פלואורסצנצית קרני רנטגן

ספקטרומטר פלורוסנטי באמצעות קרני רנטגן של חברת פיליפס PW1606

פלורסנצית קרני רנטגן (XRF) היא פליטה של קרני רנטגן מחומר לאחר שעורר באמצעות קרני רנטגן באנרגיה גבוהה או קרני גמא. התופעה נמצאת בשימוש נרחב לניתוח אלמנטים וכימיה אנליטית, במיוחד באפיון של מתכות, זכוכית, קרמיקה וחומרי בניין, ולמחקר בתחומי הגיאוכימיה, זיהוי פלילי, ארכיאולוגיה וחפצי אמנות כגון ציורים .

עקרון פיסיקלי

איור 1: פיזיקה של קרינת רנטגן בייצוג סכמטי.

כאשר חומרים נחשפים לקרני רנטגן באורך גל קצר או לקרני גמא, עלול להתבצע יינון של האטומים המרכיבים אותם. יינון הינו עירור או פליטה של אלקטרונים (אחד או יותר) מהאטום, ועלול להתרחש אם האטום נחשף לקרינה באנרגיה הגדולה מאנרגיית היינון שלו. קרני רנטגן וגמא עשויים להיות אנרגטיים מספיק בכדי לערר אלקטרונים מהמסלולים הפנימיים של האטום. ככלל, ככל שאורביטל הינו "גבוה" יותר, כך האנרגיה שלו גבוהה יותר. עירור אלקטרון הופך את המבנה האלקטרוני של האטום ללא יציב, ואלקטרונים במסלולים גבוהים יותר "נופלים" למסלול נמוך-אנרגיה כדי למלא את החור שנותר מאחור. בדעיכה, אנרגיה משתחררת בצורה של פוטון, אשר האנרגיה שלו שווה להפרש האנרגיה של שני האורביטלים (המסלולים) המעורבים בתהליך. לפיכך, החומר פולט קרינה, שיש לה אנרגיה אופיינית בהתאם למסלולים האלקטרוניים באטומים שעוררו. המונח פלואורסצנטיה מוחל על תופעות בהן קליטת קרינה של אנרגיה ספציפית מביאה לפליטה מחודשת של קרינה של אנרגיה אחרת (בדרך כלל נמוכה יותר).

איור 2: ספקטרום XRF אופייני

פליטה רדיאטיבית אופיינית

לכל יסוד מסלולים אלקטרוניים בעלי אנרגיה אופיינית. בעקבות יינון אלקטרון באורביטל פנימי על ידי פוטון המסופק על ידי מקור קרינה, אלקטרון מאורביטל חיצוני דועך למקומו. ישנו מספר סופי של דרכים בהן הדבר עלול לקרות, כפי שמוצג באיור 1. המעברים העיקריים מקבלים שמות : מעבר L → K נקרא באופן מסורתי K <sub id="mwSg">α</sub>, מעבר M → K נקרא K _β, מעבר M → L נקרא L _α, וכן הלאה. כל אחד ממעברים אלה מניב פוטון פלואורסצנטי בעל אנרגיה אופיינית השווה להפרש האנרגיה במסלול הראשוני והאחרון. ניתן לחשב את אורך הגל של קרינת פלואורסצנט זו מתוך חוק פלאנק :

$\lambda ={\frac {hc}{E}}$

ניתן לנתח את הקרינה הפלואורסצנטית על ידי מיון האנרגיות של הפוטונים או על ידי הפרדת אורכי הגל של הקרינה. לאחר המיון, עוצמתה של כל קרינה אופיינית תקושר ישירות לכמות של כל יסוד בחומר. זהו בסיס לטכניקה חיונית בכימיה אנליטית . איור 2 מציג את הצורה האופיינית של קווי הספקטרום הפלואורסצנטיים החדים המתקבלים (ראה חוק מוזלי ).

מקורות קרינה

על מנת לעורר את האטומים נדרש מקור קרינה עם אנרגיה מספקת להוצאת אלקטרונים באורביטלים פנימיים. נעשה שימוש במחוללי רנטגן באנרגיות עבודה של 20–60 קילו וולט, המאפשרים עירור של מגוון רחב של אטומים.

