本文演示了由美国阿贡国家实验室开发的X射线荧光拟合软件MAPS在荧光显微数据定量分析中的应用。所获得的定量数据有助于理解感兴趣样品中的元素分布及化学计量比。
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本文内容
摘要
摘要
通过将原始谱图拟合到已知标准，对X射线荧光（XRF）显微图谱进行定量分析，对于评估材料内部的化学组成和元素分布至关重要。基于同步辐射的XRF已成为多种研究领域中不可或缺的表征技术，尤其得益于其非破坏性及高灵敏度。如今，同步辐射能够在远低于一微米的空间分辨率下获取荧光数据，从而实现对纳米尺度下成分变化的评估。通过准确的定量分析，可以深入、高分辨率地理解元素偏析、化学计量关系以及元素聚集行为。
本文介绍了如何使用美国阿贡国家实验室开发的 MAPS 拟合软件对完整的二维 X 射线荧光（XRF）图谱进行定量分析。我们以在阿贡国家实验室先进光子源 2-ID-D 光束线测得的 Cu(In,Ga)Se2 太阳能电池数据为例，展示了对原始数据进行拟合的标准流程，演示了如何评估拟合质量，并呈现了该程序生成的典型输出结果。此外，本文还讨论了该软件的某些局限性，并提出了进一步校正数据的建议，以确保其数值准确并真实反映空间分辨的元素浓度分布。
引言
基于同步辐射的X射线荧光（XRF）已在多个学科中应用了数十年。例如，在Geraki 等开展的生物学研究中，该技术被用于量化癌变与非癌变乳腺组织中的痕量金属浓度1。更广泛而言，如Paunesku 等所述，定量XRF已被应用于大量涉及细胞和组织中金属浓度的生物学研究2。类似地，研究人员利用该技术分析了海洋原生生物中的痕量元素3,4，甚至观测了植物细胞内微量与大量营养元素的分布情况5。Kemner 等的研究也得益于定量XRF分析，成功识别出单个细菌细胞在形态和元素组成上的显著差异6。此外，就本文所述示例而言，材料科学家在研究太阳能电池器件时，已利用高分辨率XRF分析硅半导体中亚微米级金属杂质的存在7,8，开展元素分布对太阳能器件电学性能影响的关联性研究9,10，以及通过掠入射X射线荧光（GIXRF）识别CIGS薄膜太阳能电池中随深度变化的元素梯度分....
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方案
注意：在开始拟合之前，需要了解一些关于所进行测量的基本信息：使用的探测器单元数量——不同的光束线使用不同的探测器，有时探测器被分割成更小的区域，计数从这些区域读取并汇总；入射能量；以及所测量的标准样品。这些信息将在整个流程的不同步骤中被应用。
1. 程序设置
- 下载 IDL 和 MAPS 程序
注意：可在以下链接下载 MAPS 和 IDL： http://www.stefan.vogt.net/downloads.html 和 http://www.harrisgeospatial.com/。这些程序文件总共可能占用约 20 MB 的存储空间。然而，实际拟合过程所需的空间将大得多，具体取决于待拟合数据文件的数量及其文件大小。拟合的最低设备要求约为 8 GB 内存，以及主频高于 2.0 GHz 的双核或四核处理器。同样，随着拟合文件大小的增加，硬件需求将显著上升。- 要下载 IDL 虚拟机，请访问提供的链接并创建账户。收到电子邮件确认后，登录网站并选择 "下载量" 在“标签”下方 "我的账户"在下载部分，应提供适用于 Windows、Mac 或 Linux 的最新版本 IDL 软件选项。本视频中使用的是 IDL 虚拟机 8.5 版本。
注意：视频中使用的是 MAPS 1.7.3.12 版本。1....
- 要下载 IDL 虚拟机，请访问提供的链接并创建账户。收到电子邮件确认后，登录网站并选择 "下载量" 在“标签”下方 "我的账户"在下载部分，应提供适用于 Windows、Mac 或 Linux 的最新版本 IDL 软件选项。本视频中使用的是 IDL 虚拟机 8.5 版本。
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结果
正确的拟合结果示例如下图所示。首先，在图1中，对积分谱的不良拟合与良好拟合进行了直接比较。不良拟合可通过以下方式修复：确保没有遗漏元素，例如铜元素在图1（左）中具有明显峰，但在拟合过程中未被包含；同时调整L系和K系谱线的分支比，以提高拟合精度。图2则展示了元素通道在拟合前后的对比。最明显的差异是数值单位从“raw”变为“ug/cm^2”，表明数据已完成定量分析。此外，数值范围应与第4.2节中建议的计算结果预期范围一致。这些数值通常不应降至零，若出现归零情况，则几乎总是表明拟合过程中存在错误。
在拟合前后均可观察到铁和铜的信号通道。除了观察数值变化外，还可以明显看出图像的分辨率得到提升，原始数据中存在的条纹在拟合后已消失。这种分辨率的提高源于拟合过程中对重叠峰的元素所进行的峰解.......
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讨论
这些图例说明了使用此程序拟合数据的重要性。图1（右）和图2（底部）展示了一个正确拟合后应得到的代表性结果。如果拟合不充分，积分谱图像会明显异常，所得到的定量数据也会存在误差，尽管在大多数情况下这些误差难以察觉。对于某些样品类型，若所用标准不能代表样品中的元素，特别是当样品中完全不含标准中包含的任何元素时，定量将完全依赖于对所有目标元素的信息外推。在这种情况下，尽管通过积分谱分析时拟合结果看似准确，但在定量后所得数值却会明显错误。此时，必须选用一种在成分上更接近样品、且各组分含量已知的标准物质。Twining et al. 的一项研究很好地展示了选择和比较标准物质的过程，该研究在对生物样品进行定量时，使用了NIST标准以及一些合成的标准物质3。通过这种方法，作者能够验证每种标准的适用性，并比较使用不同标准拟合所得到的面密度结果。尤为重要的是，该论文展示了选用合适标准可显著降低误差，反之，使用不恰当标准会对定量结果产生严重影响。
除了拟合与定量分析之外，还可以进行其他校正，以确保准确解读.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
我们感谢美国能源部在合同编号 DE-EE0005948 下提供的资助。对纳米级材料中心和先进光子源的使用均得到美国能源部科学办公室基础能源科学办公室的支持，合同编号为 DE-AC02-06CH11357。本研究部分基于美国国家科学基金会（NSF）和美国能源部（DOE）资助的项目（NSF 合同编号 EEC-1041895）。视频编辑由亚利桑那州立大学 VISLAB 完成。本文材料中表达的任何观点、发现、结论或建议均为作者（们）的观点，不一定反映 NSF 或 DOE 的立场。T.N. 受美国国家科学基金会资助的 IGERT-SUN 研究生奖学金（资助编号 1144616）支持。
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参考文献
- Geraki, K., Farquharson, M. J., Bradley, D. A. X-ray fluorescence and energy dispersive x-ray diffraction for the quantification of elemental concentrations in breast tissue. Phys. Med. Biol. 49, 99-110 (2004).
- Paunesku, T., Vogt, S., Maser, J., Lai, B., Woloschak, G.
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重印与许可
