EDXRF là gì? Nguyên lý, ưu điểm và ứng dụng của máy XRF tán sắc năng lượng

EDXRF là kỹ thuật huỳnh quang tia X tán sắc năng lượng dùng để nhận diện và định lượng các nguyên tố trong mẫu. Thiết bị chiếu tia X vào vật liệu, thu tín hiệu huỳnh quang đặc trưng phát ra từ các nguyên tử và phân tách tín hiệu theo năng lượng. Nhờ thời gian phân tích nhanh, chuẩn bị mẫu tương đối đơn giản và khả năng đo nhiều nguyên tố, EDXRF được sử dụng rộng rãi trong kiểm soát chất lượng dầu, xi măng, khoáng sản, polymer, giấy, lớp phủ, hóa chất, thực phẩm và nhiều ngành sản xuất khác.

Trong thực tế, các thuật ngữ XRF và EDXRF thường được sử dụng thay thế cho nhau. Tuy nhiên, XRF là tên chung của kỹ thuật huỳnh quang tia X, còn EDXRF chỉ là một trong các cấu hình thiết bị XRF. Việc hiểu đúng nguyên lý, khả năng và giới hạn của EDXRF giúp lựa chọn thiết bị, phương pháp hiệu chuẩn và quy trình chuẩn bị mẫu phù hợp hơn.

Bài viết dưới đây giải thích từ cơ bản đến thực tế: EDXRF là gì, máy hoạt động như thế nào, phổ XRF cho biết điều gì, những yếu tố nào ảnh hưởng đến kết quả và cách lựa chọn cấu hình phù hợp giữa thiết bị để bàn và thiết bị cầm tay.

EDXRF là một nguyên lý phân tích, không phải tên của một kiểu máy duy nhất. Công nghệ này có thể được triển khai trên hệ thống để bàn dùng trong phòng QC hoặc trên máy cầm tay phục vụ đo trực tiếp tại hiện trường. Sự khác nhau chủ yếu nằm ở hình học đo, cách trình bày mẫu, mức độ tự động hóa và môi trường sử dụng.

EDXRF là gì?

EDXRF là viết tắt của Energy Dispersive X-ray Fluorescence, tiếng Việt thường gọi là huỳnh quang tia X tán sắc năng lượng.

Đây là kỹ thuật phân tích thành phần nguyên tố. Khi mẫu được kích thích bằng tia X, các nguyên tố trong mẫu phát ra tia X thứ cấp có mức năng lượng đặc trưng. Đầu dò bán dẫn đo trực tiếp năng lượng và số lượng photon tia X, từ đó tạo thành phổ EDXRF.

Thông tin trong phổ được sử dụng theo hai cách:

• Vị trí của đỉnh phổ: giúp nhận diện nguyên tố có trong mẫu.
• Cường độ hoặc diện tích đỉnh: liên quan đến hàm lượng nguyên tố, sau khi đã hiệu chỉnh nền, ảnh hưởng ma trận và so sánh với đường hiệu chuẩn.

EDXRF có thể được sử dụng để:

• Nhận diện nhanh các nguyên tố có mặt trong mẫu.
• Định lượng một hoặc nhiều nguyên tố.
• Kiểm tra nguyên liệu đầu vào, bán thành phẩm và thành phẩm.
• Đánh giá đạt hoặc không đạt so với giới hạn QC.
• Theo dõi biến động thành phần giữa các mẻ sản xuất.
• Đo khối lượng lớp phủ hoặc một số thông số liên quan đến lớp phủ khi có hiệu chuẩn phù hợp.

XRF và EDXRF có giống nhau không?

XRF là tên chung của phép phân tích huỳnh quang tia X. Hai nhóm thiết bị phổ biến là:

• EDXRF: phân tách tín hiệu theo năng lượng bằng đầu dò bán dẫn.
• WDXRF: phân tách tín hiệu theo bước sóng bằng tinh thể phân tích và hệ quang học đo góc.

Vì vậy, mọi thiết bị EDXRF đều là máy XRF, nhưng không phải mọi máy XRF đều là EDXRF.

