XRF (análisis de fluorescencia de rayos X) es un método de análisis físico que determina directamente casi todos los elementos químicos en materiales en polvo, líquidos y sólidos.
Los beneficios del método
Este método es universal ya que se basa en una preparación de muestras rápida y sencilla. El método ha sido ampliamente utilizado en la industria, en el campo de la investigación científica. El método de análisis de fluorescencia de rayos X tiene un enorme potencial, útil en análisis muy complejos de varios objetos ambientales, así como en el control de calidad de productos manufacturados y en el análisis de productos terminados y materias primas.
Historia
El análisis de fluorescencia de rayos X fue descrito por primera vez en 1928 por dos científicos: Glocker y Schreiber. El dispositivo en sí fue creado solo en 1948 por los científicos Friedman y Burks. Como detector tomaron un contador Geiger, que mostró una alta sensibilidad con respecto al número atómico del núcleo del elemento.
El medio de helio o vacío en el método de investigación comenzó a utilizarse en 1960. Se utilizaron para determinar los elementos ligeros. También comenzó a usar cristales de fluoruro.litio. Fueron utilizados para la difracción. Se utilizaron tubos de rodio y cromo para excitar la banda de ondas.
Si(Li) - El detector de deriva de litio y silicio se inventó en 1970. Proporcionó una alta sensibilidad de datos y no requirió el uso de un cristalizador. Sin embargo, la resolución de energía de este instrumento era peor.
Control analítico automatizado de piezas y procesos transferido a la máquina con la llegada de las computadoras. El control se realizó desde el panel del instrumento o el teclado de la computadora. Los analizadores se hicieron tan populares que se incluyeron en las misiones Apolo 15 y Apolo 16.
Actualmente, las estaciones espaciales y las naves lanzadas al espacio están equipadas con estos dispositivos. Esto te permite identificar y analizar la composición química de las rocas de otros planetas.
Esencia del método
La esencia del análisis de fluorescencia de rayos X es realizar un análisis físico. Es posible analizar de esta forma tanto sólidos (vidrio, metal, cerámica, carbón, roca, plástico) como líquidos (aceite, gasolina, soluciones, pinturas, vino y sangre). El método le permite determinar concentraciones muy pequeñas, al nivel de ppm (una parte por millón). Las muestras grandes, hasta el 100 %, también son susceptibles de investigación.
Este análisis es rápido, seguro y no destructivo para el medio ambiente. Tiene una alta reproducibilidad de los resultados y precisión de los datos. El método permite la detección semicuantitativa, cualitativa y cuantitativa de todos los elementos que se encuentran en la muestra.
La esencia del método de análisis de fluorescencia de rayos Xsencillo y comprensible. Si dejas de lado la terminología y tratas de explicar el método de una manera más sencilla, entonces resulta. Que el análisis se realiza sobre la base de una comparación de la radiación que resulta de la irradiación de un átomo.
Hay un conjunto de datos estándar que ya se conocen. Al comparar los resultados con estos datos, los científicos concluyen cuál es la composición de la muestra.
La simplicidad y accesibilidad de los dispositivos modernos permiten que se utilicen en investigaciones submarinas, espaciales, diversos estudios en el campo de la cultura y las artes.
Principio de funcionamiento
Este método se basa en el análisis del espectro, que se obtiene exponiendo el material a examinar a rayos X.
Durante la irradiación, el átomo adquiere un estado excitado, que va acompañado de la transición de electrones a niveles cuánticos de orden superior. El átomo permanece en este estado por un tiempo muy corto, alrededor de 1 microsegundo, y luego vuelve a su estado fundamental (posición de reposo). En este momento, los electrones ubicados en las capas externas llenan los lugares vacantes y liberan el exceso de energía en forma de fotones, o transfieren energía a otros electrones ubicados en las capas externas (se les llama electrones Auger). En este momento, cada átomo emite un fotoelectrón, cuya energía tiene un valor estricto. Por ejemplo, el hierro, cuando se expone a los rayos X, emite fotones iguales a Kα, o 6,4 keV. En consecuencia, por el número de cuantos y energía, se puede juzgar la estructura de la materia.
