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同步辐射微区X射线荧光和吸收谱技术在大气-中国科学院上海应用物理.PDF

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第37 卷 第8 期 核 技 术 Vol.37, No.8 2014 年8 月 NUCLEAR TECHNIQUES August 2014 同步辐射微区X 射线荧光和吸收谱技术在大气、 土壤和动植物分析中的应用 袁 静1,2 罗立强1,2 1 (中国地质大学(北京)数理学院 北京 100083 ) 2 (国家地质实验测试中心 北京 100037 ) 摘要 同步辐射微区X 射线荧光(Synchrotron micro-X-ray fluorescence spectroscopy, μ-SXRF)能够对物质进行 元素分布分析和微区原位测定,具有高灵敏度、低检出限的特点。同步辐射X 射线吸收谱技术(X-ray absorption fine spectroscopy, XAFS)能够提供原子周围的配位环境和化学形态,适用于进行元素形态分析。大气飘尘、土 壤和动植物等是环境中元素迁移转化的重要载体,获取具有生物学意义的元素分布和形态,以及准确的定性 或定量信息对研究这些元素在环境和生物体中的作用至关重要。随着研究的发展,同步辐射微区分析技术在 此领域中得到越来越多的应用。本文介绍了同步辐射技术的基本原理和发展历程,回顾了近几年μ-SRXRF 和 XAFS 技术在大气飘尘、土壤、植物和蚯蚓中元素的分布与形态研究领域的应用进展,对目前应用于此领域遇 到的一些挑战进行了概括,并对其未来发展趋势提出了展望。 关键词 同步辐射,微区X 射线荧光(μ-SXRF),X 射线吸收谱(XAFS),大气,土壤,动植物 中图分类号 TL99 ,O657.3,P593 DOI: 10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.080101 大气飘尘、土壤和动植物等是环境中毒性元素 迁移转化的重要载体,这些样品基质复杂,异质性 1 同步辐射微区分析的重要技术进展 强,而这种内在的异质性在元素的生物地球化学过 1.1 同步辐射光源历史 程和行为机制中起着关键作用[1] ,因此仅在宏观水 平测定元素的总量并不能满足研究需要,而往往需 同步辐射就是高速运动的带电粒子在磁场中做 要在微观尺度探索元素的行为,进而获得元素的移 变速运动时发出的电磁辐射。1947 年,Elder 等在 动性、生物有效性和毒性等信息。 美国通用电器公司实验室里的一台70 MeV 的同步 [8−9] 。但起初这种 同步辐射技术由于其检测限低、灵敏度高、微 加速器上首次观察到“同步辐射” 区原位、无损分析等特性,在众多微区分析技术中 辐射被视为一种电子能量损失的负面效应,从它作 脱颖而出,尤其对于微尺度样品和水合的生物样品 为一种不可避免的现实被加速器物理学家和高能物 具有独特优势。经过三代发展,同步辐射光谱亮度 理学家所接受到如今在各个学科领域广泛应用并仍 20 2 2 [2] 在迅速成长的技术手段,同步辐射光源的发展,大 达 10 ph/(S·mm ·mrad ·0.1%BW) ,使得灵敏度更 高,不仅大大缩短了测量时间,并且能够对常规分 体经历了三个阶段。 析手段难以测定的痕量金属或类金属元素进行较为 第一个阶段是从20 世纪60 年代中期开始的10 理想的测定;光斑尺寸可达几微米,空间分辨率达 年间,这一阶段同步辐射应
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