Analisis spektral sinar-X menempati tempat penting di antara semua metode mempelajari materi. Ini banyak digunakan di berbagai bidang teknologi karena kemungkinan kontrol ekspres tanpa merusak sampel uji. Waktu untuk menentukan satu unsur kimia bisa hanya beberapa detik, praktis tidak ada batasan pada jenis zat yang diteliti. Analisis dilakukan baik secara kualitatif maupun kuantitatif.
Inti dari analisis spektral sinar-X
Analisis spektral sinar-X adalah salah satu metode fisik untuk mempelajari dan mengontrol bahan. Ini didasarkan pada ide umum untuk semua metode spektroskopi.
Inti dari analisis spektral sinar-X terletak pada kemampuan suatu zat untuk memancarkan radiasi sinar-X karakteristik ketika atom dibombardir oleh elektron atau kuanta yang cepat. Pada saat yang sama, energi mereka harus lebih besar dari energi yang diperlukan untuk menarik elektron dari kulit atom. Dampak seperti itu tidak hanya mengarah pada munculnya spektrum radiasi yang khas,terdiri dari sejumlah kecil garis spektral, tetapi juga kontinu. Estimasi komposisi energi partikel yang terdeteksi memungkinkan untuk menarik kesimpulan tentang sifat fisik dan kimia objek yang diteliti.
Bergantung pada metode aksi zat, partikel dari jenis yang sama atau lainnya dicatat. Ada juga spektroskopi serapan sinar-X, tetapi paling sering berfungsi sebagai alat bantu untuk memahami masalah utama spektroskopi sinar-X tradisional.
Jenis Zat
Metode analisis spektral sinar-X memungkinkan kita mempelajari komposisi kimia suatu zat. Metode ini juga dapat digunakan sebagai metode pengujian non-destruktif ekspres. Jenis zat berikut dapat dimasukkan dalam penelitian:
- logam dan paduan;
- batu;
- kaca dan keramik;
- cairan;
- abrasif;
- gas;
- zat amorf;
- polimer dan senyawa organik lainnya;
- protein dan asam nukleat.
Analisis spektral sinar-X juga memungkinkan Anda menentukan sifat bahan berikut:
- komposisi fase;
- orientasi dan ukuran kristal tunggal, partikel koloid;
- diagram keadaan paduan;
- struktur atom dan dislokasi kisi kristal;
- tekanan internal;
- koefisien muai panas dan karakteristik lainnya.
Berdasarkan metode ini diproduksi menggunakan deteksi cacat sinar-X, yang memungkinkan Anda mendeteksi berbagai jenis ketidakhomogenan dalam bahan:
- kerang;
- inklusi asing;
- pori-pori;
- retak;
- Salah las dan cacat lainnya.
Jenis analisis
Bergantung pada metode pembangkitan sinar-X, jenis analisis spektral sinar-X berikut dibedakan:
- fluoresen sinar-X. Atom tereksitasi oleh radiasi sinar-X primer (foton berenergi tinggi). Ini berlangsung sekitar satu mikrodetik, setelah itu mereka pindah ke posisi dasar yang tenang. Kelebihan energi tersebut kemudian dipancarkan dalam bentuk foton. Setiap zat memancarkan partikel-partikel ini dengan tingkat energi tertentu, yang memungkinkan untuk mengidentifikasinya secara akurat.
- radiometri sinar-X. Atom materi tereksitasi oleh radiasi gamma dari isotop radioaktif.
- Penyelidikan elektron. Aktivasi dilakukan oleh berkas elektron terfokus dengan energi beberapa puluh keV.
- Pengujian dengan eksitasi ion (proton atau ion berat).
Metode analisis spektral sinar-X yang paling umum adalah fluoresensi. Eksitasi sinar-X ketika sampel dibombardir dengan elektron disebut langsung, dan ketika disinari dengan sinar-X disebut sekunder (fluorescent).
Dasar-dasar Analisis Fluoresensi Sinar-X
Metode fluoresensi sinar-X secara luasdigunakan dalam industri dan penelitian ilmiah. Elemen utama spektrometer adalah sumber radiasi primer, yang paling sering digunakan sebagai tabung sinar-X. Di bawah pengaruh radiasi ini, sampel mulai berfluoresensi, memancarkan sinar-x dari spektrum garis. Salah satu fitur terpenting dari metode ini adalah bahwa setiap elemen kimia memiliki karakteristik spektralnya sendiri, terlepas dari apakah itu dalam keadaan bebas atau terikat (sebagai bagian dari senyawa apa pun). Mengubah kecerahan garis memungkinkan untuk mengukur konsentrasinya.
