改进X荧光光谱仪快速检测土壤中重金属（英文）

针对传统能量色散X荧光仪(energy dispersive X-ray fluorescence,EDXRF)分析土壤中微量重金属测量精确度低的问题,提出了一种X荧光仪改进方法。为了减少反射X射线的影响,入射X射线垂直照射样品,探测器平行放置与样品一侧且垂直于X射线。样品与探测器之间由准直器连接。对国家标样测量结果表明,仪器对Mo,Zn,Cu,Pb,Zr,Nb的检出限为0.4,6.68,1.97,6.84,1.60,7.59mg·kg-1。各元素对数偏差在0~0.05之间。元素含量在三倍检出限以上RSD%(GBW)小于7,元素含量在三倍检出限内RSD%(GBW)小于15。为了验证改进后X荧光仪测量效果,在大兴安岭地区采集土壤样品与传统荧光仪进行比较分析。改进X荧光仪提高了土壤中微量重金属测量精度,满足野外地质普查要求。     

薄膜法X射线荧光测量中样品检测位置及防护铅板内衬材料的选择研究

(1)以型号316不锈钢金属板为研究对象,对薄膜法X射线荧光光谱测量中,样品检测位置的选择进行研究,确定了最佳的样品检测位置为样品距离X射线管和探测器水平基线1 cm处,并且与X射线管和探测器水平基线成16°角度。(2)以工业环境空气重金属污染物Pb,Cd,Cr为主要分析对象,在有铅板防护情况下进行薄膜法X射线荧光光谱测量研究,发现X射线会穿透样品薄膜而继续激发防护铅板,使得滤膜背景光谱中有较强的铅谱线干扰,会对实际样品中铅元素的测量产生影响。在薄样和防护铅板之间加上一层隔离材料,可有效避免防护铅板中铅谱线对样品测量产生的干扰。(3)以型号316不锈钢、黄铜、铝材、紫铜和聚四氟乙烯几种硬质隔离材料作为铅板内衬材料进行选择研究,结果表明：紫铜的X射线荧光光谱中所含元素的谱线最少,谱图中没有出现重金属Cr,Cd,Pb的谱峰,并且能量较高部分靶材散射光谱强度较弱,对实际样品中重金属元素Cr,Cd和Pb的测量不会产生干扰,作为铅板的内衬金属材料可以避免防护铅板中铅元素谱线的干扰,是最佳的薄膜法X射线荧光光谱分析中铅板的内衬金属材料。该研究为组装及搭建便携式大气及水体重金属X射线荧光光谱分析仪提供了重要的理论依据。     

薄膜法X射线荧光测量中样品检测位置及防护铅板内衬材料的选择研究

(1)以型号316不锈钢金属板为研究对象, 对薄膜法X射线荧光光谱测量中, 样品检测位置的选择进行研究, 确定了最佳的样品检测位置为样品距离X射线管和探测器水平基线1 cm处, 并且与X射线管和探测器水平基线成16°角度。(2)以工业环境空气重金属污染物Pb, Cd, Cr为主要分析对象, 在有铅板防护情况下进行薄膜法X射线荧光光谱测量研究, 发现X射线会穿透样品薄膜而继续激发防护铅板, 使得滤膜背景光谱中有较强的铅谱线干扰, 会对实际样品中铅元素的测量产生影响。在薄样和防护铅板之间加上一层隔离材料, 可有效避免防护铅板中铅谱线对样品测量产生的干扰。(3)以型号316不锈钢、黄铜、铝材、紫铜和聚四氟乙烯几种硬质隔离材料作为铅板内衬材料进行选择研究, 结果表明: 紫铜的X射线荧光光谱中所含元素的谱线最少, 谱图中没有出现重金属Cr, Cd, Pb的谱峰, 并且能量较高部分靶材散射光谱强度较弱, 对实际样品中重金属元素Cr, Cd和Pb的测量不会产生干扰, 作为铅板的内衬金属材料可以避免防护铅板中铅元素谱线的干扰, 是最佳的薄膜法X射线荧光光谱分析中铅板的内衬金属材料。该研究为组装及搭建便携式大气及水体重金属X射线荧光光谱分析仪提供了重要的理论依据。     

基于XRF-CNN土壤重金属Zn元素含量预测模型研究

结合X射线荧光光谱法,针对土壤中重金属元素Zn含量的预测问题,提出基于深度卷积神经网络回归预测模型.对原始土壤进行相关预处理,用粉末压片法制作土壤压片,采用X射线荧光光谱法(X-Ray-fluorescence,XRF)获取土壤光谱,相比于传统检测方式,XRF法具有检测速度快、精度高、操作简单、不破坏样品属性并且可实现...     

