La espectroscopia de fluorescencia de rayos X (XRF) es cada vez más la herramienta analítica de elección para la medición directa de la concentración de elementos atómicos en una amplia gama de materiales. Desde sólidos y polvos hasta líquidos y películas delgadas, XRF se ha convertido en una técnica cuantitativa cada vez más poderosa gracias a los desarrollos evolutivos continuos y los avances revolucionarios en las tecnologías de fuentes, ópticas y detectores de rayos X.

Desde la introducción de espectrómetros XRF de dispersión de longitud de onda comerciales a mediados de la década de 1950, hasta el desarrollo de instrumentos de fluorescencia de rayos X de dispersión de energía (EDXRF) a principios de la década de 1970, la creciente disponibilidad de potencia computacional asequible fue fundamental para la conveniencia y aceptación de la técnica. Con la disponibilidad generalizada y el uso de la computadora personal (PC) como la plataforma estándar de la industria a mediados de la década de 1980, la espectroscopia de fluorescencia de rayos X se convirtió en una alternativa más simple y de menor costo de propiedad a las técnicas analíticas de espectroscopia atómica anteriores.

teoría de la fluorescencia de rayos X

In Fluorescencia de rayos X (XRF), un electrón puede ser expulsado de su orbital atómico por la absorción de una onda de luz (fotón) de suficiente energía. La energía del fotón (hν) debe ser mayor que la energía con la que el electrón está unido al núcleo del átomo. Cuando un electrón orbital interno es expulsado de un átomo (imagen central), un electrón de un orbital de mayor nivel de energía se transferirá al orbital de menor nivel de energía. Durante esta transición, un fotón puede ser emitido por el átomo (imagen inferior). Esta luz fluorescente se denomina rayos X característicos del elemento. La energía del fotón emitido será igual a la diferencia de energías entre los dos orbitales ocupados por el electrón que hace la transición. Debido a que la diferencia de energía entre dos capas orbitales específicas, en un elemento dado, es siempre la misma (es decir, característica de un elemento en particular), el fotón emitido cuando un electrón se mueve entre estos dos niveles, siempre tendrá la misma energía. Por lo tanto, al determinar la energía (longitud de onda) de la luz de rayos X (fotón) emitida por un elemento en particular, es posible determinar la identidad de ese elemento.

Para una energía particular (longitud de onda) de luz fluorescente emitida por un elemento, la cantidad de fotones por unidad de tiempo (generalmente denominada intensidad máxima o tasa de conteo) está relacionada con la cantidad de ese analito en la muestra. Las tasas de conteo para todos los elementos detectables dentro de una muestra generalmente se calculan contando, durante un período de tiempo determinado, la cantidad de fotones que se detectan para las líneas de energía de rayos X características de los diversos analitos. Es importante tener en cuenta que estas líneas fluorescentes en realidad se observan como picos con una distribución semi-gaussiana debido a la resolución imperfecta de la tecnología de detección moderna. Por lo tanto, al determinar la energía de los picos de rayos X en el espectro de una muestra y al calcular la tasa de conteo de los diversos picos elementales, es posible establecer cualitativamente la composición elemental de las muestras y medir cuantitativamente la concentración de estos elementos. .

excitación del tubo de rayos X

Al igual que los tubos de vacío anteriormente comunes, Tubos de rayos X se componen de un cátodo, que emite electrones en el vacío, y un ánodo para recoger los electrones, estableciendo así un flujo de corriente eléctrica a través del tubo. Una fuente de alimentación de alto voltaje, por ejemplo de 4 a 150 kilovoltios (kV), se conecta entre el cátodo y el ánodo para acelerar los electrones para que impacten en el ánodo. La salida espectral de rayos X de un tubo de rayos X, que incluye líneas características del material del ánodo y Bremsstrahlung radiación (de frenado), depende del material del ánodo y del voltaje de aceleración.

Detectores SDD EDS

Una nueva categoría de detectores de rayos X enfriados por Peltier, detectores de deriva de silicio (SDD), se utilizan principalmente para la espectrometría de fluorescencia de rayos X de dispersión de energía (EDXRF), así como para la espectrometría de dispersión de energía (EDS) dentro de la microscopía electrónica. Esta tecnología se ha vuelto muy popular porque sus características, en comparación con otros detectores de rayos X, incluyen tasas de conteo muy altas y una resolución de energía comparativamente alta. Al igual que otros detectores de rayos X de estado sólido, los detectores de deriva de silicio miden la energía de un fotón entrante por la cantidad de ionización que produce en el material del detector. La principal característica distintiva de un SDD es un campo transversal generado por una serie de electrodos anulares que obliga a los portadores de carga a 'desviarse' hacia un pequeño electrodo colector. Este concepto de 'deriva' del SDD permite un rendimiento superior a 100,000 XNUMX conteos por segundo (CPS). Los detectores SDD EDXRF de la generación actual, con el transistor de efecto de campo (FET) fuera de la ruta de radiación, son mucho más confiables que los dispositivos de primera generación y representan lo último en tecnología de detectores EDXRF convencionales.

Procesador de pulsos y analizador multicanal

Los pulsos generados por el detector de rayos X de alta resolución se procesan mediante modelado de pulsos amplificadores (procesador de pulsos). Como le toma tiempo al amplificador dar forma al pulso para una resolución óptima, necesariamente hay un equilibrio entre la resolución y la tasa de conteo. Los largos tiempos de procesamiento brindan una mejor resolución, pero pueden dar como resultado una "acumulación de pulsos" en la que los pulsos de los fotones sucesivos se superponen. Las técnicas actuales de procesamiento de pulsos digitales de última generación se basan en métodos de filtrado lineal que intentan reducir la longitud del pulso para mejorar el rendimiento del detector. Sin embargo, la incapacidad para resolver pulsos muy próximos significa que la acumulación de pulsos sigue siendo un problema. Esto da como resultado un rendimiento limitado del detector, disminución de la precisión espectral y resolución de energía, aumento del ruido espectral y tiempo muerto del detector. En EDXRF, el analizador multicanal (MCA) es el componente utilizado para almacenar información del procesador de pulso. Cada canal corresponde a un pequeño incremento de energía y cada pulso del detector se almacena en el canal apropiado según la amplitud del pulso (es decir, la energía del fotón).

Aplicaciones

Los espectrómetros EDXRF son la herramienta de análisis elemental de elección, para muchas aplicaciones, ya que son más pequeños, de diseño más simple y cuestan menos de operar que otras tecnologías como la espectroscopia de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente (ICP-OES) y la absorción atómica (AA) o espectroscopía de fluorescencia atómica (AF). Ejemplos de algunas aplicaciones comunes de EDXRF son: