Rentgenstaru fluorescence (XRF) ir spēcīgs analītisks paņēmiens, ko izmanto, lai noteiktu dažādu materiālu elementu sastāvu. Izpratne par labākajām rentgena fluorescences uztveršanas metodēm ir ļoti svarīga precīzu un uzticamu datu iegūšanai. Šajā rakstā ir apskatītas šīs metodes, aptverot visu, sākot no paraugu sagatavošanas līdz detektoru atlasei un datu apstrādei, sniedzot visaptverošu pārskatu gan iesācējiem, gan pieredzējušiem XRF lietotājiem.
Izpratne par rentgenstaru fluorescenci
XRF ir nesagraujoša analītiska metode, kas izmanto raksturīgu “sekundāro” (vai fluorescējošu) rentgenstaru emisiju no materiāla, kas ir ierosināts, bombardējot to ar augstas enerģijas rentgena vai gamma stariem. Parādība rodas, kad iekšējā apvalka elektrons tiek izmests no atoma, un elektrons no ārējā apvalka aizpilda brīvo vietu, atbrīvojot enerģiju rentgena fotona veidā. Šim izstarotajam rentgenstaram ir enerģijas raksturlielums elementam, no kura tas radies, un tas ļauj veikt gan kvalitatīvu, gan kvantitatīvu analīzi.
Izstarotā rentgenstaru intensitāte ir tieši proporcionāla elementa koncentrācijai paraugā. Tāpēc, mērot izstarotā rentgenstaru enerģiju un intensitāti, var identificēt un kvantitatīvi noteikt materiālā esošos elementus. Tehnikas izvēle ir svarīga, lai nodrošinātu precīzus un precīzus rezultātus.
XRF tiek izmantots daudzās disciplīnās, tostarp ģeoloģijā, vides zinātnē, materiālu zinātnē un mākslas saglabāšanā. Tā daudzpusība un nesagraujošā daba padara to par nenovērtējamu elementu analīzes rīku.
Paraugu sagatavošanas metodes
Pareiza parauga sagatavošana ir ļoti svarīga precīzai XRF analīzei. Mērķis ir uzrādīt viendabīgu un reprezentatīvu paraugu rentgena staru kūlim.
Cietie paraugi
Cietajiem paraugiem var izmantot vairākas sagatavošanas metodes:
- Pulēšana: gludas, plakanas virsmas sasniegšana ir būtiska, lai samazinātu izkliedes efektus un nodrošinātu konsekventu rentgenstaru mijiedarbību.
- Griešana un montāža: paraugi var būt jāsagriež piemērotā izmērā un jāuzstāda paraugu turētājā.
- Sakausēšana: tas ietver parauga samaisīšanu ar plūsmu (piemēram, litija borātu) un karsēšanu, lai izveidotu viendabīgu stikla lodītes. Šī metode samazina matricas efektus un ir īpaši noderīga ģeoloģiskiem paraugiem.
Šķidrie paraugi
Šķidriem paraugiem nepieciešamas dažādas sagatavošanas metodes:
- Tiešā analīze: dažus šķidrumus var analizēt tieši specializētos šķidruma paraugu turētājos.
- Nokrišņi: interesējošos elementus var izgulsnēt no šķīduma un pēc tam analizēt kā cietu vielu.
- Iztvaicēšana: Šķidrumu var iztvaikot uz filtrpapīra vai cita substrāta, atstājot cietu atlikumu analīzei.
Pulvera paraugi
Pulvera paraugus bieži analizē šādi:
- Presētas granulas: pulveris tiek presēts granulā, izmantojot hidraulisko presi, bieži vien ar saistvielu, lai uzlabotu mehānisko izturību.
- Irdens pulveris: pulveri var analizēt tieši parauga traukā, lai gan šī metode var būt mazāk precīza daļiņu izmēra ietekmes dēļ.
