管理规范要求, 现正着手制订XRF测定硅酸盐岩石类物质化学成分的标准方法。

2.3 XRF在矿石矿物分析中的应用

XRF技术曾被引入于解决铌钽、锆石和稀土矿石矿物中Nb、Ta、Zr、Hf和REE的定量分析问题, 取得了较好的效果。

近年来, XRF分析技术在单矿物、有色、黑色、稀有以及非金属矿物的分析中也发挥了重要作用。例如对于辉钼矿、锆英石、硅酸盐单矿物、闪锌矿和黄铜矿等矿物的快速测定。此外, 采用XRF法对岩石、土壤和水系沉积物等粉末状标准物质制备时进行均匀性检查, 也是一种较为可靠的方法。

2.4化学预富集与XRF测定痕量元素

采用全反射XRF分析技术进行痕量和超痕量元素测定, 取得了较好的效果。但对于一般的波长色散型或能量色散型XRF光谱仪, 欲进行痕量和超痕量元素的测定, 通常需要将待测的痕量和超痕量元素分离富集到某种适当的载体上进行测量。

目前, XRF分析中涉及的化学预富集手段有:共沉淀、活性炭吸附、活性炭纸吸附、电化学富集、溶剂萃取、离子交换树脂交换、离子交换树脂填充纸、纤维素酯萃取薄膜等。我国试制的离子交换树脂填充纸和纤维素酯微孔萃取膜已成功地应用于XRF分析中的预富集。活性炭吸附共沉淀富集, XRF测定Re, 其检出限可达0.3μg/g。银型活性炭吸附纸吸附, XRF测定Br, 汞型活性炭纸吸附测定I, 均获得较低的检出限。

2.5 XRF在野外现场中的应用

X射线荧光光谱分析技术还可以用于野外现场分析, 具有很明显的优势。如成都理工大学等单位在上世纪70年代研制了便携式XRF, 此后便一直将其应用于野外的试验研究, 并不断改进仪器与实验方法, 获得了很大的社会经济效益。80年代中期, 北京矿冶总院将芬兰奥托昆普公司的新一代微机便携式XRF仪器用于矿山的现场分析, 取得很大成功, 从此在我国引发了研制和应用这类仪器的热潮。