基于小波变换的便携式X射线荧光光谱仪检测模型的建立与改进

应用便携式X射线荧光光谱仪对土壤中Cr,Cu,Zn,As,Pb等重金属含量进行检测, 每个样品扫描检测3次,利用小波阈值滤噪的方法对所测谱线进行光滑去噪处理后, 根据土壤重金属的标准值和相应的计数率(取三次处理后检测谱线的平均值)建立各重金属的标准曲线。运用小波阈值滤噪方法时, 为确定最佳的小波基和小波分解层数, 以信噪比(SNR),均方根误差(MSE)和信息熵(H)作为评估指标评价降噪效果。为验证仪器的稳定性, 根据土壤样品中重金属浓度的不同挑选部分样品并同时选用H₃BO₃(空白对照)进行重测。结果表明: 运用小波变换方法时,选取coif3小波基对谱线进行三层分解, 取得了最佳的去噪效果; 建立好模型后,仪器的决定系数R2范围是0.990~0.996, 表明在0~1 500 mg·kg-1范围内, 土壤样品中各重金属元素含量与X射线荧光光谱特征峰强度之间的线性关系良好; 经过重复检测和计算得知仪器的检出限均低于国家一级土壤标准。将小波变换的方法实际运用到X射线荧光光谱仪检测模型的建立与改进中,有效的提高了模型的准确性,同时经验证,仪器具有良好的精密度,可运用于实际土壤重金属污染的现场快速筛查。     

内标法在土壤重金属镍元素X荧光分析中的应用研究

利用能量色散型XRF重金属实验平台,在实验室自然大气环境下获取土壤的X射线荧光,通过X射线荧光光谱法定量分析了国家标准土壤样品中元素Ni的含量。实验研究了土壤中Ni元素的X荧光特征分析谱线,采用加入内标法测定了Ni元素定标曲线,并依据实验结果分析了内标元素选取方法。实验结果表明,对土壤样品进行内标法分析时,可选取基体中适宜元素作为内标元素;使用Pb的Lα线,Cu和Fe的Kα线作内标线时相对标准偏差(RSD)分别为6.24%,5.24%和5.22%,说明选择合适基体主量元素的特征谱线作为内标线,可有效提高测量结果的准确性。     

矿山尾矿中微量银元素快速检测方法的研究

针对矿山尾矿中微量银元素测定的技术难题,提出了一种基于超短光路原理的能量色散X荧光能谱快速检测的方法。提高元素测量分辨率,提高样品分析效率,降低光管功率,延长仪器使用寿命。能谱系统优化了滤片以及探测器屏蔽物等设计,准直器采用对X射线基本无散射的聚四氟乙烯,达到微量银元素的检测要求。实际尾矿测试中,银的检出限达到0.1 mg·kg-1,RSD在0.1%～2.6%之间,准确度在87%～115%之间。对比尾矿、原矿及精矿的检测实验,证明了在能量色散X荧光能谱中引入超短光路设计方法,能够提升系统峰/本底比,满足微量银元素的检测要求。     