Tabung sinar-X adalah balon di mana ruang hampa dibuat. Di salah satu ujung tabung terdapat katoda berupa kawat tungsten. Itu dipanaskan oleh arus listrik ke suhu yang memastikan emisi elektron. Di ujung lain adalah anoda dalam bentuk target logam besar. Perbedaan potensial dibuat antara katoda dan anoda, karena elektron dipercepat.
Partikel bermuatan yang bergerak dengan kecepatan tinggi menabrak anoda dan merangsang bremsstrahlung. Ada jendela transparan di dinding tabung (paling sering terbuat dari berilium) di mana sinar-x keluar. Anoda pada alat analisis spektral sinar-X terbuat dari beberapa jenis logam: tungsten, molibdenum, tembaga, kromium, paladium, emas, renium.
Penguraian radiasi menjadi spektrum dan registrasinya
Ada 2 jenis dispersi sinar-X dalam spektrum - gelombang dan energi. Jenis pertama adalah yang paling umum. Spektrometer sinar-X, yang beroperasi berdasarkan prinsip dispersi gelombang, memiliki kristal penganalisis yang menghamburkan gelombang pada sudut tertentu.
Kristal tunggal digunakan untuk menguraikan sinar-X menjadi spektrum:
- litium fluorida;
- kuarsa;
- karbon;
- asam potasium atau thallium ftalat;
- silikon.
Mereka memainkan peran kisi difraksi. Untuk analisis massa multi-elemen, instrumen menggunakan satu set kristal yang hampir sepenuhnya menutupi seluruh rentang elemen kimia.
Kamera sinar-X digunakan untuk mendapatkan radiografi, atau pola difraksi yang dipasang pada film fotografi. Karena metode ini melelahkan dan kurang akurat, saat ini hanya digunakan untuk deteksi cacat dalam analisis sinar-X logam dan bahan lainnya.
Pencacah proporsional dan kilau digunakan sebagai pendeteksi partikel yang dipancarkan. Jenis yang terakhir memiliki sensitivitas tinggi di daerah radiasi keras. Foton yang jatuh pada fotokatoda detektor diubah menjadi pulsa tegangan listrik. Sinyal pertama masuk ke amplifier, lalu ke input komputer.
Cakupan aplikasi
Analisis fluoresensi sinar-X digunakan untuk tujuan berikut:
- penentuan kotoran berbahaya dalam minyak danproduk minyak bumi (bensin, pelumas dan lain-lain); logam berat dan senyawa berbahaya lainnya di tanah, udara, air, makanan;
- analisis katalis dalam industri kimia;
- penentuan yang tepat dari periode kisi kristal;
- mendeteksi ketebalan lapisan pelindung dengan metode non-destruktif;
- menentukan sumber bahan baku dari mana barang tersebut dibuat;
- perhitungan mikrovolume materi;
- penentuan komponen utama dan pengotor batuan dalam geologi dan metalurgi;
- studi benda-benda budaya dan nilai sejarah (ikon, lukisan, lukisan dinding, perhiasan, piring, ornamen dan barang-barang lain yang terbuat dari berbagai bahan), penanggalannya;
- penentuan komposisi untuk analisis forensik.
Persiapan sampel
Untuk penelitian, persiapan sampel terlebih dahulu diperlukan. Mereka harus memenuhi kondisi berikut untuk analisis sinar-X:
- Keseragaman. Kondisi ini dapat dipenuhi paling sederhana untuk sampel cair. Ketika stratifikasi solusi segera sebelum penelitian, itu dicampur. Untuk unsur-unsur kimia di daerah panjang gelombang pendek radiasi, homogenitas dicapai dengan menggiling menjadi bubuk, dan di daerah panjang gelombang panjang, dengan fusi dengan fluks.
- Tahan terhadap pengaruh luar.
- Sesuai dengan ukuran sample loader.
- Kekasaran optimal sampel padat.
