能譜的介紹及影響能譜定量的重要因素（下）
定量分析
1. 全定量分析以獲得最高準(zhǔn)確度
能譜中的峰高與樣品中元素的含量相關(guān)。以氟化鍶 (SrF2) 為例。根據(jù)化學(xué)計量比，預(yù)估氟峰應(yīng)該是鍶峰的兩倍，而實(shí)際上，鍶峰是氟峰的兩倍。因此，為了提供更準(zhǔn)確的定量結(jié)果，軟件必須考慮以下幾個因素進(jìn)行修正，這個過程被稱為算法修正。
圖1 氟化鍶的點(diǎn)分析測量結(jié)果表明兩種元素的實(shí)際峰強(qiáng)與化學(xué)計量比并不相同，但依然可以獲得非常準(zhǔn)確的定量分析結(jié)果。
圖2 法醫(yī)應(yīng)用中使用能譜面掃，可以快速清楚地區(qū)分鎢絲上的熔融玻璃（二氧化硅）。
專家部分
典型的硅漂移探測器具有耗盡區(qū)的高電阻硅、一個前接觸區(qū)和一個收集陽極。入射到前接觸區(qū)域的 X 射線在硅基體中被吸收并產(chǎn)生電子 - 空穴對。產(chǎn)生的載流子的數(shù)量取決于入射 X 射線的能量。接觸區(qū)和陽極之間預(yù)設(shè)電場導(dǎo)致這些電子和空穴沿電場線漂移，即向陽極漂移。然后在陽極積累的電荷通過前置放大器轉(zhuǎn)換為電壓。入射 X 射線的能量可以通過監(jiān)測每個脈沖之后，即在每次入射 X 射線被吸收后的電壓階躍幅度來確定。
測量這個電壓階躍的精確度是有限的。這種不精確度正是某給定能量被處理成高斯峰而不是離散峰的原因之一。然而，高斯峰形成的主要原因是入射 X 射線在探測器中產(chǎn)生的電子空穴對的統(tǒng)計學(xué)分布。這意味著這些高斯峰的寬度取決于探測器和 X 射線能量。盡管有很多參數(shù)可以定義一款檢測器的整體性能，但最受認(rèn)可的參數(shù)是這些高斯峰的半高峰寬度 (FWHM)，這通常被稱為探測器的能量分辨率。實(shí)際上，能譜探測器制造商通常使用錳的 Kα 峰半高峰寬值作為標(biāo)準(zhǔn)。對于飛納能譜探測器，錳 Kα 半高峰寬值 ≤123 eV。
除能量分辨率，在評估能譜系統(tǒng)性能時還應(yīng)考慮其它幾個參數(shù)。元素范圍是指的是在整個元素周期表中可檢測到的所有元素。由于 X 射線接收量與傳感器面積大小成線性關(guān)系，因此更大面積的探測器具有更高的接收量。在描述接收量時，不得不提到計數(shù)率這一概念，它用來描述離開檢測器后進(jìn)行處理的 X 射線。盡管依賴于這個計數(shù)率，但實(shí)際上不到一半的輸入計數(shù)被用于識別元素和定量分析。離開數(shù)字脈沖處理器 (DPP) 的計數(shù)率稱為輸出計數(shù)率，是更相關(guān)的參數(shù)，因?yàn)樗从沉苏嬲杏玫挠嫈?shù)量。飛納能譜使用 30 mm2（可選 70 mm2）的探測器，元素檢測范圍為硼 (5) 到锎 (98)。
1. 不完全電荷收集
在探測器表面附近的 X 射線最終會進(jìn)入探測器的非活性層，它們所產(chǎn)生的電荷無法被完全收集和測量。因此，它們的能量測量值比實(shí)際低一點(diǎn)。這種效應(yīng)稱為不完全電荷收集 (ICC)。低能量的 X 射線由于沒有足夠能量深入檢測器，尤其受到此效應(yīng)的影響。所以，能量小于 750eV 的 X 射線譜線在能譜中明顯向左偏移。
使用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停渲型ㄟ^進(jìn)行碳校準(zhǔn)將能譜的低能量部分進(jìn)行線性化，以使峰可以移動到本應(yīng)所在的位置。但是，ICC 并不是一個簡單的轉(zhuǎn)變，具體如圖 3 所示。
