Spettrofotometria XRF
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La spettrofotometria XRF è una tecnica analitica basata sull'emissione di luce di fluorescenza da un campione esposto ai raggi X (la sigla è l'acronimo dell'espressione inglese X-Ray Fluroescence)
Quando una sorgente di eccitazione di raggi X primari proveniente da un tubo X o da un radioisotopo colpisce un bersaglio campione, i raggi X possono essere o assorbiti dall'atomo o diffusi attraverso la materia. Il processo nel quale un raggio X è assorbito dall'atomo con trasferimento di tutta la sua energia ad un elettrone dello strato più interno è detto effetto fotoelettrico.
Durante questo processo, se la radiazione X ha sufficiente energia, gli elettroni sono strappati dagli strati più interni, creando delle lacune. Queste lacune rappresentano una condizione instabile per l'atomo. Affinché l'atomo ritorni stabile, è necessario che gli elettroni degli strati più esterni saltino su quelli più interni in modo da colmare la lacuna creatasi per effetto della radiazione X. Nel processo di riarrangiamento degli elettroni viene emessa una radiazione X caratteristica la cui energia è la differenza tra le due energie di legame dei rispettivi strati. La radiazione X emessa prodotta da tale processo è detta Radiazione di fluorescenza X o XRF.
La rivelazione e l'analisi della radiazione X emessa consentono di determinare la presenza e la concentrazione di diversi elementi in un campione. Nella maggior parte dei casi le transizioni elettroniche riguardano gli strati K e L. Uno spettro X tipico di un campione irradiato mostrerà diversi picchi di diverse intensità.
Le frequenze dei raggi X caratteristici di ciascun elemento sono indicati come K, L, M, N in funzione degli strati dai quali sono generati.
Dallo studio dell'ombra del corpo radio-opaco proiettata su di una superficie piana, ad esempio una lastra radiografica, si possono ricavare numerose informazioni circa la struttura interna del corpo altrimenti inaccessibile.
Nel contesto delle applicazioni industriali delle tecniche radiografiche per controlli non distruttivi le immagini vengono acquisite in forma digitale mediante telecamere di tipo particolare. Le immagini radiografiche acquisite mediante telecamera vengono rappresentate all'interno della memoria del computer sotto forma di matrici numeriche; ciascuno dei sensori della telecamera effettua un conteggio del numero di fotoni incidenti su di esso nell'unità di tempo e restituisce poi il risultato sotto forma di livello di grigio del pixel corrispondente.
L'immagine acquisita, una volta trasferita e salvata in forma di matrice numerica rappresentata in livelli di grigio, può essere elaborata al fine di estrarre il suo contenuto informativo. Gli algoritmi utilizzati per l'analisi dell'immagine sono estremamente vari (sogliature, filtri numerici, trasformata di Fourier, ecc.) e cambiano in funzione del tipo di immagine e delle informazioni cui si è interessati.
Il metodo XRF è usato per misurare la composizione elementare di materiali grazie alla rapidità della misura e alla possibilità di mantenere integro il campione.
[modifica] Analisi XRF quantitativa
Dall'esame della fluorescenza X caratteristica emessa dagli atomi si identificano con sicurezza gli elementi chimici. L'aspetto significativo degli spettri X di emissione degli atomi è che essi variano con grande regolarità in funzione del numero atomico, come ben mostrato da Moseley. In genere, vengono rilevati tutti gli elementi chimici aventi peso atomico superiore o uguale a quello del sodio.
La caratteristica principale delle analisi per spettrometria a raggi X è quella di non essere distruttiva.
Questo metodo di indagine ha avuto un grande impulso con l'introduzione dei i rivelatori a stato solido, soprattutto a partire dagli anni '70. In diretta connessione con lo sviluppo di tali rivelatori, si è avuto pure un grande sviluppo nel campo delle misure di ionizzazione atomica (fenomeno che precede sempre l'emissione X) per bombardamento con protoni, particelle alfa o più raramente ioni di atomi più pesanti. Tale tecnica è indicata come PIXE (Particle Induced X-Ray Emission).
Con il nome XRF (X-Ray Fluorescence) si indica, per convenzione, la tecnica di analisi nella quale la radiazione ionizzante che provoca l'emissione della fluorescenza caratteristica è costituita ancora da raggi X. Questi possono essere prodotti da un tubo o, per i sistemi portatili, essere emessi da radioisotopi (Fe-55, Cd-109, Am-241).
L'analisi qualitativa è possibile mediante l'identificazione delle righe X caratteristiche di emissione di ogni elemento chimico, mentre l'analisi quantitativa richiede una opportuna elaborazione dei dati di intensità delle diverse righe X emesse correlati con le analoghe emissioni di campioni standard contenenti quantità conosciute dell'elemento da stimare.
[modifica] XRF a riflessione totale (TR-XRF)
Una evoluzione degli apparati XRF è stata realizzata con i sistemi TR-XRF (Total Reflection X Ray Fluorescence) in cui il fascio di raggi X emessi dal tubo radiogeno vengono indirizzati verso il campione con un piccolissimo angolo di incidenza. Tale tecnica permette di abbassare notevolmente il livello minimo rivelabile (Minumum Detection Limit, MDL), avvicinando questa tecnica alle caratteristiche delle tecniche più sensibili.
Data la loro natura estremamente penetrante tali radiazioni sono state utilizzate fin dalla loro scoperta per effettuare osservazioni "non invasive" di liquidi biologici per fini diagnostici, ma anche per esaminare il contenuto di involucri sigillati, divenendo una delle tecniche di controllo non distruttivo per eccellenza. La TR-XRF è un'ottima tecnica di analisi per:
- campioni medici/veterinari: ad esempio plasma, liquidi sinoviali;
- ambientali: ad esempio acqua di qualsiasi provenienza, petrolio;
- alimentari: ad esempio latte, olio, vino, birra.
Per i campioni solidi negli ultimi anni sono stati sviluppati dei sistemi XRF con raggi X polarizzati per abbassare il livello minimo di rivelabilità.
