XRF (phân tích huỳnh quang tia X) là một phương pháp phân tích vật lý xác định trực tiếp hầu hết các nguyên tố hóa học trong vật liệu dạng bột, chất lỏng và chất rắn.
Lợi ích của phương pháp
Phương pháp này phổ biến vì nó dựa trên việc chuẩn bị mẫu nhanh chóng và dễ dàng. Phương pháp đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X có tiềm năng to lớn, hữu ích trong việc phân tích rất phức tạp các đối tượng môi trường khác nhau, cũng như trong việc kiểm tra chất lượng các sản phẩm được sản xuất và phân tích thành phẩm và nguyên liệu.
Lịch sử
Phân tích huỳnh quang tia X lần đầu tiên được mô tả vào năm 1928 bởi hai nhà khoa học - Glocker và Schreiber. Bản thân thiết bị này chỉ được tạo ra vào năm 1948 bởi các nhà khoa học Friedman và Burks. Với vai trò là một máy dò, họ đã lấy một máy đếm Geiger, cho thấy độ nhạy cao đối với số nguyên tử trong hạt nhân của nguyên tố.
Môi trường heli hoặc chân không trong phương pháp nghiên cứu bắt đầu được sử dụng vào năm 1960. Chúng được sử dụng để xác định các yếu tố ánh sáng. Cũng bắt đầu sử dụng tinh thể florualiti. Chúng được sử dụng để gây nhiễu xạ. Ống Rhodium và crôm được sử dụng để kích thích dải sóng.
Si (Li) - máy dò tìm trôi silicon lithium được phát minh vào năm 1970. Nó cung cấp độ nhạy dữ liệu cao và không yêu cầu sử dụng bộ kết tinh. Tuy nhiên, độ phân giải năng lượng của thiết bị này kém hơn.
Phần phân tích tự động và điều khiển quá trình được chuyển giao cho máy với sự ra đời của máy tính. Việc điều khiển được thực hiện từ bảng điều khiển trên thiết bị hoặc bàn phím máy tính. Máy phân tích trở nên phổ biến đến mức chúng được đưa vào các sứ mệnh của Apollo 15 và Apollo 16.
Hiện tại, các trạm vũ trụ và tàu phóng vào không gian đều được trang bị những thiết bị này. Điều này cho phép bạn xác định và phân tích thành phần hóa học của đá ở các hành tinh khác.
TinhPhương
Bản chất của phân tích huỳnh quang tia X là tiến hành phân tích vật lý. Có thể phân tích theo cách này cả chất rắn (thủy tinh, kim loại, gốm sứ, than, đá, nhựa) và chất lỏng (dầu, xăng, dung dịch, sơn, rượu và máu). Phương pháp này cho phép bạn xác định nồng độ rất nhỏ, ở mức ppm (một phần triệu). Các mẫu lớn, lên đến 100%, cũng có thể nghiên cứu được.
Phân tích này nhanh chóng, an toàn và không phá hủy môi trường. Nó có khả năng tái tạo kết quả và độ chính xác của dữ liệu cao. Phương pháp này cho phép phát hiện bán định lượng, định tính và định lượng tất cả các nguyên tố có trong mẫu.
Bản chất của phương pháp phân tích huỳnh quang tia Xđơn giản và dễ hiểu. Nếu bạn bỏ thuật ngữ này sang một bên và cố gắng giải thích phương pháp theo cách đơn giản hơn, thì nó sẽ thành công. Rằng việc phân tích được thực hiện trên cơ sở so sánh bức xạ là kết quả của sự chiếu xạ của một nguyên tử.
Có một tập hợp dữ liệu tiêu chuẩn đã được biết đến. Bằng cách so sánh kết quả với những dữ liệu này, các nhà khoa học kết luận thành phần của mẫu là gì.
Tính đơn giản và khả năng tiếp cận của các thiết bị hiện đại cho phép chúng được sử dụng trong nghiên cứu dưới nước, không gian, các nghiên cứu khác nhau trong lĩnh vực văn hóa và nghệ thuật.