X射线荧光光谱分析方法的检出限测量方法研究

X荧光光谱仪器发展迅速,应用领域广泛,由于其能够快速、准确分析样品,不需要繁琐的前处理和耗材,已能替代部分传统AAS, ICP和ICP-MS等分析仪器。如何准确地评价其应用性能,以更便捷地使用,常用检出限作为评价方法的重要指标。检出限计算方法和形式较多,一般等于空白样品的3倍标准偏差,在实际样品分析时,小于检出限的含量,不可检出;大于检出限、小于定量限的含量,可定性分析;大于定量限的含量,可准确分析。XRF计算方法和分析领域中常用的检出限计算方法不同,传统分析方法测量值符合正态分布,是连续分布;XRF测量值属于泊松分布,是离散分布,只有在计数足够大的时候才能接近正态分布。在实际分析中,往往不会耗时去积累足够大的计数。介绍了7种检出限的计算方法：X荧光泊松分布法、 K倍标准偏差法、线性校准法、 RSD法、 SD直线外推法、环境监测分析法、海洋监测规范法。以X荧光重金属检测仪的检测数据为例,测试6个大米粉参考样品中Pb, As和Cd元素含量,详细对比了各方法的计算过程和考虑因素。由于实际样品中很难找到绝对不含被测元素的空白,以近似空白样品替代。泊松分布方法测试次数最少,测2次即可快速准确计...     

便携式X射线荧光光谱测定土壤中Cr,Cu,Zn,Pb和As的研究

应用便携式X射线荧光光谱对土壤中的重金属元素Cr,Cu,Zn,Pb和As进行测试,分析土壤粒径、含水量、土壤类型对检测结果的影响,并选用北京、新疆、黑龙江、云南和江苏的典型土壤研究重金属元素含量与X射线荧光光谱特征峰强的关系.实验表明,土壤粒径影响了测试的精密度,土壤粒径从40目降低到100目,检测的相对标准偏差从15.6%减少至6.9%;土壤含水量主要影响样品检测的特征峰强,土壤含水量从5%提高到25%,与无水样品相比的相对峰强从86%降低到69%,相对峰强与土壤含水量符合方程I=100e-0.015c,I为相对峰强,c为土壤含水量(R2=0.83,n=30).在0～1500 mg·kg-1区间,土壤中重金属元素含量与X射线荧光光谱特征峰强间有着良好的线性相关,但不同土壤类型间的线性方程有着较大的差异,云南土壤样品建立的线性方程有着较小的斜率.通过检测土壤标准样品,验证了便携式X射线荧光光谱检测土壤中重金属元素有着较好的准确度和精密度,适用于土壤中重金属的快速检测.     

便携式X射线荧光光谱分析仪测定土壤中重金属

应用NITON XL3t600型便携式X射线荧光谱分析仪对土壤中主要重金属污染物Cu,Zn,Pb,Cr和As进行了测试。结果表明,Cu,Zn,Pb,Cr和As元素的最低检出限分别为:23.96,11.69,8.58,19.23,6.24mg.kg-1;对土壤成分分析标准物质GSS-5进行5次重复测定,准确度在96%～102%之间,RSD在1.0%～7.6%范围内,表明仪器对于土壤中较高浓度重金属检测准确度和精密度良好;田间进行原位检测,相对标准偏差均小于20%,与国标方法检测结果相比,准确度在55%～119%之间。通过实验室测试和田间原位检测,验证了便携式X射线荧光谱分析仪检测土壤中重金属元素有较好的准确度和精密度,适用于土壤中重金属的快速检测。     

Review of energy-dispersive X-ray fluorescence on food elements detection

Energy-dispersive X-ray fluorescence (EDXRF) is a physical rapid detection method to analyze the types of elements through the energy characteristics of fluorescent X-ray particles. When applied to the detection of food element content, it not only needs simple sample pretreatment but also the element measurement time generally does not exceed 10 min to have the accuracy of μg/g, which can greatly reduce the time and cost of detection. Due to the limitations of the EDXRF instrument and measurement mechanism, it has low sensitivity to light elements in food, and the detection sensitivity varies with elements in food element analysis. For example, the detection sensitivity of Ca, Mg, Fe, Zn, Cu and other elements concerned by people is not high when the content is low, and the measurement accuracy is extremely dependent on the detector resolution. However, with the improvement of detector performance and algorithm optimization of EDXRF, the detection limit of this technology can reach 0.1 μg/g, the detection of trace elements has also been improved, which has made a new breakthrough in the field of food element detection. Therefore, this paper reviews that in recent 20 years, in order to overcome the various difficulties of EDXRF in food detection, the hardware optimization of EDXRF (For example, the development of an analyzer without sample preparation can greatly reduce the time required for the detection of food elements, and a series of instruments combined with EDXRF and cluster capillary technology can greatly improve the excitation efficiency of lighter elements in food. The spectrometer with a high-resolution detector can improve the detection accuracy of target elements with low content in food) and in order to solve the problem of spectrum resolution in food detection, (For example, the wavelet transform method which has good performance in spectrum smoothing, identifying weak peaks and maintaining peak shape is applied to EDXRF spectrum resolution, which can better solve the problem that the X-ray characteristic peaks of elements with a low atomic number in food are submerged) the reform and innovation of spectrum resolution methods are introduced. This paper summarizes and analyzes the representative application examples of EDXRF in food safety detection, discusses the advantages and disadvantages of EDXRF compared with other rapid detection or food detection methods in different situations, concludes its application conditions, and discusses the application prospect of EDXRF technology in the field of food detection.     

