定量分析

quantitative analysis

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試料から放出された特性X線のエネルギーまたは波長を用いて、試料を構成する元素の濃度を測定する分析。特性X線のエネルギースペクトルを用いる場合をEDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)といい、波長スペクトルを用いる場合をWDS(Wavelength Dispersive X-ray Spectroscopy)という。

通常、試料中のある元素(元素A)の定量分析を行う場合、元素Aの濃度が分かっている標準試料を用いる。まず、標準試料中の元素AのX線強度と、測定しようとする未知試料中の元素AのX線強度の比(相対強度)を求める。次に、求めた相対強度を標準試料中の元素Aの濃度に掛け合わせる。さらに、標準試料と未知試料でのX線強度の違いを補正する因子(補正係数)を掛け合わせることで、未知試料中の元素Aの濃度を決定する。この補正係数を求める方法は定量補正と呼ばれ、ZAF補正、ファイローゼット法(φ(ρz)法)などがある。

EDSでは標準試料を使わずに定量分析を行うことができる機能があり、スタンダードレス定量(簡易定量あるいは半定量)分析と呼ばれる。この方法では、あらかじめ多くの標準試料を使って取得したX線強度の標準データをもとに、前述の定量分析と同様のプロセスを自動的に行う。測定ごとに標準試料の測定をする必要はないため、簡便かつ迅速に定量分析結果が得られる。ただし、未知試料の組成が、標準試料の組成に近くないと、定量補正の精度が悪くなる場合がある。より正確な定量結果を求めるには、標準試料を使った定量分析を行う必要がある。

なお、定量分析では、X線の発生領域で元素の分布が一様であること、試料表面が平坦であること、電子ビームが試料に垂直に入射していること、を前提としている。

Quantitative analysis means to measure the concentrations of each constituent elements of a specimen from the energy or wavelength of characteristic X-rays emitted from the specimen. The method to measure the energy is termed EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) and the method to measure the wavelength is termed WDS (Wavelength Dispersive X-ray Spectroscopy).

Normally, when performing quantitative analysis of a certain element (element A) using EDS or WDS, a standard specimen is used, in which the concentration of element A is known.

First, the relative intensity (ratio) of the characteristic X-ray intensity of element A in an unknown specimen to that of the standard specimen is obtained. Next, the obtained relative intensity is multiplied by the concentration of element A in the standard specimen. Then, the concentration of element A in the unknown specimen is determined by multiplying by a correction factor that corrects the difference in the characteristic X-ray intensities from the standard specimen and the unknown specimen. Here, methods that obtain the correction factor are called quantitative correction, including ZAF correction and Phi-Rho-Z method (φ(ρz) method).

EDS has a function that can perform quantitative analysis without using a standard specimen, and is called standard-less quantitative (simple quantitative or semi-quantitative) analysis. In this method, the same quantitative analysis procedure as mentioned above is automatically performed using the X-ray intensity data acquired in advance from many standard specimens. Since the method requires no measurement of the standard specimens for analysis of each element, the quantitative analysis is performed easily and rapidly. However, the accuracy of quantitative correction may deteriorate if the elemental composition of an unknown specimen is not close to the composition of a standard specimen. For better quantitative analysis, the analysis that uses the standard specimens is needed.

It is noted that the quantitative analysis assumes that the element distribution is uniform in the X-ray generation region, the specimen surface is flat, and the incident electron beam is normal to the specimen surface.