Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA - XRF)

Die Röntgenfluoreszenzanalyse - RFA (englisch: X-Ray Fluorescence Spectroscopy XRF) ist ein modernes Standardverfahren zur zerstörungsfreien Elementbestimmung an Proben verschiedenster Art, wie z.B. Böden, Gesteine, Keramiken, Glas, Metallprodukte, aber auch Lebensmittel, Spielzeuge u.v.m.
PFRA, FPFRA, FP RFA, pFRA, mRFA, hRFA, HRFA, hhRFA, HHRFA, P-ED-RFA, mobile RFA oder englisch PXRF, pXRF, p-XRF, FPXRF, m-XRF, mobile XRF...???
Bei all diesen Abkürzungen handelt es sich um dieselbe Methode:
Röntgenfluoreszenzspektroskopie mit einem tragbaren Analysegerät, mit dem Elementmessungen vor Ort durchgeführt werden können! Die Abkürzungen stehen für folgende Begriffe:

  • P: portabel (engl. portable)
  • FP: feldportabel (engl. field portable)
  • M: mobil (engl. mobile)
  • H: Hand (engl. hand)
  • HH: Handhaltbar (engl. handheld)
  • P-ED: portable energiedispersive

Eine kurze Einführung in die Theorie der Röntgenfluoreszenzspektroskopie finden Sie hier.

Geo-Analytics setzt für Analysen vor Ort oder im Labor das mobile RFA Spektrometer XL3t GOLDD+ der Firma Niton ein. Mit diesem Gerät ist es uns möglich, in-situ und ex-situ Untersuchungen direkt am Analyseort, in Ihrem Unternehmen oder bei uns im Labor durchzuführen. Ein Vorteil der RFA ist die Möglichkeit simultane Messung einer ganzen Suite von Elementen durchzuführen. Diese erstreckt sich von Magnesium bis Uran mit Gehalten von wenigen ppm bis in den Zehnerprozent-Bereich. Abhängig von den verschiedenen probenabhängigen Matrizen, werden unterschiedliche Kalibriermodi genutzt, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

Unser Leistungsangebot

  • Bodenuntersuchungen / Altlasten
  • Mudlogging, Untersuchung von Bohrkernen und Cuttings
  • Geochemische Exploration und Kartierung mineralischer Rohstoffe
  • Chemische Zusammensetzung von metallischen Proben (z.B. Schmuck, Altmetall)
  • Schwermetallanalytik in leichten, Kohlenstoff-basierten Proben (Kunststoff, Holz)

In der Feldanalytik ist der Einsatz der mobilen RFA durch die Möglichkeit einen hohen Probendurchsatz pro Tag zu erzielen und damit die Probendichte in einem Untersuchungsgebiet zu erhöhen, eine sinnvolle Ergänzung zur nasschemischen Analyse. Die Ergebnisse stehen nach der Messung sofort zur Verfügung und können direkt in die Prozessevaluierung einfließen. Das Warten auf Laborergebnisse wird dadurch verhindert und der Prozessablauf kann möglicherweise verkürzt werden.

Darüber hinaus setzen wir das Gerät auch als Laborgerät ein. Dabei erhöht sich durch eine Probenvorbehandlung (Trocknung, staubfeine Aufbereitung durch Siebung und Mörserung oder Aufmahlung) und eine weitaus längere Messzeit die Genauigkeit der Analysemethode. Die Überprüfung der Analysengenauigkeit erfolgt an jedem Analysetag durch das Messen von Standards vor den Probenmessungen. Haben Sie Untersuchungen nach standartisierten Methoden nöig? Dann senden wir Ihre Proben an ein akkreditiertes Labor.

Wir bieten drei qualitativ verschiedene Untersuchungen an:

  • qualitative Elementscreenings Bei dieser Methode wird die Probe nicht vorbehandelt, d.h. es wird in-situ an der Probenoberfläche gemessen.
  • semiquantitative Untersuchungen Hier wird die Probe vorher homogenisert und von möglichen Fremdkörpern befreit, ggf. wird die Probe auf unter 2mm gesiebt.
  • quantitative Untersuchungen Die Probe wird im Labor vorbehandelt. D.h. sie wird getrocknet, gemörsert oder aufgemahlen, gesiebt und in einen Probenbecher gepresst, so dass eine plane, homogene Oberfläche entsteht.

Haben Sie Fragen zu der Methode oder möchten Sie ein unverbindliches Angebot? Schicken Sie uns einfach eine Anfrage über unser Kontaktformular. Wir antworten schnellstmöglich per E-Mail. Auf Wunsch kontaktieren wir Sie auch telefonsich.

