四、特征X射线峰

每种元素的原子都包含一个由中性中子和带正电的质子组成的原子核（质子数决定了原子序数Z），带负电的电子位于围绕原子核的轨道（电子层）中，这些轨道被称为K、L、M等，正如量子力学所描述的那样。每个电子层中的电子都有特定的电离能，并且每个元素的电离能都不同。

特征X射线是由内电子壳层之间的电子跃迁产生的。最初，来自内电子壳层的电子吸收入射电子束的能量，被激发到更高的能级（壳层），这是一种不稳定状态。然后，来自外电子壳层的电子填充内电子壳层的空位，发射出能量等于两层电子壳层能量差的X射线光子，使原子恢复到更稳定的状态（图2）。

图2.电子束非弹性散射后特征X射线光子的产生。

五、EDX 光谱和元素映射

X射线微区分析基于每种元素各壳层（及亚壳层）的特定电离能，这导致产生的X射线光子具有独特的能量，而这正是所研究元素的特征。例如，在硅原子中，K壳层和L壳层的电离能分别为1.84 keV和0.10 keV。记录在固定计数时间内从每个点收集到的每种元素的X射线特征光子数量，可以从样品中创建元素X射线图（图3）。

六、EDS 与 WDS 对比

在EDS分析中，特征X射线可以利用能量色散检测器（通常是半导体检测器）检测出来；在波长色散光谱法（WDS）中，特征X射线则通过衍射晶体分离不同的波长，从而将每个能量峰转换成其对应的波长。因此，EDS和WDS表征方法的主要区别在于检测和分析过程。

图 3. 带有 WDS 分析仪的电子探针示意图（左）以及 EDS 和 WDS 中的光谱分辨率示意图（右）

因此，WDS 非常适合解析密集的 X 射线线，并区分 X 射线重叠发射的元素，其分辨率比 EDS 高 10 倍，无需峰值反卷积。此外，WDS 还可以帮助分析低于 EDS 检测限的痕量元素。

七、SEM 和 TEM 中的 EDX 光谱差异

SEM与TEM成像中EDX分析的基本原理相同，但由于两种显微镜的结构和工作加速电压不同，EDS探测器的性能存在一些差异。

加速电压：在SEM成像过程中进行EDX分析时，应使用约30 kV的加速电压以确保高效产生X射线。然而，TEM成像中使用的更高加速电压可以产生与K线和L线相关的更高能量的X射线光子，从而进行元素识别。

空间分辨率：EDX分析中的空间分辨率很大程度上取决于入射电子束的相互作用体积，而该体积受加速电压和样品原子序数 (Z) 的影响。SEM 中 EDS 的空间分辨率和深度分辨率约为几微米，而 TEM 成像中则利用更高能量的电子束穿透样品的薄箔，从而获得与样品厚度相当的更高空间分辨率，通常约为 10-200 纳米。

检测限：在SEM中，EDX分析的检测限在0.1-0.5 wt％范围内，取决于样品的成分，但对痕量元素的分析灵敏度较低。然而，TEM的检测限可以达到约0.01-0.1 wt％。

八、EDX分析的样品制备

定性能量色散X射线光谱的常规样品制备程序可能包括几个步骤，几乎与SEM / TEM的样品制备相同，例如切片，抛光（在EDX分析中建议使用抛光和平整的表面），脱水，固定，等离子处理以去除污染物并涂上合适材料（如金属或碳）的薄膜，使样品具有导电性（在对非导电样品进行成像的情况下）。

此外，生物样品在进行 EDX 分析之前要经过大量的准备，这会在结果中引入干扰性的 X 射线伪影。

九、涂层 EDX 样品

在电子显微镜和EDX分析过程中，入射电子束使样品表面带电会影响一次电子的能量。为了避免表面电荷积累，精确选择涂层材料和涂层厚度是至关重要的一步。然而，应仔细考虑涂层材料的化学性质，以防止样品产生的特征X射线峰与涂层重叠。

涂层厚度

足够厚的薄膜可以解决带电问题，从而衰减入射电子束的能量并吸收发射的X射线光子。因此，用于EDX分析的样品涂层厚度最好是最薄的，以最大限度地减少样品内部的初级电子束能量损失和X射线吸收，并最大限度地提高X射线通量的产率。此外，涂层越薄，从涂层材料中激发的X射线就越少。如果在样品上涂覆厚度为5-10纳米的碳、铝、金和金钯薄膜，入射电子束的能量损失不会对结果产生太大影响。

