摘要
1. XRF主要應用領域
X射線螢光分析法(X-ray fluorescence，XRF)廣泛的應用在各種元素測試應用上，XRF 可分析固體、液體、粉體，廣泛應用於礦業、冶金、金屬材料、電子組件、有害物質檢測、文物保存等，如: RoHS 元件、銅合金、鋁壓鑄、礦石品位、電池陽極分析等。
其主要應用領域有：
2. XRF分析原理
- X光管產生X射線照射在樣品上，將原子內層電子軌域上的電子擊飛，造成內層電子軌域空洞
- 為了元素組成穩定，外層電子會向內層遞補，把空洞填補起來。在過程中因為內外層
- 由於不同元素的電子軌域都不同，所以產生出來的螢光也都不一樣，可以用來定性分析，在依據得到的螢光能
- 依據螢光的特性可以將XRF分為兩種分析方法：一種是依據螢光的能量高低不同進行元素分析，稱為能量分散式X射線螢光分析法(Energy Dispersive X-ray Fluorescence, EDXRF)。另一種是依據螢光的波長長度不同進行元素分析，稱為波長色散式X射線螢光分析法(Wavelength Dispersive X-ray Fluorescence, WDXRF)。
3. XRF 的工作原理與技術分類
對於X射線螢光分析法(X-ray Fluorescence, XRF)的工作原理與技術分類
3-1. EDXRF(能量色散型XRF):
工作原理:
X 光激發樣品：由 X 射線管發出的 X 光打在樣品上，激發樣品中的原子，使其內層電子被移出，形成空穴。
特徵螢光產生：外層電子跳入空穴時，會釋放出具特定能量的 X 射線，即「特徵 X 螢光」。
能量偵測：使用一個半導體偵測器(如 SDD, Si-PIN)來偵測這些螢光，依能量進行分離與定性。
能譜圖分析：光譜中的每一個能量峰對應一個元素，根據峰值強度可進行定量。
優點:
儀器體積小、操作簡便。
可攜式版本適合現場分析。
適用於快速多元素定性／半定量分析。
分析速度快，適合大量樣品篩選。
限制:
能量解析度受限於偵測器（通常 130–150 eV）。
對輕元素（如 Na、Mg）靈敏度較差。
偵測下限比 WDXRF 略高。
相關分析設備如下:
以上3種是目前市場上最常見的能量分散式X射線螢光分析光譜儀。
內部硬體設計如下：
由高壓電源讓X光管產生的X射線直接激發樣品(依照應用可選擇濾波器過濾X光管本身的訊號干擾)，得到的螢光訊號經由檢測器接收訊號後，電腦將得到的類比訊號轉換成數位訊號，以能譜圖呈現結果。
3.2 WDXRF（波長色散型 X 射線螢光光譜，Wavelength Dispersive XRF）
工作原理：
- X 光激發樣品：與 EDXRF 相同，利用 X 射線管激發樣品。
- 螢光射線經光學分光：產生的螢光會通過一個 色散晶體（如 LiF、PET），根據布拉格定律依照波長被分離。
- 探測與計數：經過光學分光後的 X 射線被 **比例計數器（或閃爍計數器）**偵測，逐一記錄每個波長的強度。
- 逐項掃描元素：每次只能偵測一個波長（即一個元素），依次掃描多個元素。
優點：
分析精度高，靈敏度優於 EDXRF。
可偵測痕量元素至 ppm 等級。
偵測範圍涵蓋 Z=4（Be）以上。
背景雜訊低，線性範圍廣。
限制:
體積大、成本高。
掃描速度較慢（需逐一切換元素）。
操作較複雜，需高穩定性光學設計。
工作原理：
Micro-XRF 是一種基於 EDXRF 或 WDXRF 的延伸技術，其特點是使用 X 光聚焦系統，將光束縮小至微米甚至亞微米級，以進行微區分析與影像化。
微小光斑激發樣品：透過聚光鏡（如多層反射鏡、毛細管、polycapillary）聚焦 X 光，形成 <30 μm 的光斑。
