Phân tích quang phổ tia X chiếm một vị trí quan trọng trong tất cả các phương pháp nghiên cứu tài liệu. Nó được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghệ khác nhau do khả năng kiểm soát nhanh mà không phá hủy mẫu thử nghiệm. Thời gian để xác định một nguyên tố hóa học có thể chỉ trong vài giây; thực tế không có giới hạn nào đối với loại chất đang nghiên cứu. Việc phân tích được thực hiện cả về định tính và định lượng.
Bản chất của phân tích quang phổ tia X
Phân tích quang phổ tia X là một trong những phương pháp vật lý để nghiên cứu và kiểm soát vật liệu. Nó dựa trên một ý tưởng chung cho tất cả các phương pháp quang phổ.
Bản chất của phép phân tích quang phổ tia X nằm ở khả năng của một chất phát ra bức xạ tia X đặc trưng khi nguyên tử bị bắn phá bởi các electron hoặc lượng tử nhanh. Đồng thời, năng lượng của chúng phải lớn hơn năng lượng cần thiết để kéo một electron ra khỏi vỏ nguyên tử. Một tác động như vậy không chỉ dẫn đến sự xuất hiện của một phổ bức xạ đặc trưng,bao gồm một số lượng nhỏ các vạch quang phổ, nhưng cũng liên tục. Ước tính thành phần năng lượng của các hạt được phát hiện có thể đưa ra kết luận về các đặc tính vật lý và hóa học của đối tượng được nghiên cứu.
Tùy thuộc vào phương pháp tác động lên chất, các hạt cùng loại hoặc các hạt khác được ghi lại. Ngoài ra còn có phương pháp quang phổ hấp thụ tia X, nhưng nó thường được dùng như một công cụ phụ trợ để hiểu các vấn đề chính của phương pháp quang phổ tia X truyền thống.
Loại Chất
Phương pháp phân tích quang phổ tia X cho phép chúng ta nghiên cứu thành phần hóa học của một chất. Phương pháp này cũng có thể được sử dụng như một phương pháp thử không phá hủy cấp tốc. Các loại chất sau có thể được đưa vào nghiên cứu:
- kim loại và hợp kim;
- đá;
- thủy tinh và gốm sứ;
- chất lỏng;
- mài mòn;
- khí;
- chất vô định hình;
- polyme và các hợp chất hữu cơ khác;
- protein và axit nucleic.
Phân tích quang phổ tia X cũng cho phép bạn xác định các đặc tính sau của vật liệu:
- thành phần pha;
- định hướng và kích thước của các tinh thể đơn, các hạt keo;
- sơ đồ trạng thái hợp kim;
- cấu trúc nguyên tử và sự lệch vị trí của mạng tinh thể;
- căng thẳng bên trong;
- hệ số giãn nở nhiệt và các đặc tính khác.
Dựa trên phương pháp này trongsản xuất sử dụng tính năng phát hiện lỗ hổng bằng tia X, cho phép bạn phát hiện các loại không đồng nhất khác nhau trong vật liệu:
- vỏ;
- bao gồm nước ngoài;
- lỗ chân lông;
- nứt;
- Mối hàn bị lỗi và các khuyết tật khác.
Các loại phân tích
Tùy thuộc vào phương pháp tạo ra tia X, các loại phân tích quang phổ tia X sau đây được phân biệt:
- huỳnh quang tia X. Nguyên tử bị kích thích bởi bức xạ tia X sơ cấp (photon năng lượng cao). Điều này kéo dài khoảng một micro giây, sau đó chúng chuyển sang vị trí bình tĩnh, cơ bản. Năng lượng dư thừa sau đó được phát ra dưới dạng một photon. Mỗi chất phát ra các hạt này với một mức năng lượng nhất định, giúp chúng ta có thể xác định chính xác nó.
- Máy đo phóng xạ tia X. Các nguyên tử của vật chất bị kích thích bởi bức xạ gamma từ một đồng vị phóng xạ.
- Đầu dò điện tử. Sự kích hoạt được thực hiện bởi một chùm điện tử hội tụ có năng lượng vài chục keV.
- Thử nghiệm với kích thích ion (proton hoặc ion nặng).
Phương pháp phân tích quang phổ tia X phổ biến nhất là huỳnh quang. Kích thích tia X khi một mẫu bị bắn phá bằng các electron được gọi là trực tiếp, và khi được chiếu xạ bằng tia X, nó được gọi là thứ cấp (huỳnh quang).