Nguyên tắc làm việc
Phương pháp này dựa trên việc phân tích quang phổ, thu được bằng cách cho vật liệu được kiểm tra bằng tia X.
Trong quá trình chiếu xạ, nguyên tử đạt được trạng thái kích thích, kèm theo đó là sự chuyển đổi của các electron đến các mức lượng tử của một bậc cao hơn. Nguyên tử ở trạng thái này trong một thời gian rất ngắn, khoảng 1 micro giây, và sau đó nó trở về trạng thái cơ bản (vị trí yên tĩnh). Lúc này, các điện tử nằm ở các lớp vỏ ngoài hoặc lấp đầy những chỗ trống, và giải phóng năng lượng dư thừa dưới dạng các photon, hoặc truyền năng lượng cho các điện tử khác nằm ở các lớp vỏ ngoài cùng (chúng được gọi là điện tử Auger). Tại thời điểm này, mỗi nguyên tử phát ra một quang điện tử, năng lượng của nó có một giá trị nghiêm ngặt. Ví dụ, sắt, khi tiếp xúc với tia X, phát ra các photon bằng Kα, hay 6,4 keV. Theo đó, bằng số lượng tử và năng lượng, người ta có thể đánh giá cấu trúc của vật chất.
Nguồn bức xạ
Phương pháp phân tích kim loại bằng phương pháp huỳnh quang tia X sử dụng cả đồng vị của các nguyên tố khác nhau và ống tia X làm nguồn để chữa bệnh. Mỗi quốc gia có các yêu cầu khác nhau đối với việc xuất khẩu và nhập khẩu các đồng vị phát xạ, tương ứng, trong ngành công nghiệp sản xuất thiết bị đó, họ thích sử dụng ống tia X.
Những ống như vậy đi kèm với đồng, bạc, rhodi, molypden hoặc các cực dương khác. Trong một số tình huống, cực dương được chọn tùy thuộc vào nhiệm vụ.
Dòng điện và điện áp khác nhau đối với các phần tử khác nhau. Nó đủ để khảo sát các phần tử nhẹ với điện áp 10 kV, nặng - 40-50 kV, trung bình - 20-30 kV.
Trong quá trình nghiên cứu các nguyên tố ánh sáng, bầu khí quyển xung quanh có tác động rất lớn đến quang phổ. Để giảm hiệu ứng này, mẫu trong một buồng đặc biệt được đặt trong chân không hoặc không gian chứa đầy heli. Phổ kích thích được ghi lại bởi một thiết bị đặc biệt - một máy dò. Độ chính xác của việc tách các photon của các nguyên tố khác nhau ra khỏi nhau phụ thuộc vào độ phân giải quang phổ của máy dò. Bây giờ chính xác nhất là độ phân giải ở mức 123 eV. Phân tích huỳnh quang tia X được thực hiện bởi một thiết bị có phạm vi như vậy với độ chính xác lên đến 100%.
Sau khi quang điện tử được chuyển đổi thành xung điện áp, được đếm bằng thiết bị điện tử đếm đặc biệt, nó sẽ được truyền đến máy tính. Từ các đỉnh của quang phổ, đã cho phép phân tích huỳnh quang tia X, có thể dễ dàng xác định một cách định tính cái nàocó các phần tử trong mẫu nghiên cứu. Để xác định chính xác hàm lượng định lượng, cần phải nghiên cứu phổ kết quả trong một chương trình hiệu chuẩn đặc biệt. Chương trình được tạo trước. Đối với điều này, các nguyên mẫu được sử dụng, thành phần của chúng được biết trước với độ chính xác cao.
Nói một cách đơn giản, phổ thu được của chất được nghiên cứu chỉ đơn giản là so sánh với phổ đã biết. Do đó, thông tin về thành phần của chất sẽ thu được.
