現(xiàn)代實驗室型X射線熒光元素分布成像和形態(tài)分析技術的研究進展

沈亞婷，羅立強

國家地質實驗測試中心，北京 100037

引 言

實驗室型X射線熒光(X-ray fluorescence,XRF)和X射線吸收譜(X-ray absorption spectroscopy,XAS)技術在地質學、地球化學、環(huán)境科學、生態(tài)毒理學、食品安全、農(nóng)業(yè)科學、生物學、醫(yī)學、工程學、文物學、考古學和藝術學等領域都有著廣泛的應用。隨著X射線聚焦、單色分光等光學器件及探測器的發(fā)展，已經(jīng)可以實現(xiàn)在不依賴于同步輻射等高通量光源的前提下在實驗室表征元素在樣品中的二維(2D)和三維(3D)空間分布特征，以及提供某些特定元素的化學形態(tài)信息。近年來，各學科領域對元素空間分布和形態(tài)特征的分析檢出限和分辨率的要求不斷提高。本文將重點梳理近年來實驗室型XRF分析技術和實驗室型XAS技術在元素2D/3D成像和元素形態(tài)分析中的新進展。

1 基于實驗室XRF的元素空間分布成像技術

XRF技術可以在原位無損的條件下表征樣品中痕量水平的元素二維和三維空間分布特征，在地質、環(huán)境、考古、醫(yī)學等諸多學科領域發(fā)揮著重要作用。然而這些學科的發(fā)展也對實驗室型XRF微區(qū)分析技術提出了新的需求和挑戰(zhàn)： ①滿足樣品對多種空間分辨率的分析需求，比較典型的是生物樣品。與地質和考古樣品相比，生物樣品從器官、組織到細胞甚至亞細胞，空間結構差異性大，空間分辨率需求跨越mm到nm。②表征某些超痕量元素、低熒光響應元素(比如生物樣品中的碳、氫、氧等輕元素以及其他熒光產(chǎn)額較低的元素)和譜線易重疊元素的空間分布特征。③縮短探測時間。某些樣品的空間尺寸較大，要獲得元素的精細空間分布特征需要較長的探測時間，樣品易發(fā)生脫水、輻射損傷和元素化學形態(tài)變化?？偟膩碚f，提高分辨率、增加熒光響應強度、改善檢出限和縮短探測時間是近年來實驗室型XRF原位無損探測技術在表征樣品中元素空間分布特征時面臨的重要挑戰(zhàn)。

1.1 聚焦掃描型2D-XRF和3D-XRF元素空間分布探測技術

聚焦掃描型2D-XRF將聚焦的微束X射線照射到樣品表面，激發(fā)并探測樣品中出射的X射線熒光信號，通過逐點掃描的方式，獲得元素在樣品表面的二維分布信息。聚焦掃描型3D-XRF設備則在光源和檢測器上借助共焦光學器件，使用共焦體積掃描樣品獲得元素三維空間分布信息。聚焦掃描型微區(qū)XRF方法的優(yōu)點是具有較好的檢出限和空間分辨率，局限性在于： ①對樣品表面的平坦性要求較高； ②幾何面積(體積)較大的樣品測定需要耗費大量時間； ③當掃描步長大于焦斑的時候會遺漏步長之間的樣點信息； ④當使用高強度和強聚焦光束進行掃描時，可能帶來樣品輻射損傷[1]。本節(jié)將綜述近年來聚焦掃描型2D-XRF和3D-XRF技術在改善分辨率、檢出限、信噪比和基質干擾過程中的硬件和計算方法等方面的主要進步。

1.1.1 硬件的改進

近年聚焦掃描型2D-XRF和3D-XRF技術的硬件的發(fā)展主要包括新型X射線光源的發(fā)展、空間分辨率評估裝置的改進和X射線單色裝置的進步等，這些硬件裝置和技術的進步可以極大的改善X射線光源激發(fā)效率、空間分辨率和能量分辨率，降低本底干擾，縮短探測時間，并適應多種復雜類型樣品的分析需求，聚焦掃描型2D-XRF和3D-XRF技術與其他裝置組合裝配后還可以提供除了元素空間分布之外的其他樣品信息。

1.1.1.1 新型X射線光源的發(fā)展提高了光源激發(fā)效率

光源的強度直接決定了X射線對樣品的激發(fā)效率，因此，提高光源性能可以很好的改善激發(fā)效率。電子撞擊X射線源是用于實驗室研究和應用的緊湊型解決方案。其亮度隨著陽極處電子束功率密度的增加而變化，由于陽極表面的熱應力和損壞會降低輸出功率，因此對陽極材料的物理特性要求比較高。常用的旋轉陽極材料雖然可以一定程度上克服這一難題，傳統(tǒng)的實驗室型2D和3D-XRF裝置的光源為X射線光管，其功率相對不高，激發(fā)效率有限。近年來，出現(xiàn)了一些新型的X射線光源，它們在提升X射線光源性能方面有極好的前景。

與旋轉陽極相比，液體金屬射流源(liquid metal jet source)能夠承受更高的熱負荷，射流速度高(最高100 m·s-1)，提供了具有更快的再生速度和永久光滑的陽極表面[2]。有研究者嘗試使用液體金屬射流源作為激發(fā)源，采用Ga-In(95%/5%)金屬合金，有效源尺寸為20 μm×20 μm，電壓可達70 kV和最大功率為250 W[3]。通過液態(tài)金屬射流形式的可再生陽極可以獲得較高的運行功率，射流可以有效地將熱量帶走，并提供新鮮的撞擊表面。它產(chǎn)生的X射線通量大約是傳統(tǒng)的X射線固態(tài)陽極靶的十倍，將此液體金屬射流源作為光源用于共聚焦XRF技術中(如圖1)，可獲得高于傳統(tǒng)的微焦點X射線光管的亮度，激發(fā)輻射的強度可增加8倍以上，靈敏度系數(shù)可高達60，由于激發(fā)效率的提升，大大縮短了探測時間。一個30 W 50 kV的基于液體金屬射流源的X射線源的峰值光譜亮度可>2×1010photons/(s·mm2·mrad2×0.1% BW)，其X射線通量有望接近于彎轉磁鐵同步加速器源[4]。除了被應用于掃描型微區(qū)XRF，液體金屬射流源X射線光源在高分辨率成像、X射線顯微鏡、X射線相襯層析和X射線衍射等領域都有極好的應用前景。

圖1 借助液體金屬射流源開展共聚焦微區(qū)XRF的裝置圖[3]Fig.1 Set up for a confocal micro-XRF with a liquid metal jet source[3]

此外，基于熱釋電效應的X射線光源也被作為另一類新型光源系統(tǒng)引入實驗室型2D-XRF裝置中。熱釋電X射線發(fā)生器的輸出光源與傳統(tǒng)X射線管非常相似，當LiTaO3和LiNbO3等晶體溫度發(fā)生變化時，晶體的自發(fā)極化強度發(fā)生變化，這時晶體表面產(chǎn)生的電荷來不及被中和，晶體附近會形成很強的電場并電離周圍的空氣分子產(chǎn)生自由電子，電子在電場的加速下撞擊金屬靶，產(chǎn)生軔致輻射X射線和靶元素的特征X射線[5]。通過優(yōu)化探測器角度和最佳熱電X射線源氣體壓力可以獲得X射線一次聚焦光源。熱釋電X射線發(fā)生器得到的功率可達到1～27 keV，最大強度為每秒3 000個計數(shù)以上[5]。熱釋電X射線發(fā)生器中的晶體尺寸和形狀(如圓柱形和矩形)都會影響熱釋電X射線的激發(fā)效率，裝置中溫度的精確控制對光源穩(wěn)定性和焦斑形狀有很大影響，在未來研究中仍值得深入探索[6]。熱釋電X射線發(fā)生器的激發(fā)源和探測器體積都很小，在實驗室和便攜式小型化聚焦掃描型2D和3D-XRF中具有較好的應用前景[6]。

1.1.1.2 X射線聚焦性評估與改進裝置的進步

獲得聚焦X射線是聚焦掃描型2D和3D-XRF技術的關鍵。毛細管透鏡是聚焦型2D和3D-XRF裝置中X射線聚焦的重要部件，它可以通過控制X射線光束的傳播路徑而提供準平行(半透鏡)或聚焦的X射線光束(全透鏡)，毛細管透鏡的聚焦性能直接決定著2D和3D-XRF的空間分辨率。毛細管透鏡的實際聚焦性能通常與理論值存在差異，精確的掌握透過聚焦毛細管后的X射線的聚焦特征十分重要。近年來有研究發(fā)現(xiàn)氟化鋰(LiF)晶體板是一種很好的多功能輻射成像檢測器，可以用來表征微區(qū)XRF裝置中多毛細管光學器件的聚焦性能，分辨率可達幾個nm[7]，通過在聚焦光路的不同位置放置LiF晶體輻射成像探測器，讀取光學截面的信號面積和強度，可以計算單次曝光過程中X射線束通過毛細管光學器件后的層析成像特征，從而掌握臺式實驗室系統(tǒng)X射線多毛細管光學器件對X射線的聚焦性能[7]。通過這種方法，我們可以更精確的獲得聚焦X射線的焦斑位置、大小和形狀，評估焦斑上的X射線密度的均勻性等信息。

通常來說，評估共聚焦X射線熒光的聚焦和探測體積需要借助刀鋒、薄膜或金屬絲等材料，通過測量X射線在移動并通過這些材料時激發(fā)的熒光信號，可以確定激發(fā)體積的半峰寬。但是，該傳統(tǒng)方法不提供體積分辨形狀的信息，只能通過最大強度的位置來對準透鏡。近年來有研究提出可以借鑒掃描電子顯微鏡的校準方法，使用直徑為1～3 μm的球形鈾顆粒來進行體積分辨率的評估和計算，結果顯示3D共聚焦XRF的有效探測共焦體積為明顯的扁長球體，在共焦檢測器的軸上更長[8]，最長軸的直徑約為25 μm，而較短軸的直徑約為15 μm，計算出的共焦體積約為3 000 μm3，為更好的認識3D-XRF的共焦探測體積單元的幾何形狀及其體積大小提供了重要途徑，為我們在測定過程中準確的得到樣品中元素的空間分布特征，更科學的評估和改進X射線光源系統(tǒng)和光學聚焦系統(tǒng)的性能提供了重要依據(jù)。

通常來說被分析的樣品表面是粗糙和不平整的，這會導致樣品的照射點與多毛細管光學系統(tǒng)的出口之間的距離是變化的，因此X射線的聚焦尺寸無法保持恒定，降低了測量的準確性和實際空間分辨率。近年有研究開發(fā)出新型的便攜式微區(qū)XRF光譜儀，它引入了一個新型的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)由激光位移傳感器步進電機、樣品臺和由LabVIEW語言開發(fā)的計算機控制程序組成?；谶@種閉環(huán)反饋系統(tǒng)，微區(qū)XRF可以使聚焦X射線光斑的尺寸保持恒定。通過動態(tài)調整樣品與光學系統(tǒng)之間的距離，確保光斑大小一致，改善樣品不平整問題。將這種動態(tài)調整樣品、探測器與光學系統(tǒng)之間的相對距離的裝置與無閉環(huán)反饋調節(jié)的裝置相比，表征的元素分布特征的結果更接近于樣品中真實的元素分布特征[9]。

