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電子探針微量元素分析的一些思考(二)

發(fā)布時間:2021-06-28 19:52 編輯者:特邀作者夏德婷

在實際工作中,通過定性分析或礦物學基本常識對被測樣品的元素多樣性進行識別后,必須首先確定被測量元素之間是否存在相互可能發(fā)生干擾的譜線–這在所有電子探針分析軟件中均可以查詢到(即L值或能量e V)。在微量元素測量中,因為其含量本身就比較低(<1.00 wt%),因此,即便是出現(xiàn)來自主量元素較弱譜線Kβ、Lβ的干擾也會導致一個明顯的偏差。例如,在含F(xiàn)礦物(云母)和熔體的F,Cl含量測試中,Li和Hermann(2015)等人就發(fā)現(xiàn)F的Kα、Fe的Lα和Mn的Lα譜線特征峰位有重疊,從而采取了相應的優(yōu)化措施,并改良了實驗條件,且開啟了PHA濾波整合模式(見下文)。同樣,在稀土元素的分析中,元素重疊峰的干擾情況更加嚴重。因為稀土元素之間的化學性質(zhì)十分接近,具有類似的外層電子結(jié)構(gòu),這就導致不同的稀土元素的特征X射線之間存在大量峰位接近的譜線,且絕大多數(shù)在技術(shù)層面都是無法被精準識別和區(qū)分的(William,1996)。盡管研究人員隨后提出了利用修正因子來規(guī)避和剝離稀土元素之間的干擾(Amli and Griffin,1975;Roeder,1985),并利用相應的修正算法來應用于一些比較嚴重的譜峰重疊情況(Donovan et al.,1993;Fialin et al.,1999),且也都取得了不錯的實驗結(jié)果(王汝成等,2006;Konecny et al.,2018),然而受制于分析流程的復雜性和標準物質(zhì)可靠性等因素,稀土元素的分析一般只限定于解決特定科學問題上,如稀土礦物的分析(王樹根,1987;Donovan et al.,2003;Jercinovic,2008;Goemann,2011)、以及獨居石等副礦物的電子探針化學定年方法中(見張文蘭等,2003),且大都需要后期進行大量的優(yōu)化計算處理(例如王勤燕等,2007),對研究人員的專業(yè)知識和技術(shù)能力要求頗高。

除了峰位重疊干擾問題,背景值(BG,Background)的測量與扣除也是非常關(guān)鍵的。一般來說,如果被測的幾種元素的特征峰位靠的較近(例如±5 mm),那么就必須進行條件實驗來尋找一個合理的背景值,減小可能導致的誤差。例如,在主量元素測試中,以造山帶與地殼演化教育部重點實驗室的兩臺JEOL探針為例(JXA 8100和JXA8230),筆者在設(shè)立氧化物類型(11種主量元素:K、Ca、Ti、Mg、Al、Cr、Mn、Fe、Ni、Na、Si)分析程序中發(fā)現(xiàn),K的背景值均可設(shè)為±5 mm(PETJ),而Ca的背景值(PETJ)在兩臺儀器的譜儀中則需分別設(shè)定為+1.5 mm、-1.5 mm(JXA8100)和+1.5 mm、-1 mm(JXA 8230)。這是通過大量的條件實驗,進行WDS譜儀的全譜段定性掃描,不斷嘗試不同的BG值對實驗結(jié)果才得出的經(jīng)驗值。筆者認為,這應該是由于每臺電子探針的譜儀構(gòu)造和分光晶體的性能存在差異所導致的,因此,建議各個電子探針用戶也最好通過條件實驗尋找這樣一個適宜的背景值。