Cơ hội
Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X cho phép bạn phân tích:
- mẫu có kích thước hoặc khối lượng không đáng kể (100-0,5 mg);
- giảm đáng kể giới hạn (thấp hơn 1-2 bậc so với XRF);
- phân tích có tính đến các biến thể trong năng lượng lượng tử.
Độ dày của mẫu được kiểm tra không được vượt quá 1 mm.
Trong trường hợp kích thước mẫu như vậy, có thể ngăn chặn các quá trình thứ cấp trong mẫu, trong đó:
- tán xạ nhiều Compton, mở rộng đáng kể đỉnh trong ma trận ánh sáng;
- phạm vi quang điện tử (góp phần tạo nền cao nguyên);
- kích thích giữa các nguyên tố cũng như hấp thụ huỳnh quang đòi hỏi hiệu chỉnh giữa các nguyên tố trong quá trình xử lý phổ.
Nhược điểm của phương pháp
Một trong những nhược điểm đáng kể là sự phức tạp đi kèm với việc chuẩn bị các mẫu mỏng, cũng như các yêu cầu nghiêm ngặt về cấu trúc của vật liệu. Để nghiên cứu, mẫu phải được phân tán rất mịn và có độ đồng đều cao.
Một nhược điểm khác là phương pháp này bị ràng buộc nhiều vào các tiêu chuẩn (mẫu tham chiếu). Tính năng này vốn có trong tất cả các phương pháp không phá hủy.
Áp dụng phương pháp
Phân tích huỳnh quang tia X đã trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực. Nó không chỉ được sử dụng trong khoa học hoặc công nghiệp mà còn được sử dụng trong lĩnh vực văn hóa và nghệ thuật.
Được sử dụng trong:
- bảo vệ môi trường và sinh thái để xác định kim loại nặng trong đất, cũng như để phát hiện chúng trong nước, lượng mưa, sol khí khác nhau;
- khoáng vật học và địa chất thực hiện phân tích định lượng và định tính khoáng sản, đất, đá;
- công nghiệp hóa chất và luyện kim - kiểm soát chất lượng nguyên liệu, thành phẩm và quá trình sản xuất;
- ngành sơn - phân tích sơn chì;
- ngành trang sức - đo nồng độ kim loại quý;
- công nghiệp dầu mỏ - xác định mức độ ô nhiễm của dầu và nhiên liệu;
- ngành thực phẩm - xác định kim loại độc hại trong thực phẩm và thành phần;
- nông nghiệp - phân tích các nguyên tố vi lượng trong các loại đất khác nhau, cũng như trong các sản phẩm nông nghiệp;
- khảo cổ học - thực hiện phân tích nguyên tố, cũng như xác định niên đại của các phát hiện;
- nghệ thuật - họ nghiên cứu các tác phẩm điêu khắc, hội họa, xem xét các đối tượng và phân tích chúng.
Giải quyết ma
Phân tích huỳnh quang tia X GOST 28033 - 89 đã được điều chỉnh từ năm 1989. Tài liệutất cả các câu hỏi liên quan đến thủ tục được đăng ký. Mặc dù đã thực hiện nhiều bước trong nhiều năm để cải tiến phương pháp, nhưng tài liệu vẫn còn phù hợp.
Theo GOST, tỷ lệ của các vật liệu được nghiên cứu đã được thiết lập. Dữ liệu được hiển thị trong một bảng.
Bảng 1. Tỷ lệ các phân số khối lượng
| Phần tử xác định | Phần khối lượng,% |
| Lưu huỳnh | Từ 0,002 đến 0,20 |
| Silicon | "0.05" 5.0 |
| Molypden | "0.05" 10.0 |
| Titanium | "0, 01" 5, 0 |
| Coban | "0.05" 20.0 |
| Chrome | "0.05" 35.0 |
| Niobium | "0, 01" 2, 0 |
| Mangan | "0.05" 20.0 |
| Vanadium | "0, 01" 5, 0 |
| Vonfram | "0.05" 20.0 |
| Phốt | "0,002" 0,20 |
Thiết bị ứng dụng
Phân tích quang phổ huỳnh quang tia X được thực hiện bằng cách sử dụngthiết bị, phương pháp và phương tiện đặc biệt. Trong số các thiết bị và vật liệu được sử dụng trong GOST được liệt kê:
- máy quang phổ quét và đa kênh;
- máy mài và đá nhám (mài và mài, loại 3B634);
- máy mài bề mặt (Model 3E711B);
- máy tiện cắt vít (model 16P16).