EDXRF thường được lựa chọn cho kiểm soát chất lượng và kiểm soát quá trình nhờ thiết kế gọn, tốc độ nhanh, khả năng phân tích đa nguyên tố và chi phí vận hành tương đối thấp. WDXRF thường có lợi thế về độ phân giải phổ và một số ứng dụng yêu cầu hiệu năng đặc biệt. Việc lựa chọn cần dựa trên nguyên tố, nền mẫu, giới hạn phát hiện, tiêu chuẩn và số lượng mẫu.

Phần so sánh chi tiết giữa EDXRF và WDXRF nên được xem như một chủ đề riêng; không nên đánh giá công nghệ chỉ dựa trên một thông số duy nhất như độ phân giải.

Máy EDXRF có những dạng nào?

Cùng sử dụng đầu dò phân tán năng lượng, nhưng thiết bị EDXRF có thể được thiết kế theo nhiều cấu hình. Hai dạng phổ biến nhất là máy để bàn và máy cầm tay.

Không nên xem máy cầm tay là phiên bản thu nhỏ thay thế hoàn toàn máy để bàn. Thiết bị cầm tay ưu tiên tính cơ động và quyết định tại chỗ; thiết bị để bàn ưu tiên hình học ổn định, kiểm soát mẫu và khả năng xây dựng quy trình QC lặp lại.

Nguyên lý hoạt động của EDXRF

Bước 1: tia X sơ cấp chiếu vào mẫu

Ống phát tia X tạo ra chùm tia X sơ cấp có năng lượng đủ để kích thích nguyên tử trong mẫu. Tùy ứng dụng, thiết bị có thể sử dụng các mức điện áp, dòng ống, bộ lọc hoặc điều kiện kích thích khác nhau nhằm tăng độ nhạy cho nhóm nguyên tố cần phân tích.

Bước 2: electron lớp trong bị bật ra

Khi photon tia X có năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết của một electron lớp trong, electron đó có thể bị bật ra khỏi nguyên tử, tạo thành một vị trí khuyết electron.

Bước 3: nguyên tử phát ra tia X huỳnh quang

Một electron từ lớp năng lượng cao hơn chuyển xuống lấp vị trí khuyết. Chênh lệch năng lượng giữa hai lớp được giải phóng dưới dạng photon tia X huỳnh quang.

Mỗi nguyên tố có cấu trúc mức năng lượng riêng, vì vậy tia X phát ra có năng lượng đặc trưng. Đây là cơ sở để nhận diện nguyên tố.

Bước 4: đầu dò đo năng lượng photon

Đầu dò bán dẫn, thường là Silicon Drift Detector (SDD), chuyển photon tia X thành xung điện. Biên độ xung liên quan đến năng lượng photon. Bộ xử lý phân loại các xung theo năng lượng để tạo phổ.

Bước 5: phần mềm định tính và định lượng

Phần mềm xác định vị trí đỉnh, tách các đỉnh gần nhau, trừ nền và áp dụng mô hình hiệu chỉnh. Nồng độ được tính bằng đường hiệu chuẩn thực nghiệm, phương pháp tham số cơ bản hoặc phương pháp kết hợp.

Kích thích trực tiếp và kích thích gián tiếp trong EDXRF

Các hệ EDXRF có thể sử dụng những hình học kích thích khác nhau để cải thiện tỷ số tín hiệu/nền.

Kích thích trực tiếp

Tia X từ ống phát đi qua bộ lọc sơ cấp rồi chiếu trực tiếp lên mẫu. Đây là cấu hình gọn, hiệu quả và được sử dụng rộng rãi. Bộ lọc, điện áp ống và dòng ống được lựa chọn theo nhóm nguyên tố cần đo.

Kích thích gián tiếp hoặc phân cực

Tia X sơ cấp trước tiên chiếu vào một bia thứ cấp hoặc hệ quang học, sau đó bức xạ tạo ra mới kích thích mẫu. Hình học này có thể giảm nền tán xạ và tăng tỷ số đỉnh/nền, đặc biệt trong một số ứng dụng phân tích vết.

Hai cách bố trí đều thuộc EDXRF. Hiệu năng cuối cùng còn phụ thuộc vào công suất ống, đầu dò, bộ lọc, bia thứ cấp, phần mềm và nền mẫu; không nên kết luận một hình học luôn tốt hơn trong mọi ứng dụng.

Phổ EDXRF cho biết điều gì?

