Kiểm tra thành phần vật liệu với huỳnh quang tia X (X-Ray Fluorescence hay XRF)

Huỳnh quang tia X (XRF) là gì?

Quang phổ huỳnh quang tia X (XRF) là một kỹ thuật phân tích nguyên tố với ứng dụng rộng rãi trong khoa học và công nghiệp. XRF dựa trên nguyên tắc rằng các nguyên tử riêng lẻ, khi được kích thích bởi một nguồn năng lượng bên ngoài, sẽ phát ra các photon tia X có năng lượng hoặc bước sóng đặc trưng. Bằng cách đếm số lượng photon của mỗi năng lượng phát ra từ một mẫu, các nguyên tố có mặt trong vật liệu có thể được xác định và định lượng.

Lịch sử phát triển của huỳnh quang tia X (XRF)

Henry Moseley có lẽ là cha đẻ của kỹ thuật này. Dựa trên phát hiện của Röentgen về bức xạ năng lượng cao có tên là tia X, đã chế tạo một ống phát tia X để bắn phá các mẫu bằng các electron năng lượng cao. Moseley vào năm 1912 đã phát hiện ra mối quan hệ toán học giữa nguyên tố, bước sóng tia X phát ra và số nguyên tử của nó. Năm 1925, Coster và Nishina là những người đầu tiên sử dụng tia X thay vì electron để kích thích mẫu. Sau khi Glocker và Schreiber là những người đầu tiên thực hiện phân tích định lượng vật liệu bằng XRF vào năm 1928. Đến 1950, những thiết bị quang phổ tia X được sản xuất thương mại đầu tiên.

Thiết bị XRF hiện đại có khả năng phân tích các mẫu rắn, lỏng và màng mỏng ở mức ppm. Việc phân tích nhanh chóng và quá trình chuẩn bị mẫu dễ dàng hoặc không bắt buộc.

Nguyên lý cơ bản của quang phổ tia X

Việc xác định các nguyên tố bằng phương pháp tia X dựa trên bức xạ đặc trưng phát ra từ vỏ electron bên trong của các nguyên tử trong một số điều kiện nhất định. Lượng tử phát ra của bức xạ là các photon tia X có năng lượng riêng cho phép xác định các nguyên tử tạo ra chúng. Để hiểu hiện tượng này, trước tiên chúng ta phải xem xét cách tạo ra tia X.

Khi một chùm electron năng lượng cao chiếu vào một vật liệu, một trong những kết quả của sự tương tác là sự phát xạ của các photon có phổ năng lượng rộng. Bức xạ này, được gọi là bremsstrahlung và là kết quả của sự suy giảm vận tốc của các electron bên trong vật liệu. Tính liên tục của bremsstrahlung được minh họa như là một hàm của điện áp gia tốc electron khi sử dụng bia molypden trong Hình 1.

Một kết quả khác của sự tương tác giữa chùm electron và vật liệu là sự phóng ra các quang điện tử từ lớp vỏ bên trong của các nguyên tử tạo nên vật liệu. Các quang điện tử này rời đi với một động năng (E – φ) là sự khác biệt về năng lượng giữa năng lượng của hạt tới (E) và năng lượng liên kết (φ) của electron nguyên tử. Electron bị đẩy ra để lại một lỗ trống trong cấu trúc điện tử của nguyên tử và sau một thời gian ngắn, các electron nguyên tử sắp xếp lại, với một electron từ lớp vỏ năng lượng cao hơn lấp đầy chỗ trống. Bằng cách này, nguyên tử phát ra huỳnh quang, hay là sự phát xạ của một photon tia X có năng lượng bằng với sự chênh lệch năng lượng của trạng thái ban đầu và cuối cùng. Phát hiện photon này và đo năng lượng của nó cho phép chúng ta xác định nguyên tố và quá trình chuyển đổi điện tử cụ thể và nguồn gốc của chúng. Đây là cơ sở cho phép đo phổ XRF, trong đó các phần tử có thể được định lượng dựa trên cường độ phát xạ của tia X đặc trưng từ một mẫu đang được kích thích.

Chuẩn bị mẫu cho kiểm tra XRF

Quá trình chuẩn bị mẫu rất khác nhau tùy thuộc vào mục tiêu của phép phân tích. Hầu hết các vật liệu không yêu cầu bất kỳ sự chuẩn bị mẫu nào. Việc lựa chọn chuẩn bị mẫu phụ thuộc vào bản chất của chùm tia X so với mẫu. Ví dụ, một vật liệu dày 1 cm và có bề mặt phẳng, sạch sẽ mang lại kết quả lý tưởng. Khi mẫu nhỏ hơn, mỏng hơn hoặc ít đồng nhất hơn, cần phải hiểu bản chất của chùm tia X và cách nó tương tác với mẫu.

Các thiết bị XRF thông thường kích thước chùm tia chỉ khoảng 2 x 2 mm hoặc lớn lơn. Kích thước chùm tia nhỏ này tốt cho các vật liệu đồng nhất, nhưng vật liệu không đồng nhất như tính thể đá có thể cần phải được phân tích nhiều lần ở nhiều vị trí để lấy giá trị trung bình đại diện.

Có lẽ điều quan trọng hơn cả diện tích của chùm tia là độ sâu phân tích. Theo nguyên tắc chung, phổ năng lượng càng cao, độ sâu thâm nhập tia X trong mẫu càng lớn. Ví dụ, phân tích sắt chủ yếu là phân tích bề mặt trong khi zirconium được đo từ độ sâu đến gần một cm. Trong các mẫu đồng nhất dày, độ sâu phân tích này tạo ra rất ít sự khác biệt, nhưng nếu các mẫu mỏng hơn, nó ảnh hưởng đến phổ kết quả theo các cách khác nhau tùy thuộc vào độ dày mẫu cụ thể.

