地质样品分析的主要技术方法及其优缺点

地质分析测试工作是地质科学研究和地质调查工作的重要技术手段之一。其产生的数据是地质科学研究、矿产资源及地质环境评价的重要基础，是发展地质勘查事业和地质科学研究工作的重要技术支撑。现代地球科学研究领域地不断拓展对地质分析测试技术的需要日益增强，迫切要求地质分析测试技术不断地创新和发展，以适应现代地球科学研究日益增长的需求。

近年来，我国地质分析测试技术的发展顺应了国际地质实验分析测试技术发展的大趋势和国家地质工作重大调整对地质实验测试工作的需求，特别是结合新一轮国土资源地质大调查和重大地质工程项目的开展，地质野外装备规划实施，大型科学仪器的引进，极大地带动了实验测试技术的应用方法研究，使分析测试新技术的推广和普及上了一个新的台阶。

1 地质分析测试技术的发展趋势

2006年9月在北京召开了“第六届国际地质和环境材料分析大会”，这次会议的主题为“资源与环境材料的现代分析技术。大会针对环境和地球化学研究中的分析技术、微区和原位分析技术、同位素地球化学和同位素地质年代学、数据质量控制与标准物质、现场分析技术及仪器、样品制备技术、绿色实验室和分析技术等8个专题进行了充分的交流和讨论。此次国际会议进一步体现了近几届国际地质分析大会所表现出的地质分析领域的发展紧密围绕现代地球科学技术发展需求的特点，充分体现了地质分析测试技术从单纯资源分析向资源环境物料分析并重的发展趋势。地质实验测试技术从传统的无机分析向有机分析、形态分析，从宏观的整体分析向微观的微区原位分析，从单纯元素分析向同位素分析，从单元素化学分析向以大型分析仪器为主的多元素同时分析，从实验室内分析向野外现场分析拓展。适应现代分析测试仪器发展的绿色样品制备技术和方法、海量分析数据的自动化处理也成为了当今地质分析测试的研究热点。质量控制，地质实验测试方法标准和相关技术规范的研究和制订，标准物质的研制，功能强大、自动化程度高地专业化地质分析仪器及其辅助装置的研发也越来越引起国际地质分析界的重视。这些已成为当今全球地质分析测试技术发展的新趋势。

2 地质分析测试技术及其优缺点介绍

2.1 X射线荧光光谱(XRF)分析

X射线荧光光谱分析法作为一种成熟的现代分析技术广泛地应用于众多研

究领域，如地质、石油、生命科学领域等。X射线荧光光谱(XRF)是目前用于分析岩石样品的主要元素和微量元素最常用的方法，其适用性很广，能够分析80多种元素，检测的浓度范围可以从100％变化到几个ppm，且还具有对所需样品少，对人体辐射少等优点，因此它是一种高效快速的分析方法，能在相对较短的时间里进行大量的精确分析。

X荧光光谱仪是根据激发源入射的原级X射线激发样品产生的荧光X射线光谱进行物质成分分析和化学态研究的一种分析仪器，主要由激发、色散、探测、记录及数据处理等单元组成。激发单元的作用是产生初级X射线，主要由高压发生器和X光管组成。后者功率较大，用水和油同时冷却。色散单元的作用是分出想要波长的X射线，它是由样品室、狭缝、测角仪、分析晶体等部分组成。通过测角器以1∶2速度转动分析晶体和探测器，可在不同的布拉格角位置上测得不同波长的X射线而作元素的定性分析。探测器的作用是将X射线光子能量转化为电能，常用的有盖格计数管、正比计数管、闪烁计数管、半导体探测器等。记录单元由放大器、脉冲幅度分析器、显示部分组成，通过定标器的脉冲分析信号可以直接输入计算机，进行联机处理而得到被测元素的含量。

根据荧光X射线分光方式的不同，又可将X荧光光谱仪分为波长色散型和能量色散型光谱仪。其中，波长色散型是用晶体分光，而能量色散型分光则是由高分辨半导体探测器来完成。相对而言，能量色散型因采用分光元件，所有元素的X射线荧光信号及散射X射线信号同时被采集，因而是真正意义上的同时分析；但是，能量色散型的精密度和准确度较波长色散型差；两者的检出限各有千秋，后者分析轻元素检出限更好。无论是哪种类型的荧光光谱分析，其基本原理是基于用X射线激发样品，使之产生二次X射线，样品中的元素具有特征的二次X射线波长。参照校正标准，并对仪器误差和样品的成分对其二次X射线发射的效应进行适当的校准，二次X射线的强度就可用来确定元素的浓度了。这里需要说明的是，运用X射线荧光光谱分析必须有对应的标准物质来进行校正和标定。对于典型岩石样品的XRF分析主要有两种制样方法，岩石粉末压片用于微量元素分析，而由岩石粉末与亚硼酸锂或者四方硼酸盐熔融制成的玻璃片则用于主要元素分析。

X射线荧光光谱分析法的优点主要有：（1）分析的元素范围广，可测原子序

数5~92 (4Be-92U)的元素，且可支持多元素同时测定；（2）荧光X射线谱线简单，特征性强，相互干扰少，样品不必分离，分析方法比较简便；（3）分析浓度范围较宽,从常量到微量都可分析。其中重元素的检测限可达ppm量级，轻元素稍差一些；（4）分析样品可不被破坏（无损分析）；（5）分析速度快、准确，结果稳定、操作简便，便于自动化。但是荧光光谱分析也具有较为突出的缺点，即灵敏度低(>0.0X%)，且不能分析原子序数小于5的元素，此外对标准试样要求较为严格。

2.2 等离子光谱（ICP—AES）分析

原子发射光谱是光谱分析法中发展较早的一种方法。20世纪20年代，Gerlach 为了解决光源不稳定性问题，提出了内标法，为光谱定量分析提供了可行性。到60年代电感耦合等离子体光源的引入，大大推动了发射光谱分析的发展。

等离子光谱(ICP)是一种火焰温度(6000K～10000K)技术，它同样也是溶液技术，其原理是原子处于基态，即能量最低态的原子，吸收特定能量，被激发到高能级后，激发态的电子不稳定，要返回基态或者较低能级时，将电子跃迁时吸收的特定能量以光的形式释放出来，其中每一种元素都会发出一定波长的谱线，即特征谱线。ICP—AES通过其特征谱线和该光的强度，测量待测元素的浓度。

电感耦合等离子体发射光谱仪在结构上主要分为样品引入系统、光学系统、电子转换系统3大部分。其中样品引入系统包括蠕动泵、雾化器、连接管以及光源系统等；光学系统主要包括光源发射镜、狭缝板、光栅等分光系统；电子转换系统也称为检测系统，主要由移动检测器、光电倍增器、电子转换器等信号输出装置。其中ICP的检测系统大致分为两类，即单道扫描型和同时扫描型。

ICP具有灵敏度高、检出限低、选择性好、分析速度快特点，且能测定周期表中的大多数元素，此外还有所测样品用量小，能同时进行多元素的定性和定量分析，因此成为了元素分析最常用的手段之一。但是，由于等离子发射光谱是原子的光学电子在原子内各能级之间跃迁产生的线状光谱，反映的是原子及其离子的姓朱，与原子或离子来源的分析状态无关，因此，它只能用来确定物质的元素组成和含量，而不能给出物质分子的有关信息。此外，常见的非金属元素如氧、氮和某些卤素等的谱线在远紫外区，因此目前的一般光谱仪尚无法检测。

2.3 等离子质谱（ICP—MS）分析