蛍光X線

蛍光X線分析：物質の元素組成を解き明かす技術

蛍光X線分析(X-ray Fluorescence Spectrometry, XRF)は、物質にX線を照射することで発生する蛍光X線を測定し、その物質を構成する元素の種類と量を分析する強力な手法です。物質に高エネルギーのX線を照射すると、原子内殻の電子が励起され、外殻の電子がその空孔に遷移します。この遷移に伴い、エネルギー差に相当する特性X線が放出されます。この特性X線のエネルギーは、元素の種類によって固有であるため、そのエネルギーを測定することで、物質中の元素を特定できます。さらに、特性X線の強度を測定することで、各元素の濃度を定量的に求めることができます。

XRF分析の特徴と利点

XRF分析は、多くの利点を有しているため、様々な分野で広く活用されています。主な特徴は以下の通りです。

非破壊分析: 分析対象となる試料を破壊することなく分析できるため、貴重な試料や、形状を維持する必要がある試料の分析に適しています。
短時間分析: 一般的に分析時間は短く、迅速な結果を得ることができます。
多元素同時分析: 適切な測定方法を用いることで、複数の元素を同時に分析できます。
多様な試料に対応: 固体だけでなく、液体試料の分析も可能です。
高感度分析: 放射光を用いたXRF分析では、ppm以下の微量元素やμm以下の微小領域の分析も可能です。

分析対象となる元素は、一般的に原子番号11番(Na)以上の元素です。酸素などの軽元素は分析が困難ですが、コンプトン散乱の強度から濃度を推定する手法も用いられます。

XRF分析装置：エネルギー分散型と波長分散型

市販されているXRF装置は、蛍光X線のエネルギー分析方法によって、大きく2種類に分類されます。

1. エネルギー分散型蛍光X線分析装置 (EDXRF): 半導体検出器を用いて、蛍光X線のエネルギーを直接測定します。複数の元素を同時に測定できることが特徴ですが、エネルギー分解能が低いため、多元素試料の定量分析には課題がある場合もあります。微小試料や微量元素の分析に適しています。

2. 波長分散型蛍光X線分析装置 (WDXRF): 結晶分光器と検出器を用いて、ブラッグの法則に基づいて蛍光X線の波長を測定します。エネルギー分解能が高いため、特定元素の定量性に優れており、多様な用途に用いられます。ただし、感度はEDXRFに比べて低くなります。

X線源

XRF分析では、特定の元素の内殻電子を励起するために、適切なエネルギーを持つX線を照射する必要があります。一般的にはX線管球からのX線が用いられますが、放射性同位元素や放射光もX線源として利用されています。放射光を用いた分析は、高感度・高分解能な分析を可能にします。

定量分析とマトリックス効果

XRF分析では、蛍光X線の強度と試料濃度の関係を表す検量線が用いられます。多くの装置には、検量線のデータベースが搭載されているため、標準物質を用いなくても定量分析が可能です。ただし、原子量の近い元素が高濃度で存在する場合、マトリックス効果と呼ばれる現象が発生します。マトリックス効果とは、目的元素の蛍光X線が他の元素に吸収されたり、他の元素からの蛍光X線によって目的元素が励起されたりする現象です。この効果を補正するために、ファンダメンタル・パラメータ法などの手法が用いられます。

携帯型XRF分析装置

近年では、シリコンドリフト検出器の開発により、液体窒素冷却が不要な低廉な携帯型XRF装置が開発され、現場での分析が可能になりました。乾電池駆動の装置も開発されており、利便性が向上しています。

XRF分析の応用例

XRF分析は、様々な分野で活用されています。

環境分析: 土壌や水質中の有害元素の分析
材料科学: 金属材料、鉱物、セラミックスなどの組成分析
医療: 生体試料中の元素分析
考古学: 遺物の分析
科学捜査: 物証の分析
* 食品分析: 食品中の有害元素の分析

関連分析手法

XRF分析と類似の手法として、電子線マイクロアナライザ(EPMA)や粒子線励起X線発光法(PIXE)などがあります。これらの手法は、XRF分析とは励起方法が異なり、それぞれに特徴があります。惑星探査機などでは、放射性同位体を励起源としたαプロトンX線分光計が用いられています。

蛍光X線ホログラフィ

近年では、蛍光X線ホログラフィの研究開発も進められており、原子レベルの立体構造解析への応用が期待されています。

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