精度=精密度+準(zhǔn)確度
首先解釋一下精度的概念。用戶關(guān)注的精度,實(shí)際上包含了精密度和準(zhǔn)確度兩項(xiàng)不同的內(nèi)容。用戶所需求的精度儀器一方面要有好的測量精密度,即多次測量的離散型要小,另一方面要有好的準(zhǔn)確性,即與真實(shí)含量的偏差要小。
精密度
精密度即檢測結(jié)果的離散性,通常以多次檢測的標(biāo)準(zhǔn)偏差S來計算,客戶如果更關(guān)心多次測量的極差,可以用正負(fù)二倍標(biāo)準(zhǔn)偏差來換算,D=±2S,意思是任意兩次檢測結(jié)果的差有95%的可能性小于D。對于XRF類分析儀器,精密度的保證,是與所分析譜線的強(qiáng)度(計數(shù)率)密切相關(guān)的,對于同一個樣品,通常譜線強(qiáng)度越,精密度就越好。例如SDD探測器性能優(yōu)于Si-PIN的一個重要指標(biāo)就是它允許更的計數(shù)通過率,并且保持分辨率不變。
準(zhǔn)確度
另一個反映儀器精度的指標(biāo)是準(zhǔn)確度,指的是檢測結(jié)果偏離真實(shí)值的程度,對于能量色散型XRF儀器而言,要得到好的準(zhǔn)確度,首先要有好的解譜算法得到準(zhǔn)確的特征線強(qiáng)度,其次要有好的、合適的定量方法從強(qiáng)度中得到準(zhǔn)確的含量。
譜線強(qiáng)度計算
簡單的計算譜線強(qiáng)度的方法是感興趣區(qū)加和(感興趣區(qū)邊界線性背景扣除),該算法的重復(fù)性誤差較小,可能更容易得到較好的檢測精密度,但這種算法對于重疊譜處理能力很差,在有譜重疊的情況下,難以得到譜線的真實(shí)強(qiáng)度。當(dāng)采用“標(biāo)準(zhǔn)”定量算法時這會帶來很大的準(zhǔn)確度方面的問題,但對于后面將要提到的折線法卻是有利的,因?yàn)檫@種算法的特殊性(非標(biāo)準(zhǔn)算法)可以使經(jīng)由不準(zhǔn)確的譜線強(qiáng)度得到的含量結(jié)果也“看起來很美”。通常,在科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腦RF分析軟件中為了得到較好的定量準(zhǔn)確度,會用到解譜算法,在有重疊譜的時候,能夠?qū)⒆V線強(qiáng)度計算的盡量準(zhǔn)確。這也是為什么我們采用解譜算法而不是前述簡單強(qiáng)度算法的原因。
兩大類定量算法
基于XRF的特點(diǎn),即元素特征X射線的強(qiáng)度與元素含量之間不是簡單的一元函數(shù)關(guān)系,它不僅與該元素的含量有關(guān)系,還與共存元素的含量有關(guān)系,即通常所說的基體吸收和增強(qiáng)效應(yīng)。在該情況下為了得到好的定量準(zhǔn)確度,從事XRF研究的學(xué)者們做了大量的工作提出了各種定量算法,簡單地可以分為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法和基本參數(shù)法兩大類 (理論影響系數(shù)法也是一種經(jīng)常被提到的方法,它是一種介于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法和基本參數(shù)法之間的一類算法)。
經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法
經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法通常假定一些共存元素對待測元素有影響(線性或非線性),用某個或某幾個影響系數(shù)來表示,而元素含量與熒光強(qiáng)度的關(guān)系用類似于,j=1…n(n影響元素的個數(shù))的某個假定的函數(shù)來表示,常用的是線性關(guān)系(多加上二次項(xiàng))。比如下面的形式是其中容易理解的一種表達(dá)共存元素影響的典型方程,考慮了共存元素的線性影響和二階影響:
通過測試一系列的標(biāo)準(zhǔn)樣品,得到各元素的強(qiáng)度Ii,用某種優(yōu)化算法來確定這些影響系數(shù)如A0, A1, Bj, Tj,使對全部標(biāo)樣的綜合誤差達(dá)到小,這就是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法的基本原理。