圖3 相關(guān)低能量 Kα 峰示例，從左到右：碳 Kα (279eV)、氟 Kα (675eV))、鎂 Kα (1252eV)、硅 Kα (1739eV)、氯 Kα (2623eV) 和鈣 Kα (3693eV) 。黑色曲線是針對所有峰在相同計數(shù)下模擬的高斯曲線；因?yàn)?FWHM 隨著能量的增加而增加，所以在更高的能量下峰值會更矮，以保持面積恒定。紅色曲線是 ICC 效應(yīng)下得到的相同的峰 。
可以注意到；在低能量下，產(chǎn)生的峰看起來或多或少呈高斯形狀，但會展寬并向左偏移；碳 Kα 的偏移多達(dá) ~25eV。從峰形可以看出將碳添加到正向模型是減少誤識別的重要環(huán)節(jié)。如果從紅色峰中減去黑色高斯峰值，會有一個明顯的差值，這很可能被誤識別為另一個元素。此外，隨著研究越來越關(guān)注輕元素的靈敏識別，ICC 修正變得更重要。
從 Phenom 1.7 系統(tǒng)開始，內(nèi)部自帶 ICC 修正，并且默認(rèn)開啟。這也意味著無需再進(jìn)行額外的碳校準(zhǔn)，彰顯了飛納能譜工作流程的優(yōu)勢。
2. 其它與電子相關(guān)的效應(yīng)
在 X 射線檢測過程中可能會出現(xiàn)另外兩種相關(guān)的副作用：和峰和逃逸峰。有時候會有兩個 X 射線，同時到達(dá)脈沖處理器的信號，從而出現(xiàn)一個假峰，能量是兩個 X 射線的能量之和。無法區(qū)分此種信號的效應(yīng)一般被稱為脈沖堆疊效應(yīng)，信號被重復(fù)計數(shù)的情況則被稱為和峰。和峰既可以來自同一元素，也可以來自不同元素的。逃逸峰則是任何類型的硅探測器都有的。當(dāng)入射 X 射線從硅中激發(fā)出 X 射線時，就會發(fā)生這種情況。通常，會使原始光子能量降低約 1.74keV，這正好對應(yīng)于硅的 Kα 峰。在進(jìn)行自動信號分析時，能譜擬合功能會將和峰和逃逸峰考慮在內(nèi)。
3. 漂移矯正
由于熱效應(yīng)或?qū)щ娦暂^差，暴露于高能電子束下的樣品會發(fā)生漂移。這種影響通常比較小，但是當(dāng)對樣品的較大區(qū)域進(jìn)行較長時間的成像時（能譜面掃時也會發(fā)生這種情況），這種偏移可能會達(dá)到幾個像素，并可能導(dǎo)致電鏡圖像和能譜面掃結(jié)果出現(xiàn)明顯的不匹配。
在能譜面掃過程中，算法中的漂移矯正功能是通過測量圖像偏移以及動態(tài)調(diào)整電子束位置對這種漂移進(jìn)行補(bǔ)償修正，以得到正確的結(jié)果。
1. 全定量分析以獲得最高準(zhǔn)確度
能譜中的峰高與樣品中元素的含量相關(guān)。以氟化鍶 (SrF2) 為例。根據(jù)化學(xué)計量比，預(yù)估氟峰應(yīng)該是鍶峰的兩倍，而實(shí)際上，鍶峰是氟峰的兩倍。因此，為了提供更準(zhǔn)確的定量結(jié)果，軟件必須考慮以下幾個因素進(jìn)行修正，這個過程被稱為算法修正。
圖1 氟化鍶的點(diǎn)分析測量結(jié)果表明兩種元素的實(shí)際峰強(qiáng)與化學(xué)計量比并不相同，但依然可以獲得非常準(zhǔn)確的定量分析結(jié)果。
2. 關(guān)于原子序數(shù)、X 射線吸收、熒光效應(yīng)的修正 (ZAF 修正)
入射電子進(jìn)入試樣后，要受到試樣原子的散射；電子束激發(fā)樣品產(chǎn)生的原生 X 射線離開試樣過程中，會受到試樣的吸收；原生 X 射線也會再次激發(fā)樣品，產(chǎn)生二次 X 射線激發(fā)，這個過程稱為二次熒光。這一系列過程都隨樣品的元素組成的變化而變化，因此需要進(jìn)行一系列修正：
