X射线光电子能谱仪的规范化管理与维护

X射线光电子能谱仪的规范化管理与维护

王献宝

431022199005196779

深圳市华芯通信科技有限公司

摘要：随着科技的不断进步，X射线光电子能谱仪(XPS)是进行表面分析的大型精密仪器，它可以表征固体材料表面的元素成分，半定量分析，尤其是可以解析元素所处的化学状态，广泛应用于催化、能源、医药等多个领域。随着科研项目和社会服务对测试结果的可靠性要求越来越高，以及开放共享的需求越来越多，XPS的科学规范化管理得到了高度重视。另外，XPS仪器结构复杂精密，而且由于是超高真空仪器，基本上常年处于开机状态，所以仪器的日常维护显得尤为重要。

关键词：X射线光电子能谱仪；规范化管理；维护

引言

Ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ）也称为化学分析用电子能谱（ＥＳＣＡ），该方法是在２０世纪６０年代由瑞典科学家ＫａｉＳｉｅｇｂａｈｎ教授发展起来的。现在，Ｘ射线光电子能谱无论在理论上河实验技术上都已获得了长足的发展。ＸＰＳ已从刚开始主要用来对化学元素的定性分析发展为表面元素定性、半定量分析及元素化学价态分析的重要手段。ＸＰＳ的研究领域也不再局限于传统的化学分析，而扩展到现代迅猛发展的材料科学。目前，该分析方法在日常表面分析工作中的份额约５０％，是一种最主要的表面分析工具。

1X射线光电子能谱仪管理现状

XPS是当前材料表面分析的重要工具，具有灵敏度高、破坏性小等特点。XPS谱图不仅可提供材料表面元素组成信息，还能提供元素的化学状态信息。另外，因为入射到样品表面的X射线是一种光子束，对样品的破坏性非常小。基于以上，XPS在科学研究中的实际应用范围越来越广泛。XPS目前在我校材料与冶金学院、化学与化工学院、资源与环境工程学院、机械自动化学院、理学院、信息科学与工程学院等相关专业的教学与科研中都有非常广泛的应用。随着学校研究生招生规模的不断扩大，XPS的使用也愈加繁忙，之前由专门仪器管理人员对所有样品进行测试的方式已经满足不了实际应用需求。如何缓解XPS的使用压力，提高它的使用效率成为仪器管理人员必须面对的课题。另一方面，XPS单价在500万元人民币左右，属于大型贵重仪器，具有价格昂贵、结构精密和操作复杂等特点，对操作者具有很高的技术要求，很小的误操作也可能导致仪器发生故障。如果盲目的开放，不对使用者进行严格培训和管理，会造成仪器损坏、老化加快、故障率增多等，实际上降低仪器有效使用率。

2规范化管理

2.1仪器运行记录

实验室环境和设备运行条件是保障仪器运行和测试数据准确性的必要前提基础。XPS仪器使用前后应填写《仪器运行记录》，此记录一般包括室内温度湿度，循环冷却水温，真空度记录，运行时间，测样记录以及仪器运行状态记录(正常运行或是故障)，便于追踪仪器的使用情况。此外，XPS依托南开大学大型仪器管理平台，此平台上也详细地记录了仪器的测样记录和使用情况，电子化数据与纸质数据双重保障。

2.2技术人员规范管理

仪器管理技术人员要经过严格上岗培训，通过能力确认并被授权，获得上岗证，确保技术人员不仅能够熟练正确地操作仪器，还要有良好的分析检测能力。XPS这种大型精密仪器原理复杂，仪器操作要求比较高，固定技术人员是很必要的。为了提高仪器运行效率，有些校内课题组的测试需求比较大的，可培养一名兼职操作人员专做本课题组样品。

2.3质量控制

为保证数据的有效性，还应强化质量控制，有计划地进行质量监督。目前，由主管部门引导的XPS的能力验证还不常见，我们中心实验室主要通过自行发起的实验室间的比对、人员比对、留存样品复测等方式监督XPS仪器和技术人员。

2.4仪器校准

为了实现量值的溯源，仪器必须定期进行检定或校准。XPS目前不属于强制检定仪器，内部校准即可。XPS内部校准方法可依据GB/T25184－2010《X射线光电子能谱仪检定方法》，校准时还要结合仪器实际情况，主要检验校准(1)能量标:峰结合能的准确度、重复性和结合能标尺的线性；(2)强度标:谱峰强度是否达标，强度标线性和重复性是否良好;(3)荷电中和器的中和效果。一般建议一到两年校准一次，具体间隔可再根据校准结果确定。当仪器进行维修后，如果维修可能对测量的结果造成影响，投入使用前则需要先进行校准，确保仪器恢复正常状态。

3X射线光电子能谱仪的维护

3.1气路系统维护

仪器常用气体有高纯氮气，高纯氩气和工业氮气(或压缩空气)。所有气体必须干燥，高纯气体要求纯度在99．99%以上。气体管路要标识清晰，不同功能的气体所需压力不同，要时常检查压力值，气体快用尽时要提前更换钢瓶。由于气体钢瓶属于压力容器，安全防护措施要到位。

3.2真空系统的维护

首先要确保样品的干净，具有放射性的样品、具有强磁性的样品、在X光照射下会分解的样品、在制样过程中容易快速潮解的样品、真空条件下可以释放大量气体的样品(尤其释放出的气体对不锈钢具有腐蚀性的样品)、具有化学毒性和生物毒性的样品都不得测试。样品中不得含有乙酸乙酯、氯仿、二氯甲烷、苯、环己烷等有机试剂，待测试的样品表面不能被沾污(如手摸拿，碰触污染物等)。最好用带盖的玻璃小试管、小容量瓶等容器装样，也可以使用干净的铝箔直接包裹样品后放入干净的玻璃器皿中送样。不要直接使用塑料容器、塑料袋、含硅的胶带或胶面和纸袋，以免硅树脂或纤维污染样品表面。其次，所有样品在送样之前必须提前进行真空干燥或者冷冻干燥，送入进样室后要充分抽气。我们通常都是在下午下班前将第二天要测试的样品送入进样室抽真空，第二天上班的时候再进行测试。如果经过一夜抽真空后依然无法抽至5×10－6Pa以下，该样品的测试应该被取消。

3.3循环冷却水维护

仪器配有循环水冷机，提供循环水冷却涡轮分子泵、X射线源、磁透镜等，循环水的温度、电导率和流量是重要的指标。XPS对水的电导率要求较高(＜1μS/cm)，建议水冷机使用高纯水，定期换水，以防管路中滋生微生物。要根据电导率情况，及时更换或再生去离子树脂。循环水的水流量可在软件中监测，若水流量达不到设定值，要查找原因，检查打开气动阀门的气体压力，检查水位，管路是否堵塞，以及水流量传感器是否正常等。

3.4日常维护

维持良好的实验室环境，每周吸尘、拖地、擦拭仪器表面和实验台，控制实验室温度在17～25℃，湿度＜65%，在实验室门口增加吸尘纸，进入实验室穿鞋套。每天早晨对设备进行点检，记录高纯氮气、普通氮气(有的使用压缩空气)压力以及测样室和进样室的真空，关注空调、水冷机等是否正常工作。定期对仪器进行校准。包括结合能标的校准、强度标重复性和线性、荷电校正等。

结语

XPS这样的大型精密仪器，应该科学规范化管理，仪器所测试的实验数据才能可靠有效，便于更好地开展教学、科研和社会服务，也有利于仪器的开放共享。ＸＰＳ是一种高灵敏度和高分辨率的表面分析方法。其利用Ｘ射线对样品进行照射，接收其中出射的光电子能量，通过对其中的能量大小及角度等多个方面进行分析，确定各种元素的种类和元素之间的相对含量，能够有效地获得元素化学状态相关信息。而日常精心的维护，可提高仪器的使用效率，也有益于延长仪器的使用寿命。

参考文献

［1］黄惠忠．论表面分析及其在材料研究中的应用［M］．北京:科学技术文献出版社，2002．

［2］吴正龙，刘洁．现代X光电子能谱(XPS)分析技术［J］．现代仪器与医疗，2006，12(1):50－53．

［3］谢景林．X射线光电子能谱仪应用［J］．现代仪器，2009，15(5):16－20．

［4］余锦涛，郭占成，冯婷，等．X射线光电子能谱在材料表面研究中的应用［J］．表面技术，2014，43(1):119－124．