Die Grundlagen der Elementaranalyse mit XRF – Fragen und Antworten

Ist XRF eine Oberflächentechnik?

XRF ist eine Technik zur Elementaranalyse, die viele Elemente in einer Probe quantifizieren kann. Die charakteristischen Röntgenphotonen, die in der Probe erzeugt werden, haben eine spezifische Energie (keV) und werden auf dem Weg zum Detektor von anderen Atomen in der Probe absorbiert. Die Informationstiefe hängt von der Energie des interessierenden Elements und der Art der Probe (durchschnittliche Ordnungszahl) ab. Diese Tiefe reicht von einem Mikrometer bis zu einigen Zentimetern. Zum Beispiel beträgt die Informationstiefe von Magnesium (Mg-Ka) in einer Messingprobe 1 Mikrometer und im Boden 11 Mikrometer, während die Informationstiefe von Zinn (Sn-Ka) in einer Messingprobe 0,3 mm und im Boden 14 mm beträgt. Daher wird für die Elemente mit niedriger Energie die Qualität der Probenoberfläche wichtig.

In einigen Fällen ist XRF zerstörungsfrei, wenn die Probe ohne Probenvorbereitung analysiert werden kann und mit einem niederigen Leistungsbench-Top EDXRF-Instrument analysiert wird. Dann ist die Probe nach der Messung noch intakt. Um das bestmögliche Ergebnis zu erzielen, wird eine Probenvorbereitung empfohlen, und dann kann die XRF-Technik nicht als zerstörungsfrei betrachtet werden.

Andererseits kann die gleiche Probe nach der Messung mit XRF für weitere Analysen mit anderen Analysemethoden verwendet werden.

XRF ist eine analytische Technik, die zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung einer Vielzahl von Probentypen wie Feststoffen, Flüssigkeiten, Aufschlämmungen und losen Pulvern verwendet werden kann. XRF wird auch zur Bestimmung der Dicke und Zusammensetzung von Schichten und Beschichtungen verwendet und kann problemlos für ein schnelles Screening (halbquantitativ) eingesetzt werden. Sie kann Elemente von Beryllium (Be) bis Americium (Am) in Konzentrationsbereichen von 100 Gew% bis zu sub-ppm-Niveaus analysieren. Die XRF-Analyse ist eine robuste Technik, die hohe Präzision und Genauigkeit mit einfacher, schneller Probenvorbereitung kombiniert. Es sind keine Säuren und Chemikalien erforderlich, da die Proben nicht in eine Flüssigkeit gelöst oder verdünnt werden müssen.

XRF hat auch ihre Grenzen. XRF ist eine Technik zur Elementaranalyse und quantifiziert daher die Gesamtkonzentration jedes Elements in einer Probe. XRF kann zwischen verschiedenen Oxiden nicht unterscheiden. Dazu wäre XRD eine geeignete Methode.

Elemente in Konzentrationsbereichen von 100 Gew% bis zu sub-ppm-Niveaus können mit XRF quantifiziert werden. Eine Quantifizierung von Elementen auf Konzentrationsniveaus im unteren ppb- oder ppt-Bereich ist mit XRF nicht möglich, selbst wenn längere Messungen durchgeführt werden.

XRF-Instrumente können ohne Helium betrieben werden. Beim Analysieren von Flüssigkeiten mit bodenstehenden WDXRF-Instrumenten ist Helium erforderlich. Benchtop-EDXRF-Instrumente, die unter Luftatmosphäre betrieben werden können, benötigen kein Helium, selbst beim Analysieren von Flüssigkeiten. Manchmal wird Helium verwendet, wenn niedrigenergetische Elemente (zwischen F und Cl) in einer Probe analysiert werden, um die Empfindlichkeit zu erhöhen.

XRF ist eine Technik zur Elementaranalyse und quantifiziert daher die Gesamtkonzentration jedes Elements in einer Probe. XRF kann zwischen verschiedenen Oxiden nicht unterscheiden. Dazu wäre XRD eine geeignete Methode.

Die durchschnittliche Lebensdauer eines typischen XRF-Instruments beträgt etwa 10 Jahre. Die Lebensdauer hängt von den Betriebsbedingungen des Instruments ab, wie es täglich behandelt wird und wie oft Wartungsarbeiten durchgeführt werden. Einige von ihnen sind viel älter als 10 Jahre und haben eine Lebensdauer von bis zu 25 Jahren bei bodenstehenden WDXRF-Instrumenten.

Welche Technik eignet sich besser zur Analyse von C?