1. 原子序數(shù)（Z）效應(yīng)修正，即 Z 修正。樣品的平均原子序數(shù)不同，電子穿透進(jìn)入樣品的深度就不同，激發(fā)信號強(qiáng)度自然就不同。
2. 吸收效應(yīng)（Absorb）的修正。電子束激發(fā)樣品產(chǎn)生的原生 X 射線離開試樣過程中，會受到試樣的吸收，樣品元素組成和含量不同，對 X 射線的吸收程度也不同，須進(jìn)行修正。
3. 熒光效應(yīng)（Fluorescence）的修正。特征 X 射線離開樣品時，高能量的 X 射線會引起低能量 X 射線元素的二次激發(fā)，再次釋放 X 射線，這一過程稱為熒光。定量修正算法需要扣除熒光效應(yīng)產(chǎn)生的 X 射線強(qiáng)度。
取三種修正的首字母，總稱為 ZAF 修正。
Φ(ρz) (Phi-Rho-Z) 函數(shù)是 ZAF 修正的進(jìn)一步延伸，它把 X 射線穿過相互作用區(qū)時的吸收、熒光效應(yīng)描述為原子序數(shù)和基體的函數(shù)。飛納電鏡的算法使用拓展的 Pouchou 和 Pichour 算法，通�？s寫為 XPP。
3. 元素面掃 Mapping
對于大范圍的掃描分析，每個像素的分析時間可能需要長達(dá)一秒鐘，因此對大范圍內(nèi)所有像素進(jìn)行分析非常耗時。所以在面掃模式下，通常會在準(zhǔn)確性和速度之間尋求平衡。飛納電鏡的軟件可以確保重疊的信號被正確地解卷積計算。
這意味著所有重疊的信號將在元素面掃圖中顯示為不同顏色。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是可以非常準(zhǔn)確地測量掃描區(qū)域的元素組成與分布，并且不會影響檢測速度。因此，可以在保證最高的能譜分辨率的同時，對每一個像素進(jìn)行高效分析。以檢測硅鎢為例，法醫(yī)領(lǐng)域會研究燈泡鎢絲上的熔融玻璃，飛納電鏡的能譜面掃可以立即將鎢絲與二氧化硅區(qū)分開來（見圖 2）。
入射電子進(jìn)入試樣后，要受到試樣原子的散射；電子束激發(fā)樣品產(chǎn)生的原生 X 射線離開試樣過程中，會受到試樣的吸收；原生 X 射線也會再次激發(fā)樣品，產(chǎn)生二次 X 射線激發(fā)，這個過程稱為二次熒光。這一系列過程都隨樣品的元素組成的變化而變化，因此需要進(jìn)行一系列修正：
1. 原子序數(shù)（Z）效應(yīng)修正，即 Z 修正。樣品的平均原子序數(shù)不同，電子穿透進(jìn)入樣品的深度就不同，激發(fā)信號強(qiáng)度自然就不同。
2. 吸收效應(yīng)（Absorb）的修正。電子束激發(fā)樣品產(chǎn)生的原生 X 射線離開試樣過程中，會受到試樣的吸收，樣品元素組成和含量不同，對 X 射線的吸收程度也不同，須進(jìn)行修正。
3. 熒光效應(yīng)（Fluorescence）的修正。特征 X 射線離開樣品時，高能量的 X 射線會引起低能量 X 射線元素的二次激發(fā)，再次釋放 X 射線，這一過程稱為熒光。定量修正算法需要扣除熒光效應(yīng)產(chǎn)生的 X 射線強(qiáng)度。
取三種修正的首字母，總稱為 ZAF 修正。
Φ(ρz) (Phi-Rho-Z) 函數(shù)是 ZAF 修正的進(jìn)一步延伸，它把 X 射線穿過相互作用區(qū)時的吸收、熒光效應(yīng)描述為原子序數(shù)和基體的函數(shù)。飛納電鏡的算法使用拓展的 Pouchou 和 Pichour 算法，通�？s寫為 XPP。
3. 元素面掃 Mapping