RFA - Theorie

Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA), englisch: X-ray fluorescence spectroscopy (XRF spectroscopy), ist eine der am häfigsten eingesetzten Methoden zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der elementaren Zusammensetzung einer Probe. Sie wird häufig als zerstörungsfreie Methode bezeichnet, da die Proben durch die Messung nicht zerstört werden und keine Aufschlüsse benötigt werden. Klassische Einsatzbereiche dieser Analysenmethode sind die Geowissenschaften und Umweltwissenschaften (Untersuchung von Böden, mineralischen Rohstoffen und Gesteinen) und die Materialwissenschaften (Keramik, Glas, Baustoffe, Farbstoffe, Metalle, Legierungen, etc.), aber auch Lebensmittel und Spielzeuge werden mit der RFA untersucht.

Funktionsweise

Bei der RFA wird die zu untersuchende Probe mit Röntgenstrahlung aus einer Röntgenröhre bestrahlt, wodurch die beinhalteten Elemente zur Eigenstrahlung angeregt werden. Die somit von der Probe abgegebene Fluoreszenzstrahlung im Röntgenbereich (daher der Name!) besteht aus verschiedenen, von den einzelnen Elementen der Probe erzeugten charakteristischen Wellenlängen.

Diese charakteristischen Wellenlängen lassen sich mit einem Detektor messen und geben eine qualitative Übersicht, welche Elemente in der Probe vorliegen. Mit der Erfassung der Intensität der charakteristischen Röntgenstrahlung kann ermittelt werden, in welcher Konzentration ('wieviel') die jeweiligen Elemente in der Probe vorhanden sind.

Die Röntgenfluoreszenzanalyse ist eine vergleichende Analysenmethode. Um aus den gemessenen Intensitäten der charakteristischen Wellenlängen auf den Elementgehalt in einer Probe schließen zu können, müssen die Werte mit den Gehalten einer Kalibrationsgeraden verglichen werden.

Abb. 1: Schematischer Aufbau einer Röntgenröhre
Abb. 1: Schematischer Aufbau einer Röntgenröhre

Die Röntgenfluoreszenzanalyse läuft im Wesentlichen in vier Schritten ab:
1. Anregung charakteristischer Röntgenstrahlung der verschiedenen chemischen Elemente in einer Probe durch hochenergetische Photonen, Elektronen, Protonen oder anderen ionisierenden Teilchen, die in der Röntgenröhre erzeugt werden.
2. Auswahl einer charakteristischen Emissionslinie eines Elements durch wellenlängen- oder energiedispersive Spektroskopie.
3. Bestimmung der Intensität der Emissionslinie.
4. Umrechnung der Intensität der charakteristischen Emissionslinie in die Elementkonzentration mit Hilfe einer geeigneten Kalibration.

Erzeugung von Röntgenstrahlung

Als Röntgenstrahlung wird elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von 0,01 bis ca. 10 nm bezeichnet. Röntgenstrahlen lassen sich mit einer Röntgenröhre erzeugen. (Der Aufbau einer Röntgenröhre ist in Abb. 1 schematisch dargestellt.)
Hierbei entsteht zum einen die charakteristische Strahlung des Anodenmaterials, zum anderen aber auch die Kontinuums- oder Bremsstrahlung.

Abb. 2: Strahlungsspektrum der Röntgenröhre
Abb. 2: Strahlungsspektrum der Röntgenröhre

Kontinuumsstrahlung oder Bremsstrahlung entsteht, wenn die im Hochvakuum der Röntgenröhre durch Erhitzen der Glühkathode erzeugten freien Elektronen in einem starken elektrischen Feld beschleunigt werden und dann beim Auftreffen auf eine Anode (Target) aus z.b. Mo, Cr. Cu , Rh o.a. abgebremst werden. Hierbei geben sie ihre kinetische Energie in Form von kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung ab. Daher der (auch im Englischen gebräuchliche) Ausdruck Bremsstrahlung (Abb. 2).

Charakteristische Strahlung (Fluoreszenzstrahlung) entsteht, wenn durch energiereiche Strahlung oder energiereiche Elektronen innere Elektronen eines Atoms herausgeschlagen werden und die entstandenen Leerstellen durch Elektronen höherer Bahnniveaus (oder Orbitalen wie im Schalenmodell in Abb. 3) wieder besetzt werden.

charakteristische strahlung
Abb.3: Entstehung charakteristischer Strahlung

Die Energiedifferenz zwischen diesen beiden Besetzungsniveaus wird dann in Form von charakteristischer Röntgenstrahlung diskreter Wellenlänge frei. Das entstehende Linienspektrum ist abhängig von der Ordnungszahl des bestrahlten Elements. Den verschiedenen Übergängen bzw. Linien werden Namen gegeben. So wird z.B. der Übergang von der L- auf die K-Schale Kalpha, und der Übergang von der M- auf die K-Schale Kbeta genannt. Die höchste Energie, d.h. die kürzeste Wellenlänge, hat die K-Strahlung eines Elements.

