样品厚度对薄膜法X射线荧光光谱测量的影响研究

甘婷婷、张玉钧、赵南京、殷高方、肖 雪、章 炜、刘建国、刘文清

1. 中国科学院安徽光学精密机械研究所、环境光学与技术重点实验室、安徽省环境光学监测技术重点实验室、安徽 合肥 230031 2. 皖江新兴产业技术发展中心、安徽 铜陵 244000 3. 中国人民解放军陆军军官学院、安徽 合肥 230031

样品厚度对薄膜法X射线荧光光谱测量的影响研究

甘婷婷1,2、张玉钧1*、赵南京1、殷高方1、肖 雪1、章 炜3、刘建国1、刘文清1

1. 中国科学院安徽光学精密机械研究所、环境光学与技术重点实验室、安徽省环境光学监测技术重点实验室、安徽 合肥 230031 2. 皖江新兴产业技术发展中心、安徽 铜陵 244000 3. 中国人民解放军陆军军官学院、安徽 合肥 230031

分别以富集有Cr、Pb和Cd三种元素的尼龙薄膜样品及玻璃纤维滤膜为研究对象、采用滤膜叠加的方式、通过XRF光谱仪测量不同样品厚度下薄膜样品的XRF光谱、根据测得的尼龙薄膜样品中Cr、Pb、Cd元素及玻璃纤维滤膜中Ca、As和Sr元素特征XRF性质的变化、研究样品厚度对薄膜法XRF光谱测量的影响。结果表明：薄膜样品厚度对不同能量区间上元素特征谱线荧光性质的影响并不相同。元素特征谱线能量越大、元素特征X射线荧光穿透滤膜到达探测器的过程中损失越少； 但由薄膜样品厚度增加引起的基体效应却越强、相应特征谱线位置处的背景荧光强度就越大、因此样品厚度增加所引起的基体效应对薄膜法XRF光谱测量的灵敏度影响就越大。对于特征谱线能量较低(能量小于7 keV)的元素、以增加薄膜样品厚度的方式来增加待测组分的质量厚度浓度、并不能有效地提高薄膜法XRF光谱测量的灵敏度； 对于特征谱线能量较高的元素(能量>7 keV)、可以通过适当增加样品厚度以增加被测组分的质量厚度浓度的方式来提高XRF光谱测量的灵敏度、薄膜样品厚度在0.96～2.24 mm内、更有利于XRF光谱的测量与分析。该研究为大气及水体重金属薄膜法XRF光谱分析中薄样制备及富集技术提供了重要的理论依据。

光谱学； X射线荧光； 薄膜法； 重金属； 样品厚度

引 言

X射线荧光(XRF)光谱分析法是通过产生高能X射线来激发待测样品、使其产生特征次级X射线(也叫X射线荧光)、根据特征X射线荧光的波长或能量及荧光强度来对待测样品进行定性和定量分析的一种方法[1]。由于该方法具有样品制样简单[2]、分析速度快[3-4]、对待测样品无损测量[5-6]、多种元素可同时检测[2]、谱线干扰少[7]等优点、近年来已被广泛应用于冶金、地质、煤炭、医疗和环境保护[8]等领域。XRF光谱分析中的薄膜法、是将待分析样品富集于滤膜或者滤纸上制成薄样进行XRF光谱测量和分析。由于该方法具有制样简单、试样用量少、基体效应小并可忽略等优点、已被广泛应用于大气及水体中重金属XRF的分析与检测[9-13]。在薄膜法XRF光谱分析中、被分析物的富集量与薄膜样品的厚度有直接关系、但是近年来在该研究领域中关于薄膜样品厚度对XRF光谱测量的影响方面研究报道却较少。

本文以富集有Cr、Pb和Cd三种元素的尼龙薄膜样品(以下简称Cr、Pb和Cd混合尼龙薄膜样品或混合薄膜样品)及玻璃纤维滤膜为研究对象、采用滤膜叠加的方式、通过XRF光谱仪测得不同样品厚度下薄膜样品的XRF光谱、根据尼龙薄膜样品中Cr、Pb、Cd元素及玻璃纤维滤膜中Ca、As和Sr元素特征XRF性质的变化、研究薄膜样品的样品厚度对XRF光谱测量的影响、进而选择出XRF光谱法对薄膜样品测量的最佳样品厚度。该研究为大气及水体重金属薄膜法XRF光谱分析中薄样制备及富集技术提供了重要的理论依据。

1 实验部分

1.1 仪器及测量条件

所用仪器为Amptek公司的X射线荧光光谱分析仪、其激发源为Mini-X射线管、靶材为Ag靶、管前装有2片10 mil的Al初级滤光片、探测装置为硅漂移探测器(SDD-123)、对Fe元素Kα特征谱峰测量的能量分辨率为125 eV。

测量条件：设置X射线管工作电压为40 kV、工作电流为20 μA、探测器的测量累计时间为120 s、脉冲成型时间为6.4 μs、增益为47.47、样品距离X射线管和探测器水平基线1 cm。XRF光谱的能量范围为0～30 keV。

1.2 材料

玻璃纤维滤膜(尺寸为35 mm×35 mm、孔径为0.45 μm、厚度为0.32 mm)和尼龙微孔滤膜(尺寸为47 mm×47 mm、孔径为0.22 μm、厚度为0.16 mm)。Cr、Pb和Cd混合尼龙薄膜样品由上述尼龙微孔滤膜对Cr、Pb和Cd三种元素富集而成。

1.3 方法

1.3.1 质量厚度浓度不变时样品厚度对薄膜法XRF光谱测量的影响

在Cr、Pb和Cd混合尼龙薄膜样品表面分别覆盖不同层数的空白尼龙微孔滤膜、以不改变薄膜样品中Cr、Pb和Cd三种元素的质量厚度浓度而改变薄膜样品的厚度、在上述实验条件下分别测量不同薄膜样品厚度下的XRF光谱、分析Cr、Pb和Cd三种元素特征谱线的荧光性质、进而研究质量厚度浓度不变时样品厚度对薄膜法XRF光谱测量的影响。

1.3.2 质量厚度浓度变化时样品厚度对薄膜法XRF光谱测量的影响

以玻璃纤维滤膜中的Ca、As和Sr三种元素为研究对象、将不同层数的玻璃纤维滤膜进行叠加、以通过改变样品厚度的方式来改变薄膜样品中Ca、As和Sr元素的质量厚度浓度、在上述实验条件下分别测量不同层数玻璃纤维滤膜的XRF光谱、分析玻璃纤维滤膜中Ca、As和Sr三种元素特征谱线的荧光性质、进而研究质量厚度浓度变化时样品厚度对薄膜法XRF光谱测量的影响。

2 结果与讨论

2.1 质量厚度浓度不变时样品厚度对薄膜法XRF光谱测量的影响

在XRF光谱分析中、通常分别选择Kα、Lα和Kα特征谱线对Cr、Pb和Cd三种元素进行分析研究。由于Cr元素的Kα特征谱线峰值能量为5.41 keV、Pb元素的La特征谱线峰值能量为10.55 keV、Cd元素的Kα特征谱线峰值能量为23.11 keV、分别位于XRF光谱能量范围0～30 keV的前、中、后三个能量区间上、所以选择富集有Cr、Pb和Cd三种元素的尼龙薄膜样品及相应的空白尼龙微孔滤膜(以下简称尼龙滤膜)研究质量厚度浓度不变时样品厚度对薄膜法XRF光谱测量的影响。

在上述相同实验条件下测得的Cr、Pb和Cd混合尼龙薄膜样品及空白尼龙微孔滤膜的XRF光谱图如图1所示。两个光谱图中在能量为7.5～10 keV范围内、都有荧光强度较强的特征谱峰、这是样品盒紫铜衬底中Cu元素和Zn元素的特征谱峰、对Cr、Pb、Cd及尼龙微孔滤膜中其他元素成分的XRF光谱测量不会产生影响。将两个XRF光谱图进行对比分析可知、Cr、Pb和Cd混合尼龙薄膜样品的XRF光谱中有较强的Cr元素特征谱峰(Kα和Kβ)、Pb元素特征谱峰(Lα和Lβ)和Cd元素特征谱峰(Kα、Kβ、Lα和Lβ)、而空白尼龙微孔滤膜的XRF光谱中并没有出现这些元素的特征谱峰、说明空白尼龙微孔滤膜基底比较纯净、滤膜中不含有Cr、Pb和Cd这三种元素成分。