對于大范圍的掃描分析，每個像素的分析時間可能需要長達(dá)一秒鐘，因此對大范圍內(nèi)所有像素進(jìn)行分析非常耗時。所以在面掃模式下，通常會在準(zhǔn)確性和速度之間尋求平衡。飛納電鏡的軟件可以確保重疊的信號被正確地解卷積計算。
這意味著所有重疊的信號將在元素面掃圖中顯示為不同顏色。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是可以非常準(zhǔn)確地測量掃描區(qū)域的元素組成與分布，并且不會影響檢測速度。因此，可以在保證最高的能譜分辨率的同時，對每一個像素進(jìn)行高效分析。以檢測硅鎢為例，法醫(yī)領(lǐng)域會研究燈泡鎢絲上的熔融玻璃，飛納電鏡的能譜面掃可以立即將鎢絲與二氧化硅區(qū)分開來（見圖 2）。
圖2 法醫(yī)應(yīng)用中使用能譜面掃，可以快速清楚地區(qū)分鎢絲上的熔融玻璃（二氧化硅）。
專家部分
典型的硅漂移探測器具有耗盡區(qū)的高電阻硅、一個前接觸區(qū)和一個收集陽極。入射到前接觸區(qū)域的 X 射線在硅基體中被吸收并產(chǎn)生電子 - 空穴對。產(chǎn)生的載流子的數(shù)量取決于入射 X 射線的能量。接觸區(qū)和陽極之間預(yù)設(shè)電場導(dǎo)致這些電子和空穴沿電場線漂移，即向陽極漂移。然后在陽極積累的電荷通過前置放大器轉(zhuǎn)換為電壓。入射 X 射線的能量可以通過監(jiān)測每個脈沖之后，即在每次入射 X 射線被吸收后的電壓階躍幅度來確定。
測量這個電壓階躍的精確度是有限的。這種不精確度正是某給定能量被處理成高斯峰而不是離散峰的原因之一。然而，高斯峰形成的主要原因是入射 X 射線在探測器中產(chǎn)生的電子空穴對的統(tǒng)計學(xué)分布。這意味著這些高斯峰的寬度取決于探測器和 X 射線能量。盡管有很多參數(shù)可以定義一款檢測器的整體性能，但最受認(rèn)可的參數(shù)是這些高斯峰的半高峰寬度 (FWHM)，這通常被稱為探測器的能量分辨率。實(shí)際上，能譜探測器制造商通常使用錳的 Kα 峰半高峰寬值作為標(biāo)準(zhǔn)。對于飛納能譜探測器，錳 Kα 半高峰寬值 ≤123 eV。
除能量分辨率，在評估能譜系統(tǒng)性能時還應(yīng)考慮其它幾個參數(shù)。元素范圍是指的是在整個元素周期表中可檢測到的所有元素。由于 X 射線接收量與傳感器面積大小成線性關(guān)系，因此更大面積的探測器具有更高的接收量。在描述接收量時，不得不提到計數(shù)率這一概念，它用來描述離開檢測器后進(jìn)行處理的 X 射線。盡管依賴于這個計數(shù)率，但實(shí)際上不到一半的輸入計數(shù)被用于識別元素和定量分析。離開數(shù)字脈沖處理器 (DPP) 的計數(shù)率稱為輸出計數(shù)率，是更相關(guān)的參數(shù)，因?yàn)樗从沉苏嬲杏玫挠嫈?shù)量。飛納能譜使用 30 mm2（可選 70 mm2）的探測器，元素檢測范圍為硼 (5) 到锎 (98)。
1. 不完全電荷收集
在探測器表面附近的 X 射線最終會進(jìn)入探測器的非活性層，它們所產(chǎn)生的電荷無法被完全收集和測量。因此，它們的能量測量值比實(shí)際低一點(diǎn)。這種效應(yīng)稱為不完全電荷收集 (ICC)。低能量的 X 射線由于沒有足夠能量深入檢測器，尤其受到此效應(yīng)的影響。所以，能量小于 750eV 的 X 射線譜線在能譜中明顯向左偏移。
使用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停渲型ㄟ^進(jìn)行碳校準(zhǔn)將能譜的低能量部分進(jìn)行線性化，以使峰可以移動到本應(yīng)所在的位置。但是，ICC 并不是一個簡單的轉(zhuǎn)變，具體如圖 3 所示。