Die Fluoreszenzstrahlung kann nun entweder durch das Sortieren der Energien der Photonen (energiedispersive Analyse) oder durch das Trennen der Wellenlänges der Strahlung (wellenlängendispersive Analyse) analysiert werden. Erst einmal sortiert, steht die Intensität der charakteristischen Strahlung jedes Elements in direktem Zusammenhang mit dem Gehalt in der Probe (s.u.).

ACHTUNG! Es muss zwischen der charakteristischen Strahlung des Anodenmaterials und der charakteristischen Strahlung der Probe unterschieden werden! Die charakteristische Strahlung des Anodenmaterials überlagert das kontinuierliche Spektrum der Röntgenröhre nur an wenigen Stellen. Es wird durch das Herausschlagen innerer Elektronen aus dem Anodenmaterial durch die vorher beschleunigten Elektronen erzeugt.

Die charakteristische Strahlung der Probe hingegen wird durch die von der Röntgenröhre kommende Strahlung erzeugt, die sich aus kontinuierlicher und charakteristischer Strahlung zusammensetzt. Aufgrund der unterschiedlichen Bindungsenergie der Elektronen in den verschiedenen Elementen wird mit der Probe ein Linienspektrum erzeugt, das das kontinuierliche Spektrum der Röntgenröhre an vielen Stellen überlagert.

Generell gibt es zwei verschiedene Methoden, den Gehalt der Elemente zu bestimmen:

  • die WellenlängenDispersive Röntgenfluoreszenzanalyse (WDRFA) und die
  • ElementDispersive Röntgenfluoreszenzanalyse (EDRFA)

WDRFA

Bei der wellenlängendispersiven RFA wird die Fluoreszenzstrahlung durch Bragg-Reflexion an einem Analysatorkristall in die einzelnen Wellenlängen zerlegt (Wellenlängen-Dispersion), die dann dem Detektor einzeln zugefügt werden (Abb. 4 rechts).

EDRFA

Bei der energiedispersiven RFA wird werden alle Strahlungsenergien gleichzeitig registriert. Im Detektor erfolgt dann die Separation der Linien nach den unterschiedlichen Linien (Energie-Dispersion) und das Auszählen der Röntgenquanten in einem Schritt (Abb. 4 links).

Abb. 4: Schematische Anordung der Komponenten einer RFA
Abb. 4: Schematische Anordung der Komponenten einer RFA

Unterschiede WDRFA und EDRFA

Die Vorteile der WDRFA gegenüber der EDRFA liegen in der Trennschärfe zweier spektraler Peaks, die wird meist für die Röntgenenergie von 5,9 keV (Mangan-K-a-Linie, Mn-K-a-Linie) angegeben wird. Bei der WDRFA liegt die Auflösung bei 20 bis 5 eV, abhängig von der Qualität der Optik und Analysatorkristallen. Bei der EDRFA liegt die Auflösung nur bei 600 bis 120 eV. Der große Nachteil ist, dass bei der WDRFA fast die hundertfache Leistung eingesetzt werden muss, um die gleiche Ausbeute an Röntgenquanten zu erreichen wie bei der EDRFA. Das bedeutet, dass mehr Energie benötigt wird und die Röhre gekühlt werden muss, was meist mit einer aufwendigen Wasserkühlung geschieht. Eine EDRFA ist günstiger in der Anschaffung und im Unterhalt, bietet allerdings auch eine deutlich geringere Energieauflösung.

Kalibration

Wie oben beschrieben, ist die Röntgenfluoreszenzanalyse eine vergleichende Analysenmethode. Deshalb wird eine Kalibriergerade erstellt bei denen Referenzproben bekannten Gehaltes und ähnlicher Matrix verwendet werden, um diese mit den gemessenen Werten zu vergleichen.
Bei der quantitativen Analyse wird die Intensität der Linien als Maß für die Konzentration verwendet. Diese Beziehung ist in den meisten Fällen nicht linear, denn die Intensität einer Linie ist sehr oft abhängig von der Konzentration anderer in der Probe vorhandener Elemente. Dieser sogenannte Matrix-Effekt muss bei der Auswertung berücksichtigt werden, wenn ein exaktes Ergebnis benötigt wird. Da Röntgenstrahlen nur ca. 1 bis 1000 Mikrometer in Materie eindringen, ist es auch wichtig, darauf zu achten, dass die Probe in diesem Bereich homogen ist.

Limitierung dieser Untersuchungsmethode

Die Röntgenfluoreszenzanalyse wird in der Regel erst ab dem Element Natrium angewendet, da erst ab hier gute Werte erzielt werden können. Elemente mit kleinerer Ordnungszahl können nicht oder kaum (Fluor) gemessen werden, da die Röntgenstrahlung der leichteren Elemente so leicht absorbiert wird, dass sie gar nicht erst in den Detektor eindringen kann. Das Element mit der höchsten messbaren Ordnungszahl ist Uran. Die quantitative Obergrenze ergibt sich nach den jeweiligen Referenzproben.

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