آنالیز XRF یا طیف‌نگاری فلورسانس اشعه ایکس چیست؟

آنالیز XRF  یا فلورسانس اشعه ایکس (X-ray fluorescence) یک روش تحلیلی است که می تواند برای تعیین ترکیب شیمیایی طیف گسترده ای از انواع نمونه از جمله مواد جامد ، مایعات ، مواد آبکی و پودرهای سست استفاده شود. آنالیز XRF  برای تعیین ضخامت و ترکیب لایه ها و روکش ها نیز استفاده می شود. این آزمون می تواند همه عناصر از بریلیم (Be) تا اورانیوم (U) را در غلظت هایی از ۱۰۰ درصد وزنی تا سطح زیر ppm تجزیه و تحلیل کند.

XRF یک تکنیک قوی است که دقت و صحت بالا را با آماده سازی سریع نمونه ترکیب می کند. این دستگاه به راحتی در محیط های صنعتی با توان بالا قابل استفاده است . به علاوه XRF هر دو اطلاعات کمی و کیفی و را برای یک نمونه ارائه می دهد. اطلاعات بدست آمده همچنین امکان غربالگری سریع (نیمه کمی) ماده را نیز ممکن می سازد. برای آگاهی بیشتر در رابطه با این تکنیک با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.

کاربردهای آنالیز XRF

آنالیز XRF یا طیف‌نگاری فلوئورسانس اشعه ایکس برای تحقیقات بر روی سنگ های آذرین و رسوبی ، تحقیقات خاک ، معدن ، تولید سیمان ، سرامیک و شیشه ، متالوژی مواد ، مطالعات محیط زیستی ، صنایع نفت و محصولات پتروشیمی  ، تحقیقات میدانی در زمین شناسی و محیط زیست مورد استفاده قرار می گیرد.

اصول آنالیز XRF یا طیف‌نگاری فلوئورسانس اشعه ایکس

روش XRF به اصول اساسی بستگی دارد که برای چندین روش دیگر شامل تعامل بین پرتوهای الکترونی و اشعه X با نمونه ها از جمله: طیف سنجی اشعه X  (به عنوان مثال SEM – EDS)  ، پراش اشعه ایکس (XRD) و طیف سنجی پراکندگی طول موج ( میکروپروب WDS) نیز وجود دارد.

تجزیه و تحلیل عناصر اصلی و کمیاب در مواد شیمیایی توسط فلورسانس اشعه ایکس با رفتار اتم ها هنگام تعامل با پرتوها امکان پذیر است. هنگامی که مواد با پرتوی پر انرژی با طول موج کوتاه دچار برانگیختگی می شوند (به عنوان مثال ، اشعه X) ، می توانند یونیزه شوند.

اگر انرژی تشعشع برای خارج کردن یک الکترون داخلی کافی باشد ، اتم ناپایدار می شود و یک الکترون بیرونی جایگزین الکترون داخلی از دست رفته می شود. هنگامی که این اتفاق می افتد  به دلیل کاهش سطح انرژی پیوندی الکترون داخلی در مقایسه با نوع خارجی مقداری انرژی آزاد می شود.

پرتوی ساطع شده از انرژی کمتری نسبت به پرتوی برخوردی اولیه برخوردار است و تابش فلورسنت نامیده می شود. تابش فلورسانت اتم که اصطلاحاً اشعه ایکس ثانویه نیز نامیده می شود انرژی کمتر از پرتو X اولیه دارد. از آنجا که انرژی فوتون ساطع شده مشخصه انتقال بین مدارهای الکترونی خاص در یک عنصر خاص است از اشعه X فلورسنت حاصل می توان برای تشخیص فراوانی عناصر موجود در نمونه استفاده کرد.

تحلیل و تفسیر نتایج آنالیز XRF

اساس کار XRF  اندازه گیری انرژی و شدت پرتو X ثانویه است که به دو روش WDS و EDS انجام می گیرد. در روش EDS  وقتی پرتو X  ثانویه از نمونه منتشر می شود شدت و انرژی آن بطور مستقیم توسط دتکتور اندازه گیری می شود. اما در روش WDX ابتدا پرتو توسط یک کلیماتور به صورت موازی درآمده و سپس با برخورد به یک بلور آنالیز کننده  که معمولا فلورید سدیم (NaF) است بازتابش شده و توسط دتکتور اندازه گیری می شود.

نتیجه  اندازه گیری آنالیز XRF یا طیف‌نگاری فلوئورسانس اشعه ایکس به صورت یک نمودار گزارش می شود که نمایشگر شدت پرتوی ثانویه بر حسب انرژی آن است. بر روی این نمودار تعدادی پیک با شدت های مختلف وجود دارد که انرژی هر پیک نشان دهنده مشخصات یک عنصر و شدت هر پیک نشاندهنده میزان غلظت آن عنصر است.