圖3 相關(guān)低能量 Kα 峰示例，從左到右：碳 Kα (279eV)、氟 Kα (675eV))、鎂 Kα (1252eV)、硅 Kα (1739eV)、氯 Kα (2623eV) 和鈣 Kα (3693eV) 。黑色曲線是針對所有峰在相同計數(shù)下模擬的高斯曲線；因?yàn)?FWHM 隨著能量的增加而增加，所以在更高的能量下峰值會更矮，以保持面積恒定。紅色曲線是 ICC 效應(yīng)下得到的相同的峰 。
可以注意到；在低能量下，產(chǎn)生的峰看起來或多或少呈高斯形狀，但會展寬并向左偏移；碳 Kα 的偏移多達(dá) ~25eV。從峰形可以看出將碳添加到正向模型是減少誤識別的重要環(huán)節(jié)。如果從紅色峰中減去黑色高斯峰值，會有一個明顯的差值，這很可能被誤識別為另一個元素。此外，隨著研究越來越關(guān)注輕元素的靈敏識別，ICC 修正變得更重要。
從 Phenom 1.7 系統(tǒng)開始，內(nèi)部自帶 ICC 修正，并且默認(rèn)開啟。這也意味著無需再進(jìn)行額外的碳校準(zhǔn)，彰顯了飛納能譜工作流程的優(yōu)勢。
2. 其它與電子相關(guān)的效應(yīng)
在 X 射線檢測過程中可能會出現(xiàn)另外兩種相關(guān)的副作用：和峰和逃逸峰。有時候會有兩個 X 射線，同時到達(dá)脈沖處理器的信號，從而出現(xiàn)一個假峰，能量是兩個 X 射線的能量之和。無法區(qū)分此種信號的效應(yīng)一般被稱為脈沖堆疊效應(yīng)，信號被重復(fù)計數(shù)的情況則被稱為和峰。和峰既可以來自同一元素，也可以來自不同元素的。逃逸峰則是任何類型的硅探測器都有的。當(dāng)入射 X 射線從硅中激發(fā)出 X 射線時，就會發(fā)生這種情況。通常，會使原始光子能量降低約 1.74keV，這正好對應(yīng)于硅的 Kα 峰。在進(jìn)行自動信號分析時，能譜擬合功能會將和峰和逃逸峰考慮在內(nèi)。
3. 漂移矯正
由于熱效應(yīng)或?qū)щ娦暂^差，暴露于高能電子束下的樣品會發(fā)生漂移。這種影響通常比較小，但是當(dāng)對樣品的較大區(qū)域進(jìn)行較長時間的成像時（能譜面掃時也會發(fā)生這種情況），這種偏移可能會達(dá)到幾個像素，并可能導(dǎo)致電鏡圖像和能譜面掃結(jié)果出現(xiàn)明顯的不匹配。
在能譜面掃過程中，算法中的漂移矯正功能是通過測量圖像偏移以及動態(tài)調(diào)整電子束位置對這種漂移進(jìn)行補(bǔ)償修正，以得到正確的結(jié)果。
- 原子尺度解析原位氫氣環(huán)境中鐵的氧化還原相變路徑
- Science文獻(xiàn)解讀：賤金屬促進(jìn)缺陷態(tài)氧化鈦包覆層催化PDH
- 使用ChemiPhase物相分析軟件分析不同材料成分及分布的實(shí)例介紹
- 掃描電鏡特殊類型樣品制備系列之不導(dǎo)電樣品的2種應(yīng)對方法
- 飛納電鏡在對3D打印金屬微彈簧進(jìn)行原位電性能測試中的應(yīng)用
- 飛納臺式掃描電鏡助力納米纖維在心血管組織再生中的研究
- 單細(xì)胞研究顯微系統(tǒng)解決方案的應(yīng)用文章盤點(diǎn)
- 飛納 Pharos-STEM 在細(xì)胞生物學(xué)和病理學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用
Copyright(C) 1998-2024 生物器材網(wǎng) 電話：021-64166852;13621656896 E-mail：info@bio-equip.com