XRF (analisi della fluorescenza a raggi X) è un metodo di analisi fisica che determina direttamente quasi tutti gli elementi chimici in polvere, materiali liquidi e solidi.
I vantaggi del metodo
Questo metodo è universale in quanto si basa su una preparazione rapida e semplice del campione. Il metodo è stato ampiamente utilizzato nell'industria, nel campo della ricerca scientifica. Il metodo di analisi della fluorescenza a raggi X ha un enorme potenziale, utile in analisi molto complesse di vari oggetti ambientali, nonché nel controllo di qualità dei prodotti fabbricati e nell'analisi dei prodotti finiti e delle materie prime.
Cronologia
L'analisi della fluorescenza a raggi X fu descritta per la prima volta nel 1928 da due scienziati: Glocker e Schreiber. Il dispositivo stesso è stato creato solo nel 1948 dagli scienziati Friedman e Burks. Come rivelatore, hanno preso un contatore Geiger, che ha mostrato un'elevata sensibilità rispetto al numero atomico del nucleo dell'elemento.
L'elio o mezzo sotto vuoto nel metodo di ricerca iniziò ad essere utilizzato nel 1960. Erano usati per determinare gli elementi luminosi. Ha anche iniziato a usare cristalli di fluorolitio. Erano usati per la diffrazione. Tubi di rodio e cromo sono stati utilizzati per eccitare la banda d'onda.
Si(Li) - il rilevatore di deriva al litio e silicio è stato inventato nel 1970. Forniva un'elevata sensibilità ai dati e non richiedeva l'uso di un cristallizzatore. Tuttavia, la risoluzione energetica di questo strumento era peggiore.
Parte analitica automatizzata e controllo del processo trasferito alla macchina con l'avvento dei computer. Il controllo è stato effettuato dal pannello dello strumento o dalla tastiera del computer. Gli analizzatori sono diventati così popolari che sono stati inclusi nelle missioni Apollo 15 e Apollo 16.
Al momento, le stazioni spaziali e le navi lanciate nello spazio sono dotate di questi dispositivi. Ciò consente di identificare e analizzare la composizione chimica delle rocce di altri pianeti.
Essenza metodo
L'essenza dell'analisi della fluorescenza a raggi X è condurre un'analisi fisica. In questo modo è possibile analizzare sia i solidi (vetro, metallo, ceramica, carbone, roccia, plastica) che i liquidi (olio, benzina, soluzioni, vernici, vino e sangue). Il metodo consente di determinare concentrazioni molto piccole, a livello di ppm (una parte per milione). Campioni di grandi dimensioni, fino al 100%, possono anche essere oggetto di ricerca.
Questa analisi è veloce, sicura e non distruttiva per l'ambiente. Ha un'elevata riproducibilità dei risultati e accuratezza dei dati. Il metodo consente la rilevazione semiquantitativa, qualitativa e quantitativa di tutti gli elementi presenti nel campione.
L'essenza del metodo di analisi della fluorescenza a raggi Xsemplice e comprensibile. Se lasci da parte la terminologia e provi a spiegare il metodo in un modo più semplice, allora si scopre. Che l'analisi sia effettuata sulla base di un confronto della radiazione che risulta dall'irradiazione di un atomo.
C'è un insieme di dati standard che è già noto. Confrontando i risultati con questi dati, gli scienziati concludono qual è la composizione del campione.
La semplicità e l'accessibilità dei moderni dispositivi ne consentono l'utilizzo nella ricerca subacquea, nello spazio, in vari studi nel campo della cultura e delle arti.
Principio di funzionamento
Questo metodo si basa sull'analisi dello spettro, che si ottiene esponendo il materiale da esaminare ai raggi X.
Durante l'irradiazione, l'atomo acquisisce uno stato eccitato, che è accompagnato dalla transizione degli elettroni a livelli quantistici di ordine superiore. L'atomo rimane in questo stato per un tempo molto breve, circa 1 microsecondo, dopodiché ritorna al suo stato fondamentale (posizione tranquilla). In questo momento, gli elettroni situati sui gusci esterni riempiono i posti liberi e rilasciano l'energia in eccesso sotto forma di fotoni, oppure trasferiscono energia ad altri elettroni situati sui gusci esterni (sono chiamati elettroni Auger). In questo momento, ogni atomo emette un fotoelettrone, la cui energia ha un valore preciso. Ad esempio, il ferro, se esposto ai raggi X, emette fotoni pari a Kα, o 6,4 keV. Di conseguenza, dal numero dei quanti e dell'energia, si può giudicare la struttura della materia.