Khả năng phân tích các mẫu mà không cần các quy trình chuẩn bị mẫu phá hủy là quan trọng đối với các ứng dụng ngành khảo cổ học. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng XRF thông thường, phương pháp chuẩn bị mẫu phổ biến nhất là nghiền nhỏ hay nghiền thành bột đồng nhất, bao gồm đất, khoáng chất.

Ở đây kích thước hạt và tính đồng nhất đóng một vai trò lớn. Lớp bề mặt mỏng phải đại diện cho mẫu khối lượng lớn và các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sai số lớn (lên tới 50%) trong định lượng có thể xảy ra đối với một số nguyên tố khi kích thước hạt vượt quá 50µm . Điều này xảy ra là do sự chênh lệch về độ sâu thâm nhập của tia X với năng lượng. Các hạt cũng có thể không đồng nhất, có thành phần bề mặt rất khác nhau. Ví dụ, sunfua đồng có thể bị oxy hóa một phần ở bề mặt, làm cho độ hấp thụ tương đối của các mức năng lượng K khác với mức năng lượng L. Các photon dòng L sẽ không thâm nhập sâu và sẽ có xu hướng được phát ra nhiều hơn từ lớp oxit. Bằng cách theo dõi tỷ lệ của Cu Kα so với Cu Lα, có thể cho phép người đó suy ra một số tính chất hóa học của mẫu hay hiệu chuẩn lại kết quả kiểm tra.

Một số câu hỏi thường gặp liên qua đến XRF

Bạn có thể làm gì với XRF?

Bạn có thể trỏ máy phân tích XRF vào hầu hết mọi thứ và nhận được kết quả. Các ứng dụng phổ biến sử dung cho phân loại phế liệu kim loại, nhận dạng hợp kim (PMI), kiểm soát chất lượng (QC) trong sản xuất kim loại, thăm dò hoặc khai thác địa chất, thử nghiệm các vật liệu công nghiệp như xi măng hoặc than, và thử nghiệm chì trong sơn hoặc các chất gây độc hại khác trong các sản phẩm tiêu dùng.

Bạn có thể phát hiện các nguyên tố nào với XRF?

Các nguyên tố nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn (ví dụ như magiê, hydro, carbon, nitơ, oxy và natri) có tia X quá yếu để quay trở lại máy dò nên không phát hiện được khi sử dụng XRF. Và XRF chỉ cho bạn biết có bao nhiêu nguyên tố có trong vật liệu mà không có thông tin gì về cấu trúc hóa học của các vật liệu này.

Tại sao mọi người sử dụng XRF di động, cầm tay?

Phân tích tại chỗ cho phép thông tin theo thời gian thực và ra quyết định. Không còn cần phải mang mẫu về phòng thí nghiệm nữa.

XRF có nguy hiểm khi sử dụng phóng xạ không?

Không, XRF cầm tay không nguy hiểm khi hoạt động theo chỉ dẫn. Các thiết bị XRF tạo ra các tia X là bức xạ ion hóa, vì vậy bạn phải luôn áp dụng nguyên tắc liều chiếu tối thiểu (ALARA). Nguyên tắc cơ bản là – áp dụng cho bất cứ thứ gì có hình dạng khẩu súng – đó là không chĩa súng vào bất cứ ai và bóp cò. Công suất XRF cầm tay thấp hơn nhiều so với chụp ảnh X-quang, do đó, người dùng XRF có liều chiếu gần như phông phóng xạ tự nhiên.

XRF có phức tạp không?

Không phức tạp đối với người dùng. Khi sử dụng đúng thiết bị và hiệu chuẩn phù hợp cho các mẫu, chỉ cần nhắm và bắn và kết quả sẽ hiện rõ ràng, đầy đủ trên màn hình. Giao diện trên các thiết bị HHXRF được thiết kế giống như điện thoại thông minh, vì vậy người dùng sẽ cảm thấy quen thuộc.

Tại sao có nhiều cấu hình thiết bị XRF khác nhau?

Chúng tôi cung cấp nhiều cấu hình thiết bị XRF để phù hợp với mọi ứng dụng và mức độ hiệu suất. Và mỗi loại có thông số hiệu chuẩn cho các loại mẫu và vật liệu khác nhau. Các chuyên gia của VISCO có thể giúp bạn chọn đúng thiết bị mình cần. Chúng tôi thậm chí có thể giúp bạn tự hiệu chuẩn thiết bị của riêng bạn nếu bạn là một người đam mê XRF (như chúng tôi).

Thử nghiệm XRF mất bao lâu?

Thời gian thử nghiệm điển hình dao động từ một hoặc hai giây đối với nhiều hợp kim cho đến một hoặc hai phút đối với các mẫu địa chất. Một nguyên tắc cơ bản là hàm lượng thấp cần nhiều thời gian phân tích hơn. Nếu bạn chỉ quan tâm đến thành phần hàm lượng lớn, thì việc kiểm tra sẽ mất vài giây. Nếu bạn quan tâm đến hàm lượng thấp (giảm xuống một phần chữ số trên một triệu), thì cần kiểm tra lâu hơn để có kết quả chính xác.

Tôi có thể thử nghiệm XRF ở đâu?

VISCO có dịch vụ giúp khách hàng kiểm tra nhanh XRF. Hãy liên hệ với chúng tôi để sắp xếp lịch kiểm tra ở Hà Nội hay TP HCM.