Scienziati della Facoltà di Chimica dell'Università Statale Lomonosov di Mosca hanno eseguito calcoli e derivato nuove equazioni per condurre analisi di fluorescenza a raggi X con maggiore precisione rispetto agli algoritmi attuali. Questo metodo non richiede un gran numero di materiali di riferimento e funziona con campioni di composizione complessa. I chimici hanno rappresentato la loro ricerca sulla rivista Strumenti e metodi nucleari nella ricerca in fisica Sezione B:Interazioni del fascio con materiali e atomi .
L'analisi della fluorescenza a raggi X (analisi XRF) è un metodo per rilevare le composizioni chimiche delle sostanze. Questa tecnica si basa sulla misurazione e l'analisi degli spettri dell'irradiazione a raggi X. Quando si interagisce con i fotoni, gli atomi del materiale di riferimento si eccitano, dopo di che ritornano al loro stato fondamentale. Durante l'irradiazione, ogni atomo emette un fotone con energia definita, che fornisce ai chimici informazioni sulla struttura della sostanza.
I tubi a raggi X sono spesso usati come fonte di radiazioni. I materiali di riferimento con composizione nota consentono ai ricercatori di determinare il contenuto degli elementi dall'intensità della radiazione misurata. Uno dei problemi irrisolti dell'analisi della fluorescenza a raggi X è la presenza di una notevole quantità di elementi leggeri (periodi II-III del sistema periodico di Mendeleev) in molti campioni reali. Molto spesso, la radiazione di questi elementi luminosi non può essere registrata. La radiazione di fluorescenza a raggi X degli elementi leggeri è indicata come radiazione morbida (onda lunga), quindi i ricercatori non possono usare i cristalli di sale per analizzare la lunghezza d'onda della radiazione, poiché le distanze tra i piani in cui giacciono gli atomi di questi cristalli sono troppo piccole.
Allo stesso tempo, reticoli di diffrazione ordinari, vale a dire che anche i dispositivi ottici composti da una serie di fenditure disposte regolarmente sono inadatti. Il motivo è che sono appropriati per radiazioni con una lunghezza d'onda di circa decine o centinaia di nanometri, piuttosto che radiazioni con la lunghezza d'onda di diversi nanometri. Quindi l'unica soluzione è usare costosi specchi sintetici multistrato, che non sono disponibili in tutti gli spettrometri.
C'è anche un problema fondamentale di bassa resa di fluorescenza degli elementi leggeri. Ciò significa che sono necessari tubi a raggi X molto potenti, portando a un aumento dei costi. Inoltre, tali processi sono più complicati di quelli per l'eccitazione di elementi pesanti, e non sono anche studiati, quindi le tradizionali tecniche di analisi della fluorescenza a raggi X non garantiscono sempre buoni risultati.
Andrey Garmay, uno studente di dottorato presso il Dipartimento di Chimica Analitica della Facoltà di Chimica dell'Università Statale di Mosca Lomonosov e uno degli autori del progetto, dice, "Ci sono tre difficoltà con l'ossigeno, carbonio e altri elementi leggeri:uno tecnico e due fondamentali. Sono necessari dispositivi costosi per risolvere il primo e il secondo problema e ricerche fisiche fondamentali per risolvere il terzo. Oggi, i metodi indiretti di determinazione del contenuto degli elementi leggeri sono più economici e più accurati, anche quando è disponibile una buona attrezzatura. Anche per questo stiamo procedendo proprio in questa direzione».
Emergono difficoltà anche nel caso di diversi oggetti non standard, ad esempio, prodotti tecnologici di forma complessa, se non è facile trovare materiali di riferimento appropriati per loro. Allo stesso tempo, le tecniche analitiche più accurate funzionano in intervalli ristretti di composizioni dei campioni e spesso richiedono dozzine di materiali di riferimento.
Garmay dice, "Prendendo in considerazione l'esperienza dell'analisi XRF, piuttosto che intensità assolute di radiazione degli elementi, usiamo i loro rapporti e anche il rapporto delle intensità della radiazione caratteristica del tubo a raggi X, coerentemente (senza variazione di lunghezza d'onda) ad incoerente (l'energia di una parte dei fotoni diffusi è inferiore all'energia dei quanti del fascio iniziale) diffusi da un campione. Siamo riusciti a derivare nuove equazioni per condurre analisi con precisione uguale o addirittura superiore rispetto agli algoritmi esistenti. Allo stesso tempo, queste equazioni non richiedono più di uno o due materiali di riferimento e potrebbero funzionare in un'ampia gamma di composizioni dei campioni."
Gli scienziati hanno iniziato a utilizzare un metodo standard interno per neutralizzare l'impatto dei fattori sperimentali, passando da una misura all'altra, sulla risposta analitica. Così, questi fattori, influenzando due segnali vicini nello spettro in modo approssimativamente identico, si compensano a vicenda e l'errore di misurazione si riduce quando vengono utilizzati i rapporti di questi segnali. I chimici hanno utilizzato calcoli per diventare meno dipendenti da costosi campioni standard e operare in gamme più ampie di composizioni dei campioni.
Inoltre, il metodo elaborato dai chimici si è rivelato l'unico idoneo per l'analisi di oggetti non standard con alto contenuto di elementi leggeri non rilevati in assenza di adeguati materiali di riferimento.
Garmay dice, "Inizialmente, stavamo cercando alcuni strumenti per migliorare la precisione dell'analisi del campione di acciaio, ma dopo, affrontato un problema di analisi del materiale di ossido. E poiché il nostro spettrometro non è stato in grado di registrare la radiazione di ossigeno, abbiamo dovuto cercare altri mezzi, partendo da tecniche esistenti. Abbiamo studiato le equazioni fondamentali, collegando le intensità della radiazione caratteristica e diffusa con la composizione dei materiali di riferimento e derivando nuove formule semplificate per la nostra analisi."
Nel corso dei lavori, gli scienziati hanno misurato gli spettri di campioni di acciaio altolegato, campioni di materiale ferroso e una miscela in polvere di ossidi metallici con composizione nota. Utilizzando il nuovo approccio, insieme ad altre tecniche di analisi XRF ben collaudate, i chimici hanno condotto analisi e si sono assicurati che lo strumento elaborato produce risultati più precisi, soprattutto in assenza di adeguati materiali di riferimento.
Gli scienziati devono ancora dimostrare sperimentalmente che il loro metodo è applicabile per la determinazione non solo degli elementi del periodo IV, ma anche di elementi più pesanti. A parte quello, i ricercatori ottimizzeranno la procedura di analisi e la renderanno più semplice senza perdita di precisione.
Andrey Garmay dice, "A lungo termine, verificheremo se è possibile stimare la composizione qualitativa degli elementi luminosi non rilevati, a giudicare dalla distribuzione della lunghezza d'onda della radiazione di bremsstrahlung di un tubo a raggi X, disperso da un campione. Questo potrebbe rendere il nostro metodo più universale".
