¿Cómo funciona XRF?

XRF describe el proceso en el que alguna radiación de alta energía excita los átomos disparando electrones desde los orbitales más internos. Cuando el átomo se relaja, es decir, cuando los electrones externos llenan las capas internas, se emite radiación de fluorescencia de rayos X. Todo esto sucede sin tocar ni dañar la muestra.

La radiación emitida es muy parecida a una huella digital del átomo. La fluorescencia de cobre se ve muy diferente de la fluorescencia de zinc y de la fluorescencia de cualquier otro elemento en la tabla periódica. Es por eso que XRF es una de las formas más sencillas y convenientes de hacer análisis elementales y se utiliza para una gran cantidad de aplicaciones industriales, de investigación y educativas. Aquí, los datos derivados se pueden utilizar para obtener información cualitativa, semicuantitativa y cuantitativa sobre los elementos mayores, menores e incluso traza en una muestra.

Entonces, la pregunta es: ¿Para qué necesita XRF? ¿Será análisis de oligoelementos? ¿Análisis cuantitativo estandarizado de alta precisión en una planta de cemento? ¿Análisis de fallos 2D y control de producción? ¿Clasificar el metal en un depósito de chatarra o preseleccionar las formaciones rocosas en un sitio de excavación?

Cualquier instrumento XRF hoy en día viene con un tubo de rayos X para la excitación de los átomos en la muestra y un detector, para el registro de la radiación de fluorescencia. Los tubos pueden ser tubos de alta potencia refrigerados por agua con una salida de 4000 W, o pequeños tubos de 4 W del tamaño de un pulgar para dispositivos móviles. En el lado de la detección de fotones, hay básicamente dos tecnologías diferentes: dispersiva de energía (EDXRF) o dispersiva de longitud de onda (WDXRF). A pesar de que la energía E de un fotón y su longitud de onda λ son prácticamente intercambiables (debido a la relación fija E = (c ∙ h)/λ , siendo c la velocidad de la luz y h ésima constante de Planck) la forma de ordenar los fotones con respecto a E o λ es bastante diferente:

Un espectrómetro dispersivo de longitud de onda trata los rayos X como ondas y utiliza alguna estructura regular (rejillas o cristales) para causar patrones de interferencia que permiten una resolución espectral notablemente alta. Los detectores de dispersión de energía tratan los rayos X como partículas. Funcionan como lanzar bolas de bolos (los fotones) en un pozo de bolas (el detector) para ver cuántas pequeñas bolas de plástico (electrones) son expulsadas por cada impacto. Las bolas de bolos más pesadas o rápidas (energías más altas) harán que se expulsen más bolas de plástico.

Hay muchas técnicas derivadas de XRF. Algunos son muy sensibles (TXRF), otros muy precisos (WDXRF). Algunos para objetos valiosos y delicados que deben permanecer intactos (Micro-XRF / Macro-XRF), otros más bien para materiales utilizados y derivados de procesos industriales (Direct & Polarized EDXRF). Algunos le dan las concentraciones exactas de todos los elementos contenidos en la muestra (WDXRF); otros pueden decirle exactamente dónde está alguna inclusión en la muestra (Micro-XRF). La mayoría son instrumentos de laboratorio; algunos se pueden llevar en una mano (Handheld-XRF).

Algunas técnicas forman parte de las normas ISO y ASTM en los procesos de gestión de la calidad industrial, la versatilidad de otras las hace cada vez más frecuentes en los laboratorios de I+D.

La selección del espectrómetro óptimo está impulsada por los requisitos analíticos:

• Análisis de elementos portátiles, de sobremesa o de laboratorio
• Número de muestras a medir por día
• Tipo de material/muestra y preparación
  
• Elementos de interés, rangos de concentración y límites de detección
• Exactitud y precisión
• Estructura de la muestra y tamaño de la estructura

Los espectrómetros de fluorescencia de rayos X de sobremesa de energía dispersiva (EDXRF) son de tamaño compacto y tienen una configuración relativamente simple. Se utiliza un tubo de rayos X de 50 vatios para excitar la muestra y un detector de deriva de silicio (SDD) para contar el número y la energía de los fotones de rayos X característicos. El SDD registra todo el espectro de energía a la vez y, por lo tanto, se pueden detectar múltiples elementos simultáneamente. Los espectrómetros Direct EDXRF son dispositivos versátiles, que hacen uso de una trayectoria de haz estrechamente acoplada para medir elementos mayores, menores y traza en todo tipo de líquidos, polvos, granos, sólidos y muestras a granel. Los espectrómetros polarizados EDXRF utilizan rayos X monocromáticos para mejorar la relación señal-ruido para elementos como S, P y Cl en petroquímicos, para lograr límites de detección ultra bajos incluso con un dispositivo compacto.