Nguyên tắc cơ bản của Phân tích huỳnh quang tia X
Phương pháp huỳnh quang tia X rộng rãidùng trong công nghiệp và nghiên cứu khoa học. Phần tử chính của máy quang phổ là nguồn bức xạ sơ cấp, thường được sử dụng nhất là các ống tia X. Dưới ảnh hưởng của bức xạ này, mẫu bắt đầu phát huỳnh quang, phát ra tia X của quang phổ vạch. Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của phương pháp là mỗi nguyên tố hóa học có đặc điểm phổ riêng, bất kể nó ở trạng thái tự do hay liên kết (là một phần của bất kỳ hợp chất nào). Thay đổi độ sáng của các vạch giúp bạn có thể định lượng nồng độ của nó.
Ống tia X là một quả bóng bên trong có tạo chân không. Ở một đầu của ống có cực âm dạng sợi dây vonfram. Nó được đốt nóng bởi một dòng điện đến nhiệt độ đảm bảo sự phát xạ của các electron. Ở đầu kia là một cực dương ở dạng một mục tiêu kim loại lớn. Một hiệu điện thế được tạo ra giữa cực âm và cực dương, do đó các electron được tăng tốc.
Các hạt mang điện di chuyển với tốc độ cao chạm vào cực dương và kích thích sự hãm. Có một cửa sổ trong suốt trên thành ống (thường là làm bằng berili) để tia X thoát ra ngoài. Cực dương trong các thiết bị phân tích quang phổ tia X được làm bằng một số loại kim loại: vonfram, molypden, đồng, crom, palađi, vàng, rheni.
Sự phân hủy bức xạ thành quang phổ và đăng ký của nó
Có 2 dạng phân tán tia X trong quang phổ - sóng và năng lượng. Loại đầu tiên là loại phổ biến nhất. Máy quang phổ tia X, hoạt động trên nguyên tắc phân tán sóng, có các tinh thể phân tích làm phân tán sóng ở một góc nhất định.
Tinh thể đơn được sử dụng để phân hủy tia X thành một quang phổ:
- liti florua;
- thạch anh;
- cacbon;
- axit kali hoặc thallium phthalate;
- silicon.
Chúng đóng vai trò của cách tử nhiễu xạ. Để phân tích khối lượng đa nguyên tố, các dụng cụ sử dụng một tập hợp các tinh thể như vậy gần như bao phủ hoàn toàn toàn bộ phạm vi của các nguyên tố hóa học.
Máy ảnh tia X được sử dụng để thu được hình ảnh bức xạ, hoặc mẫu nhiễu xạ được cố định trên phim ảnh. Vì phương pháp này tốn nhiều công sức và kém chính xác, nó hiện chỉ được sử dụng để phát hiện lỗ hổng trong phân tích tia X của kim loại và các vật liệu khác.
Máy đếm tỷ lệ và soi chiếu được sử dụng như máy phát hiện các hạt phát ra. Loại thứ hai có độ nhạy cao trong vùng bức xạ cứng. Các photon rơi trên photocathode của máy dò được chuyển đổi thành một xung điện áp. Đầu tiên, tín hiệu đi đến bộ khuếch đại, sau đó đến đầu vào của máy tính.
Phạm vi áp dụng
Phân tích huỳnh quang tia X được sử dụng cho các mục đích sau:
- xác định các tạp chất có hại trong dầu vàcác sản phẩm dầu mỏ (xăng, dầu nhờn và các sản phẩm khác); kim loại nặng và các hợp chất nguy hiểm khác trong đất, không khí, nước, thực phẩm;
- phân tích chất xúc tác trong công nghiệp hóa chất;
- xác định chính xác chu kỳ của mạng tinh thể;
- phát hiện độ dày của lớp phủ bảo vệ bằng phương pháp không phá hủy;
- xác định nguồn nguyên liệu để sản xuất mặt hàng;
- tính toán vi lượng của vật chất;
- xác định các thành phần chính và tạp chất của đá trong địa chất và luyện kim;
- nghiên cứu các đối tượng có giá trị văn hóa và lịch sử (biểu tượng, tranh vẽ, bích họa, đồ trang sức, bát đĩa, đồ trang trí và các vật dụng khác được làm bằng các chất liệu khác nhau), niên đại của chúng;
- xác định thành phần để phân tích pháp y.
Chuẩn bị mẫu
Đối với nghiên cứu, việc chuẩn bị mẫu là bắt buộc sơ bộ. Họ phải đáp ứng các điều kiện sau để phân tích tia X:
- Đồng nhất. Điều kiện này có thể được đáp ứng một cách đơn giản nhất đối với các mẫu chất lỏng. Khi phân tầng dung dịch ngay trước khi nghiên cứu, nó được trộn lẫn. Đối với các nguyên tố hóa học trong vùng bức xạ có bước sóng ngắn, sự đồng nhất đạt được bằng cách nghiền thành bột, và trong vùng bước sóng dài, bằng phản ứng tổng hợp với thông lượng.
- Chịu được các tác động bên ngoài.