用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)發(fā)進(jìn)行標(biāo)定時,如何選擇影響元素是個需要非常謹(jǐn)慎面對的問題,理論上每種共存元素都會有影響,但如果要確定這么多的影響系數(shù),需要標(biāo)準(zhǔn)樣品的數(shù)量是很大的,所以一般會選擇有限的幾個主要影響元素,以減少標(biāo)樣需求。
另外,選擇什么樣的函數(shù)關(guān)系是非常重要的,由于吸收增強(qiáng)效應(yīng)的復(fù)雜性,幾乎可以肯定沒有簡單的影響函數(shù)可以準(zhǔn)確的描述共存元素的影響,無論怎樣都是近似的,可能在某個含量段系數(shù)和另一個含量段都不一樣,在此含量段擬合的公式換個含量段可能就不成立了。根據(jù)以上的分析,得出經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法定量的幾個特點(diǎn):
1, 需要一定數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)樣品,并且為了能夠得到元素之間的相互影響,需要標(biāo)準(zhǔn)樣品的各元素含量不存在相關(guān)性,這樣得到的影響系數(shù)才有意義,否則即使擬合出了一套系數(shù),反測標(biāo)樣結(jié)果可能很好,但在檢測實(shí)際樣品時,卻會得到錯誤的結(jié)果。即使標(biāo)樣含量不存在相關(guān)性,也不一定代表找到了*正確的擬合關(guān)系式,必須經(jīng)過實(shí)際的驗(yàn)證。
2, 由于吸收增強(qiáng)效應(yīng)的復(fù)雜性,使得經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法得到的擬合曲線一般只適用于標(biāo)樣所涵蓋的較小的含量區(qū)間,含量超出區(qū)間的樣品誤差不能保證。
3, 由于擬合參數(shù)的物理意義不明確,只能相信標(biāo)準(zhǔn)樣品,即使標(biāo)準(zhǔn)樣品定值是錯誤的,也能擬合出曲線,但結(jié)果的可靠性就很值得懷疑了,這在使用自己定值的標(biāo)樣時,尤其要引起足夠的注意。
雖然沒有明確的物理意義,但如果待測樣品成分變化范圍不大,系列標(biāo)樣滿足XRF分析標(biāo)樣的要求,模型選擇正確的情況下,是很好的定量分析方法,是X射線熒光光譜分析儀通常必須配置的定量算法。
“另類”的折線法
值得特別指出的是,有的廠家的XRF儀器配備一種實(shí)為折線法的所謂經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法(見下圖),只是簡單地把譜線強(qiáng)度和元素含量用折線連接起來,若有非單調(diào)上升的點(diǎn)則簡單剔除(下圖中紅顏色的點(diǎn)是剔除的點(diǎn)),這樣的所謂工作曲線,沒有對元素之間吸收增強(qiáng)效應(yīng)做任何校正,也沒有進(jìn)行任何優(yōu)化計算,只是簡單地將相鄰的點(diǎn)拉一條線段。由強(qiáng)度計算含量時看強(qiáng)度落在那個區(qū)間,就用那個區(qū)間的兩個點(diǎn)進(jìn)行差值求出含量。
這種算法*的“優(yōu)點(diǎn)”是可以將做工作曲線時所用到的標(biāo)樣測得“很準(zhǔn)”,或者只有當(dāng)待測樣品的各元素的含量與標(biāo)樣非常接近,才有可能碰巧得出較為“準(zhǔn)確”的結(jié)果。在稍有XRF理論基礎(chǔ)的人看來,這都是一種沒有任何使用價值的“定量分析”方法。
那么為什么這種錯誤的算法居然能讓用戶覺得使用效果不錯呢?一則用戶沒有很好的驗(yàn)證手段,二則確實(shí)測標(biāo)樣效果“很好”,用戶不好說什么,其三,如果把用戶的樣品作為“標(biāo)樣”加入到工作曲線(他們一般會這么做),在用戶實(shí)際樣品含量變化不大的情況下,報出的測試結(jié)果與用戶提供的“標(biāo)樣”較為接近,對用戶有一定的迷惑性。
上圖所示Mn工作曲線的例子很好地說明“折線法”是不科學(xué)的,如果用該曲線測試5#樣品(左圖中右側(cè)的紅點(diǎn)所示),Mn特征線強(qiáng)度為3730,用“折線法”進(jìn)行反算,得到的5#樣品Mn含量約為62.3%,與標(biāo)稱的64.8%有2.5%的偏差,這就是*無視基體中其他元素吸收增強(qiáng)的后果。圖中這個看起來怪異的紅色點(diǎn),其實(shí)既不是樣品含量的問題,也不是譜線強(qiáng)度的問題,恰恰是定量方法要解決的問題。下面會看到采用基本參數(shù)法是怎么解決的。