Phổ EDXRF là đồ thị có:

• Trục ngang biểu diễn năng lượng tia X, thường theo keV.
• Trục đứng biểu diễn số photon hoặc cường độ tín hiệu.

Mỗi nguyên tố có thể tạo ra nhiều vạch phổ, chẳng hạn Kα, Kβ hoặc các vạch L. Phần mềm sử dụng vị trí và mối quan hệ giữa các vạch để nhận diện nguyên tố.

Phân tích định tính

Phân tích định tính trả lời câu hỏi mẫu có những nguyên tố nào. Kết quả này hữu ích cho:

• Sàng lọc nhanh nguyên liệu.
• Phát hiện nguyên tố bất thường.
• Lựa chọn nhóm hiệu chuẩn phù hợp.
• Điều tra nguyên nhân sai lệch sản phẩm.

Phân tích định lượng

Phân tích định lượng trả lời câu hỏi hàm lượng của từng nguyên tố là bao nhiêu. Kết quả có thể được báo cáo theo:

• mg/kg hoặc ppm.
• % khối lượng.
• g/m² hoặc mg/m² đối với một số lớp phủ.
• Thông số quy đổi khác được xây dựng từ hiệu chuẩn.

Không nên suy ra nồng độ chỉ từ chiều cao đỉnh mà không có mô hình hiệu chuẩn, vì tín hiệu còn phụ thuộc vào nền mẫu, sự hấp thụ, tăng cường huỳnh quang và hình học đo.

Đỉnh tán xạ Rayleigh và Compton

Ngoài các đỉnh đặc trưng của nguyên tố, phổ XRF còn có tín hiệu tán xạ từ chùm tia kích thích:

• Tán xạ Rayleigh: photon đổi hướng nhưng gần như không mất năng lượng.
• Tán xạ Compton: photon truyền một phần năng lượng cho electron nên xuất hiện ở mức năng lượng thấp hơn tia kích thích.

Các đỉnh tán xạ không phải là nguyên tố mới trong mẫu. Chúng cung cấp thông tin về nền, mật độ và thành phần nhẹ của mẫu, đồng thời có thể được sử dụng trong một số mô hình hiệu chỉnh đã được xác nhận.

Cấu tạo cơ bản của máy EDXRF

Không phải mọi máy EDXRF đều sử dụng cùng một loại đầu dò. Các thế hệ cũ có thể dùng Si(Li) hoặc PIN diode; các thiết bị hiện đại thường sử dụng SDD nhờ độ phân giải tốt, tốc độ đếm cao và làm mát Peltier. Loại đầu dò ảnh hưởng đến độ phân giải phổ, tốc độ đo và khả năng xử lý các đỉnh gần nhau.

EDXRF phân tích được những nguyên tố nào?

Phạm vi nguyên tố thực tế phụ thuộc vào thiết kế thiết bị, ống tia X, đầu dò, môi trường đo, nền mẫu và nồng độ.

Đối với hai dòng máy EDXRF để bàn Hitachi LAB-X5000 và X-Supreme8000, Hitachi liệt kê dải nguyên tố từ Na đến U, tùy ứng dụng. Còn dòng máy EDXRF cầm tay của Evident là Vanta có thể phân tích nguyên tố từ Mg đến U, tùy ứng dụng.

Điều này không có nghĩa mọi nguyên tố từ Na đến U đều có thể được đo với cùng một điều kiện hoặc cùng giới hạn phát hiện. Ví dụ:

• Na, Mg, Al, Si, P, S và Cl phát ra tia X năng lượng tương đối thấp, dễ bị không khí và màng mẫu hấp thụ.
• Các nguyên tố nặng có thể yêu cầu điện áp ống và điều kiện kích thích khác.
• Một số cặp nguyên tố có vạch phổ gần nhau và cần đầu dò, phần mềm hoặc điều kiện đo tối ưu.
• Giới hạn phát hiện có thể thay đổi từ mức ppm đến phần trăm tùy nền và thời gian đo.

EDXRF có thể phân tích những dạng mẫu nào?

Mẫu lỏng

Dầu, nhiên liệu, dung dịch hóa chất, dung dịch mạ hoặc nước thải có thể được rót vào cốc mẫu có màng mỏng. Những yếu tố cần kiểm soát gồm:

• Loại màng và khả năng tương thích hóa học.
• Độ sâu mẫu.
• Bọt khí.
• Rò rỉ.
• Bay hơi và phân lớp.