Parauga sagatavošanas apsvērumi ietver daļiņu izmēru, viendabīgumu un matricas efektu klātbūtni. Matricas efekti attiecas uz apkārtējo elementu ietekmi uz interesējošā elementa rentgena fluorescences signālu.
Detektoru tehnoloģijas
Detektora izvēle būtiski ietekmē XRF instrumenta veiktspēju. Parasti tiek izmantoti divi primārie detektoru veidi: enerģiju izkliedējošie (EDXRF) un viļņa garuma izkliedējošie (WDXRF).
Enerģiju izkliedējoša XRF (EDXRF)
EDXRF detektori mēra katra atsevišķa rentgena fotona enerģiju. Parasti tie ir cietvielu detektori, piemēram:
- Silīcija novirzes detektori (SDD): SDD piedāvā augstu skaitīšanas ātrumu un labu enerģijas izšķirtspēju.
- Silīcija litija (Si(Li)) detektori: šie detektori nodrošina izcilu enerģijas izšķirtspēju, taču tiem ir nepieciešama kriogēna dzesēšana.
EDXRF ir pazīstams ar savu ātrumu un spēju vienlaikus analizēt vairākus elementus. Tas ir labi piemērots paraugu skrīningam un lietojumiem, kur nepieciešama liela caurlaidspēja.
Viļņa garuma izkliedējošais XRF (WDXRF)
WDXRF detektori atdala rentgenstarus, pamatojoties uz to viļņa garumu, izmantojot kristālu analīzi. Tas nodrošina izcilu spektrālo izšķirtspēju salīdzinājumā ar EDXRF.
- Kristālu analīze: dažādu viļņu garumu rentgenstaru difrakcijai tiek izmantoti dažādi kristāli, kas ļauj precīzi izmērīt rentgenstaru spektru.
- Proporcionālie skaitītāji: šie detektori mēra izkliedēto rentgena staru intensitāti.
WDXRF ir vēlams lietojumprogrammām, kurām nepieciešama augsta precizitāte un mikroelementu analīze. Uzlabotā spektrālā izšķirtspēja samazina maksimumu pārklāšanos un samazina matricas efektus.
Atbilstošā detektora izvēle ir atkarīga no specifiskajām analīžu prasībām, ieskaitot interesējošos elementus, vēlamo precizitāti un pieejamās paraugu sagatavošanas metodes.
Rentgenstaru avota parametru optimizēšana
Rentgena avots ir būtiska XRF sistēmas sastāvdaļa. Tā parametru optimizēšana var būtiski uzlabot datu kvalitāti.
Caurules spriegums un strāva
Caurules spriegums nosaka avota izstarotā rentgenstaru enerģiju. Augstāks spriegums ierosina smagākus elementus, savukārt zemāks spriegums ir efektīvāks vieglākiem elementiem. Caurules strāva ietekmē rentgenstaru staru intensitāti.
- Sprieguma izvēle: izvēlieties spriegumu, pamatojoties uz elementiem, kas jums jāanalizē.
- Strāvas regulēšana: palieliniet strāvu, lai uzlabotu jutību, taču ņemiet vērā iespējamos parauga bojājumus vai detektora piesātinājumu.
Filtri
Filtri tiek izmantoti, lai selektīvi vājinātu noteiktas rentgenstaru enerģijas, samazinot fona troksni un uzlabojot signāla un trokšņa attiecību. Dažādiem elementiem ir pieejami dažādi filtri.
- Materiāla izvēle: izvēlieties filtru materiālus, pamatojoties uz to absorbcijas malām.
- Biezuma optimizācija: pielāgojiet filtra biezumu, lai optimizētu signālu jūsu mērķa elementiem.
Mērķa materiāls
Rentgena caurules mērķa materiāls ietekmē emitēto rentgena staru spektru. Parastie mērķa materiāli ir rodijs (Rh), volframs (W) un molibdēns (Mo). Rodijs ir daudzpusīgs risinājums plašam elementu klāstam.