在微量元素分析中,如何正確設(shè)定背景值則是對數(shù)據(jù)質(zhì)量有非常重要的影響。首先微量元素的特征峰位的計數(shù)率一般都較低,即具有較弱的特征峰強度(高度),那么就極有可能被其他(干擾)元素的特征峰位和/或背景噪音淹沒。尤其是在重金屬(>Fe)元素共存的時候,情況會更明顯(嚴重):重金屬元素可以激發(fā)出大量的特征X射線譜線(Kα、→Mα、Mβ、Mγ),因此會大大增加錯誤判斷微量元素特征峰的峰位及其強度計數(shù)的概率。其次,不同元素干擾(重疊)峰的存在,也對準確測量微量元素的背景值(范圍)提出了更高的要求,這將直接影響微量元素的定量分析準確度(accuracy),從而導致較大的誤差出現(xiàn)(Donovan et al.,2016)。最后,背景噪音的干擾在微量元素的測試中一般會非常明顯,出現(xiàn)峰背比值接近1(P/B≈1)的概率會非常高,這時候,進行傳統(tǒng)的峰位左右兩點扣除計算就不是很合適了,因為此時大概率會導致該微量元素被誤認為是背景噪音而被處理掉(遺漏,未被分析),或者被嚴重低估真實含量–即使只有一點點的扣除計算誤差,也會導致巨大的扣除誤差(Jercinovic,2008)。針對這種情況,Merlet和Bodinier(1990)提出了背景值多點扣除法(multi-point background MPB method),并在隨后得益于軟件技術(shù)的發(fā)展被進一步完善(請參考Donovan software,http://probesoftware.com)。MPB方法可以有效識別出某種/些微量元素是否真實存在(即峰位識別困難、強度計數(shù)不明確、峰背比值趨同的情況),能夠提高微量元素測試的精準度,并在實際工作中,如獨居石微量元素分析得到了很好的應用(Allaz et al.,2019)。

1.3 脈沖幅度分析器(PHA)的啟用

PHA的工作原理是通過設(shè)置不同的甄別電壓來區(qū)分具有不同能量但是高階線和一階線重合的特征譜線。比較經(jīng)典的例子就是對磷青銅的分析:P的Kα譜線(P_Kα=197.24 mm)與Cu的第四階Kα譜線幾乎重疊(Cu_4th Kα=197.54 mm),如果不開啟PHA的過濾功能,分析結(jié)果中的P含量通常會偏高近三倍,而開啟PHA濾波功能后(Diff mode),P_Kα譜線的能量正好是Cu_4th Kα譜線能量的4倍,因此,經(jīng)過放大器放大后輸入到PHA通道的脈沖高度是不一樣的,占據(jù)了PHA不同的通道窗口:P_Kα譜線峰位的能量分布在Hv=1~3 v的電壓范圍,而Cu_4th Kα譜峰峰位的能量分布在Hv=6~10 v的電壓范圍。因此,通過設(shè)置合適的甄別電壓就可以從脈沖信號上把兩者區(qū)分開的(圖2)。實際測試工作中,盡管在一般情況下并不需要啟用PHA的濾波功能,我們還是建議對是否開啟PHA的整合(Integral,Int.)或分化(Differential,Diff.)功能進行考量。這在F、Cl測試(Li and Hermann,2015)以及金紅石的Zr含量測試中(李小犁等,2017)均有應用。

1.4 標準物質(zhì)的選用

標準物質(zhì)的可靠性和合理選用是電子探針定量分析數(shù)是否合格的關(guān)鍵性前提條件。在數(shù)據(jù)預處理過程中,盡管可以利用ZAF、PRZ等修正算法進行諸如基體效應等方面的校正,系統(tǒng)誤差與測量誤差在修正過程中會發(fā)生傳遞并疊加到最終結(jié)果上。在微量元素分析中,由于待測元素本身含量低,即使一個原本較小的誤差/偏差也會導致數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性降低。理論上,標準物質(zhì)應該和待測物質(zhì)完全一致,例如,測試橄欖石就應該使用橄欖石標樣,然而在實際工作中一般很難實現(xiàn)。通常情況下,標準物質(zhì)的選擇應遵循以下兩個基本原則:(1)該元素在標樣物質(zhì)中具有較高的絕對含量;(2)標準物質(zhì)與待測樣品的晶體化學類型完全一致,或者至少非常近似(氧化物、硫化物、金屬化合物等)。如果二者不可同時滿足,如元素在某標準物質(zhì)中含量較高,但類型上與待測物質(zhì)不一致(氧化物vs.金屬化合物),那么一般選擇含量最高的物質(zhì)為原則為佳。

聲明:本文所用圖片、文字來源《高校地質(zhì)學報》,版權(quán)歸原作者所有。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)等問題,請與本網(wǎng)聯(lián)系刪除。

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