Fuente de radiación
El método de fluorescencia de rayos X para el análisis de metales utiliza isótopos de varios elementos y tubos de rayos X como fuente para la curación. Cada país tiene requisitos diferentes para la exportación e importación de isótopos emisores, respectivamente, en la industria para la producción de dichos equipos, prefieren usar un tubo de rayos X.
Estos tubos vienen con ánodos de cobre, plata, rodio, molibdeno u otros. En algunas situaciones, el ánodo se elige según la tarea.
La corriente y el voltaje son diferentes para diferentes elementos. Es suficiente investigar elementos livianos con un voltaje de 10 kV, pesados - 40-50 kV, medianos - 20-30 kV.
Durante el estudio de los elementos ligeros, la atmósfera circundante tiene un gran impacto en el espectro. Para reducir este efecto, la muestra en una cámara especial se coloca al vacío o el espacio se llena con helio. El espectro excitado es registrado por un dispositivo especial: un detector. La precisión de la separación de fotones de diferentes elementos entre sí depende de qué tan alta sea la resolución espectral del detector. Ahora la más precisa es la resolución al nivel de 123 eV. El análisis de fluorescencia de rayos X se lleva a cabo mediante un dispositivo con tal rango con una precisión de hasta el 100%.
Después de que el fotoelectrón se haya convertido en un pulso de voltaje, que se cuenta mediante una electrónica de conteo especial, se transmite a la computadora. A partir de los picos del espectro, que dieron el análisis de fluorescencia de rayos X, es fácil determinar cualitativamente quéhay elementos en la muestra estudiada. Para determinar con precisión el contenido cuantitativo, es necesario estudiar el espectro resultante en un programa de calibración especial. El programa está pre-creado. Para ello, se utilizan prototipos cuya composición se conoce de antemano con gran precisión.
En pocas palabras, el espectro obtenido de la sustancia estudiada se compara simplemente con el conocido. Así se obtiene información sobre la composición de la sustancia.
Oportunidades
El método de análisis de fluorescencia de rayos X le permite analizar:
- muestras cuyo tamaño o masa es despreciable (100-0,5 mg);
- reducción significativa en los límites (inferiores en 1-2 órdenes de magnitud que XRF);
- análisis teniendo en cuenta las variaciones en la energía cuántica.
El espesor de la muestra a examinar no debe exceder 1 mm.
En el caso de tal tamaño de muestra, es posible suprimir procesos secundarios en la muestra, entre los cuales:
- dispersión Compton múltiple, que amplía significativamente el pico en matrices ligeras;
- bremsstrahlung de fotoelectrones (contribuye a la meseta de fondo);
- excitación entre elementos, así como absorción de fluorescencia que requiere corrección entre elementos durante el procesamiento del espectro.
Desventajas del método
Uno de los inconvenientes importantes es la complejidad que acompaña a la preparación de muestras delgadas, así como los requisitos estrictos para la estructura del material. Para la investigación, la muestra debe estar muy finamente dispersa y muy uniforme.
Otro inconveniente es que el método está fuertemente ligado a los estándares (muestras de referencia). Esta característica es inherente a todos los métodos no destructivos.
Aplicación del método
El análisis de fluorescencia de rayos X se ha generalizado en muchas áreas. Se utiliza no solo en la ciencia o la industria, sino también en el campo de la cultura y las artes.
Usado en:
- protección ambiental y ecología para la determinación de metales pesados en suelos, así como para su detección en agua, precipitaciones, diversos aerosoles;
- mineralogía y geología realizan análisis cuantitativos y cualitativos de minerales, suelos, rocas;
- industria química y metalurgia: controle la calidad de las materias primas, los productos terminados y el proceso de producción;
- industria de la pintura: analizar la pintura con plomo;
- industria de la joyería: mide la concentración de metales preciosos;
- industria petrolera: determine el grado de contaminación del aceite y el combustible;
- industria alimentaria: identificar metales tóxicos en alimentos e ingredientes;
- agricultura: analice los oligoelementos en diversos suelos, así como en productos agrícolas;
- arqueología - realizar análisis elementales, así como fechar los hallazgos;
- arte: estudian esculturas, pinturas, examinan objetos y los analizan.