移動樣品或光束掃描：樣品固定或光源／偵測器移動，實現面掃描（Mapping）。
逐點收集能譜：每個掃描點收集完整 XRF 光譜，繪製元素分佈影像。
資料重建與圖像分析：將每一點元素強度重建成 2D/3D 圖像。
優點：
可分析不均勻樣品與微小區域（如 IC 封裝、礦物晶體）。
具備空間解析能力（如元素 mapping）。
非破壞性，適合藝術品與古文物應用。
限制：
光源功率限制，需較長掃描時間。
光斑焦距距離與能量有關（低能聚焦困難）。
成本較高，設備較複雜。
圖2. 微區XRF準值器與毛細管聚焦鏡工作原理說明
3.4 TXRF（全反射 X 射線螢光，Total Reflection XRF）
工作原理：
TXRF 是一種特殊幾何的 XRF 技術，其特點是將激發 X 光以極低角度（通常 < 0.1°）照射到樣品上，使其產生全反射現象，藉此大幅降低背景訊號，提高偵測靈敏度。
低角度入射 X 光：X 光在樣品表面（如石英玻片）產生全反射，幾乎不穿透載體。
樣品為極薄膜：樣品為乾燥後的超薄層（通常為滴乾液滴），訊號來自於樣品本身。
超低背景下偵測：背景極低，訊雜比（S/N）大幅提高，可分析 ppb 等級的微量元素。
通常採用 EDXRF 偵測器：搭配 SDD 偵測器與高穩定光源。
優點：
超高靈敏度，可分析痕量污染、超純水、矽片表面金屬。
無需樣品研磨或壓錠。
樣品用量少、非破壞。
限制
僅適合極薄樣品或液滴乾燥樣。
定量需內標法或特殊基質匹配。
不適合固體、厚膜或粗樣。
表2.XRF技術比較: EDXRF，WDXRF，microXRF，TXRF
4. XRF 儀器硬體構成介紹
XRF 儀器主要包含以下關鍵硬體：
- X-ray Tube(X 射線管): 提供激發能量(如40kV、60kV）
- Primary Filter(濾光片): 改善訊號對比，降低背景雜訊
- Collimator / Optics(準直或聚焦元件): 控制光束形狀與大小（特別於 micro-XRF）
- Sample Stage(樣品台): 固定樣品，可自動移動做掃描(如: MA-uXRF)
- Detector(偵測器): EDXRF多用 SDD、WDXRF 用比例計數管等
- 電子系統與軟體: 資料處理、校正與分析報告生成
5. XRF 的定量分析方法
XRF除了能進行樣品非破壞的元素定性分析外，EDXRF在定量分析上也有出色的表現
定量分析需考慮以下變因：
吸收與增強效應（Matrix Effect）
粒徑、表面平整度
樣品厚度與均勻性
- 材料內多元素存在的元素干擾
常用定量方法：
- 基體匹配(校正減量線法，Matrix-matched Calibration): 使用與實際樣品組成相似的標準品建構校正曲線。
- 基礎參數法(Fundamental Parameter, FP): 利用理論 XRF 物理模型計算元素濃度，也稱無標片定量分析法。
- 內標法(Internal Standard): 加入已知元素濃度作為內部定量參考提升穩定性
多數商用儀器皆具備自動校正、偏差修正功能，開放客戶自行建立定量檢量線，適用於現場(手持式或攜帶型)與實驗室(桌上型與高性能落地型)。
圖 3. XRF技術-二次靶材XRF，降底背景散亂線，提升光譜SNR，減少元素干擾
6. 結論: XRF 為何在材料分析中不可或缺？
XRF 結合了非破壞性、快速、多元素、多樣品適應性等特性，已成為材料成分分析的首選技術之一。無論是在工業品管、研究開發還是法規檢測中，XRF 提供了效率與精度的絕佳平衡，並持續擴展其應用邊界（如同步輻射XRF、奈米XRF等）。
