La fluorescencia de rayos X (XRF) es una técnica analítica que utiliza la interacción de los rayos X con un material para determinar su composición elemental. La técnica de XRF es adecuada para sólidos, líquidos y polvos, y en la mayoría de las circunstancias es no-destructiva. La espectroscopía XRF es un método eficaz para el análisis cualitativo y cuantitativo de la composición de materiales.
Existen dos metodologías principales de XRF: XRF Dispersiva de Energía (EDXRF) y XRF Dispersiva de Longitud de Onda (WDXRF). Cada método tiene sus propias ventajas y desventajas.
El rango de elementos detectables varía según la configuración y configuración del instrumento, pero normalmente EDXRF abarca todos los elementos desde sodio (Na) hasta uranio (U), mientras que WDXRF puede extender esto hasta el berilio (Be). Las concentraciones pueden ir desde el 100% hasta los ppm y, en algunos casos, niveles inferiores a ppm. Los límites de detección dependen del elemento específico y de la matriz muestral, pero como regla general, los elementos más pesados tendrán mejores límites de detección.
La técnica de XRF se utiliza ampliamente como herramienta rápida de caracterización en muchos laboratorios analíticos de todo el mundo, para aplicaciones tan diversas como metalurgia, forense, polímeros, electrónica, arqueología, análisis ambiental, geología y minería.
>> Explora nuestras soluciones por Fluorescencia de Rayos X<<
Tabla de contenido
Los Rayos X forman parte del espectro electromagnético y se caracterizan por energías situadas entre la radiación gamma y ultravioleta (Figura 1). Las longitudes de onda suelen estar en el rango de 0,01 a 10 nm, lo que equivale a energías de 125 keV a 0,125 keV.
Figura 1. Espectro Electromagnético
Cuando los rayos X se irradian hacia una sustancia, algunos de los rayos X atraviesan la sustancia y otros son absorbidos por ella. Los Rayos X absorbidos interactúan dentro de la sustancia a nivel atómico y provocan diversos fenómenos como dispersión y liberación de fotones, electrones y Rayos X fluorescentes (Figura 2).
Figura 2. Interacción de los Rayos X con una sustancia
La Fluorescencia de Rayos X (XRF) puede considerarse en un proceso sencillo de tres pasos que ocurre a nivel atómico:
La diferencia de energía entre los electrones expulsados y los de reemplazo es característica del átomo del elemento en el que ocurre el proceso de fluorescencia; por tanto, la energía del Rayo X fluorescente emitido está directamente vinculada a un elemento específico que se está analizando. Es esta característica clave la que hace que la técnica de XRF sea una herramienta analítica tan rápida para la composición elemental.
En general, la energía de los Rayos X emitidos por un elemento particular es independiente de la química del material. Por ejemplo, un pico de calcio obtenido de CaCO 3, CaO y CaCl 2 estará exactamente en la misma posición espectral para los tres materiales.
Figura 3. Principio de Emisión de Rayos X Fluorescentes
Dado que la mayoría de los átomos están compuestos por varios orbitales electrónicos (por ejemplo, capa K, capa L, capa M), son posibles varias transiciones fluorescentes.
Por ejemplo, la interacción de Rayos X con un átomo con capas K, L y M podría dar lugar a la formación de un hueco en la capa K, que luego se llena con un electrón de la capa L o de la capa M. En cualquier caso, estas se denominan transiciones K. Alternativamente, se podía formar un hueco en la capa L, que posteriormente se llenaba con un electrón de la capa M (denominado transición L).
Así, para un solo elemento, son posibles varios picos XRF, y normalmente todos estos estarán presentes en el espectro, con intensidades variables. Forman una huella dactilar característica para un elemento específico.
La absorción de Rayos X por un material particular varía según la energía de los Rayos X. Como regla general, los Rayos X de baja energía se absorben más que los fotones de alta energía.
Para expulsar un electrón de uno de los orbitales, la energía de Rayos X debe superar la energía de enlace de ese electrón; sin embargo, si la energía de Rayos X es demasiado alta, el acoplamiento entre Rayos X y electrón es ineficiente y solo unos pocos electrones serán eliminados. A medida que la energía de Rayos X disminuye y se acerca a la energía de enlace de electrones, aumenta el rendimiento de los electrones expulsados. Justo por debajo de esta energía de enlace, se observa una caída en la absorción, ya que la energía no es suficiente para emitir electrones desde esa capa y es demasiado alta para emitir electrones desde las capas de menor energía.