基于EDXRF的土壤中痕量镉的快速检测方法研究

对于土壤中重金属元素的检测,传统的化学分析方法测试周期长,前处理复杂,使用的强酸还会对环境造成二次污染,能量色散X射线荧光光谱法具有无损、快速、前处理简单、仪器轻便等优点,特别适合现场快速检测,但用该方法对镉元素进行检测时,通常用到的K系特征线能量较大,普通能谱的检出限较高。基于能量色散X射线荧光光谱技术,研究了土壤中痕量重金属镉的快速检测方法,通过选择合适的仪器部件,搭建仪器测试系统,综合考虑待测元素的谱峰强度和相对强度,对仪器结构和测试条件进行优化。研究表明,峰强度随着管电流的升高基本上是线性增加的,而相对强度则没有明显的变化,对于镉的测试,在光管条件允许的情况下选择尽可能大的管电流进行测试,之后,综合考虑镉的峰强度和相对强度随滤光片厚度以及管电压的变化情况,使用理论标准偏差确定测试最优条件为：管电压为55 kV,管电流为48 μA,滤光片为1.25 mm钼片;测试时间会影响测试结果的相对标准偏差,在测试时间小于500 s时,峰强度的相对标准偏差随着测试时间的增加是降低的,在测试时间大于500 s时,峰强度的相对标准偏不再有明显的变化趋势,由于测试结果的相对标准偏差越小,测试结果的短期精密度越好,仪器的重现性就越好,因此测试时间最终选择为500 s;样品测试条件也会对测试结果产生影响：随着测试薄膜厚度的增加,镉的峰强度和相对强度均是降低的,根据实验结果,最终选择厚度为12.5 μm的聚酯膜进行测试;镉的峰强度和相对强度随着样品质量的增加而增加,在样品质量大于3 g时,镉的峰强度随样品质量的增加变化比较缓慢,相对强度则没有明显的变化,选择样品的质量大于3 g进行测试;随着含水量的增加,镉的峰强度和相对强度均会略有降低,因此水分会对测试结果产生影响,对土壤样品的测试应该风干或烘干。使用以上经过优化的测试条件,用国家标准样品和电感耦合等离子体质谱法定值的样品绘制工作曲线,线性相关系数可达0.993;使用镉含量为1.12 mg·kg-1的国家标准样品GSD-10测试11次,测试的结果的标准偏差为0.09,相对标准偏差为8.22%;用高纯二氧化硅测试方法检出限,可达0.16 mg·kg-1,小于国标一级土壤的限值;测试实际样品,并与电感耦合等离子体质谱法测试的结果进行对比,测试结果的一致性较好。通过对仪器结构和样品测试条件进行优化,基于能量色散X射线荧光光谱法对土壤中痕量重金属镉的检出限有了很大的降低,对污染地区土壤镉的快速筛查及大面积测定意义重大。     

EDXRF测定土壤元素含量及其在有机碳垂直分布特征研究中的应用

针对X射线荧光光谱(XRF)法不确定度计算和测定地质样品中硫的准确度、精密度与可靠性不高的难点,研究了提高土壤中硫分析准确度的途径,建立了土壤中S的XRF分析方法,完善了偏振能量色散XRF测定土壤中主、次、痕量元素的方法,利用不确定度评价、证实了所见方法的有效性和可靠性。测定、获得了研究区土壤元素剖面,通过对短期植被更替土壤剖面的土壤有机碳含量(TOC)、有机碳稳定碳同位素((13C)特征及其与元素垂直分布的关系研究,发现土壤中元素含量与有机碳含量和有机碳稳定碳同位素存在显著相关性。     