1.1.1.3 單色和真空系統(tǒng)降低本底和輕元素干擾

使用X射線的單色激發(fā)可以大幅提高信噪比，改善分析檢出限。通過使用雙曲面彎晶可同時實現(xiàn)X射線的單色和聚焦(將在第二部分重點介紹)，大幅降低光管連續(xù)線的散射線背景干擾，獲得的XRF光譜具有與同步加速器源接近的譜峰本底值，獲得過渡金屬的亞mg·kg-1水平的檢出限[10]。此外，在X射線激發(fā)樣品和探測器接收信號的光路中，空氣中的輕元素會對X射線有明顯的吸收和干擾，將XRF裝置置于真空系統(tǒng)中可以提高對樣品中輕元素的激發(fā)。使用帶有真空室的共聚焦XRF分析輕元素，通過Rh陽極X射線管，RhL譜線可以更有效地激發(fā)輕元素，通過鋁箔消除RhL線對ClK線的能量的影響，Cl元素的檢出限可達到11.9 mg·kg-1 [11]。

1.1.1.4 微空間偏移拉曼光譜法和共聚焦XRF等聯(lián)用技術

微區(qū)XRF設備還可與其他設備組合，在測定元素空間分布特征的同時采集其他信號，以提供更多樣品信息。有研究將微空間偏移拉曼光譜法(micro-SORS)和共聚焦XRF組合并應用于無損探測1 μm～2 cm的分層涂漆，復合涂層材料涉及含有Pb，Cd，Co，Bi，Ti和Cu等元素的涂層、石材和紙張。Micro-SORS可以獲取化學特異性(分子)的空間拉曼信號，而共聚焦XRF可以提供元素空間分布信息，因此元素信息和分子信息便可以整合在一起，從而使顏料和填充劑在涂層中得以無損定位[12]。

同時，現(xiàn)代微區(qū)XRF實驗室需要滿足不同樣品尺寸和空間分辨率的分析需求，可通過裝配多套不同能量和尺寸的2D和3D-XRF裝置實現(xiàn)?，F(xiàn)代微區(qū)XRF實驗室的一個典型成功案例是弗拉斯卡蒂國家實驗室的XLab Frascati“彩虹X射線”實驗站[13]，它開發(fā)了基于共焦幾何的多毛細管透鏡實驗站，裝配的兩套光譜儀可以分別在高X射線能量和低X射線能量下(6～30 keV)滿足對不同元素的分析需求，配備了更大的樣品臺和更大移動幅度的工作滑臺，可測定尺寸范圍從mm到m級別的樣品，光斑大小為80 μm×80 μm(2D-XRF)和80 μm×80 μm×80 μm(3D-XRF)。該模塊還與全反射XRF相結合，測定元素最低含量為(25±1.25) μg·g-1(AuL線)[14]。

1.1.2 計算方法的優(yōu)化

大部分環(huán)境和地質類樣品普遍存在密度、厚度和基體差異，容易帶來分析誤差，計算方法的優(yōu)化可以校正或減小這些誤差，包括基于迭代計算、基本參數(shù)法、主成分分析、康普頓散射和瑞利散射的校正方法。更重要的是，微區(qū)XRF光譜數(shù)據(jù)中通常包含了樣品基質和深度特征等元素含量信息之外的其他信息，通過深入挖掘原始的光譜數(shù)據(jù)，還可以幫助我們加深對樣品組成和結構的理解。

1.1.2.1 減小樣品異質性帶來的誤差

康普頓(Compton)散射與瑞利(Rayleigh)散射經(jīng)常被用于校正樣品異質性帶來的誤差。如在使用2D-XRF揭示元素在植物—土壤—巖石界面的分布特征時，借助Rayleigh×Rayleigh/Compton可以更好的校正Ca，Mn，F(xiàn)e，Zn，Cu和Pb在界面中的分布特征，而借助Rayleigh/Compton可以更好地校正界面中的K元素分布特征[15]，校正后的元素在界面上的分布特征更接近于真實情況。

除了散射峰校正，像素迭代計算和提取樣品恒定吸收量等方法也可以很好的校正樣品密度和厚度差異帶來的誤差。有研究通過步長和XRF光斑幾何尺寸的迭代來計算每個像素單元中的光路，應用比爾-朗伯定律校正XRF的衰減，使用前一個步驟中的值來迭代計算質量分布的XRF強度，直至前一個步驟與當前步驟之間的強度差小于閾值。通過NIST和SRM 標樣以及生物炭實際樣品驗證該校正方法，結果顯示校正后元素的分布特征更接近于真實值[16]。除此之外，通過計算與厚度和元素相關的激發(fā)能和實際體積像素，可以提取樣品恒定吸收量并實現(xiàn)厚度校正，該方法被成功應用于校正存在切片厚度差異的植物種子胚中的元素的微區(qū)XRF分布特征[17]。

1.1.2.2 矯正幾何陰影和改善圖像清晰度

微區(qū)XRF分析多在空氣介質中進行，光源-樣品-探測器之間存在的氣體介質間隙會帶來幾何陰影。有研究借助光源-樣品之間空氣的Ar信號對X射線進行歸一化，通過獲得X射線能量分布、X射線透鏡的透射函數(shù)以及由于大探測立體角而導致的探測效率差異，得到元素面密度，可校正氣體間隙帶來的幾何陰影[18]。使用厚度為5～7 μm的Fe，Ni和Cu箔評估校正結果，其厚度誤差僅0.092 μm。

此外，某些元素本身的XRF強度不高，容易導致圖像清晰度不夠，通過優(yōu)化計算方法也可以改善。如通過主成分分析(PCA)法，改進濾波圖像中XRF強度的標準偏差，可以改進弱峰的信號，提升圖像清晰度[19]。通過使用微區(qū)XRF對干燥后的標準溶液殘留物進行分析，將獲得的數(shù)據(jù)矩陣A進行PCA分析獲得主成分，再使用PCA過濾獲得新的矩陣B，將矩陣B用于繪制新的二維分布圖像，可以發(fā)現(xiàn)圖像的清晰度得到了很大的改善。

1.1.2.3 挖掘更多樣品信息

2D-XRF和3D-XRF技術不僅可以獲得元素在樣品中的空間分布信息，通過對原始數(shù)據(jù)進行進一步的挖掘，還可以獲得樣品的深度、表面形貌、輕元素組成等更多的信息，這對于我們進一步理解樣品的特征具有十分重要的意義。

首先，通過優(yōu)化計算方法可以獲得樣品表面形貌特征。有研究通過基于漸進逼近的表面自適應計算方法獲得樣品的表面形貌特征，這個技術被應用于分析馬加窯文化彩繪陶器碎片，實現(xiàn)了樣品表面形貌和3D元素分布特征的映射[20]。3D元素分析顯示紅色顏料、黑色顏料和陶器涂層分別包含大量的Fe，Mn和Ca，通過在不同深度進行3D元素映射和渲染，清楚地顯示了各個涂層的3D分布特征(圖2)[20]。本方法可以同時獲得樣品的表面形貌和3D元素映射，此方法非常適合表面不平坦樣品的分析。

圖2 共聚焦3D-XRF分析古陶器碎片中Ca，F(xiàn)e，K，Mn，Ti的表面涂層3D元素分布與表面形貌的映射特征[20]Fig.2 Confocal 3D-XRF analysis of Ca,Fe,K,Mn and Ti localizations in the surface coating ofan ancient pottery fragment piece[20]

其次，由于深層物質的特征X射線易于被淺層物質吸收，往往很難獲得深層樣品的信息，通過層間吸收系數(shù)校正等計算方法，可以挖掘深層樣品分布信息。有研究使用這種方法重建了油畫中被覆蓋的涂層信息[21]。同時，3D-XRF共聚焦數(shù)據(jù)還可以通過重建深度輪廓來提取涂層的組成和厚度等半定量信息，實現(xiàn)樣品三維可視化[22]。

此外，低原子序數(shù)元素(尤其是C，O和H等)分布信息對掌握某些樣品的特性也具有重要意義，借助康普頓散射與瑞利散射可以挖掘這些低原子序數(shù)元素的分布特征信息[23-26]。通過計算康普頓散射與瑞利散射的比值，可以估測原子序數(shù)<11的輕元素分布特征。該方法被應用于監(jiān)測高溫條件下陶瓷的被氧化情況[24]，其操作方法為使用3D-XRF測定碳化硅(SiC)陶瓷，建立SiC康普頓散射與瑞利散射比和原子序數(shù)之間的回歸關系，揭示SiC陶瓷中原子序數(shù)與C，Si和O含量變化的線性關系，從而可以定量計算高溫條件下SiC陶瓷成分分布的變化，該方法對比X射線光電子能譜(XPS)測定的C，Si和O結果相對偏差值小于1%[24]。本方法還被成功應用于植物油品種和質量的無損識別中[26]，由于不同植物油(如大豆油、橄欖油、玉米油等)中的飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸、多不飽和脂肪酸、反式脂肪酸、碳水化合物和維生素E含量不同，植物油的平均有效原子序數(shù)存在差異，通過建立瑞利與康普頓散射強度比和植物油有效原子序數(shù)的校準曲線，可以準確識別植物油中的有機雜質。此外，該方法還被NASA應用于2020年的X射線巖石化學行星儀中用于宇宙探測[25]。

1.2 全場型微區(qū)XRF成像技術

全場型微區(qū)XRF(full field-micro X-ray fluorescence,FF-MXRF) 成像系統(tǒng)是一種基于像素檢測器與多毛細管光學器件相結合的微區(qū)XRF方法。在FF-MXRF中，主要的X射線束未聚焦，而是照亮了樣品的整個表面，樣品發(fā)出的XRF穿過針孔并自由落在檢測器上，針孔像照相暗箱一樣產(chǎn)生倒置的樣品X射線圖像。與掃描型微區(qū)XRF相比，F(xiàn)F-MXRF技術相當于一種X射線的彩色照相機，不需要移動部件就可以實現(xiàn)成像，在較短時間內就可以獲得元素分布信息，機械操作性能簡單、系統(tǒng)成本低、尺寸緊湊且易于使用，是另一類實驗室型X射線熒光成像的有效工具，在一定程度上可以克服掃描型微區(qū)XRF的部分缺點。