Como se explicó en una sección anterior, no todos los Rayos X incidentes provocan fluorescencia. El rendimiento de fluorescencia es la proporción de los Rayos X de fluorescencia respecto a los de los que inciden. El diagrama siguiente ilustra el rendimiento de fluorescencia K y L en función del número atómico, Z. Está claro que el rendimiento de los elementos ligeros es muy bajo, y esto se refleja en una sensibilidad alcanzable para estos elementos.
>> Explora nuestras soluciones por Fluorescencia de Rayos X<<
Un sistema de detección dispersiva de energía mide directamente las diferentes energías de los Rayos X emitidos por la muestra. Contando y graficando el número relativo de Rayos X a cada energía, se genera un espectro XRF.
El principio del detector de dispersión de energía (ED) (como el HORIBA Xerophy ™) se basa en la generación de pares electrón-hueco en un material semiconductor (a menudo silicio). Un Rayo X incidente de energía EX es absorbido por el material detector y provocará la formación de uno o más pares electrón-hueco. La energía, E EHP, para hacer esto está fija para ese material en particular. El Rayo X formará tantos pares electrón-hueco como su energía lo permita: número de pares electrón-hueco = E X / E EHP
Una vez ocurrido, los electrones se extraen del detector y la corriente resultante es proporcional al número de pares electrón-hueco, lo cual en sí mismo está directamente relacionado con la energía de Rayos X.
Este proceso de análisis se repite a una velocidad muy alta y los resultados se clasifican por canales de energía.
Un sistema de detección dispersiva por longitud de onda separa físicamente los Rayos X según sus longitudes de onda.
Los Rayos X se dirigen a un cristal, que difracta los Rayos X en diferentes direcciones según sus longitudes de onda (energías).
En un sistema secuencial, un detector se coloca en una posición fija y el cristal se rota de modo que el detector capta diferentes longitudes de onda. El espectro XRF se construye punto por punto. En un sistema simultáneo, se utilizan varias unidades de cristal/detector, de modo que se pueda detectar una variedad de elementos simultáneamente.
La principal diferencia entre las técnicas DE y WDXRF radica en la resolución de energía alcanzable (espectral). WDXRF sistemas pueden proporcionar rutinariamente resoluciones de trabajo entre 5 eV y 20 eV, dependiendo de su configuración, mientras que EDXRF sistemas suelen ofrecer resoluciones que van de 150 eV a 300 eV o más, dependiendo del tipo de detector utilizado.
La mayor resolución de WDXRF ofrece ventajas en la reducción de superposiciones espectrales, de modo que las muestras complejas pueden caracterizarse con mayor precisión. Además, con alta resolución se reducen los fondos, lo que proporciona mejores límites de detección y sensibilidad.
Sin embargo, los componentes ópticos adicionales de un sistema WDXRF (por ejemplo, cristal difractante y colimadores) hacen que sufra de una eficiencia muy reducida. Normalmente, esto se compensa con fuentes de Rayos X de alta potencia, que pueden tener un impacto significativo en el costo y la facilidad de uso. Los componentes ópticos adicionales de WDXRF también afectan el costo y hacen que el instrumento sea relativamente caro.
La última diferencia radica en la adquisición espectral. Con un sistema EDXRF como la serie XGT, se adquiere prácticamente simultáneamente todo el espectro, de modo que los elementos de la mayor parte de la tabla periódica pueden detectarse en pocos segundos. Con WDXRF adquisición de espectro se realiza punto por punto (lo cual es extremadamente laborioso), o bien tiene un número muy limitado de detectores simultáneos (lo cual es una opción costosa).
>> Explora nuestras soluciones por Fluorescencia de Rayos X<<
Tradicionalmente, la XRF ha sido una técnica de volumen con puntos de análisis en la región de varios milímetros hasta varios centímetros. Para muestras inhomogéneas, la Espectroscopía de Fluorescencia de Rayos X (micro-XRF) es adecuada para obtener imágenes de distribución elemental en las muestras.
Tiene alguna pregunta o solicitud? Utilice este formulario para ponerse en contacto con nuestros especialistas.