Fig.1 XRF spectra of Cr,Pb and Cd mix nylon film sample (a) and blank nylon microfiltration membrane (b)

实验中在Cr、Pb和Cd混合尼龙薄膜样品表面分别覆盖不同层数的空白尼龙微孔滤膜、分别测量相应的XRF光谱、研究薄膜样品中Cr、Pb和Cd三种元素质量厚度浓度不变时、样品厚度对薄膜法XRF光谱测量的影响。所测得的不同层数尼龙滤膜覆盖在混合薄膜样品表面时Cr元素Kα特征谱线、Pb元素Lα特征谱线和Cd元素Kα特征谱线的峰值荧光强度和峰背比的变化如图2—图4所示。

从图2中可以看出、当没有尼龙滤膜覆盖时、混合薄膜样品中Cr元素的Kα特征谱线荧光强度最强。当尼龙滤膜叠加覆盖在混合薄膜样品的表面时、随着滤膜层数的递增、XRF光谱测得的Cr元素Kα特征谱线荧光强度呈线性逐渐降低、当覆盖有8层尼龙滤膜时、荧光强度值仅为没有尼龙滤膜覆盖时荧光强度的42.5%、但峰背比却在99.82～53.67之间不断上下波动变化、并稍有一定的降低趋势。这说明对于质量厚度浓度不变的Cr元素薄膜样品、随着样品厚度的增加、基体效应变化不大、致使Cr元素Kα特征谱线位置的背景荧光强度变化不明显、基体效应对Cr元素XRF光谱测量没有影响。而Cr元素Kα特征谱线的荧光强度随薄膜样品厚度的增加而快速降低、这是因为Cr元素的Kα特征X射线荧光能量较低(能量≤7 keV)、X射线管发出的初级X射线激发薄膜样品中的Cr元素所产生的特征X射线荧光在穿过滤膜的过程中、更容易发生散射作用和被滤膜成分吸收、因此会有一定的损失、薄膜样品厚度越厚、X射线荧光损失的越多、使得到达探测器的Cr元素特征荧光强度随薄膜样品厚度的增加而减少、影响XRF光谱法对Cr元素检测的灵敏度。

图2 Cr元素的Kα特征谱线峰值荧光强度和峰背比变化图

Fig.2 Cr element Kα characteristic spectrum peak fluorescent intensity and peak-to-background ratio variation diagram

从图3中可以看出、当尼龙滤膜叠加覆盖在混合薄膜样品的表面时、随着滤膜层数的递增、XRF光谱测得的Pb元素Lα特征谱线荧光强度的变化规律与上述Cr元素Kα特征谱线荧光强度变化规律不同、不是呈线性降低、而是呈波动性上下摆动而稍有降低的趋势。当覆盖尼龙滤膜少于或等于6层时、Pb元素Lα特征谱线荧光强度变化不大、荧光强度变化的相对标准偏差仅为2.19%。当覆盖尼龙滤膜大于6层时、荧光强度稍有降低、当滤膜层数为8层时、荧光强度最低、也仅为没有尼龙滤膜覆盖时荧光强度的90.8%。但从没有尼龙滤膜覆盖到有10层尼龙滤膜覆盖过程中整体Pb元素La特征谱线荧光强度变化的相对标准偏差为4.05%。这是由于Pb元素Lα特征谱线能量较高(能量>7 keV),X射线管发出的初级X射线激发薄膜样品中的Pb元素所产生的特征X射线荧光在穿过滤膜的过程中、不容易发生散射作用和被滤膜成分所吸收、能量越大、损失的越少、因此对于质量厚度浓度不变的Pb元素薄膜样品、样品厚度的增加对能量较高的Pb元素特征谱线荧光强度不会产生明显的影响。但从图3中Pb元素Lα特征谱峰的峰背比变化规律可以看出、随着尼龙滤膜层数的增加、峰背比由0层到1层时增加、然后从1层到10层又迅速地降低。根据Pb元素的Lα特征谱线荧光强度和峰背比的变化规律可以推断、随着尼龙滤膜层数的增加、薄膜样品厚度增加、基体效应越来越明显、Pb元素Lα特征谱线位置的背景荧光强度也在不断增加、影响了XRF光谱法对Pb元素检测的灵敏度。并且Pb元素Lα特征谱线位置处的背景荧光强度的增加弥补了Pb元素Lα特征X射线荧光穿过滤膜过程中的损失、所以也会出现随着薄膜样品厚度的增加、Pb元素Lα特征谱线荧光强度变化不明显的现象。

图3 Pb元素的Lα特征谱线峰值荧光强度和峰背比变化图

Fig.3 Pb element Lα characteristic spectrum peak fluorescent intensity and peak-to-background ratio variation diagram

从图4中可以看出、当尼龙滤膜叠加覆盖在混合样品的表面时、随着滤膜层数的递增、XRF光谱测得的Cd元素Kα特征谱线荧光强度的变化规律与上述Cr元素和Pb元素特征谱线荧光强度的变化规律都不相同。随着尼龙滤膜叠加覆盖层数的递增、Cd元素Kα特征谱线荧光强度不断增加、但是峰背比却逐渐降低。由于Cd元素Kα特征谱线能量较高、为23.11 keV、薄膜样品中Cd元素被激发所产生的特征X射线荧光在穿过滤膜的过程中不易损失、因此当Cd元素质量厚度浓度不变时、薄膜样品厚度的增加对能量较高的Cd元素特征谱线荧光强度不会产生明显的影响。但是随着薄膜样品厚度的增加、基体效应逐渐增强、致使Cd元素Kα特征谱线位置处的背景荧光强度逐渐增强、背景荧光强度增加的程度大于Cd元素Kα特征谱线净荧光强度变化的程度、所以会出现随着薄膜样品厚度的增加、Cd元素Kα特征谱线荧光强度不断增加、但是峰背比却逐渐降低的规律。对于特征谱线能量较高的元素、由薄膜样品厚度的增加而产生的基体效应会对XRF光谱测量的灵敏度有一定的影响。

图4 Cd元素Kα特征谱线峰值荧光强度和峰背比变化图

Fig.4 Cd element Kα characteristic spectrum peak fluorescent intensity and peak-to-background ratio variation diagram

综上分析可知、由X射线管发出的初级X射线可以穿透10层尼龙微孔滤膜(厚度为1.6 mm)并激发混合薄膜样品中的Cr、Pb和Cd元素产生特征X射线荧光。但是当薄膜样品的质量厚度浓度保持不变时、薄膜样品厚度对不同能量区间上元素特征谱线荧光性质的影响并不相同。元素特征谱线能量越大、元素特征X射线荧光穿透滤膜到达探测器的过程中损失越少、但是由薄膜样品厚度引起的基体效应却越强、相应特征谱线位置处的背景荧光强度越大、因此样品厚度对薄膜法XRF光谱测量的灵敏度影响就越大。

2.2 质量厚度浓度变化时样品厚度对薄膜法XRF光谱测量的影响

实验中、选择基底比较复杂的玻璃纤维滤膜研究质量厚度浓度变化时薄膜样品厚度对X射线荧光光谱测量的影响、进而选择出XRF光谱法对薄膜样品测量的最佳样品厚度。在上述实验条件下所测得的单层玻璃纤维滤膜XRF光谱如图5所示。从图5中可以看出、XRF光谱图中有荧光强度较强的Ca元素特征谱峰(Kα和Kβ)和As元素的特征谱峰(Kα和Kβ)、以及比较明显的Fe、Ba、Ni、Cu和Sr元素的特征谱峰、说明玻璃纤维滤膜中有一定含量的Ca元素和As元素、及少量的Fe元素、Ba元素、Ni元素、Cu元素和Sr元素。此外、玻璃纤维滤膜的XRF光谱中还出现了Ag元素的Kα、Kβ和Lα特征谱峰、这是由X射线管的Ag靶材所产生的特征X射线光谱背景峰。