通過巧妙借助FF-MXRF還可以提高某些特殊元素的靈敏度。稀土元素(REE)對理解隕石演化和地球深部過程具有重要意義，但是其熒光L線通常與相鄰元素的特征XRF譜線僅相距幾個eV，尤其是當存在過渡金屬K線的情況下，無法通過能量色散方法解決。有研究針對REE分析開發(fā)了高靈敏度波長色散X射線熒光光譜(WD-XRF)技術，將樣品發(fā)出的特征X射線由固定的Ge(111)分析器晶體分散在能量色散全場pn電荷耦合器件檢測器的有效區(qū)域上，使用能量色散2D檢測器消除更高階衍射效應或其他衍射平面的潛在貢獻，減少散射背景，提高靈敏度[27]。該方法可以很好的用于測定4.5～7 keV之間的稀土元素的空間分布特征，對于REE特征L線檢出限<0.50 mg·kg-1，從而實現(xiàn)了高靈敏度REE分布特征表征。

FF-MXRF技術的發(fā)展得益于精密的電荷耦合元件(pn-charge coupled device,pn-CCD)的進步[28]。pnCCD發(fā)揮著檢測器腔室的作用，該腔室在單個光子計數(shù)方式下運行，信號與入射到檢測器上的熒光光子的能量成正比，即結合了空間分辨率和能量分辨率。有研究裝配的FF-MXRF使用了一組264×264的硅像素陣列，橫向尺寸為48 μm，有效面積為12×12 mm2，幀速率為1 kHz，能量分辨率在5.9 keV時<160 eV，通過使用1∶1和1∶6兩組不同的多毛細管光學器件，空間分辨率可分別達到50 μm和5μm，這證明使用常規(guī)金屬氧化物半導體CCD檢測器進行熒光X射線能量色散檢測是可行的[29]。單光子計數(shù)中的多圖像采集以及基于每個采集圖像算法的實時程序開發(fā)使能量分辨率在能量5.9 keV時從152 eV提高至133 eV。通過將CCD與針孔準直儀耦合并使用低功率X射線管作為主要X射線源，可以將待測物尺寸放大3倍，空間橫向分辨率達到25 μm。同時，也可以對樣品尺寸進行縮小處理，使得視野達到50×50 mm2，空間分辨率達到140 μm[30]。

與CCD一樣，方孔微通道板X射線光學系統(tǒng)(Micro-Pore Optics,MPO)(也稱方形多通道板光學系統(tǒng))也是FF-MXRF中的重要組成部分。平面MPO覆蓋與探測器尺寸相對應的表面積，自由度高于球形MPO。有研究者開發(fā)了一套命名為“CartiX”的新型FF-MXRF[31]，利用兩個微型X射線管、一個方孔微通道板X射線光學器件和一個直接照明CCD相機來收集13×13 mm2區(qū)域的XRF信號，空間分辨率可以達到200 μm，其結構和成像原理如圖3所示，可用于博物館和考古現(xiàn)場樣品的元素分布研究，也被NASA應用于行星探索。

圖3 方孔微通道板全場型微區(qū)XRF成像系統(tǒng)原理示意圖[29]Fig.3 Schematic diagram of the Micro-Pore Optics Fullfield micro-XRF imaging system[29]

常規(guī)微區(qū)XRF技術多用于表征元素的靜態(tài)分布特征，而FF-MXRF則在描述樣品元素分布的動態(tài)變化(即實現(xiàn)X射線電影拍攝)方面具有顯著優(yōu)勢，是未來探索動態(tài)化學反應的有效工具。目前FF-MXRF主要借助同步加速器設施，通過在可見光互補金屬氧化物半導體(CMOS)相機前面放置微針孔，CMOS相機像素為2 560×2 160，像素間距為6.5 μm× 6.5 μm，傳感器電冷卻至5℃，可實現(xiàn)多元素X射線電影成像，空間分辨率可達15 μm[32]。該FF-MXRF攝像機光學窗口為厚度25 μm的鈹窗，將鎢箔(厚度為50 μm)上鉆一個針孔并置于X射線窗前，以單光子計數(shù)模式計算光子能量，并集成濾波方法進行電荷共享校正，2 min之內可以實現(xiàn)一幀空間分辨率為50 μm的圖像拍攝。這套方法雖然是借助于同步輻射光源實現(xiàn)的，但這也讓我們看到了將CMOS相機應用于實驗室FF-MXRF并實現(xiàn)X射線電影拍攝的巨大前景。

FF-MXRF技術存在分辨率的限制，針孔直徑的選擇是分辨率和效率之間的折衷： 較小的孔可以提高分辨率，但也減少了入射到檢測器上的光子數(shù)量。計算方法對改進FF-MXRF的分辨率具有非常重要的意義。如子像素算法可減少CCD像素大小對分辨率的限制，更精確地處理光子足跡，使用實時圖像堆疊，突破了48×48 μm2的分辨率限制，實現(xiàn)子像素的校正[33]。方孔微通道板X射線光學系統(tǒng)本身十分依賴于完善的計算方法和模型，對方孔微通道板X射線光學系統(tǒng)點擴散函數(shù)(PSF)進行建模，通過更改成像參數(shù)，驗證射線追蹤模擬結果，優(yōu)化方孔微通道板X射線光學系統(tǒng)參數(shù)(厚度和孔徑與厚度之間的比率)和實驗參數(shù)(X射線能量和工作距離)，可以改善方孔微通道板X射線光學系統(tǒng)的成像性能[34]。