- bánh xe cắt (GOST 21963);
- bánh xe mài mòn điện tử (liên kết gốm, kích thước hạt 50, độ cứng St2, GOST 2424);
- giấy chà nhám (đế giấy, loại thứ 2, nhãn hiệu BSh-140 (P6), BSh-240 (P8), BSh200 (P7), electrocorundum - bình thường, cỡ hạt 50-12, GOST 6456);
- cồn etylic kỹ thuật (đã được chỉnh sửa, GOST 18300);
- hỗn hợp argon-metan.
GOST thừa nhận rằng các vật liệu và thiết bị khác có thể được sử dụng để cung cấp phân tích chính xác.
Chuẩn bị và lấy mẫu theo GOST
Phân tích huỳnh quang tia X của kim loại trước khi phân tích liên quan đến việc chuẩn bị mẫu đặc biệt để nghiên cứu thêm.
Chuẩn bị được thực hiện theo trình tự thích hợp:
- Bề mặt cần chiếu xạ được mài nhẵn. Nếu cần, hãy lau bằng cồn.
- Mẫu được ấn chặt vào lỗ mở của đầu thu. Nếu bề mặt mẫu không đủ, thì sử dụng các bộ hạn chế đặc biệt.
- Máy quang phổ được chuẩn bị để vận hành theo hướng dẫn sử dụng.
- Máy quang phổ tia X được hiệu chuẩn bằng mẫu chuẩn tuân thủ GOST 8.315. Các mẫu đồng nhất cũng có thể được sử dụng để hiệu chuẩn.
- Tốt nghiệp tiểu học được thực hiện ít nhất năm lần. Trong trường hợp này, điều này được thực hiện trong quá trình hoạt động của máy quang phổ vào những ngày khác nhau.
- Khi thực hiện nhiều lần hiệu chuẩn, có thể sử dụng hai loạt hiệu chuẩn.
Phân tích và xử lý kết quả
Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X theo GOST liên quan đến việc thực hiện hai chuỗi phép đo song song để thu được tín hiệu phân tích của từng phần tử được kiểm soát.
Cho phép sử dụng biểu thức giá trị của kết quả phân tích và sự sai khác của các phép đo song song. Trong các đơn vị đo lường, thang đo thể hiện dữ liệu thu được bằng cách sử dụng các đặc tính hiệu chuẩn.
Nếu sự khác biệt cho phép vượt quá các phép đo song song, thì việc phân tích phải được lặp lại.
Một phép đo cũng có thể. Trong trường hợp này, hai phép đo được thực hiện song song đối với một mẫu từ lô được phân tích.
Kết quả cuối cùng là trung bình cộng của hai phép đo được thực hiện song song hoặc kết quả của một phép đo riêng lẻ.
Sự phụ thuộc của kết quả vào chất lượng mẫu
Đối với phân tích huỳnh quang tia X, giới hạn chỉ áp dụng cho chất mà nguyên tố được phát hiện. Đối với các chất khác nhau, giới hạn phát hiện định lượng của các nguyên tố là khác nhau.
Số nguyên tử mà một nguyên tố có có thể đóng một vai trò lớn. Những thứ khác bằng nhau thì việc xác định nguyên tố nhẹ khó hơn, còn nguyên tố nặng thì dễ hơn. Ngoài ra, cùng một phần tử dễ xác định trong ma trận nhẹ hơn trong ma trận nặng.
Theo đó, phương pháp chỉ phụ thuộc vào chất lượng của mẫu trong phạm vi mà nguyên tố có thể được chứa trong thành phần của nó.