图5 玻璃纤维滤膜的XRF光谱图

由于Ca元素的Kα特征谱线峰值能量为3.69 keV、As元素的Kα特征谱线峰值能量为10.53 keV、Sr元素的Kα特征谱线峰值能量为14.14 keV、分别位于XRF光谱能量范围0～30 keV的前、中、后三个能量区间上、所以以玻璃纤维滤膜中的Ca元素、As元素和Sr元素为分析对象、研究不同层玻璃纤维滤膜叠加在一起时、薄膜样品中Ca、As和Sr三种元素质量厚度浓度随之变化时、样品厚度对XRF光谱测量的影响、进而选择出XRF光谱法对薄膜样品测量的最佳样品厚度。

从图6中可以看出、随着玻璃纤维滤膜层数不断增加、Ca、As和Sr三种元素特征谱线荧光强度和峰背比的变化规律并不相同。对于Ca元素Kα特征谱线、随着玻璃纤维滤膜层数不断增加、荧光强度先是增加、当滤膜层数是3时、荧光强度达到最大值、当滤膜层数大于3时、荧光强度呈缓慢下降的趋势、在滤膜层数为3～7层之间、荧光强度变化不大、但荧光强度均大于1层、2层及8层滤膜时的荧光强度。上述变化规律中、薄膜样品中的Ca元素特征谱线的荧光强度并不是随Ca元素质量厚度的增加和样品厚度的增加而线性增大、而是在样品厚度为0.96 mm(3层玻璃纤维滤膜的厚度)时、荧光强度有最大值、这是因为Ca元素Kα特征谱线能量较低(能量≤7 keV)、Ca元素受X射线激发而产生的特征X射线荧光在穿透滤膜的过程中容易因散射或吸收作用而损失、所以荧光强度并不随样品厚度的增加和质量厚度浓度的增加而线性增大。因此对于特征谱线能量较低(能量小于7 keV)的元素,以增加薄膜样品厚度的方式来增加待测组分的质量厚度浓度、并不能有效地提高薄膜法X射线光谱测量的灵敏度。从图6(b)Ca元素Kα特征谱峰的峰背比变化规律可以看出、峰背比随着玻璃纤维滤膜层数的增加而不断增大、当玻璃纤维滤膜层数是7层(此时样品厚度为2.24 mm)时、Ca元素Kα特征谱线的峰背比有最大值、而后稍有降低。上述变化规律中、峰背比并没有因为薄膜样品厚度的增加而呈现降低趋势、说明在Ca元素Kα特征谱线位置处并没有因为薄膜样品厚度增加而产生明显的基体效益、背景荧光强度没有增大。根据Ca元素Kα特征谱线荧光强度和峰背比的变化规律可知、对于特征谱线能量较低(能量小于7 keV)的元素、薄膜样品厚度在0.96～2.24 mm时均有利于XRF光谱的测量与分析。

图6 不同层数玻璃纤维滤膜中Ca、As和Sr元素特征谱线荧光强度(a)和峰背比(b)变化图

Fig.6 The characteristic spectrum line fluorescent intensity (a) and peak-to-background ratio (b) variation diagram of Ca,As and Sr elements in different layers of glass fiber membrane filter