1.3 XRF計算機斷層掃描技術

XRF計算機斷層掃描(XRF-CT)是另一種基于X射線熒光的分析技術，也可以獲得微觀尺度的3D元素分布信息。與共焦XRF相比，XRF-CT儀器的安裝要求更低，只需要配置額外的旋轉臺和高準直的X射線光學器件。XRF-CT可以通過旋轉不同的角度對樣本進行線掃描來收集XRF正弦圖，獲得斷層圖像數(shù)據(jù)，最終通過算法重建得到樣品虛擬切片中的元素分布特征。在過去十年中，XRF-CT已經(jīng)發(fā)展成為基于同步加速器的常規(guī)高空間分辨率探測技術[35-36]。

實驗室X射線源，X射線光學器件和檢測器技術的發(fā)展都推動了實驗室XRF-CT的進步。有研究利用單毛細管光學器件、硅漂移檢測器和新型Mo X射線管(50 W，50 kV)裝配了實驗室型XRF-CT裝置(如圖4)，空間分辨率為20 μm，能量分辨率為130 eV(5.9 keV時以MnKα計算)[37]。XRF-CT裝置的性能在硬件上很大程度上依賴于高精度的(大約100 nm)空氣軸承電機系統(tǒng)[38]。它通過使用等角度步長在0～360°的旋轉角度范圍內進行XRF線掃描，獲得切片中每個元素的XRF正弦曲線，用軟件擬合并檢索樣品中每個元素的正弦圖，并使用通過濾波后的反投影將其重建，最終可獲得虛擬切片中元素的分布特征[37]。

圖4 XRF-CT主要部件組裝圖[37]Fig.4 The main components of XRF-CT[37]

XRF-CT技術近年在計算方法上也有諸多進展。首先，改善散射背景干擾在XRF-CT中非常重要。常規(guī)的算法采用似然期望最大化(ML-EM)算法，它僅考慮XRF信號的噪聲模型，重建圖像時會帶來由散射光子引起的高統(tǒng)計噪聲。有研究提出一種用于臺式XRF-CT圖像重建的散射噪聲模型增強型算法[39]，它在似然函數(shù)中考慮了散射光子的統(tǒng)計噪聲，并相應地修改了迭代步驟，從而抑制了由康普頓散射光子引起的統(tǒng)計噪聲，減少了散射背景噪聲。與傳統(tǒng)的ML-EM算法相比，該算法可獲得低背景噪聲、高對比度的圖像。還有的研究提出基于反卷積的XRF信號提取方法[40]，提取的信噪比具有足夠高的能量分辨率，這種XRF信號提取方法既可以放寬對探測器能量分辨率的嚴格要求，又不會降低臺式XRF-CT的靈敏度。此外，如何評估重建準確性也是XRF-CT中的重要研究方向，針對小動物XRF-CT技術，有研究使用高度加速的蒙特卡洛工具與精確的小動物體模結合，實現(xiàn)了小動物全身的逼真模擬，可用于評估大型器官以及mm狀腫瘤上的重建算法的定量性能及準確性[41]。

2 實驗室型X射線吸收譜技術

2.1 實驗室型X射線吸收譜技術硬件發(fā)展

X射線吸收譜技術(X-ray absorption spectroscopy,XAS)是一種獲得元素形態(tài)和配位特征的原位分析技術，在材料學、環(huán)境科學、生物學和醫(yī)學等領域有著非常重要的應用。XAS的原理為原子在吸收X光子后，內層電子被激發(fā)出來，形成向外出射的光電子波，出射光電子波在向外傳播過程中，受到鄰近原子的作用而被散射，散射波與出射波的相互干涉改變了原子的電子終態(tài)波函數(shù)，導致原子在高能側對X射線的吸收出現(xiàn)振蕩。

現(xiàn)代XAS技術的關鍵是需要高亮度及波長可調的X射線，因此常借助同步輻射光源，但受限于同步輻射設施寶貴的機時成本和巨額的運營成本，人們對實驗室型X射線吸收譜技術的需求不斷增加。近十年，單色聚焦光學系統(tǒng)(尤其是超環(huán)面彎晶、球面彎晶、柱狀彎晶等光學系統(tǒng))飛速發(fā)展顯著提高了單色激發(fā)源的光通量； 同時，隨著高分辨能量探測器尤其是硅漂移探測器的出現(xiàn)，使得新型探測器及其光學系統(tǒng)能量分辨率可達到0.5～1 eV，從而使得XAS分析可以不再僅僅依賴同步輻射裝置，為在實驗室實現(xiàn)原位元素形態(tài)分析打開了一扇大門。

XAS的X射線聚焦和單色分光可分為布拉格(Bragg type)反射和勞厄(Laue type)透射兩種模式。大部分反射型彎晶采用Johann，Johansson和von Hamos幾何設計，透射模式則主要采用Dumond和Cauchois幾何設計。以下將從布拉格反射和勞厄透射兩個方面總結近年來的XAS單色聚焦技術的發(fā)展。

2.1.1 基于布拉格反射模式的聚焦和單色分光系統(tǒng)的發(fā)展

2.1.1.1 超環(huán)面彎晶光學分析系統(tǒng)