Sorgente di radiazioni
Il metodo della fluorescenza a raggi X per l'analisi dei metalli utilizza sia gli isotopi di vari elementi che i tubi a raggi X come fonte di guarigione. Ogni paese ha requisiti diversi per l'esportazione e l'importazione di isotopi emettitori, rispettivamente, nell'industria per la produzione di tali apparecchiature, preferiscono utilizzare un tubo a raggi X.
Tali tubi sono dotati di rame, argento, rodio, molibdeno o altri anodi. In alcune situazioni, l'anodo viene scelto in base all'attività.
La corrente e la tensione sono diverse per elementi diversi. È sufficiente studiare elementi leggeri con una tensione di 10 kV, pesanti - 40-50 kV, medi - 20-30 kV.
Durante lo studio degli elementi luminosi, l'atmosfera circostante ha un enorme impatto sullo spettro. Per ridurre questo effetto, il campione in una camera speciale viene posto sotto vuoto o lo spazio viene riempito con elio. Lo spettro eccitato viene registrato da un dispositivo speciale: un rivelatore. L'accuratezza della separazione dei fotoni di elementi diversi l'uno dall' altro dipende da quanto è alta la risoluzione spettrale del rivelatore. Ora la più accurata è la risoluzione al livello di 123 eV. Un'analisi di fluorescenza a raggi X viene eseguita da un dispositivo con tale intervallo con una precisione fino al 100%.
Dopo che il fotoelettrone è stato convertito in un impulso di tensione, che viene contato da una speciale elettronica di conteggio, viene trasmesso al computer. Dai picchi dello spettro, che ha fornito l'analisi della fluorescenza a raggi X, è facile determinare qualitativamente qualeci sono elementi nel campione studiato. Per determinare con precisione il contenuto quantitativo, è necessario studiare lo spettro risultante in uno speciale programma di calibrazione. Il programma è pre-creato. Per questo vengono utilizzati prototipi, la cui composizione è nota in anticipo con elevata precisione.
In parole povere, lo spettro ottenuto della sostanza studiata viene semplicemente confrontato con quello noto. In questo modo si ottengono informazioni sulla composizione della sostanza.
Opportunità
Il metodo di analisi della fluorescenza a raggi X consente di analizzare:
- campioni la cui dimensione o massa è trascurabile (100-0,5 mg);
- riduzione significativa dei limiti (inferiore di 1-2 ordini di grandezza rispetto a XRF);
- analisi che tiene conto delle variazioni dell'energia quantistica.
Lo spessore del campione da esaminare non deve superare 1 mm.
Nel caso di tale dimensione del campione, è possibile sopprimere i processi secondari nel campione, tra i quali:
- scattering Compton multiplo, che amplia significativamente il picco nelle matrici luminose;
- bremsstrahlung di fotoelettroni (contribuisce al plateau di fondo);
- eccitazione tra elementi e assorbimento della fluorescenza che richiede la correzione tra elementi durante l'elaborazione dello spettro.
Svantaggi del metodo
Uno degli inconvenienti significativi è la complessità che accompagna la preparazione di campioni sottili, nonché i severi requisiti per la struttura del materiale. Per la ricerca, il campione deve essere molto finemente disperso e altamente uniforme.
Un altro inconveniente è che il metodo è fortemente legato agli standard (campioni di riferimento). Questa caratteristica è inerente a tutti i metodi non distruttivi.
Applicazione del metodo
L'analisi della fluorescenza a raggi X si è diffusa in molte aree. È usato non solo nella scienza o nell'industria, ma anche nel campo della cultura e delle arti.
Utilizzato in:
- protezione ambientale ed ecologia per la determinazione dei metalli pesanti nei suoli, nonché per la loro rilevazione nell'acqua, precipitazioni, aerosol vari;
- mineralogia e geologia effettuano analisi quantitative e qualitative di minerali, suoli, rocce;
- industria chimica e metallurgia - controllare la qualità delle materie prime, dei prodotti finiti e del processo produttivo;
- industria delle vernici: analizza la vernice al piombo;
- industria dei gioielli - misura la concentrazione di metalli preziosi;
- industria petrolifera: determina il grado di contaminazione di olio e carburante;
- industria alimentare: identifica i metalli tossici negli alimenti e negli ingredienti;
- agricoltura - analizza gli oligoelementi in vari suoli, così come nei prodotti agricoli;
- archeologia: effettua analisi elementari e datazione dei reperti;
- arte - studiano sculture, dipinti, esaminano oggetti e li analizzano.