לחלופין, ניתן להשתמש במקורות קרני גמא ללא צורך באספקת חשמל משוכללת, מה שמאפשר שימוש קל יותר במכשירים קטנים וניידים.

כאשר מקור האנרגיה הוא סינכרוטרון , או שקרני הרנטגן ממוקדים אופטית, אלומת הרנטגן יכולה להיות קטנה ואינטנסיבית מאוד. כתוצאה מכך ניתן לקבל מידע אטומי ברזולוציה תת-מיקרונית.

אנליזה כימית

השימוש בקרן רנטגן לעירור קרינה פלואורסצנטית מהמדגם הוצע לראשונה על ידי גלוקר ושרייבר בשנת 1928. כיום, השיטה משמשת כטכניקה אנליטית לא הרסנית, וככלי לבקרת תהליכים תעשייתי. באופן עקרוני, היסוד הקל ביותר שניתן לנתח הוא בריליום (Z = 4), אך בשל מגבלות אינסטרומנטליות ונצילות רנטגן נמוכה עבור יסודות קלים, לעתים קשה לכמת יסודות קלים יותר מנתרן (Z = 11), אלא אם כן מתבצעים תיקוני רקע ותיקונים מקיפים בין-אלמנטים.

תמונה 3: אנליזה כימית באמצעות מכשיר XRF מודרני (נייד)

שימושים

מכיוון שגודל הקרן (גם אם מקולמטת) גדול באופן יחסי, ומכיוון שנפח האינטרקציה של הקרן עם הדוגמה יחסית גדול, אנליזת פלורסנצית קרני רנטגן הינה שיטה נפחית עבור דוגמאות בעלות בעלות מימדים מילימטריים ומעלה. בהמשך ובהתאם לכך, השיטה בעלת מהימנות גבוהה עבור דגמים גדולים מכיוון שנותנת מידע נפחי-סטטיסטי (הדגימה היא על פני שטח גדול).

אנליזת קרני רנטגן משמשת לאפיון כימי לצורך קבלת מידע ראשוני עבור הרכב היסודות של חומרים, בתעשיית המתכות והקרמיקות על מנת לאמוד את טיב החומר (וכן לצורך מחזור של מתכות), מחצבים של מתכות נדירות ומינרלים, ועוד.

הפניות

• בקהוף, ב ', קנגיסר, ב', לנגהוף, נ ', וודל, ר', וולף, ה ', מדריך לניתוח רנטגן מעשי של רנטגן, ספרינגר, 2006,ISBN 3-540-28603-9
• ברטין, EP, עקרונות ופרקטיקה של ניתוח רנטגן, ספקטרומטריה, Kluwer Academic / Plenum Publishers,ISBN 0-306-30809-6
• Buhrke, VE, Jenkins, R., Smith, DK, מדריך מעשי להכנת דגימות לניתוח XRF ו- XRD, Wiley, 1998,ISBN 0-471-19458-1
• ג'נקינס, ר ', רנטגן ספקטרומטר פלואורסצנטי, ווילי,ISBN 0-471-29942-1
• ג'נקינס, ר., דה פריז, ג'ל, ספקטרומטריית רנטגן מעשית, ספרינגר-ורלאג, 1973,ISBN 0-387-91029-8
• ג'נקינס, ר ', RW גולד, RW, Gedcke, D., ספקטרומטריית רנטגן כמותית, מרסל דקקר,ISBN 0-8247-9554-7
• Penner-Hahn, James E. (2013). "Chapter 2. Technologies for Detecting Metals in Single Cells. Section 4, Intrinsic X-Ray Fluorescence". In Banci, Lucia (ed.). Metallomics and the Cell. Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 15–40. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_2. ISBN 978-94-007-5560-4. PMID 23595669.978-94-007-5560-4 ספר אלקטרוניISBN 978-94-007-5561-1ISSN 1559-0836 אלקטרוני-ISSN 1868-0402
• Van Grieken, RE, Markowicz, AA, Handbook of X-Ray Spectrometry מהדורה שניה; מרסל דקר בע"מ: ניו יורק, 2002; כרך א ' 29;ISBN 0-8247-0600-5