从图6中可以看出、随着玻璃纤维滤膜层数的递增、As元素Kα特征谱线荧光强度不断增大、并呈线性快速上升的趋势、当玻璃纤维滤膜层数大于7(薄膜样品厚度为2.24 mm)时、荧光强度增加趋于平缓。玻璃纤维滤膜层数是8层时、荧光强度只是玻璃纤维滤膜层数为7时荧光强度的1.018倍、仅增长了1.747%。这种变化规律表明、As元素特征谱线的荧光强度随As元素质量厚度浓度的增加和薄膜样品厚度的增加而线性增大、这是由于As元素的Kα特征谱线峰值能量为10.53 keV、能量较高、As元素受X射线激发而产生的特征X射线荧光在穿透滤膜的过程中不易因散射或吸收作用产生损失。所以对于特征谱线能量较高的元素、在有效样品厚度范围内、以增加薄膜样品厚度的方式来增加待测组分的质量厚度浓度、可以有效地提高薄膜法XRF光谱测量的灵敏度。从图6(b)中As元素Kα特征谱线的峰背比变化可以看出、当玻璃纤维滤膜层数从1增加到3时、As元素的Kα特征谱峰的峰背比快速增加、在层数为3时、峰背比有最大值。说明样品厚度小于等于0.96 mm时(3层玻璃纤维微孔滤膜)、As元素Kα特征谱线位置处并没有因为薄膜样品厚度增加而产生明显的基体效应导致背景荧光强度增大。当玻璃纤维层数大于3时、峰背比有所降低、之后又随玻璃纤维滤膜层数的增加而缓慢的增加、但是峰背比始终小于3层玻璃纤维滤膜时的峰背比、大于1层玻璃纤维滤膜时的峰背比、而此时相应的荧光强度却线性上升。上述变化规律表明样品厚度大于0.96 mm(3层玻璃纤维微孔滤膜的厚度)时、As元素Kα特征谱线位置处由于样品厚度增加而产生了一定的基体效应导致背景荧光强度增大、所以导致峰背比并不随荧光强度的增加而增大。根据As元素Kα特征谱线荧光强度和峰背比的变化规律可知、对于特征谱线能量较高的元素(能量>7 keV)、薄膜样品厚度在0.96～2.24 mm(7层玻璃纤维滤膜的厚度)内、均有利于XRF光谱的测量与分析、所以可以通过适当增加样品厚度以增加被测组分的质量厚度浓度的方式来提高XRF光谱测量的灵敏度。

对于特征谱线能量较高的Sr元素、从图6可以看出、随着玻璃纤维滤膜层数不断增加、Sr元素Kα特征谱线的荧光强度呈直线上升的趋势、当玻璃纤维滤膜层数是8时荧光强度是单层玻璃纤维滤膜时荧光强度的8.16倍。这种变化规律进一步说明、对于能量较高的特征X射线荧光、在穿透滤膜的过程中不易因散射或吸收作用而损失。所以对于特征谱线能量较高的元素,在有效样品厚度范围内、以增加薄膜样品厚度的方式来增加待测组分的质量厚度浓度、可以有效地提高薄膜法XRF光谱测量的灵敏度。从图6(b)中可以看出、当玻璃纤维滤膜层数是1时、Sr元素Kα特征谱峰的峰背比最小、而后随着玻璃纤维滤膜层数递增、峰背比有较小的增大趋势、但是变化不大。峰背比并没有随荧光强度的增加而快速递增、这是由于在增加样品厚度的同时、基体效应越来越明显、由基体效应导致Sr元素Kα特征谱线位置处的背景荧光强度也越来越大、对X射线光谱测量的灵敏度会产生一定的影响。并且Sr元素Kα特征谱线位置处由薄膜样品厚度引起的基体效应比上述As元素Kα特征谱线位置处基体效应更大更明显。

综上分析可知、当薄膜样品的质量厚度浓度随薄膜样品厚度的增加而增大时、薄膜样品厚度对不同能量区间上元素特征谱线荧光性质的影响并不相同。元素特征谱线能量越大、元素特征X射线荧光穿透滤膜到达探测器的过程中损失越少、但是由薄膜样品厚度引起的基体效应却越强、相应特征谱线位置处的背景荧光强度就越大、因此样品厚度增加时所引起的基体效应对薄膜法XRF光谱测量的灵敏度影响就越大。对于特征谱线能量较低(能量小于7 keV)的元素、以增加薄膜样品厚度的方式来增加待测组分的质量厚度浓度、并不能有效地提高薄膜法X射线光谱测量的灵敏度； 对于特征谱线能量较高的元素(能量>7 keV)、可以通过适当增加样品厚度以增加被测组分的质量厚度浓度的方式来提高XRF光谱测量的灵敏度、薄膜样品厚度在0.96～2.24 mm内、更有利于XRF光谱的测量与分析。