Asentamiento fantasma
Análisis de fluorescencia de rayos X GOST 28033 - 89 ha estado regulando desde 1989. Documentotodas las preguntas relacionadas con el procedimiento quedan registradas. Aunque se han dado muchos pasos a lo largo de los años para mejorar el método, el documento sigue siendo relevante.
Según GOST, se establecen las proporciones de los materiales estudiados. Los datos se muestran en una tabla.
Tabla 1. Relación de fracciones de masa
| Elemento definido | Fracción de masa, % |
| Azufre | De 0.002 a 0.20 |
| Silicio | "0.05 " 5.0 |
| Molibdeno | "0.05 " 10.0 |
| Titanio | "0, 01 " 5, 0 |
| Cob alto | "0.05 " 20.0 |
| Cromo | "0.05 " 35.0 |
| Niobio | "0, 01 " 2, 0 |
| Manganeso | "0.05 " 20.0 |
| Vanadio | "0, 01 " 5, 0 |
| Tungsteno | "0.05 " 20.0 |
| Fósforo | "0.002 " 0.20 |
Equipo aplicado
El análisis espectral de fluorescencia de rayos X se lleva a cabo utilizandoequipos, métodos y medios especiales. Entre los equipos y materiales utilizados en GOST se enumeran:
- espectrómetros multicanal y de barrido;
- amoladora y esmeriladora (amoladora y amoladora, tipo 3B634);
- amoladora de superficie (Modelo 3E711B);
- torno de corte de tornillos (modelo 16P16).
- ruedas de corte (GOST 21963);
- muelas abrasivas de electrocorindón (aglomerante cerámico, tamaño de grano 50, dureza St2, GOST 2424);
- papel de lija (base de papel, segundo tipo, marca BSh-140 (P6), BSh-240 (P8), BSh200 (P7), electrocorindón - normal, tamaño de grano 50-12, GOST 6456);
- alcohol etílico técnico (rectificado, GOST 18300);
- mezcla de argón-metano.
GOST admite que se pueden usar otros materiales y aparatos para proporcionar un análisis preciso.
Preparación y muestreo según GOST
El análisis de fluorescencia de rayos X de metales antes del análisis implica una preparación especial de la muestra para futuras investigaciones.
La preparación se realiza en el orden adecuado:
- Se afila la superficie a irradiar. Si es necesario, limpie con alcohol.
- La muestra se presiona firmemente contra la abertura del receptor. Si la superficie de la muestra no es suficiente, se utilizan limitadores especiales.
- El espectrómetro está preparado para funcionar de acuerdo con las instrucciones de uso.
- El espectrómetro de rayos X se calibra utilizando una muestra estándar que cumple con GOST 8.315. También se pueden utilizar muestras homogéneas para la calibración.
- La graduación primaria se realiza al menos cinco veces. En este caso, esto se hace durante el funcionamiento del espectrómetro en días diferentes.
- Al realizar calibraciones repetidas, es posible utilizar dos series de calibraciones.
Análisis y procesamiento de resultados
El método de análisis de fluorescencia de rayos X según GOST implica la realización de dos series de mediciones paralelas para obtener una señal analítica de cada elemento bajo control.
Se permite utilizar la expresión del valor del resultado analítico y la discrepancia de medidas paralelas. En unidades de medida, las escalas expresan los datos obtenidos utilizando las características de calibración.
Si la discrepancia permitida excede las mediciones paralelas, entonces se debe repetir el análisis.
También es posible una medición. En este caso, se realizan dos mediciones en paralelo respecto a una muestra del lote analizado.
El resultado final es la media aritmética de dos mediciones tomadas en paralelo, o el resultado de una sola medición.
Dependencia de los resultados en la calidad de la muestra
Para el análisis de fluorescencia de rayos X, el límite se aplica solo a la sustancia en la que se detecta el elemento. Para diferentes sustancias, los límites de detección cuantitativa de elementos son diferentes.
El número atómico que tiene un elemento puede jugar un papel importante. En igualdad de condiciones, es más difícil determinar los elementos ligeros y los elementos pesados son más fáciles. Además, el mismo elemento es más fácil de identificar en una matriz ligera que en una pesada.
En consecuencia, el método depende de la calidad de la muestra sólo en la medida en que el elemento pueda estar contenido en su composición.