超環(huán)面彎晶(toroidal doubly curved crystal，TDCC)光學系統(tǒng)是一種可用于實驗室X射線吸收近邊結構(X-ray absorption near edge structure，XANES)的微聚焦單色器件，目前可用于Mn/Mn2+/Mn7+和Cr3+/Cr6+的形態(tài)分析[42]。該裝置基于Johann原理，采用θ-2θ及線掃描方式進行XANES分析[42]。TDCC光學系統(tǒng)對特征X射線具有唯一性，在有限光子能量范圍內，超環(huán)面晶體的聚焦和反射不隨晶體取向的微小變化而發(fā)生顯著改變。利用這一特性，將晶體沿垂直于焦面的中軸傾斜旋轉θ角，便可在約100 eV的幅度內調諧入射X射線能量。該裝置光學系統(tǒng)聚焦的焦點大小為30～80 μm，能量分辨率3.5 eV。采用50 mm2的SDD探測器，測定時間10 s·點-1，可以測定濃度為2%～3%的Mn，Mn2+和Mn7+。采用Si(PIN)探測器，可以測定濃度為0.1%的Cr3+和Cr6+。采用50 W聚焦X射線光源，可再增加20倍的X射線激發(fā)強度，從而達到<100 ng·g-1的理論檢出限[42]，這一理論檢出限可與同步輻射裝置的吸收譜分析媲美，滿足絕大多數(shù)形態(tài)分析技術的需求。利用該裝置可觀察到細胞中的Cr6+被還原為Cr3+。

2.1.1.2 鑲嵌式彎晶光學系統(tǒng)

高淬火熱解石墨(highly annealed pyrolitic graphite，HAPG)鑲嵌式彎晶光學系統(tǒng)采用Von Hamos幾何設計，它利用高淬火熱解石墨作為分光晶體，由CCD進行能量分辨[43]。它用鑲嵌式平晶滿足Johansson幾何角條件，HAPG的分辨率E/ΔE=2 000。對于CuK線吸收邊(Kabs=8.979 keV)來說，HAPG的ΔE～4.5 eV。用HAPG鑲嵌式彎晶光學系統(tǒng)的優(yōu)點是可獲得較大的光通量，但能量分辨率尚且不足。

2.1.1.3 環(huán)面平晶光學系統(tǒng)

利用Von Hamos原理的晶體單色光學系統(tǒng)設計多用于同步輻射。2016年，有研究報道了利用Von Hamos原理的環(huán)面平晶單色光學系統(tǒng)[44]，該裝置采用水冷X射線管和Cu靶，焦斑1.2×0.4 mm2，離源25 cm處的光源直徑約33 mm(10 kV，40和60 mA)，8.333和10 keV處的光子通量分別為1.5×109和5.2×109光子·s-1×mm2。采用一維1 280像素陣列探測器，像素大小50 μm，高度8mm。由該環(huán)面平晶光學裝置可以獲得很好的Ni和Co的XANES譜，如圖5所示。

圖5 環(huán)面平晶單色光學系統(tǒng)所測Ni(a)， Co(b)XANES譜[44]

2.1.1.4 球面與柱面彎晶光學系統(tǒng)

彎晶光學系統(tǒng)主要是基于羅蘭(Rowland)圓原理，主要包含柱型彎晶分光器(CBCA)和球形彎晶分光器(SBCA)兩類技術。柱型彎晶光學系統(tǒng)的能量分辨率在2～14 eV之間，它需要在Rowland面進行準直，導致單色器有效立體收集角損失，因此要獲得更好能量分辨就會降低單色效率。采用球形彎晶分光器系統(tǒng)，能量分辨率可達1 eV以下，且比傳統(tǒng)柱形彎晶更大的立體收集角，故效率更高[45]。

目前球型彎晶系統(tǒng)多采用Ge和Si單晶來構建Johann球面彎晶單色器光學系統(tǒng)[45]。采用小功率X射線管(10 W)為激發(fā)源，用SDD探測器測定厚度為4 μm的Co箔樣品，得到的XANES譜可與SR-XANES結果相媲美(圖6)[45]，借助常規(guī)商用X射線光管，單色光子通量可以達到106～107光子·s-1。目前采用球型彎晶光學系統(tǒng)構建的XANES分析系統(tǒng)能量范圍為5～10 keV，分辨率1 eV，已完全可以應用于實際樣品的XANES分析。

圖6 球面彎晶XANES(a)及實驗室與 同步輻射XANES比較(b)[45]

2.1.2 基于勞厄透射模式的聚焦和單色分光系統(tǒng)的發(fā)展

勞厄型(Laue)彎晶光學系統(tǒng)在XANES技術中主要有兩種光學系統(tǒng)模式，即Dumond透射彎晶光學系統(tǒng)和Cauchois透射彎晶光學系統(tǒng)。

Dumond型透射彎晶光譜儀主要用于高能X射線分析，它在X射線發(fā)射光譜(XES)和共振非彈性散射(RIXS)中得到了一定程度的應用； 由于空間的限制，在同步輻射和X射線自由電子激光研究中大部分測量還是基于Bragg型晶體光譜儀，只有少量配置了短焦距的彎晶Laue型光譜儀。最近，有實驗室研發(fā)了勞厄Dumond模式光學裝置并獲得了成功應用[46]。勞厄型Dumond透射彎晶光譜儀采用柱狀彎晶，衍射效率較高，ΔE一般在2.40～3.11 eV之間，可用于20 keV以上的光子探測，最小理論能量范圍7.4 keV，分辨率2.2 eV(@MoKα1=17.479 keV)。該裝置的特點是可進行高能量(7～20 keV)X射線XANES譜測量，但僅可測定高含量樣品，且分辨率和檢出限尚不能達到實用需求。

Cauchois透射彎晶光學系統(tǒng)同樣應用了勞厄原理[47]，該系統(tǒng)采用100 μm柱狀石英彎晶，輻射源位于Cauchois幾何配置中晶體的凸面一側，光譜線在晶體反面的羅蘭圓上聚焦，探測器位于羅蘭圓上，由該裝置測得Cu箔的吸收邊及擴展X射線吸收譜精細結構(extended X-ray absorption fine structure，EXAFS)，如圖7所示。目前勞厄型Cauchois透射彎晶光學系統(tǒng)的能量適用范圍為6～15 keV，能量分辨率1.92 eV，其分辨率和檢出限也有待提高。

2.2 實驗室型X射線吸收譜裝置特性比較

不同的X射線單色和聚焦模式?jīng)Q定了實驗室型XAS裝置的光源-樣品-探測器裝配的相對空間位置的不同以及最佳能量段、檢出限、分析速度和采譜時間等性能差異。

首先，不同的X射線單色和聚焦模式下光源-樣品-探測器的相對位置存在較大區(qū)別。由于布拉格衍射平面與入射方向的晶體表面平行，探測器與入射源位于同側； 而勞厄衍射平面垂直于入射面，入射光子穿過晶體后到達探測器。

其次，不同的X射線單色和聚焦模式還決定了XAS分析的最佳能量段。由于光譜儀幾何角的制約，反射性晶體的最小適用Bragg角不能小于20°。對于常用的石英、Si和Ge單晶，2d約為0.3～0.5 nm，在θ≥20°幾何條件約束下，對應于光子能量范圍E≤7～12 keV。在應用Bragg晶體衍射時，高能光子穿透深度大，還會產(chǎn)生X射線展寬效應，故反射型晶體分光系統(tǒng)常用于10 keV以下的X射線探測[46]。對于勞厄衍射而言，晶體吸收會導致衍射輻射發(fā)生衰減，1 mm厚的石英對輻射能量為10 keV光子吸收率可達99%，故透射模式多用于20 keV以上的光子探測。

此外，不同X射線單色和聚焦模式也決定了分析速度、分辨率和檢出限。基于von Homos設計的HAPG鑲嵌單晶光學系統(tǒng)，降低了采譜時間，但其分辨率仍然還達不到進行XANES譜精細結構分析的要求。若采用多段式硅單晶von Homos的環(huán)面單色光學系統(tǒng)，可以實現(xiàn)一次完成全譜采集，因此所需采譜時間較短。但這一設計主要適用于計數(shù)率高、信噪比好，樣品中待測元素濃度較高時的形態(tài)快速測定。采用von Homos幾何設計的柱狀單色光學系統(tǒng)，在垂直于X射線傳播面實現(xiàn)光子聚焦，在平行方向實現(xiàn)能量色散，并由以位置確定能量的一維能量探測器記錄光子信息。這種von Homos柱狀單色光學系統(tǒng)主要在同步輻射和X射線自由電子激光裝置中使用，較少用于實驗室XANES分析。采用充He光路的球面彎晶單色光學系統(tǒng)[45]，運用了Johann單色晶體實現(xiàn)波長色散，利用彎晶設計將單色光聚焦于待測樣品上，同時結合采用高亮度微束X射線光源和高分辨SDD探測器，使其分辨率達到了同步輻射裝置的水平，在可接受的時間內也獲得了進行XANES分析所需的充足計數(shù)率[44]，適用于元素濃度較低的樣品的XANES分析。

3 結論與展望

近十年來，現(xiàn)代實驗室XRF和XAS技術在開展元素空間分布和形態(tài)特征分析中占有十分重要的位置。實驗室型XRF元素空間成像和實驗室型X射線吸收譜技術的主要進步取得了如下主要進展： 液體金屬射流源和熱釋電X射線發(fā)生器等新型實驗室X射線光源系統(tǒng)，它們具有提高X光源激發(fā)效率的巨大潛力，在2D/3DXRF中有很好的應用前景。閉環(huán)反饋系統(tǒng)可以克服樣品表面不平整的缺陷、X射線單色和真空系統(tǒng)在降低本底和輕元素干擾發(fā)揮重要作用。電荷耦合元件和方孔微通道板技術的進步促進了FF-MXRF的進步。超環(huán)面彎晶、球面彎晶和柱狀彎晶等單色聚焦系統(tǒng)的發(fā)展推動了實驗室型XAS技術的發(fā)展。計算方法的不斷完善也極大的促進了實驗室型XRF元素空間分布成像技術和實驗室型XAS技術的進步，尤其是2D/3D XRF技術和XRF-CT技術的發(fā)展。

實驗室型XRF元素空間分布成像技術和X射線吸收譜技術在飛速發(fā)展的同時仍然面臨很多挑戰(zhàn)，比如需要不斷提高檢出限、獲得更好的能量分辨率、縮短探測時間、適應更復雜多樣的樣品分析需求和提供更多樣品信息等。未來的現(xiàn)代實驗室XRF和XAS技術發(fā)展趨勢為：

(1) 進一步開發(fā)新型的X射線光源系統(tǒng)，改善X射線光源的激發(fā)效率和亮度，提升X射線聚焦和單色光學系統(tǒng)的發(fā)展(尤其是毛細管和單色聚焦晶體的發(fā)展)；

(2) 發(fā)展快速實驗室XRF元素空間分布和XAS形態(tài)分析技術，尤其是X射線照相技術，用來原位描述相變等動力學過程；

(3) 探索計算方法并對數(shù)據(jù)開展深入挖掘將仍然是未來進一步推動實驗室型XRF元素空間分布成像技術和實驗室型XRF技術進步的關鍵；

(4)將XRF與X射線衍射和拉曼光譜等多種技術結合，實現(xiàn)在相同條件下對樣品開展同步分析； 建立XRF元素空間分布成像技術和XAS技術的多功能實驗室，滿足多學科分析需求，尤其是加強在生物和醫(yī)學領域中的應用，也是未來的重要發(fā)展趨勢。