基本參數(shù)法
基本參數(shù)法是與經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法對應(yīng)的另一種重要的定量算法,是基于XRF的基本原理進(jìn)行定量計算的方法,依據(jù)嚴(yán)格的理論計算對基體吸收增強(qiáng)效應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確的校正,不再依賴于大量的標(biāo)樣,只要一到兩個含量準(zhǔn)確的標(biāo)樣,即可得到非常準(zhǔn)確的定量計算結(jié)果。這種判斷來源于即使采用大量的標(biāo)樣,所有的標(biāo)樣點(diǎn)都很好地落在一條直線上。
基本參數(shù)法的核心是根據(jù)X射線產(chǎn)生和與物質(zhì)相互作用的原理結(jié)合具體的儀器光路結(jié)構(gòu)和探測器能量響應(yīng)曲線對探測器接收到的熒光譜進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)值計算。下圖是反應(yīng)基本參數(shù)計算能力的例證。
從圖中可以清楚地看出,計算譜強(qiáng)度和實(shí)測譜強(qiáng)度非常好的線性關(guān)系;而從含量與譜線強(qiáng)度關(guān)系曲線上可以看到一些點(diǎn)是偏離甚至嚴(yán)重偏離直線的,而這種偏離正是基體吸收增強(qiáng)效應(yīng)的具體表現(xiàn)。定量方法的目的也正在這里,而不能像上述折線法一樣簡單刪除。
從這些標(biāo)準(zhǔn)樣品的計算譜強(qiáng)度和實(shí)測譜強(qiáng)度非常好的線性關(guān)系可以得出結(jié)論,采用基本參數(shù)法定量,只需要一到兩個標(biāo)準(zhǔn)樣品就夠用了,因?yàn)榧词乖黾佣嗌賯€標(biāo)樣,不過是直線上多了若干個點(diǎn)而已。但對標(biāo)樣的要求比較嚴(yán)格,含量定值要很準(zhǔn)確。如果不能保證每個標(biāo)樣的準(zhǔn)確性,好使用多個標(biāo)樣,只要大部分是準(zhǔn)的,也可以得到很好的結(jié)果。
如下圖是我們用基本參數(shù)法所做的BYG1908-2A(簡記為Cu1-Cu5)、BYG2004(4-1,4-2,4-3,4-4,4-5)和鉛黃銅Pb2、Pb3-1、Pb5、Pb6、Pb7三個系列15個標(biāo)樣的工作曲線:
我們用AAS對“標(biāo)樣曲線Sn”中偏離直線的點(diǎn)Cu3和Cu5和基本在直線上的點(diǎn)Cu2和Cu4進(jìn)行了驗(yàn)證,得到如下的測試結(jié)果:
Cu2 標(biāo)稱0.59 %,AAS測試0.65 %,XRF FP 測試 0.65 %
Cu3 標(biāo)稱1.20 %,AAS測試0.98 %,XRF FP 測試 0.99 %
Cu4 標(biāo)稱1.41 %,AAS測試1.41 %,XRF FP測試 1.37 %
Cu5 標(biāo)稱2.25 %,AAS測試1.81 %,XRF FP測試 1.83 %
兩種*獨(dú)立的測試方法,得到非常一致的檢測結(jié)果,雄辯地證明了FP法的準(zhǔn)確性。
從目前中國有XRF生產(chǎn)能力的公司的公開資料分析,仍然只有華唯公司真正地將基本參數(shù)法應(yīng)用到了實(shí)際的XRF儀器產(chǎn)品中,并取得了很好的效果。
本文總結(jié)
XRF檢測元素含量的精密度與特征譜線的強(qiáng)度(計數(shù)率)有關(guān),一般采用Si-PIN探測器的能譜儀,對合金中的主要元素的分析,標(biāo)準(zhǔn)偏差S約0.12%~0.20%。若采用SDD探測器應(yīng)達(dá)到0.05%到0.10%。采用波長色散XRF,主元素含量標(biāo)準(zhǔn)偏差S大約能達(dá)到0.02~0.04%。Si-PIN探測器對輕元素基體 (如水溶液、硅酸鹽、塑膠、鋁鎂等)中元素的檢測,微量元素的檢測精度S可達(dá)到幾個ppm,合金中微量元素的檢測S約10~50ppm不等。
基本參數(shù)法是目前XRF定量算法中、準(zhǔn)確、需要標(biāo)樣少的算法。目前國內(nèi)只有華唯公司*掌握了基本參數(shù)法在XRF上的應(yīng)用