波长与能量色散复合式X射线荧光光谱仪特性研究及矿区土壤分析

波长与能量色散(WD-ED)复合式X射线荧光(XRF)光谱仪是一型国际上新近研发的XRF光谱仪。该研究比较了此型光谱仪的特性,建立了联用分析方法,并用不确定度对所建方法进行了评估,证明WD-EDXRF复合型光谱仪及其所建分析方法可用于土壤样品中主、次、痕量元素定量测定,并兼具了WD和ED各自的优点。研究表明：(1)对土壤质量和生态环境评价中具有重要意义的Mg,Al,P和K等元素,因WDXRF对轻元素具有更高灵敏度,故采用该型光谱仪和所建方法,可弥补单一采用ED方法的不足,从而为土壤质量和生态环境评价提供了更为灵敏和准确可靠的分析技术手段;(2)在本方法实验条件下,采用WDXRF测定,主元素Na₂O,MgO,Al₂O₃,P₂O₅,K₂O的检出限优于EDXRF,而SiO₂, SO₃, CaO, MnO, Fe₂O₃则是由EDXRF测定的检出限更优。对于谱线重叠较严重的微量元素,多数情况下WDXRF的检出限更低;(3)对主元素而言,总体上K及其原子序数之前的轻元素WDXRF准确度更好,Ca及其之后的元素EDXRF准确度更好。然而,由WDXRF和EDXRF获得的准确度也与样品相关,在某些情况下,EDXRF测定K的准确度会更好。微量元素和重叠干扰比较大的元素,采用分辨率好的WDXRF可获得更好的准确度;对于受其他元素谱线重叠影响较小的元素,EDXRF给出的结果准确度更好;(4)选用添加石蜡粘结剂的粉末压片法,利用该方法制成的地质样品粉末压片结实、无脱落,未观察到掉渣、掉粉现象,且分析准确度和精密度良好;(5)利用所建立的WD-EDXRF方法测定了采自集中开采矿区和附近河流及河漫滩沉积物,揭示矿区表层土含有较高浓度的Cu,Pb和Zn,可为找矿提供指示信息;(6)进行了矿区周边农田土壤分析,获得了元素分布趋势图,揭示矿集区附近农田土壤Pb和As等浓度较高,需要采取必要的生态与环境保护措施,以减小和避免对于人类健康的潜在影响。     

Application of the backscatter fundamental parameter method for in situ element determination using a portable energy‐dispersive x‐ray fluorescence spectrometer

The backscatter fundamental parameter (BFP) algorithm was adapted and modified for the use with a portable energy‐dispersive x‐ray fluorescence (EDXRF) spectrometer system. The method utilizes coherently and incoherently scattered peaks of primary radiation to estimate the ‘dark matrix’ of the analysed sample. A so‐called ‘full fundamental parameter’ model was implemented in the algorithm, allowing a simple calibration of the method using only one standard sample. To improve the accuracy of the method, the differential mass scattering cross‐sections were used. The algorithm also takes into account the secondary excitation effects. The method was applied to element determinations in various matrices with minimum sample preparation. It was tested in the laboratory with homogeneous samples prepared from standard reference materials and was also successfully applied to in situ element determinations in soil. The analyses were performed using a portable XRF spectrometer equipped with a ¹⁰⁹Cd radioisotope source and an Si‐PIN photodiode detector. The BFP algorithm was found to perform well for the analysis of loose powder samples containing an unknown fraction of ‘dark matrix,’ and therefore it is regarded as suitable for in situ element determinations. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

