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一种用XRD定量弱结晶土壤样品的新方法

X射线衍射仪(XRD)

  • 一种用XRD定量弱结晶土壤样品的新方法

    Xiaodong (Tony) Wang (仪器信息网iangie)

    Centre of Material Research, Curtin University, Perth, WA 6150, Australia



    目前使用X射线粉末衍射XRPD定量样品中各种晶相是比较成熟的技术. 其中比较通用的方法是使用Rietveld 全部拟合定量. 完全准确的拟合不仅能给出物相含量信息, 还能给出物相相干衍射尺寸(MCD), 应力, 择优取向(织构)等各种样品参数. 用Rietveld方法做全谱定量的基本思想是从各种上述但不仅限于的影响衍射峰强(峰面积/积分宽度)的样品因素中调整各种非含量信息, 以达到最佳拟合. 最终剩下的物相含量(比例)则被认为是Rietveld拟合后的最可能含量.

    土壤矿物分为高岭土类, 蒙脱土类, 伊利石类, 绿泥石类, 以及其他2:1(四面体层/八面体层)海泡石类等矿物. 其中大部分种类的土壤样品都容易被各种金属离子取代, 化学成分因产地和母岩化学含量而变化. 蒙脱土类还具有容易吸收和释放碱金属和碱土金属离子的中间层, 使其化学成分和晶体结构更加复杂. 其三, 层间电荷小于0.5的土壤样品(特别是蒙脱石类)的TOT层间作用力很弱, 容易产生乱层结构 (turbostratic disorder). 这种缺陷使三维晶体网格退化成混乱叠加的二维晶体网层. 因此, 目前ICSD 数据库中收集的cif文件不足以描述所有的蒙脱石(smectite)样品. 使用这样的cif文件去Rietveld定量包含蒙脱石的土壤样品不仅得不到很好峰形拟合, 也不能得到正确的定量结果.

    PONKCS方法是一种基于实际样品校准的XRD定量方法, 特别适用于未知晶体结构的物相的XRD定量. 这种方法已经广泛应用于水泥在线快速检测, 地质聚合物定量, 未知晶体结构矿物的Rietveld定量. 本文拓展这种方法到拥有复杂峰形(各向异性峰宽和非对称峰形)的物相的定量.

    具体方法是首先提纯未知物相, 扫描未知物相的XRD谱图, 基于此谱图建立hkl结构. 再讲该物相与一系列比例的已知内标均匀混合, 扫描XRD谱图. Rieveld定量的公式是物相之间的比例等于各物相scale factor与ZMV factor的积之间的比例. 因此通过精修得到的各相的scale factor和已知混合物的比例, 加上内标的ZMV因子可以反推出未知物相的ZMV因子. 将此ZMV因子补充到原来的hkl结构中完成可用于定量的自建模型. 此模型可以用于Rietveld定量, 即用此模型描述的未知结构物相可以和用cif文件描述的其他物相同时精修. 所有的操作完全在TOPAS全谱拟合软件中无缝完成.

    本文作者提纯了西澳红土矿中的蒙脱石矿物, 用这种方法定量使定量的绝对误差不大于5 wt%. 这种方法可以推广到任何复杂峰形的物相的XRD定量分析中. 唯一的要求是要能够在实验上提纯这种物相. 更具体的描述请参见附件.

    欢迎大家不吝指教, 提出建议, 积极讨论.
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  • xujun16

    第1楼2011/11/09

    学习!谢谢分享!

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  • iangie

    第2楼2011/11/15

    应助达人

    你还记得吗?
    很久以前我发了一个帖子问一种弱结晶的土壤样品的谱怎么做indexing, 然后你回帖说这么宽的峰无法做indexing....
    这篇文章其实就是从那次讨论引申出来的.....