Mẫu bột và hạt

Xi măng, clinker nghiền, quặng, khoáng sản, bột thực phẩm và hóa chất có thể được đo trong cốc hoặc ép viên. Độ mịn, cỡ hạt và khả năng phân lớp ảnh hưởng đáng kể đến kết quả.

Mẫu rắn

Kim loại, polymer, gốm, thủy tinh và các chi tiết rắn có thể được đo nếu bề mặt đủ phẳng và đại diện. Với vật liệu không đồng nhất, cần chọn diện tích đo phù hợp hoặc đo nhiều vị trí.

Màng film, giấy và lớp phủ

EDXRF có thể kiểm soát khối lượng lớp phủ silicone, kim loại hoặc các thành phần vô cơ trên giấy và film khi:

• Thành phần nền và lớp phủ đã biết.
• Hình học mẫu được giữ ổn định.
• Có bộ mẫu chuẩn hoặc mô hình phù hợp.

Kết quả lớp phủ không phải lúc nào cũng đồng nghĩa với độ dày vật lý. Tùy phương pháp, thiết bị có thể báo cáo khối lượng phủ trên diện tích hoặc một thông số quy đổi đã hiệu chuẩn.

EDXRF phân tích bề mặt hay toàn bộ mẫu?

Tín hiệu XRF phát sinh từ một độ sâu hữu hạn chứ không đại diện vô điều kiện cho toàn bộ vật thể. Độ sâu phân tích phụ thuộc vào:

• Năng lượng của vạch tia X.
• Thành phần và mật độ nền mẫu.
• Nguyên tố cần đo.
• Góc chiếu và góc thu tín hiệu.

Nguyên tố nhẹ và vạch năng lượng thấp thường nhạy hơn với bề mặt; tín hiệu năng lượng cao có thể xuất phát từ độ sâu lớn hơn. Vì vậy, lớp oxy hóa, lớp mạ, bụi bẩn hoặc bề mặt không đại diện có thể làm sai lệch kết quả.

Với mẫu lỏng hoặc bột, cần duy trì lượng mẫu đủ lớn để đạt điều kiện “độ sâu vô hạn”, nghĩa là tăng thêm chiều dày mẫu không còn làm thay đổi đáng kể tín hiệu. Điều kiện này phụ thuộc từng nguyên tố và nền mẫu, không có một mức rót chung cho mọi phép đo.

Chuẩn bị mẫu cho EDXRF có đơn giản không?

Một ưu điểm lớn của EDXRF là nhiều mẫu có thể được đo với ít bước chuẩn bị hơn so với phương pháp hóa học ướt. Tuy nhiên, “ít chuẩn bị mẫu” không có nghĩa là “không cần chuẩn bị mẫu”.

Chất lượng chuẩn bị mẫu có thể quyết định độ lặp lại nhiều hơn sự khác biệt nhỏ giữa các thông số phần cứng.

Có sự đánh đổi giữa tốc độ và độ chính xác. Đo trực tiếp hoặc chuẩn bị tối thiểu phù hợp cho sàng lọc nhanh; nghiền mịn, ép viên hoặc nung chảy thường cần thiết khi mục tiêu là định lượng chính xác. Mẫu thử phải được chuẩn bị theo cùng cách với mẫu chuẩn và mẫu QC.

Air path, helium và chân không khác nhau như thế nào?

Đo trong không khí

Đây là cấu hình đơn giản, chi phí thấp và phù hợp với nhiều nguyên tố trung bình đến nặng. Tuy nhiên, không khí hấp thụ tia X năng lượng thấp và có thể ảnh hưởng đến Na, Mg, Al, Si, P, S hoặc Cl, tùy nồng độ.

LAB-X5000 có chức năng bù biến thiên khí quyển nhằm duy trì độ ổn định khi phân tích một số nguyên tố nhẹ trong đường khí không khí.

Đo với helium

Helium hấp thụ tia X năng lượng thấp ít hơn không khí, giúp cải thiện tín hiệu của các nguyên tố nhẹ. Hitachi cung cấp tùy chọn helium cho LAB-X5000 và X-Supreme8000, đặc biệt hữu ích với Na–Cl hoặc các ứng dụng nồng độ thấp.