- Vừa với kích thước bộ tải mẫu.
- Độ nhám tối ưu của mẫu rắn.
Vì mẫu chất lỏng có một số nhược điểm (bay hơi, thay đổi thể tích khi đun nóng, kết tủakết tủa dưới tác dụng của bức xạ tia X), người ta ưu tiên dùng chất khô để phân tích quang phổ tia X. Mẫu bột được đổ vào cuvet và ép. Cuvette được lắp vào giá đỡ thông qua bộ chuyển đổi.
Để phân tích định lượng, các mẫu bột được khuyến khích ép thành viên nén. Để làm điều này, chất này được nghiền thành bột mịn, và sau đó viên nén được tạo ra trên máy ép. Để cố định các chất bở, người ta đặt chúng trên nền là axit boric. Chất lỏng được đổ vào cuvet bằng pipet, đồng thời kiểm tra sự không có bọt.
Chuẩn bị mẫu, lựa chọn kỹ thuật phân tích và chế độ tối ưu, lựa chọn tiêu chuẩn và xây dựng đồ thị phân tích trên chúng được thực hiện bởi trợ lý phòng thí nghiệm phân tích quang phổ tia X, người phải biết kiến thức cơ bản về vật lý, hóa học, thiết kế của máy đo quang phổ và phương pháp nghiên cứu.
Phân tích định tính
Xác định thành phần định tính của mẫu được thực hiện để xác định một số nguyên tố hóa học trong đó. Việc định lượng không được thực hiện. Nghiên cứu được thực hiện theo trình tự sau:
- chuẩn bị mẫu;
- chuẩn bị máy đo quang phổ (làm ấm nó, lắp đặt máy đo quang phổ, cài đặt dải bước sóng, bước quét và thời gian phơi sáng trong chương trình);
- quét nhanh mẫu, ghi lại quang phổ thu được vào bộ nhớ của máy tính;
- giải mã sự phân hủy quang phổ kết quả.
Cường độ bức xạ tại mỗi thời điểmquá trình quét được hiển thị trên màn hình máy tính dưới dạng đồ thị, dọc theo trục hoành của bước sóng được vẽ và dọc theo trục tung - cường độ của bức xạ. Phần mềm của máy quang phổ hiện đại giúp nó có thể tự động giải mã dữ liệu thu được. Kết quả phân tích định tính bằng tia X là danh sách các dòng hóa chất được tìm thấy trong mẫu.
Lỗi
Nguyên tố hóa học được xác định sai thường có thể xảy ra. Điều này là do những lý do sau:
- sai lệch ngẫu nhiên của các vết cắt rải rác;
- vạch lệch khỏi vật liệu cực dương, bức xạ nền;
- lỗi dụng cụ.
Sự thiếu chính xác lớn nhất được tiết lộ trong quá trình nghiên cứu các mẫu, chúng bị chi phối bởi các nguyên tố nhẹ có nguồn gốc hữu cơ. Khi tiến hành phân tích quang phổ tia X của kim loại, tỉ lệ bức xạ tán xạ ít hơn.
Phân tích định lượng
Trước khi thực hiện phân tích định lượng, cần phải có một cài đặt đặc biệt của máy quang phổ - hiệu chuẩn của nó bằng cách sử dụng các mẫu chuẩn. Phổ của mẫu thử nghiệm được so sánh với phổ thu được từ việc chiếu xạ các mẫu hiệu chuẩn.
Độ chính xác của việc xác định các nguyên tố hóa học phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như:
- hiệu ứng kích thích lợi ích;
- quang phổ tán xạ nền;
- độ phân giải thiết bị;
- tuyến tính của đặc tính đếm của máy quang phổ;
- Quang phổ ống tia X và những loại khác.
Phương pháp này phức tạp hơn và cần một nghiên cứu phân tích, có tính đến các hằng số được xác định trước bằng thực nghiệm hoặc lý thuyết.
Nhân phẩm
Ưu điểm của phương pháp chụp X-quang bao gồm:
- khả năng kiểm tra không phá hủy;
- độ nhạy và độ chính xác cao (xác định tạp chất lên đến 10-3 %);
- nhiều loại nguyên tố hóa học được phân tích;
- chuẩn bị mẫu dễ dàng;
- linh hoạt;
- khả năng diễn giải tự động và hiệu suất cao của phương pháp.
Flaws
Trong số những nhược điểm của phân tích quang phổ tia X là:
- tăng yêu cầu an toàn;
- cần cho cá nhân tốt nghiệp;
- khó giải thích thành phần hóa học khi các đường đặc trưng của một số nguyên tố gần nhau;
- cần thiết phải chế tạo cực dương từ vật liệu quý hiếm để giảm bức xạ đặc trưng nền ảnh hưởng đến độ tin cậy của kết quả.
