前言：
在X射線熒光光譜分析中，氧化物的硼酸鹽熔融制樣技術由于*消除了樣品的礦物效應和粒度效應，樣品被熔劑稀釋后又能一定程度的降低共存元素引起的基體效應，而被認為是X射線熒光光譜分析中zui的制樣方法。熔融制樣法zui早由Claisse提出，并在1956年發表了*篇關于熔融制樣方面的論文(Claisse, F. Department of Mines, Quebec, Canada, P. R. 327, 1956; The Norelco Report 4(3), 95, 1957)。以后，該技術逐漸發展并成熟，現在已被*的大量實驗室采用，成為工業檢測和科學研究的重要組成部分。本專題以此為切入點，談談熔融制樣法在XRF分析中的應用。

目錄：
一、制備玻璃熔片的基本條件
1.       熔劑
2.       坩堝
3.       脫模劑
4.       熔樣爐

二、各元素在玻璃片中的溶解特性

三、硫與氟在玻璃熔片中的保留
1.       如何保存玻璃熔片中的硫
2.       氟在玻璃熔片中的行為

四、還原性物質的熔融制樣

一、制備玻璃熔片的基本條件
1.        熔劑
用于熔融制樣的熔劑主要是硼酸鹽，可以說熔融制樣法的歷史就是伴隨著硼酸鹽的使用而來的，Claisse在zui早設計的玻璃熔珠實驗中，用的就是無水硼砂（Na2B4O7）。如今，四硼酸鈉作為熔劑已經退出了熔融制樣法的主流舞臺，取而代之的是性能更為優異的硼酸鋰熔劑。除了硼酸鋰外，對于特殊樣品有時候也會用到偏磷酸鈉熔劑。
1）        四硼酸鋰熔劑（Li2B4O7）
一般簡寫為LiT，是一種弱酸性熔劑，與堿性樣品相容性很好。四硼酸鋰的熔點是917度，化學組成上為17.7%的Li2O和82.3%的B2O3，熔融后幾乎不結晶，是熔融制樣法中zui主要也是zui常用的熔劑，性能優良。
2）        偏硼酸鋰熔劑（LiBO2）
一般簡寫為LiM，為堿性熔劑，與酸性氧化物相容性很好。偏硼酸鋰的熔點為849度。化學組成為30.0%的Li2O和70.0%的B2O3，融化后有很好的流動性，冷卻過程中卻易發生結晶，一般不建議單獨使用偏硼酸鋰做熔劑。
3）        混合溶劑
混合溶劑是由四硼酸鋰和偏硼酸鋰按不同比例混合而來，在化學組成上介于LiT和LiM之間，熔點也基本介于兩者之間，在大多數情況下使用混合熔劑會獲得更佳的熔片效果，玻璃熔片不破裂，也較少黏附坩堝。
4）        四硼酸鈉熔劑
無水硼砂是zui早使用的熔劑，Na2B4O7的熔點741度，對大多數氧化物都適用，玻璃片也不會結晶破裂。但他的缺點也比較明顯，有很強的吸濕性，玻璃熔片不易長時間保存，這對于校準樣片來說是不利的。
5）        偏磷酸鈉熔劑
偏磷酸鈉的熔化從約600度開始，由于低的熔化溫度可作為高溫揮發性物質的良好熔劑，同時偏磷酸鈉對氧化鉻有著很好的溶解性，這在某種程度上彌補了氧化鉻在硼酸鋰熔劑中溶解度差的不足。偏磷酸鈉的水溶性很好，有時候也可用它作為制備用于ICP和AA分析的水溶液的熔劑。

2.        坩堝
鉑是迄今發現的可用于熔融操作的*實用金屬，金的加入一方面增加了鉑坩堝的強度，使得坩堝不易變形；另一方面，使坩堝更加不易浸潤。目前通用的坩堝材質為95%Pt-5%Au組成的合金，壁越厚越不易變形，越耐用，但費用也會更高，現在一般做成直徑32mm的圓底形狀，也zui為經濟。根據使用方法可分為直接成型用坩堝和澆鑄成型用坩堝，對于澆鑄成型的坩堝，還會有專門的配套模具。
圖1為Claisse熔樣爐用的配套坩堝，配有專門的模具澆鑄成型。圖2是國內某公司產的硅碳棒加熱熔樣爐用的坩堝，玻璃片在坩堝內直接成型。