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  • xujun16

    第3楼2011/11/15

    师兄,还得好好看看文章理解一下。现在还不能完全理解。

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  • 大陆

    第4楼2011/12/01

    试图从少的实验信息中获取复杂的相结构信息本是很富有挑战性,iangie版主开辟一条地学与纳米-非晶材料学相结构分析的曲径通幽法,赞。

    2 comments:
    peak shape group("峰型团簇?")的思路很有创意,我认为需要注意的是从peak shape group转向结构模型的讨论只能是猜测性的而不能被当作结论性的,因为引起"峰型团簇"效应对应的机制有从原子尺度到微米尺度等多种微介观可能性;

    该方法的应用需要的前提条件非常苛刻,样品组态、仪器几何与运行状态等的贡献均需要明确排除后方可使用,因为森林中的曲径既可以通往幽静,也可能通往深渊,只有熟悉地形的丛林人才能运用自如。

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  • iangie

    第5楼2011/12/02

    应助达人

    "peak shape group("峰型团簇?")的思路很有创意,我认为需要注意的是从peak shape group转向结构模型的讨论只能是猜测性的而不能被当作结论性的,因为引起"峰型团簇"效应对应的机制有从原子尺度到微米尺度等多种微介观可能性"
    =======
    TOPAS 有三种模型用来拟合实验谱:
    一是结构模型str: 包含原子种类位置占位和晶胞参数,空间群. 这是一个完整的晶体学模型.
    二是晶格模型(lattice model)hkl_Is: 只包含晶胞参数和空间群对称等信息, 不包含晶胞内的原子信息. 峰位靠晶体学模型计算, 峰强用一个经验表格来记录.
    三是衍射峰模型(peaks phase model)xo_Is: 用一组峰位和峰强来代表物相.这是最原始的相定量模型.峰位峰强都靠经验表格记录.

    这个经验表格是需要纯的未知相来标定的.

    本文里的peaks phase group模型是基于TOPAS第三种模型的扩展, 因为原始的第三种模型不能包含各向异性峰形和非对称峰形. 有了这个扩展后的第三种模型,可以处理任何未知结构的,或者已知结构但包含未知缺陷的,复杂峰形的物相的定量,特别适合土壤样品. 其唯一的前提是这种物相能够提纯,条件并不苛刻:
    1)仪器几何是任何Rietveld fitting都要考虑的,不是这种方法的新要求.通常各种狭缝宽度,半径等都记录在一个仪器文件里,只要导入就可以了.
    2)仪器的运行状态一般来说是稳定的.
    3)样品的prefer orientation确实是peaks phase group模型的弱点, 因为一旦峰强标定了, 峰强之间的比例就定了. 所以在准备纯相样品的时候要注意尽量不要引入prefer orientation.

    总的来说, 这个工作的目的是在没有晶体学模型和已知晶体学模型不适合手头样品的时候, 只用衍射谱来代表物相, 以实现跟其他有晶体学模型的物相同时精修定量的目的.说得不好听是在现代的精修软件上实现不用结构模型的,只靠峰强来定量的老方法. 说得好听点是解决了一大批未知物相(水泥业在线相分析,高温高压湿法冶金中间产物,位置缺陷的粘土矿物等)的定量分析.不管白猫黑猫,抓到老鼠就是好猫.

    这个工作没有涉及引起峰形展宽的结构原因.

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  • 大陆

    第6楼2011/12/02

    Doch,文中的确进行了“turbostratic disorder”的讨论。

    这个工作没有涉及引起峰形展宽的结构原因.

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  • iangie

    第7楼2011/12/04

    应助达人

    clay mineral 的turbostratic disorder 引起non-basal reflection band的非对称.有这种disorder的kaolinite经常会观察到hk0峰出现非对称的峰形,低角方向上升很陡,高角方向减弱很慢.这种非对称峰形就是乱层结构造成的.

    引用文献中的"Moore, D. M. & Reynolds, R. C. (1997). X-Ray Diffraction and the identification and analysis of clay minerals, 2 ed. Oxford: Oxford University Press."第10章详细介绍了这种乱层结构.

    本文并未从结构缺陷出发讨论这种峰形的成因, 而是用球谐函数或非对称PV峰形对峰形进行数学描述. 在同一样品的"turbostratic disorder"程度不随相含量而变的假设下进行定量分析.

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