تفاوت آنالیز XRF با XRD

از آنالیر XRD یا همان پراش پرتو ایکس  برای تعیین فازها و ساختار کریستالی مواد استفاده می شود و عمده کاربرد آن در مطالعات و شناسایی فازها، کانی شناسی و کریستالوگرافی است . اما آنالیز XRF یا طیف‌نگاری فلوئورسانس اشعه ایکس یکی از روشهای آنالیز عنصری است.

هر دو روش از پرتو ایکس برای شناسایی مواد استفاده می کنند ولی XRD جهت شناسایی فازها به کار می رود و می تواند تعیین کند که هر عنصر در ماده، در چه ترکیب و فازی وجود دارد. ولی XRF آنالیز عنصری انجام می دهد و تنها می تواند تشخیص دهد چه درصدی از عناصر در ماده مجهول مورد آزمایش وجود دارد.

نقاط ضعف و قوت آنالیز XRF

این روش قادر به اندازه گیری کیفی و کمی تعداد بسیار زیادی از عناصر (سدیم تا اورانیوم) است و در مقایسه با روش های معمول آنالیز مانند تیتراسیون سرعت و دقت بالاتر و هزینه کمتری دارد.

آنالیز XRF یک روش ایده ال برای شناسایی عناصری مانند سیلیسیم (Si)، تیتانیوم (Ti)، آلومینیوم (Al)، آهن (Fe)، منگنز (Mn)، منیزیم (Mg)، سدیم (Na)، کلسیم (Ca)، پتاسیم (K) و فسفر(P) در نمونه های سنگ و رسوب است.

همچنین یک روش مناسب برای آنالیز شیمیایی عناصر کمیاب مانند باریم (Ba)، روی (Zn)، زیرکونیم(Zr)، سزیم (Ce)، کبالت(Co)، کروم (Cr)، اسکاندیم (Sc)، استرنسیم(Sr)، رودیم (Rh)، اورانیوم (U)، وانادیم (V)، نیکل (Ni)، روبیدیم(Rb)، ایتریم (Y)، لانتان(La) ونیوتیم(Nb) در نمونه های سنگ و رسوب در حدود چند ppm می باشد.

از نقاط ضعف این آنالیز توانایی محدود آن در اندازه گیری دقیق عناصر با عدد اتمی کمتر از ۱۱ در بیشتر مواد طبیعی است. همچنین دستگاه XRF قادر به تشخیص ایزوتوپ های مختلف یک عنصر نیست و برای تکمیل آزمایش باید از دستگاه های آنالیز دیگری مانند TIMS و SIMS استفاده کرد.علاوه بر این دستگاه XRF توانایی تشخیص یون های مختلف یک عنصر را ندارد.

هزینه آنالیز XRF یا طیف‌نگاری فلوئورسانس اشعه ایکس

آنالیز XRF  یکی از ساده ترین ، دقیق ترین و اقتصادی ترین روش های تحلیلی برای تعیین ترکیب شیمیایی بسیاری از انواع مواد را ارائه می دهد. این روش غیر مخرب و قابل اعتماد است ، نیاز آنچنانی به آماده سازی نمونه ندارد.

طیف سنج فلورسانس اشعه X یک ابزار اشعه ایکس است که برای آنالیزهای شیمیایی معمولی و  نسبتاً غیر مخرب سنگها ، مواد معدنی ، رسوبات و مایعات استفاده می شود. این روش بر روی اصول طیف سنجی پراش طول موج کار می کند که شبیه به میکروبوبار الکترونی (EPMA) است.

با این حال ، XRF نمی تواند در اندازه های کوچک در حد نقطه (۲-۵ میکرون) کار کند ، بنابراین به طور معمول برای آنالیز فرا کمی کسری های بزرگتر مواد زمین شناسی استفاده می شود.

سهولت نسبی و کم هزینه بودن آماده سازی نمونه ، پایداری و سهولت استفاده از آنالیز XRF آنرا به یکی از روشهای پرکاربرد برای تجزیه و تحلیل عناصر اصلی و کمیاب در سنگ ها ، مواد معدنی و رسوب ها  تبدیل کرده است.

بهترین برندهای دستگاه XRF شامل  برند شیمادزو (Shimadzu)، ترموفیشر (Thermo Fisher)، آکسفورد (Oxford)، پنالیتیکال (PANanalytical)، بروکر (Bruker) و فیلیپس (Philips) هستند.