圖1 Claisse熔樣爐用坩堝

圖2 硅碳棒加熱用的坩堝

關于坩堝的保養需注意三個方面
1）減少腐蝕
這也是zui重要的。任何氧化不*的物質都可能引起對坩堝的腐蝕，比如硫化物、鐵合金、Cu2O等，所以不要抱有任何僥幸心理，在熔融前需要對樣品有充分的了解。
2）清洗
坩堝在使用過程中，由于某些特殊樣品可能會導致脫模效果不好，坩堝中會黏附玻璃殘渣。殘渣快速的清洗方法一般用稀酸煮沸，需強調的是必須用單一酸，或硝酸，或鹽酸，千萬不能用硝酸和鹽酸的混酸。另一種方法就是加入熔劑再進行一次熔融，脫模后傾倒出玻璃片即可。
3）拋光
對于一些輕微的腐蝕，比如坩堝失去光澤時，可以嘗試對坩堝進行一次拋光。一般可用絨布或細粒砂紙（比如800目）高速摩擦坩堝，使坩堝恢復光滑。拋光操作一定要小心，切不可用粗砂紙直接摩擦坩堝。如果腐蝕太嚴重時，對坩堝進行一次重鑄。

3.        脫模劑
熔融的玻璃有粘附或浸潤鉑坩堝和模具的傾向，這使得熔片易粘在坩堝或模具上，不易傾倒。因此，必須使用脫模劑來幫助熔片從坩堝或模具中順利剝離。目前發現只有鹵化物有這樣的特性，可作為脫模劑使用，如溴化物LiBr、NH4Br等和碘化物KI、NH4I 等。關于脫模劑的作用機理，一般認為脫模劑會在玻璃表面形成一層包裹膜，使得熔片能夠順利剝離坩堝或模具。
脫模劑的用量不用很多，一般20~50mg 即可，可以通過固體加入，也可以通過溶液加入。需要說明的是，由于鹵族元素在高溫時，有很強的揮發性，所以熔融溫度和熔融時間也會影響脫模劑的用量。當脫模劑用溶液形式加入時，具有不用稱量的優點，準確性也很好。脫模劑可以在熔融前加入到坩堝中，也可以在澆鑄前注加入坩堝中，后者只能加入固體，但這樣脫模劑的使用量更少。使用脫模劑時須要考慮到Br 和I 對分析元素的干擾，盡量避免元素間的干擾。

圖3 I和Br隨時間揮發的關系

4.熔樣爐

熔融反應一般需要1000度以上的溫度，早期熔融制片常借助于燃氣燈或馬弗爐，現在已經有大量的專業性強，自動化程度高的熔融制樣爐。根據使用特點，一般可分為以下四種。

1）馬弗爐。*手工的熔融設備，現在仍無法*取代。在熔融樣品不多的情況下可以使用，但如何保證玻璃熔片的均勻性是其zui大的挑戰，一般需要一定的操作技巧和熟練度才能制得重現性好的熔片。

2）硅碳棒加熱爐。目前國內生產硅碳棒加熱熔樣爐的公司很多，專業程度也很高。該爐型現在基本上實現自動化，操作安全，制出的樣片重現性很好，坩堝的使用壽命也較長。一般一次可同時容納4~6個樣品，工作效率也比較高。

3）燃氣爐。通過使用高熱值的燃氣來實現熔融制樣，在控溫精度上可能會稍遜于硅碳棒加熱型的熔樣爐。使用時應注意避免讓坩堝與氣體的還原焰接觸，注意坩堝使用的安全。

4）高頻感應爐。該爐中坩堝處于高頻振蕩的電磁條件下，靠自身發熱來實現熔融。具有速度快，能耗較低，操作安全的特點。但由于發熱形式是靠坩堝的原子振動碰撞實現，長時間坩堝的損耗可能比較大，同時在溫度控制上也不如硅碳棒型的熔樣爐。