Minimum detection time (MDT) for elemental EDXRF images

When obtaining a chemical element image through energy dispersive X‐ray fluorescence (EDXRF) scanning of a specific sample, it is important to determine the minimum detection time (MDT) required per dot (pixel) and per element in order to identify the minority and the trace elements present in the sample. Starting from the statistical criteria of limit of detection, quantitative estimations can be made regarding the concentration of elements present in the samples, determining the MDT which fits to the limit of detection previously established. Given that with this technique it is possible to implement in vivo applications, in this work, a process was developed for the MDT that is capable of generating the minimum radiation exposure in imaging EDXRF. For this proposal, the MDT is determined for metals, such as Fe, Cu, and Pb, given their great biomedical interest, in a series of equivalent bone and soft tissue phantom samples. Consequently, a criteria for global scanning time per dot was established, hence providing an elemental XRF image according to the As Low As Reasonably Achievable principles, i.e. as low an exposure as reasonably possible for each sample type studied by this sort of devices, in order to obtain appropriate information for each field of application. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

波长色散X射线荧光光谱法快速测定大气PM_(2.5)中Cu和Zn的含量

介绍采用波长色散X射线荧光光谱法测定大气PM_(2.5)中Cu和Zn含量的分析方法。采用聚四氟乙烯滤膜来制备标准样品和进行大气颗粒物采样;对大气颗粒物样品的装样杯结构进行了讨论,采用6.7μm的Polypropylene膜配合改进样杯来封装大气颗粒物样品,应用改进后的样杯对大气颗粒物中Cu和Zn进行测定,可明显降低背景,改善峰背比,降低检出限;讨论了大气PM_(2.5)中目标元素Cu和Zn的测量条件,其分析线都采用Kα线,分光晶体选用PX10,采用间距300μm的准直器,ZnKα线探测选用闪烁计数器,CuKα线的探测利用流气式正比计数器和封闭式正比计数器串联使用,工作电压、电流采用50kV和50mA。应用制备的Cu和Zn标准样品建立工作曲线,实验结果表明,其线性相关性较好,准确度较高,Cu和Zn的相对标准偏差分别为2.43%和2.00%(n=8),检出限分别为0.028和0.021μg·cm~(-2),且分析大气颗粒物单个样品时间为60s。综上所述,该方法能够实现PM_(2.5)中Cu和Zn含量的快速、准确分析,为研究PM_(2.5)中的元素含量特征及来源解析提供科学依据。     

Elemental analysis in environmental land samples by stand-off laser-induced breakdown spectroscopy

The stand-off detection and analysis of environmental land samples have been demonstrated using laser-induced breakdown spectrometry. The samples of interest have included soils and vegetation powder. Elements Hg, As, Pb, Zn, Cd and Cr have been spectrally analysed with a focus on Hg as a trace contaminant in the samples. It is found that element Fe, usually contained in land samples, is a main source of spectral interference for Hg detection due to its ever present iron emission line at 253.68 nm that is closely adjacent to the strongest Hg emission line at 253.65 nm, and hence, a high resolution of spectral detection is necessary. The strong spectral signals from Bremsstrahlung emission in laser-induced plasma and atomic emission of Fe of high concentration caused a significant reduction in detection resolution in the use of image intensifier of an ICCD. The limit of detection at ~8 ppm for Hg detection in soil samples with iron as a minor constituent has been achieved, using an optical chopper and a CCD detector for laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) signal detection. Such detection method in LIBS system has shown a great advantage in determining trace elements from interfering elemental constituents in land sample matrixes.     

土壤中微量元素锰的激光诱导击穿光谱定量分析

采用激光诱导击穿光谱技术分析安徽怀远农亢农场土壤样品中微量元素Mn的含量分布情况。实验中选取403.1 nm作为Mn元素的分析线为,土壤中基体元素Fe作为内标元素,选取的分析线为407.2 nm。选取10个土壤样品分别用传统定标方法和内标法建立定标曲线,并对4个待测样品浓度进行预测。实验结果表明,传统定标方法建立的定标曲线的拟合相关系数r为0.954,检测限为93 mg·kg-1,待测样品的测量相对误差最大为5.72%;而采用内标法建立的定标曲线的拟合相关系数r为0.983,测量的相对误差减小到4.1%,检测限为71 mg·kg-1。说明采用LIBS技术对土壤中微量元素Mn检测的可行性,同时,内标法一定程度上可提高测量的精确性。