涂层材料参数

由于存在多个参数，例如质量衰减系数以及涂层材料和样品的背景和特征 X 射线干扰，因此必须仔细考虑选择适合涂层样品以进行 EDX 分析的材料。

质量衰减系数

X射线的质量衰减系数，即吸收系数，是需要注意的关键参数之一。对于0.5至1.5 keV的X射线，每个元素的该系数都不同。在用于EDX分析的涂层材料中，铝的X射线质量衰减系数最低，其次是碳、金和金/钯。在1.5 keV以上的区域，碳的衰减系数低于Al、Au和Au/Pd。然而，从电导率和热导率的角度来看，金是最好的，铝和碳紧随其后。由于其物理特性，铝似乎非常适合用于0.8-4 nm的X射线，而在此区域之外，碳是更好的选择。

涂层和样品X射线的干涉

Au、Pd、Pt等重金属的L、M X射线特征线可能与标本中轻元素的K线重叠。

背景X射线辐射

涂层材料发射的 X 射线可能会影响 X 射线谱背景，从而降低依赖背景辐射的定量 EDX 分析的准确性。

能量色散X射线光谱法涂层材料的选择

金和金/钯涂层通常用于电子显微镜样品制备，以增强二次电子发射和更佳的电子显微镜成像。然而，在EDS分析中，它们的特征X射线和连续X射线会与少量或痕量目标材料的X射线谱线重叠。此外，如果样品由Z数大于10的元素组成，涂层与电子束以及从样品获得的背散射电子相互作用，可能会激发涂层中不必要的辐射。

定量分析研究已证明，铍、碳、铝和铬四种元素是合适的涂层材料候选材料。下文将讨论这些材料的重要特性及其优缺点。

• 铍是一种合适的材料，其蒸发温度低，热性能和电性能中等，X射线干扰可忽略不计，且对背景辐射的贡献较小。然而，应采取安全的程序和预防措施，以避免其毒性。
• 碳是最常见的涂层材料，薄薄的一层碳似乎可以减少大块样品中的电荷。易于使用和对样品的 X 射线产量影响很小是碳涂层的优势特征。然而，碳的高蒸发温度很容易对样品造成热损坏。碳涂层已广泛用于涂覆冻干切片并提供薄导电层来支撑此类样品。
• 铝蒸发温度低，电性能好，吸附系数低，但由于在X射线微区分析中存在峰重叠和对背景的影响，不适合用于涂覆轻元素材料。铝已被广泛用于涂覆切片的支撑塑料薄膜。
• 铬具有良好的热性能和电性能，可防止样品带电并避免光束引起的热损伤，较低的蒸发温度可防止样品表面受到热损伤。对于生物样品，铬的特征X射线谱线与样品元素的特征谱线距离足够远，因此不会妨碍鉴定过程。然而，铬涂层的较高密度会增强光束衰减以及样品（尤其是由低原子序数元素组成的样品）发射的软X射线的吸收，这是一个严重的缺陷。

十、能量色散光谱的局限性

定量 EDS 分析存在以下限制：

1.原子序数 (Z) 分别为 1 和 2 的氢原子和氦原子没有特征 X 射线，因此无法用 EDS 技术检测

2.Li（Z = 3）原子 K 壳层跃迁产生的 X 射线能量太低，无法被 EDS 检测到

3.从Be（Z = 4）到Ne（Z = 10）的EDS X射线检测存在问题

• 穿过样本的低能 X 射线的吸收
• 在不同的化合物中，检测到的 X 射线峰的形状和位置可能会发生变化，因为参与元素化学键合的相同价电子也会产生特征 X 射线峰

4.无法通过 EDS 对含有结构结合水或碳酸盐的样品进行全面分析

5.EDS 分析无法提供氧键阳离子的价态信息，因此无法通过化学计量法计算氧

6.如前所述，非导电样品上通常覆盖一层薄薄的碳膜。因此，如果含碳材料表面覆盖有碳，则无法用EDX进行分析，必须选择其他涂层材料。