二、各元素在玻璃片中的溶解特性
在元素周期表中，可形成玻璃的元素有B, Si, P, As, Sb, O, S, Se和Te，位于周期表中第Ⅲ到第Ⅵ主族。所以對于第Ⅲ到第Ⅵ主族的元素來說，成玻璃幾乎不成問題，所以基本上也不存在難熔問題，可能*的一個就是硫的溶解和揮發問題。同樣的，氟也存在這樣的問題。另外一個比較棘手的就是過渡元素的熔融，尤其是氧化鉻的熔融，具體反應在低的溶解度上。含銅材料也存在難熔的問題，一是坩堝腐蝕問題，二是玻璃片的黏附問題。
在下面所示的元素周期表中，我們把它分為幾個部分，一是工業上常用元素包括次常用元素；二是稀土元素；三是易揮發元素包括鹵族元素和硫。對于大多數的工業常用元素來說，除了鉻和銅的熔融稍有難點外，其他元素熔制玻璃片基本上是不成問題的。對于易揮發元素溴和碘來說常作為脫模劑使用，已經討論過了，而對于硫和氟來說，由于其在工業上的重要性，其測量的準確度也是不容回避，在下面章節將專題討論。稀土元素由于在樣品中的含量并不會太高，除了考慮檢出限外，熔融的難點也不大。
重點闡述下氧化物在硼酸鹽熔劑中的溶解度。
雖然在整個元素周期表中，除了產生氣體氧化物的元素外，幾乎所有元素的氧化物都可以熔于硼酸鹽熔劑，*不同的是溶解度上的差異。下圖很清晰的表明了這種關系，一般情況下四硼酸鋰對堿性氧化物熔融效果更好，偏硼酸鋰對酸性氧化物溶解度更大一些。下面的溶解度關系圖（由Claisse繪制）可作為日常熔片的工作指導，避免少走彎路。在溶解度關系上，目前只有氧化鉻是個特例，溶解度極小，7g硼酸鹽大概zui多只能溶解0.15g的Cr2O3。有文獻報道，添加適量的鈉鹽可以適當的增大氧化鉻的溶解度，按照這個理論，那硼酸鈉熔劑是不是對氧化鉻有更好的溶解度呢？ 
另外一個需要單獨說明的是含銅材料的熔融。氧化銅會對鉑坩堝輕微鍍銅，導致坩堝腐蝕，同時含銅玻璃片對坩堝的黏附很大，這可能也和銅的析出有關。但是對于硫化銅礦來說，在充分氧化的前提下，似乎比純的氧化銅更好熔融。目前，已經有少量文獻報道采用熔融法測銅精礦中各元素的報道，這對于采用熔融制樣XRF準確測定含銅材料尤其是銅礦來說，是一個很廣泛的應用領域。

圖4元素周期表

圖5 氧化物的溶解度表

三、硫與氟在玻璃熔片中的保留

在整個元素周期表中，硫和氟在高溫熔融時的揮發性zui引人注意，往往因為他們的揮發性而導致結果的不準確，但對于硫與氟的分析又恰恰很重要。這是因為含硫和含氟物質往往是工業上常用原料，對其分析有著潛在的必要性。所幸的是，通過特殊的處理，硫和氟在玻璃熔片中的保留可以做得很好，基本上能夠滿足常規的分析要求。
1.        如何保存玻璃熔片中的硫
硫的氧化物有兩種形態，一是SO2，另一是SO3。對于SO2來說，熔融的實現基本上不可能，它可以說是*揮發的，而對于SO3來說，問題可能并不是那么棘手，它的揮發性就很小，或者說它幾乎不揮發，但前提必須在特定的熔劑組成和熔融溫度下。既然存在這樣的問題，那么我們該如何使硫保留在玻璃熔片中呢？
*個問題，選擇合適的氧化態。
既然SO2是揮發的，在硼酸鹽熔劑中是無法保留的，為了保硫，我們就不能讓硫以低價態形式存在，必須把它氧化到zui高價態。舉個例子，比如亞硫酸鹽的熔融，應該說對于亞硫酸鹽的熔融還是很有挑戰性的，硫含量如此之高，在你稍不留意下就會有損失。在這種情況下，對于亞硫酸鹽的氧化一定要在低溫下進行，以防硫的損失，可能對于高硫樣品的應用還是少一些，暫且可以不過分的糾纏。我們更多的是對低硫樣品的測試，比如礦石中硫的測定，這個時候氧化就不需要特別的注意了。
第二個問題，熔融溫度的選擇。
硫雖然是揮發性的，但也僅僅在高溫下揮發，圖6清晰的說明了硫的揮發狀態，當溫度超過1000度后，硫開始揮發，并且越來越嚴重。既然如此，那么我們在選擇熔融溫度的時候盡量的不要超過1000度，所幸的是，四硼酸鋰的熔點是921度，偏硼酸鋰的熔點是845度，兩者按不同比例混合的熔劑的熔點在這兩者之間，所以不需要超過1000度熔融就*可以實現。

圖6 揮發元素的揮發性與溫度關系

第三個問題，熔劑的選擇。
千萬不要認為熔劑對氧化物的溶解狀態沒有太大關系，對于硫就是一個很明顯的例子。當硫以SO3形式出現時，如果選擇四硼酸鋰做熔劑保硫效果就不好，這是因為強酸性的SO3和酸性的四硼酸鋰的結合性如此之差，導致硫的揮發變得不能忽視。因為存在這樣的反應SO3 == SO2+O2，反應逐漸向右進行，以至于硫全部揮發掉。而偏硼酸鋰卻是堿性的，由于異性相吸，酸堿中和這樣的真理的存在，SO3很樂意存在于偏硼酸鋰這樣的環境中。但由于純的偏硼酸鋰容易結晶，并不建議使用純的偏硼酸鋰作為保硫熔劑，在四硼酸鋰中混合一定量的偏硼酸鋰就可以達到相當好的效果，1:1或者更少一點的偏硼酸鋰都可達到目的。
這樣我們可以得出這樣的結論，硫在玻璃熔片中的存在必須滿足這樣的條件，1、形態必須是高價態，也就是正六價的硫；2、熔融溫度要盡可能的低一些；3、熔劑中至少要有30%的偏硼酸鋰。

2.        氟在玻璃熔片中的行為

氟在工業上的應用也是比較廣泛的，比如螢石中CaF2的測定以及電解鋁工業中各種尖晶石的測定。但是用熔融法測氟涉及到兩方面的問題，一是氟在高溫下的揮發性，另一是氟的熒光產額。

關于氟在高溫下的揮發，一般認為在不超過900攝氏度下，損失較小。所以對于含氟材料的熔融，溫度一定不要太高，所幸的是由四硼酸鋰和偏硼酸鋰組成的混合熔劑的熔點小于900攝氏度，在不超過900攝氏度時熔融*可以實現。另外一種思路是采用熔點更低的偏磷酸鈉做為含氟材料的熔劑，可以更有效的抑制氟的揮發損失，也有相關的文獻報道。

由于氟為輕元素，熒光產額很低，熔融后元素含量又被稀釋，更加降低了氟的熒光射線強度。增加氟的熒光射線強度可以通過兩個途徑，一是采用小比例稀釋樣品，不要超過1：5；二是對于氟這樣的超輕元素采用小電壓大電流的方式增加射線強度。

關于熔融法測定含氟材料中的氟，雖然已經有實驗室在用，也有相關的文獻報道，但是氟作為鹵族元素，氟在玻璃熔片中的行為到底是怎樣的呢？我們知道，鹵族元素中的溴和碘是作為脫模劑使用的，一般認為溴和碘在玻璃片的表面形成一層薄膜，進而增加表面張力來達到剝離玻璃片的目的。那么，氟在玻璃片中是如何存在的？會不會也是形成了一層薄膜？如果氟是不熔的，那僅僅是物理混合嗎？

四、還原性物質的熔融制樣

對于這類物質，一方面由于還原性物質會強烈腐蝕鉑金坩堝，另一方面非氧化物不熔于硼酸鹽熔劑，所以對于這類物質是不能直接熔融的，主要包括鐵合金、硫化物（各種硫精礦）、氮化物、碳化物以及亞氧化物（Cu2O）。但是人們為了追求zui的分析結果，通過合適的預氧化手段后，已經實現了這類物質的熔融制樣。合適氧化劑的選擇以及合適的預氧化手段是還原性物質熔融的關鍵，一般固體氧化劑可選過氧化物（Na2O2, BaO2等）、碳酸鹽（Li2CO3, Na2CO3等）以及硝酸鹽(LiNO3, KNO3等)，不同氧化劑的氧化效率和劇烈程度各不相同，要分品種選擇。下表給出了不同材料熔劑和氧化劑的選擇和配比，可以作為參考。

關于這類樣品的熔融，樣品在坩堝中的布置是至關重要的，下圖給出了兩種不同的放置方式（由Claisse熔融制樣手冊提供）。對于弱還原性物質或樣品中含有少量還原性成分的物質，左圖中所示的布置方式是可以接收的。但是對于鐵合金類樣品，強烈建議采用右圖中所示的方式，事先在坩堝內壁制作四硼酸鋰保護層，以*隔絕樣品和坩堝的接觸。
需強調的是，對于這類樣品的熔融制樣，不管采用何種方式，或從何種文獻得到的方法，一定要考慮充分了才能實驗，并且一定要心細點。