Im Vergleich zu EDXRF ist WDXRF viel besser geeignet zur Analyse der niedrigenergetischen Elemente (B bis Na). Bei der Analyse von Kohlenstoff mit bodenstehenden WDXRF-Instrumenten ist mindestens 4 kW Leistung erforderlich. Die Verwendung eines speziellen Analysenkristalls (PX4) und eines groben Kollimators (4000 µm) verbessert weiter die Empfindlichkeit für Kohlenstoff.

Einige der EDXRF-Benchtop-Instrumente wie Epsilon 4 können die niedrigenergetischen Elemente C, N und F analysieren. Im Vergleich zu WDXRF sind die Nachweisgrenzen weniger optimal. Typische Nachweisgrenzen von einigen Gew% können erwartet werden. Da die interessierenden Elemente eine sehr niedrige Energie haben, ist die Informationstiefe weniger als ein Mikrometer. Dann wird die Qualität der Probenoberfläche wichtig, ebenso wie die Probenvorbereitung.

Der Vorteil von EDXRF gegenüber WDXRF liegt in der Analyse der höherenergetischen Elemente (zwischen Ca und Sn). Auch die Auflösung der Elemente im XRF-Spektrum (=Trennung der Peaks) wird in den höheren Energien für die Elemente zwischen Mo und Sn besser als bei WDXRF. Auch Durchsatz, Genauigkeit der Ergebnisse, Infrastruktur (Platzbedarf) und Budget sind Faktoren, die berücksichtigt werden müssen.

Innerhalb von Malvern Panalytical hat ein bodenstehendes WDXRF-Instrument (Zetium) die Möglichkeit, die EDXRF-Technologie einzuschließen, um die Vorteile beider Techniken zu genießen. Dann können sowohl EDXRF als auch WDXRF gleichzeitig verwendet werden, um die Geschwindigkeit oder den Durchsatz weiter zu verbessern.

Was bedeutet hier universelle Kalibrierungen?

Wir sprechen von einer Kalibrierung als ‚universell‘, wenn sie alle (oder eine große Anzahl von) Probentypen umfasst, die an einem bestimmten Benutzer vorhanden sind. Solche Kalibrierungen sind normalerweise durch einen weiten Konzentrationsbereich für mehrere Elemente gekennzeichnet. Dies kann durch Analysieren von Fusionsperlen erreicht werden, die keine mineralogischen Effekte oder Partikelgrößeneffekte aufweisen. Ein solches Beispiel wäre im Labor eines Zementwerks eine einzelne Kalibrierung für Klinker, Kalkstein, Sand, Ton, Schlacken und Eisenerz, zum Beispiel. Solche umfangreichen Kalibrierungen mit sehr unterschiedlichen Matrizes sind mit gepressten Pellets nicht möglich.

Die Homogenität einer Probe kann auf viele Arten verstanden werden, abhängig von den für die Bewertung verwendeten Parametern und den interessierenden Variablen. Im Allgemeinen kann die Homogenität für die XRF-Spektrometrie (elementare chemische Analyse) nur experimentell bewertet werden. Es gibt viele Möglichkeiten, solche Tests durchzuführen, und es hängt in großem Maße von Variablen wie Partikelgrößenverteilung, Anzahl der vorhandenen Phasen, Mineralogie/Zusammensetzung/Dichte jeder Probe und anderen ab. Auch relevant sind die analytischen Anforderungen wie Präzision, Genauigkeit und die unteren Nachweisgrenzen für die gewünschten Analyten. Nachdem alle diese Parameter bewertet wurden, kann ein geeignetes Experiment entworfen werden, um die Homogenität der Probe zu bewerten. Normalerweise wird dies beinhalten, mehrere Unteraliquote der Probe in repräsentativer Weise zu entnehmen und eine bestimmte Anzahl von Wiederholungen für jeden von ihnen zu analysieren. Eine ordnungsgemäße statistische Analyse der Ergebnisse wird Einblick in den Grad der Homogenität der Probe geben.

Der beste Ansatz zur Analyse von Haupt- und Spurenmetallen in geologischem Material besteht darin, zwei verschiedene Anwendungen zu haben: Eine, die auf Fusionsperlen für die Hauptmetalle basiert, und eine, die auf gepressten Pellets für die Spurenmetalle basiert. Da die Spurenelementanalyse weniger von mineralogischen und Partikelgrößeeffekten beeinflusst wird, sind die Ergebnisse in gepressten Pellets sehr zufriedenstellend, während in Fusionsperlen die hohe Verdünnung die Spurenelementanalyse normalerweise unmöglich macht.

Wenn Sie weitere Fragen haben, zögern Sie bitte nicht, Ihren örtlichen Malvern Panalytical-Vertreter oder mich direkt hier zu kontaktieren.