Fluorescencia de rayos X

Saludos amigos de nuevo posteando artículos relacionados al área de la microscopia y sus diferentes técnicas, en esta ocasión les traigo un interesante escrito que trata sobre la muy conocida fluorescencia de rayos X.

Espero ós guste!!!

¿Qué es la fluorescencia de rayos X?

De forma muy general, podemos decir que consiste en la emisión de rayos X (electrones) de un material que posteriormente han sido excitados, este haz de electrones golpea la muestra que se desea caracterizar, luego de ello estos electrones internos de la muestra salen de ella y son detectados. La muestra emite una radiación secundaria de fluorescencia de rayos X y registra las intensidades en función de su longitud de onda.

^{Esquema del principio de fluorescencia de rayos X. Imagen de dominio publico bajo licencia CCO crédito: Calvero}

Técnica

La FRX es una técnica muy usada en la actualidad que ha revolucionado en diferentes áreas de la ciencia para determinar composición química de ciertos elementos que luego son comercializados. Consiste en una técnica espectroscópica que usa cierta emisión o fluorescencia de rayos X.

Cuando nosotros exponemos un material a cierta cantidad de rayos X de longitudes de onda o también a rayos gamma, estos mismos pueden obtener cierta ionización, esto significa que los átomos que están dentro del material que se desea analizar tendrían una inyección de uno o más electrones desde el núcleo del átomo.

Estos rayos tienen la energía necesaria para que puedan desprender a los electrones que están ligados en los orbitales que constituye el átomo, por consiguiente trae una condición inestable en la estructura electrónica de dicho átomo y los rayos (electrones) que están en un orbital superior tienden a caer hacia los que están ubicados en un nivel inferior, finalmente ocupan los huecos dejados por estos electrones desprendidos. Esta explicación se basa en la teoría de bandas que explique hace algunos meses atrás en un POST.

Análisis

Este se lleva a cabo con un espectrómetro y de allí obtenemos el espectro de fluorescencia de rayos X, posteriormente los resultados serán analizados por un programa de computadora, luego continuaré explicando la técnica de una manera teórica y experimental.

Explicándolo de manera teórica y utilizando la teoría de bandas, podemos decir que cada elemento tiene orbitales eléctricos que tienen su energía peculiar, cuando bombardean los electrones y salen de los electrones de la muestra, un electrón salta desde la capa interna a la externa. dejar un hueco que será ocupado por otro electrón es lo mismo que ocurre en el par de electrones hueco explicado previamente en otra publicación . Este salto de una capa a otra emite una energía en forma de un fotón y estas transiciones son las siguientes:

Transición L → K: Kα
Transición M → K: Kβ
Transición M → L: Lα, y así sucesivamente.

Cada transición genera un fotón fluorescente cuya energía es igual a la diferencia de energía entre los orbitales iniciales y finales. La λ de esta radiación fluorescente puede calcularse a partir de la ecuación de Planck (E = hλ).

^{Espectro FRX Imagen de dominio publico bajo licencia CCO crédito: Pieter Kuiper}

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Componentes del FRX

^{Espectrómetro de fluorescencia de rayos X Imagen con licencia CCO crédito:LinguisticDemographer}

Para aplicar la técnica de caracterización, se utilizan dos tipos de configuraciones: espectrometría de dispersión de longitud de onda y dispersión de energía. Pero, básicamente, la siguiente figura muestra los principales instrumentos que se utilizan para configurar el sistema de medición.

En general, se usa un sistema que produce los rayos X que van hacia la muestra que se conoce como el tubo de rayos X, que es donde los electrones fluyen cuando son bombardeados.

También una cámara de espectrometría que está capturando la señal por medio del detector que a su vez tiene una óptica asociada, que serían los espejos que son electrones refractados.

Y también un sistema de detección que a su vez registra las intensidades y las longitudes de onda.

Instrumento de longitud de onda dispersiva

Este tipo de instrumento siempre utiliza tubos como fuente debido a las grandes pérdidas de energía sufridas cuando el haz de rayos X se colima y se dispersa dando sus longitudes de onda componentes. Los instrumentos dispersivos de longitudes de onda son de dos tipos, de un solo canal o secuencial, y multicanal o simultáneo.

Instrumento de energía dispersiva

Para algunas muestras que contienen muy pocos elementos y sus líneas de rayos X están muy separadas en longitud de onda, el cristal del analizador puede eliminarse y en su lugar se usan detectores de energía dispersiva con discriminadores de amplitud de pulso. Este tipo de instrumento consiste en una fuente policromática (que puede ser un tubo de rayos X o un material radiactivo), un soporte para la muestra, un detector de semiconductor y varios componentes electrónicos necesarios para discriminar la energía.

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Algunas ventajas y aplicaciones de la fluorescencia de rayos X

La FRX sirve para realizar dos tipos de análisis importantes en el estudio de cualquier material, el primero es el cuantitativo que básicamente es proporcionar información al respecto de la composición exacta del contenido de cada elemento de la muestra, y la segunda que es el análisis cualitativo que se estudia por la teoría cuántica que entre más intensa sea la emisión de electrones o fluorescencia de rayos X, mayor sera la cantidad del elemento a cuantificar. Es importante revisar algunas condiciones importantes y realizar una comparación con la muestra mediante la curva de calibración.

En la actualidad esta tecnica sirve para diferenets estudios y tiene una gran cantidad d aplicaciones como por ejemplo en el análisis de aceros de baja y media, aceros inoxidables, algunas aleaciones de plomo, plomo en huesos y arsénico en la piel, determinación de trazas por pastilla en muestras geologicas, tambien sirve para restauración y autentificación de trabajos de arte, incluso, análisis de metales pesados en muestras de suelo y agua, diferentes análisis de composición química en elementos comprendidos entre el flúor (F) y el uranio (U) de muestras sólidas (filtros, metales, rocas, muestras en polvo, tejidos, etc.

Cabe destacar que el análisis usando esta técnica presenta un bajo costo y es de fácil manejo, ademas tiene la ventaja en comparación con otras técnicas, el hecho de no destruir las muestras, servirán de uso para otros estudios posteriores. También se pueden analizar diferentes elementos simultaneamente y las muestras pueden ser en cualquier estado tanto gaseoso, líquido y sólido. Es prometedora de mejoras en un futuro, quizás llevando a la población a realizar análisis de trazabilidad como de análisis de rutina.

Un ejemplo fácil para entender este estudio seria el siguiente:

Si usted tiene una muestra de cemento al punto de obtener un talco y lo mide por FRX, el resultado es un elemento donde la muestra en porcentajes de lo que está compuesto por la muestra, por ejemplo calcio (Ca) en un 50% ó silicio (Si) en un 30%, entre lo más importantes. Esta información me sirve en la parte de DRX para realizar un semicuantitativo. Por decir algo, de ese 50% de Ca'estará en forma Carbonato de Calcio, Óxido de Calcio o sulfato de calcio. En cuanto al Si, ese 30% estará distribuido en cuarzo bajo, cuarzo alto, entre otro.

Sencillo no?!!!
Y esto es todo por hoy amigos amantes de la ciencia, pronto les traeré otros interesantes artículos relacionados a este maravilloso mundo de la microscopia y en este caso espectrometría