便携式x射线衍射仪测试方法

便携式X射线衍射仪（PXRD）测试方法：识别材料的现场解决方案

在材料科学、地质勘探、质量控制等领域，精确地识别物质的晶体结构和相组成是至关重要的。传统X射线衍射（XRD）设备通常庞大且固定，难以满足现场快速检测的需求。便携式X射线衍射仪（PXRD）的出现，极大地拓展了XRD的应用边界，使其能够直接在实验室、野外甚至生产线上进行高效的物相分析。本文将深入探讨PXRD的测试方法，旨在为相关行业的从业者提供一份实用的技术指南。

PXRD工作原理与优势

PXRD与台式XRD共享相同的基本衍射原理：当X射线束照射到晶体样品时，晶体中的原子排列会引起X射线的衍射，形成具有特定角度和强度的衍射峰。通过分析这些衍射峰的二维或三维分布，可以推断出样品的晶体结构、晶格参数、晶粒尺寸、结晶度以及相组成等信息。

PXRD的核心优势在于其便携性和快速响应能力。紧凑的设计使其易于运输和部署，电池供电的设计更是摆脱了对固定电源的依赖。PXRD的样品制备要求相对较低，通常无需复杂的预处理，即可实现数分钟内的快速扫描，大大缩短了检测周期。

便携式X射线衍射仪（PXRD）关键测试方法

PXRD的应用涉及多种测试模式，以适应不同样品和分析需求。

1. 定性分析 (Qualitative Analysis)

这是PXRD基础也是广泛的应用。通过采集样品的全谱图，并将其与标准数据库（如ICDD PDF数据库）进行比对，可以准确识别出样品中存在的各种晶体物相。

• 数据采集参数设置：
  • 扫描范围 (2θ)： 通常设定在5°至45°之间，具体范围取决于目标分析的物相。
  • 步长 (Step Size)： 常用0.02°或0.05°，以保证衍射峰的清晰度和分辨率。
  • 扫描时间 (Scan Time)： 几分钟到几十分钟不等，取决于所需信噪比和仪器性能。例如，对于高结晶度样品，5分钟的扫描可能已足够。
  
  
• 数据处理与比对：
  • 利用软件进行背景扣除、峰拟合等预处理。
  • 通过峰位和相对强度与数据库中的标准卡片进行匹配，确定物相组成。
  • 示例数据： 若扫描结果在2θ = 23.5° (d=3.78 Å) 和 33.2° (d=2.69 Å) 处出现明显强峰，并与标准方解石（CaCO₃）的衍射图谱高度吻合，则可初步判断样品含有方解石。
  
  

2. 定量分析 (Quantitative Analysis)

在定性分析的基础上，PXRD还可以对样品中各物相的含量进行定量测定。常用的方法包括：

• Rietveld精修法 (Rietveld Refinement)： 这是一种全谱拟合法，通过建立样品模型并优化模拟衍射图谱与实测图谱的拟合度，从而获得各物相的质量分数。
  • 精度影响因素： 样品制备（如均匀性、颗粒大小）、仪器参数的准确性、晶体结构模型的质量以及精修算法的优劣。
  • 典型精度： 在理想条件下，Rietveld精修法可达到±1%的含量精度。
  
  
• 内标法 (Internal Standard Method)： 在样品中加入已知质量分数的内标物，通过比较目标物相和内标物的衍射峰强度，计算目标物相的含量。
  • 适用场景： 当Rietveld精修存在困难时，或对精度要求稍低但希望操作简便的场合。
  • 数据示例： 若目标物相A的特征峰强度为IA，内标物B的特征峰强度为IB，且已知内标物B的质量分数为WB，则目标物相A的质量分数WA 可通过经验公式或线性拟合获得。
  
  

3. 结晶度与晶粒尺寸分析 (Crystallinity and Crystallite Size Analysis)

PXRD能够反映材料的结晶程度以及构成晶体的微小晶粒的尺寸。

• 结晶度 (Crystallinity)： 通常指样品中结晶相所占的比例。通过比较样品中所有结晶峰的总面积与样品总面积（包括结晶相和非晶相），可以估算结晶度。
  • 估算方法： 采用峰面积与背景面积的比例，或与标准参照物（如高度结晶的石英）进行比较。
  
  
• 晶粒尺寸 (Crystallite Size)： 通过分析衍射峰的展宽（peak broadening），利用Scherrer方程或更先进的广义Scherre方程（如Williamson-Hall方法），可以估算出晶粒尺寸。
  • Scherrer方程： $D = K\lambda / (\beta \cos \theta)$
    • D：晶粒尺寸
    • K：形状因子（通常取0.9）
    • λ：X射线波长
    • β：峰展宽（在2θ处以弧度计）
    • θ：布拉格角
    
    
  • 数据参考： 对于纳米材料，晶粒尺寸通常在1 nm至100 nm之间，会导致衍射峰明显展宽。
  
  

4. 晶格参数测定 (Lattice Parameter Determination)

通过精确测量一系列衍射峰的2θ角，并利用赖格法（Rietveld精修）或指数化与拟合方法，可以高精度地测定材料的晶格参数。晶格参数的变化往往与材料的成分、应力、温度等因素密切相关。

PXRD测试的关键注意事项

• 样品制备： 尽管PXRD对样品制备要求较低，但良好的样品制备仍能显著提高测试结果的准确性和可靠性。应尽量保证样品表面平整、均匀，避免颗粒效应和取向效应。对于粉末样品，建议进行研磨至微米级。
• 仪器校准： 定期对PXRD进行仪器校准，确保X射线源的稳定性和角度的准确性。
• 数据库选择： 选择与待测样品成分最匹配的数据库，以提高物相识别的准确率。
• 环境因素： 考虑环境因素（如温度、湿度）对测试结果的影响，必要时进行环境控制。

便携式X射线衍射仪以其灵活、高效的特点，正成为现代材料分析和质量控制不可或缺的工具。掌握其核心测试方法，并关注细节操作，将有助于您在实际工作中获得更、可靠的分析数据。