Datu iegūšana un apstrāde
XRF datu iegūšana un apstrāde ietver vairākas darbības, tostarp spektrālo iegūšanu, fona korekciju, maksimuma identifikāciju un kvantitatīvu noteikšanu.
Spektru iegūšana
Rentgenstaru spektrs tiek iegūts, mērot rentgenstaru intensitāti kā enerģijas (EDXRF) vai viļņa garuma (WDXRF) funkciju. Iegūšanas laiks ir jāoptimizē, lai iegūtu pietiekamu skaitīšanas statistiku.
Fona korekcija
Fona starojums var traucēt analīzi. Fona korekcijas metodes tiek izmantotas, lai novērstu vai samazinātu šīs sekas.
- Matemātiskie modeļi: lai novērtētu un atņemtu fonu, var izmantot polinomu pielāgošanu vai citus matemātiskos modeļus.
- Komptona izkliede: Komptona izkliedes korekcija ir ļoti svarīga precīzai kvantitatīvai noteikšanai.
Pīķa identifikācija un kvantitatīva noteikšana
Kad fons ir izlabots, tiek identificēti interesējošajiem elementiem atbilstošie pīķi. Laukums zem katra pīķa ir proporcionāls elementa koncentrācijai.
- Kalibrēšanas līknes: Kalibrēšanas līknes tiek ģenerētas, izmantojot zināma sastāva standartus.
- Matricas korekcija: algoritmi tiek izmantoti, lai koriģētu matricas efektus, uzlabojot kvantitatīvās noteikšanas precizitāti.
Ir pieejama uzlabota datu apstrādes programmatūra, lai automatizētu daudzas no šīm darbībām un nodrošinātu visaptverošus analītiskos rezultātus.
Kalibrēšana un standartizācija
Precīza XRF analīze ir atkarīga no pareizas kalibrēšanas un standartizācijas. Tas ietver sertificētu atsauces materiālu (CRM) izmantošanu, lai noteiktu saistību starp izmērīto rentgenstaru intensitāti un interesējošo elementu koncentrāciju.
Sertificēti uzziņas materiāli (CRM)
CRM ir materiāli ar zināmu elementu sastāvu, ko ir sertificējušas cienījamas organizācijas. Tos izmanto, lai izveidotu kalibrēšanas līknes un apstiprinātu XRF mērījumu precizitāti.
Kalibrēšanas līknes ģenerēšana
Kalibrēšanas līkne ir izmērītās rentgenstaru intensitātes diagramma attiecībā pret zināmo elementa koncentrāciju CRM. Lai izveidotu uzticamu kalibrēšanas līkni, tiek izmantoti vairāki CRM ar dažādām koncentrācijām.
Standartizācijas procedūras
Standartizācija ietver periodisku CRM palaišanu, lai pārbaudītu instrumenta stabilitāti un kalibrēšanas precizitāti. Tas nodrošina, ka XRF mērījumi laika gaitā paliek uzticami.
Uzlabotas metodes un lietojumprogrammas
Papildus pamata metodēm specializētiem lietojumiem ir pieejamas vairākas uzlabotas XRF metodes.
Mikro-XRF
Micro-XRF izmanto fokusētu rentgena staru, lai analizētu nelielus parauga laukumus, nodrošinot telpisko izšķirtspēju līdz pat mikrometra skalai. Tas ir noderīgi, lai kartētu elementu sadalījumu neviendabīgos materiālos.
Total Reflection XRF (TXRF)
TXRF ir virsmas jutīgs paņēmiens, kas izmanto ganību sastopamības rentgena staru, lai analizētu mikroelementus uz virsmām. To parasti izmanto vides monitoringā un pusvadītāju analīzē.
Sinhrotrons XRF
Synchrotron XRF izmanto augstas intensitātes rentgena starus no sinhrotrona starojuma avota, nodrošinot uzlabotu jutību un telpisko izšķirtspēju. Šo metodi izmanto progresīvu materiālu raksturošanai un biomedicīnas pētījumiem.