Los espectrómetros XRF completos más pequeños posibles son lo suficientemente pequeños como para funcionar con baterías y llevarse en una mano. Aún así, pueden hacer una identificación completa del material positivo en cuestión de segundos. Un XRF de mano tiene los mismos componentes que los instrumentos EDXRF más grandes, pero empaquetados en un volumen mucho más pequeño. A pesar de su tamaño, estos instrumentos son muy precisos y sensibles para todos los elementos a partir del magnesio. Esto se debe a que el tubo y el detector, naturalmente, están muy cerca de la muestra. Por lo tanto, no solo se pueden transportar en un depósito de chatarra para clasificar metales, sino que también se pueden usar en el campo para el análisis de oligoelementos en campañas de geoexploración.

Micro-XRF es un método de dispersión de energía que utiliza una óptica policapilar para guiar los rayos X de excitación en un punto del tamaño de un micrómetro en la muestra. Por lo tanto, no solo puede decirle qué elementos hay en una muestra y cuánto de ellos, sino también dónde están exactamente. Especialmente cuando se combina con una etapa de escaneo rápido, este método es ideal para medir y comprender muestras no homogéneas. Con micro-XRF se puede medir casi cualquier tipo de muestra. Sólidos, polvos y líquidos. La necesidad de preparación de la muestra es mínima y, como todos los métodos XRF, la muestra no se daña en el proceso de medición. Esto hace que el micro-XRF sea una técnica de preselección ideal, no solo en medicina forense. Además, en geología este tipo de análisis de materiales se adapta casi perfectamente a la tarea analítica.

Otra técnica de dispersión de energía, Total-reflection XRF (TXRF) está utilizando todos los ajustes posibles para optimizar la relación señal-ruido y, por lo tanto, los límites de detección. La diferencia específica con todas las demás técnicas de EDXRF es el ángulo incidente muy poco profundo. De hecho, es tan superficial que los rayos X de excitación monocromatizados se reflejan totalmente en un sustrato liso, de ahí el nombre. Esta geometría ofrece tres ventajas principales:

• Sin entrar en el sustrato no hay señal de fondo dispersa del sustrato.
• Al reflejarse, el haz de excitación pasa dos veces a través de la muestra que se encuentra en ese sustrato.
• Con el haz de rayos X viniendo de un lado y yendo al otro, el detector se puede colocar muy cerca de la superficie de la muestra, sin obstruir el haz. Así, casi toda la fluorescencia producida en la muestra es recogida por la SDD. Se pueden cuantificar cantidades diminutas de material de muestra, hasta microlitros o microgramos, y los límites de detección en el rango de ppb se pueden lograr con una preparación mínima de la muestra.

Los espectrómetros de fluorescencia de rayos X dispersiva de longitud de onda (WDXRF) utilizan una configuración más sofisticada en comparación con los sistemas EDXRF, lo que permite una sensibilidad de 1-2 órdenes de magnitud mayor. Los sistemas WDXRF están equipados con potentes tubos de rayos X (hasta 4.000 W), varios componentes ópticos (por ejemplo, filtro, colimadores) y hacen uso de cristales analizadores para separar los fotones de rayos X emitidos por las muestras en función de su longitud de onda, siguiendo la ley de Bragg. Los espectrómetros secuenciales de los sistemas WDXRF y WDXRF de sobremesa están equipados con un goniómetro, que cambia los ángulos y el tipo de cristal para cada longitud de onda en consecuencia, es decir, las concentraciones elementales se miden secuencialmente. Los grandes espectrómetros WDXRF simultáneos hacen uso de canales fijos para medir múltiples elementos a la vez y lograr los tiempos de medición más cortos.

La tecnología XRF se puede encontrar en innumerables entornos donde el análisis elemental es esencial. El monitoreo de procesos y el control de calidad en minería, cemento y materiales de construcción, petroquímicos y polímeros, alimentos y alimentos para animales, y producción de metales son solo algunos ejemplos. Los dispositivos portátiles son particularmente útiles durante las campañas de exploración de campo y para la clasificación de chatarra. XRF también se aplica con frecuencia en arte, conservación y arqueología y en medicina forense. La versatilidad y la simple preparación de muestras hacen de XRF una herramienta inevitable para muchos laboratorios de servicio e instituciones gubernamentales, así como en la academia y la investigación.

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