粉末x射线衍射仪使用步骤

粉末X射线衍射仪（PXRD）使用步骤与要点解析

粉末X射线衍射（PXRD）作为材料分析的核心技术之一，在实验室研发、质量控制及工业生产等领域扮演着至关重要的角色。的操作流程是获取可靠数据的前提，本文将结合实际经验，为各位同行分享PXRD仪器的标准使用步骤，并辅以数据佐证，力求呈现一篇专业且具参考价值的深度解读。

一、 样品制备：精密是基石

高质量的PXRD数据离不开充分的样品制备。

• 样品形态要求： 理想的粉末样品应具有良好的粒度均匀性和随机取向。一般而言，粒径控制在40-75微米（μm）范围内最为适宜。过大的颗粒会导致衍射峰的半高宽（FWHM）增大，影响峰位精度的解读；而过小的颗粒则可能引入择优取向效应，干扰定量分析。
• 制样方法：
  • 研磨： 对于块状或结晶度高的样品，需使用玛瑙研钵等工具进行充分研磨，直至肉眼观察难以发现明显晶体颗粒。
  • 过筛： 研磨后的样品可通过不同目数的筛网进行过筛，收集符合粒径要求的粉末。例如，使用100目（约150μm）和200目（约75μm）筛网，可得到粒径分布在75-150μm之间的样品。
  • 均匀混合： 对于多相混合物，需确保各组分均匀混合，可采用振荡、球磨等方式。
  
  
• 样品铺展：
  • 载样台： 将样品均匀、平整地铺展在石英玻璃、硅片等低背景载样台上。避免堆积过厚，厚度一般控制在0.5 mm以内。过厚的样品会吸收X射线，导致衍射强度下降，并可能引入表面效应。
  • 玻璃纤维/毛细管： 对于微量样品（<1 mg），可采用玻璃纤维或细玻璃毛细管进行载样，并确保样品在毛细管内呈松散状态。
  
  

二、 仪器参数设置：优化是关键

仪器的操作参数直接影响数据的质量与效率。

• 扫描模式：
  • 2θ扫描： 这是最常用的扫描模式，通过X射线探测器围绕样品以2θ角移动来记录衍射强度。
  • θ-2θ扫描： 适用于衍射峰具有一定宽度的样品，通过同时转动样品台（θ）和探测器（2θ）来提高分辨率。
  
  
• 关键参数设置：
  • 起始与终止2θ角（Start/End 2θ Angle）： 根据预期的物相或分析需求设定。例如，常规矿物分析可能覆盖2θ = 5° - 70°，而对特定相的精细结构分析则可缩小范围，如2θ = 20° - 40°。
  • 步长（Step Size）： 决定了衍射图谱的分辨率。一般情况下，精细结构分析可选用0.01° - 0.02°；常规分析可为0.02° - 0.05°。
  • 扫描速度（Scan Speed/Step Time）： 影响数据采集时间与信噪比。速度越慢，信噪比越高，但扫描时间也越长。例如，对于低结晶度样品，可选择5°/min甚至更慢的扫描速度，而对于高结晶度样品，10°/min - 20°/min已足够。
  • 狭缝设置（Slits）： 入射狭缝、衍射狭缝等直接影响X射线的聚焦和分辨率。常规设置为：D1 = 0.5-1 mm, D2 = 0.5-1 mm, D3 = 0.1-0.2 mm。
  • 靶材与管压/管流（Target, kV, mA）： 常用靶材为Cu（Kα），管压通常在30-40 kV，管流在20-40 mA。较高的管流可提高X射线强度，缩短测量时间，但需注意冷却。
  
  
• 数据采集模式：
  • 定长扫描（Fixed Scan）： 按照预设的步长和步时间进行采集。
  • 计数采集（Count Mode）： 在每个步长上累积一定数量的X射线光子。
  
  

三、 仪器操作与数据采集：严谨是保障

• 开机与预热： 按照仪器操作手册，依次开启X射线发生器、冷却循环系统、真空系统（若有）等。X射线管需要预热一段时间（通常15-30分钟），直至管压、管流稳定。
• 样品安装： 将制备好的样品精确安装到样品台上，并调整至水平。
• 参数输入与启动： 在控制软件中输入设定的扫描参数，检查所有设置无误后，启动扫描程序。
• 实时监控： 观察X射线计数率、真空度（若有）等关键参数，确保仪器运行正常。
• 数据保存： 扫描完成后，按照规范命名并保存原始数据文件（如*.raw, *.dif等）。

四、 数据处理与分析：专业是升华

• 背景扣除： 对原始谱图进行背景扣除，以分离出真实的衍射峰。
• 峰识别与拟合： 利用软件对衍射峰进行自动或手动识别，并进行高斯（Gauss）、洛伦兹（Lorentz）或Voigt函数拟合，获取峰位（2θ）、强度（I）、半高宽（FWHM）等信息。
• 数据库检索与物相定性： 将处理后的衍射数据与标准数据库（如JCPDS/ICDD）进行比对，识别样品中的晶体物相。
• 定量分析： 根据需要，可采用Rietveld精修、内标法等手段，对样品中各物相的含量进行定量分析。

五、 仪器维护与注意事项：长远是智慧

• 定期清洁： 保持仪器内外清洁，特别是X射线窗口和探测器。
• 冷却水监测： 确保冷却水流量和温度正常，避免X射线管过热。
• 真空系统维护： 定期检查真空泵和密封件，确保真空度符合要求。
• X射线安全： 严格遵守X射线安全操作规程，确保所有防护措施到位。

通过规范操作和精细调整，PXRD仪器能够为科研工作者提供可靠的晶体结构信息，推动材料科学的进步。每一次数据的获取，都凝聚着操作者对细节的极致追求。