Karena sampel cair memiliki sejumlah kelemahan (penguapan, perubahan volume saat dipanaskan, pengendapanmengendap di bawah aksi radiasi sinar-X), lebih disukai menggunakan bahan kering untuk analisis spektral sinar-X. Sampel bubuk dituangkan ke dalam kuvet dan ditekan. Kuvet dipasang ke dudukan melalui adaptor.
Untuk analisis kuantitatif, sampel bubuk direkomendasikan untuk dicetak menjadi tablet. Untuk melakukan ini, zat tersebut digiling menjadi bubuk halus, dan kemudian tablet dibuat pada pers. Untuk memperbaiki zat yang rapuh, mereka ditempatkan pada substrat asam borat. Cairan dituangkan ke dalam kuvet menggunakan pipet, sambil memeriksa tidak adanya gelembung.
Persiapan sampel, pemilihan teknik analisis dan mode optimal, pemilihan standar dan konstruksi grafik analitiknya dilakukan oleh asisten laboratorium analisis spektral sinar-X yang harus mengetahui dasar-dasar fisika, kimia, desain spektrometer dan metodologi penelitian.
Analisis kualitatif
Penentuan komposisi kualitatif sampel dilakukan untuk mengidentifikasi unsur kimia tertentu di dalamnya. Kuantifikasi tidak dilakukan. Penelitian dilakukan dengan urutan sebagai berikut:
- menyiapkan sampel;
- menyiapkan spektrometer (memanaskan, memasang goniometer, mengatur rentang panjang gelombang, langkah pemindaian, dan waktu pemaparan dalam program);
- pemindaian cepat sampel, merekam spektrum yang diperoleh dalam memori komputer;
- menguraikan dekomposisi spektral yang dihasilkan.
Intensitas radiasi setiap saatpemindaian ditampilkan pada monitor komputer dalam bentuk grafik, di sepanjang sumbu horizontal di mana panjang gelombang diplot, dan di sepanjang sumbu vertikal - intensitas radiasi. Perangkat lunak spektrometer modern memungkinkan untuk secara otomatis memecahkan kode data yang diperoleh. Hasil analisis sinar-X kualitatif adalah daftar garis bahan kimia yang ditemukan dalam sampel.
Kesalahan
Elemen kimia yang salah diidentifikasi sering kali dapat terjadi. Ini karena alasan berikut:
- penyimpangan acak bremsstrahlung yang tersebar;
- garis menyimpang dari bahan anoda, radiasi latar;
- kesalahan instrumen.
Ketidakakuratan terbesar terungkap dalam studi sampel, yang didominasi oleh elemen ringan yang berasal dari organik. Saat melakukan analisis spektral sinar-X logam, proporsi radiasi hamburan lebih kecil.
Analisis Kuantitatif
Sebelum melakukan analisis kuantitatif, diperlukan pengaturan khusus pada spektrometer - kalibrasinya menggunakan sampel standar. Spektrum sampel uji dibandingkan dengan spektrum yang diperoleh dari penyinaran sampel kalibrasi.
Ketepatan penentuan unsur kimia bergantung pada banyak faktor, seperti:
- efek eksitasi antarelemen;
- spektrum hamburan latar belakang;
- resolusi perangkat;
- linearitas karakteristik penghitungan spektrometer;
- Spektrum tabung sinar-X dan lain-lain.
Metode ini lebih rumit dan memerlukan studi analitik, dengan memperhitungkan konstanta yang ditentukan sebelumnya secara eksperimental atau teoritis.
martabat
Kelebihan metode rontgen antara lain:
- kemungkinan pengujian tidak merusak;
- sensitivitas dan akurasi tinggi (penentuan pengotor hingga 10-3%);
- berbagai unsur kimia yang dianalisis;
- persiapan sampel mudah;
- serbaguna;
- kemungkinan interpretasi otomatis dan kinerja metode yang tinggi.
Kekurangan
Di antara kelemahan analisis spektral sinar-X adalah sebagai berikut:
- persyaratan keamanan meningkat;
- kebutuhan untuk kelulusan individu;
- penafsiran yang sulit dari komposisi kimia ketika garis karakteristik beberapa elemen dekat;
- perlunya pembuatan anoda dari bahan langka untuk mengurangi radiasi karakteristik latar belakang yang mempengaruhi keandalan hasil.