Insediamento fantasma
L'analisi della fluorescenza a raggi X GOST 28033 - 89 è in vigore dal 1989. Documentotutte le domande relative alla procedura sono registrate. Sebbene nel corso degli anni siano stati compiuti molti passi per migliorare il metodo, il documento è ancora rilevante.
Secondo GOST, vengono stabilite le proporzioni dei materiali studiati. I dati vengono visualizzati in una tabella.
Tabella 1. Rapporto delle frazioni di massa
| Elemento definito | Frazione di massa, % |
| Zolfo | Da 0,002 a 0,20 |
| Silicone | "0,05 " 5,0 |
| Molibdeno | "0.05 " 10.0 |
| Titanio | "0, 01 " 5, 0 |
| Cob alto | "0.05 " 20.0 |
| Chrome | "0.05 " 35.0 |
| Niobio | "0, 01 " 2, 0 |
| Manganese | "0.05 " 20.0 |
| Vanadio | "0, 01 " 5, 0 |
| Tungsteno | "0.05 " 20.0 |
| Fosforo | "0.002 " 0.20 |
Attrezzature applicate
L'analisi spettrale della fluorescenza a raggi X viene eseguita utilizzandoattrezzature, metodi e mezzi speciali. Tra le attrezzature e i materiali utilizzati in GOST sono elencati:
- spettrometri multicanale ea scansione;
- Macchina smerigliatrice e smerigliatrice (smerigliatrice e smerigliatrice, tipo 3B634);
- smerigliatrice di superficie (modello 3E711B);
- tornio a vite (modello 16P16).
- ruote da taglio (GOST 21963);
- Mole abrasive in elettrocorindone (legante ceramico, grana 50, durezza St2, GOST 2424);
- carta abrasiva (base in carta, 2° tipo, marca BSh-140 (P6), BSh-240 (P8), BSh200 (P7), elettrocorindone - normale, grana 50-12, GOST 6456);
- Alcool etilico tecnico (rettificato, GOST 18300);
- miscela argon-metano.
GOST ammette che altri materiali e apparati possono essere utilizzati per fornire analisi accurate.
Preparazione e campionamento secondo GOST
L'analisi della fluorescenza a raggi X dei metalli prima dell'analisi comporta una preparazione speciale del campione per ulteriori ricerche.
La preparazione viene eseguita nell'ordine appropriato:
- La superficie da irradiare viene affilata. Se necessario, strofinare con alcool.
- Il campione viene premuto saldamente contro l'apertura del ricevitore. Se la superficie del campione non è sufficiente, vengono utilizzati limitatori speciali.
- Lo spettrometro è preparato per il funzionamento secondo le istruzioni per l'uso.
- Lo spettrometro a raggi X viene calibrato utilizzando un campione standard conforme a GOST 8.315. Campioni omogenei possono essere utilizzati anche per la calibrazione.
- Il diploma di scuola primaria viene conseguito almeno cinque volte. In questo caso, ciò avviene durante il funzionamento dello spettrometro in giorni diversi.
- Quando si effettuano tarature ripetute, è possibile utilizzare due serie di tarature.
Analisi ed elaborazione dei risultati
Il metodo di analisi della fluorescenza a raggi X secondo GOST prevede l'esecuzione di due serie di misurazioni parallele per ottenere un segnale analitico di ogni elemento sotto controllo.
È consentito utilizzare l'espressione del valore del risultato analitico e la discrepanza di misurazioni parallele. In unità di misura, le scale esprimono i dati ottenuti utilizzando le caratteristiche di calibrazione.
Se la discrepanza consentita supera le misurazioni parallele, l'analisi deve essere ripetuta.
È anche possibile una misurazione. In questo caso vengono eseguite due misurazioni in parallelo rispetto ad un campione del lotto analizzato.
Il risultato finale è la media aritmetica di due misurazioni effettuate in parallelo, o il risultato di una sola misurazione.
Dipendenza dei risultati dalla qualità del campione
Per l'analisi della fluorescenza a raggi X, il limite si applica solo alla sostanza in cui viene rilevato l'elemento. Per sostanze diverse, i limiti di rilevamento quantitativo degli elementi sono diversi.
Il numero atomico di un elemento può giocare un ruolo importante. A parità di altre condizioni, è più difficile determinare gli elementi leggeri e gli elementi pesanti sono più facili. Inoltre, lo stesso elemento è più facile da identificare in una matrice leggera che in una pesante.
Di conseguenza, il metodo dipende dalla qualità del campione solo nella misura in cui l'elemento può essere contenuto nella sua composizione.