3 结 论

通过样品厚度对薄膜法XRF光谱测量的影响研究表明、薄膜样品厚度对不同能量区间上元素特征谱线荧光性质的影响并不相同。特征谱线能量较低的元素(能量≤7 keV)、由薄膜样品厚度增加而产生的基体效应并不明显、背景荧光强度变化不大、对XRF光谱法灵敏度的影响可以忽略； 但元素特征X射线荧光穿透滤膜到达探测器过程中的损失随样品厚度的增加而增大、以增加薄膜样品厚度的方式来增加待测组分的质量厚度浓度、并不能有效地提高薄膜法XRF光谱测量的灵敏度。元素特征谱线能量越大(能量>7 keV)、薄膜样品厚度增加而产生的基体效应越明显、背景荧光强度就越大、特征谱峰的峰背比降低、从而成为影响薄膜法XRF光谱分析检测灵敏度的主要因素； 但元素高能特征X射线荧光穿透滤膜到达探测器过程中的损失却较少、以增加薄膜样品厚度的方式来增加待测组分的质量厚度浓度、可以有效地提高薄膜法XRF光谱测量的灵敏度、薄膜样品厚度在0.96～2.24 mm内更有利于薄膜法XRF光谱测量与分析。该研究结果为XRF光谱分析法的薄样制备及富集技术提供了重要的理论依据。

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*Corresponding author

Study of the Impact of Sample Thickness on Thin Film Method X-Ray Fluorescence Spectrum Measurement

GAN Ting-ting1,2,ZHANG Yu-jun1*,ZHAO Nan-jing1,YIN Gao-fang1,XIAO Xue1,ZHANG Wei3,LIU Jian-guo1,LIU Wen-qing1

1. Key Laboratory of Environmental Optics and Technology,Key Laboratory of Optical Monitoring Technology for Environment,Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China 2. Wanjiang Center for Development of Emerging Industrial Technology,Tongling 244000,China 3. Army Officer Academy of PLA,Hefei 230031,China

The mixed samples of nylon film enrichment of Cr,Pb and Cd three elements and glass fiber membrane filter were as the research object. With the method of superposition of membrane filter,the XRF spectra were measured under different thin film samples thicknesses. According the changes of characteristic XRF of Cr,Pb and Cd elements in the mixed sample and Ca,As and Sr elements in glass fiber membranes,the effects of sample thickness on thin film method XRF spectrum measurement were studied. The study results showed that the effects of thin film sample thickness on the fluorescent properties of elements with characteristic spectral lines in different energy ranges were different. The energy of characteristic spectral lines was greater,the loss of element characteristic X-ray fluorescence when it passed through membrane and reached detector was less. But matrix effect caused by thin film sample thickness increase was stronger with the energy of characteristic spectral lines greater. The background fluorescent intensity in corresponding characteristic spectral line location was greater. So the impact of matrix effect caused by sample thickness increase on thin film method XRF spectrum measurement sensitivity was greater. For elements with low energy characteristic spectral lines (energy≤7 keV),the way of increasing thin film sample thickness in order to increase the mass-thickness concentration of component measured,can not effectively improve the sensitivity of thin film method XRF spectrum measurement. And thin film samples thickness within 0.96 mm is conductive to the measurement and analysis of XRF spectrum. For element with higher energy characteristic spectra lines(energy>7 keV),the sensitivity of XRF spectrum measurement can be appropriately increased by the way of increase thin film sample thickness in order to increase the mass-thickness concentration of component measured. And thin film samples thickness within 0.96～2.24 mm is more conductive to the measurement and analysis of XRF spectrum. The study provides an important theoretical basis for thin sample preparation and enrichment technology of thin film method X-ray fluorescence spectrum analysis the atmosphere and water heavy metal.

Spectroscopy; XRF; Thin film method; Heavy metal; Sample thickness

Aug. 18,2015; accepted Dec. 10,2015)

2015-08-18、

2015-12-10

皖江新兴产业技术发展中心企业合作项目(ZNJX-15-10)、国家(863)计划项目(2013AA065502)、国家自然科学基金项目(61405257)、安徽省自然科学基金项目(1508085MF138)、安徽省自主创新专项(12Z0104074)资助

甘婷婷、女、1986年生、中国科学院安徽光学精密机械研究所助理研究员 e-mail: tingtinggan@163.com *通讯联系人 e-mail: yjzhang@aiofm.ac.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)12-4039-06