Helium làm tăng chi phí vận hành, vì vậy nên chỉ định dựa trên nguyên tố, nồng độ và yêu cầu phương pháp thay vì sử dụng mặc định.

Đo trong chân không

Chân không cũng làm giảm hấp thụ tia X năng lượng thấp. Tuy nhiên, chất lỏng, mẫu dễ bay hơi và một số vật liệu không phù hợp để đặt trực tiếp trong chân không. Cấu hình chân không phổ biến ở một số hệ XRF khác nhưng không phải là lựa chọn mặc định cho mọi máy EDXRF để bàn.

Hiệu ứng nền là gì?

Kết quả XRF không chỉ phụ thuộc vào lượng nguyên tố cần đo. Các nguyên tố và thành phần khác trong mẫu có thể làm thay đổi tín hiệu thông qua:

• Hấp thụ: tia X của nguyên tố mục tiêu bị nền mẫu hấp thụ trước khi đến đầu dò.
• Tăng cường huỳnh quang: tia X từ một nguyên tố kích thích thêm nguyên tố khác.
• Chồng lấn phổ: các vạch của hai nguyên tố nằm gần nhau.
• Ảnh hưởng hình học: độ sâu, mật độ, độ nhám và vị trí mẫu thay đổi.
• Ảnh hưởng vật lý: cỡ hạt, độ ẩm, khoáng vật và mức độ đồng nhất.

Ví dụ, cùng một hàm lượng lưu huỳnh nhưng dầu thô, diesel và xăng pha ethanol có thể tạo tín hiệu khác nhau do nền hydrocarbon và hàm lượng oxy khác nhau.

Đây là lý do không nên dùng một đường hiệu chuẩn duy nhất cho mọi nền mẫu nếu chưa được xác nhận.

Máy EDXRF được hiệu chuẩn như thế nào?

Hiệu chuẩn thực nghiệm

Thiết bị đo các mẫu chuẩn có hàm lượng biết trước. Phần mềm xây dựng quan hệ giữa tín hiệu và nồng độ, đồng thời hiệu chỉnh ảnh hưởng giữa các nguyên tố.

Phương pháp này thường cho độ chính xác cao khi:

• Mẫu chuẩn có nền tương đồng với mẫu thực tế.
• Dải nồng độ được bao phủ đầy đủ.
• Quy trình chuẩn bị mẫu nhất quán.

Phương pháp tham số cơ bản

Fundamental Parameters (FP) sử dụng mô hình vật lý để tính thành phần từ phổ XRF. FP hữu ích khi cần:

• Sàng lọc nhiều loại mẫu.
• Giảm số lượng mẫu chuẩn.
• Phân tích bán định lượng.
• Hiệu chỉnh ảnh hưởng ma trận phức tạp.

Tuy nhiên, FP không tự động bảo đảm độ đúng tương đương hiệu chuẩn nền tương thích. Với QC sản xuất, phương pháp kết hợp giữa FP, mẫu chuẩn thực nghiệm và mẫu QC thường đáng tin cậy hơn.

Kết quả “không cần mẫu chuẩn” hoặc bán định lượng nên được xem là công cụ sàng lọc khi chưa được xác nhận trên nền mẫu thực tế. Không nên mặc nhiên dùng kết quả standardless để chứng nhận sản phẩm, đánh giá tuân thủ hoặc thay thế một phương pháp tiêu chuẩn.

Tái chuẩn hóa và mẫu QC

Mẫu thiết lập hoặc mẫu QC được đo định kỳ để theo dõi độ ổn định. Khi kết quả vượt giới hạn, cần kiểm tra:

• Tình trạng mẫu chuẩn.
• Cốc, màng và cách chuẩn bị mẫu.
• Độ sạch của cửa sổ đo.
• Điều kiện khí hoặc helium.
• Nhu cầu tái chuẩn hóa.

Ưu điểm của EDXRF

Phân tích nhanh

Nhiều phép đo hoàn tất trong vài giây đến vài phút. Điều này phù hợp với kiểm tra lặp lại tại phòng QC hoặc gần dây chuyền sản xuất.

Phân tích nhiều nguyên tố

Dưới mỗi điều kiện kích thích, đầu dò thu một dải năng lượng rộng. Một chương trình đo có thể xác định nhiều nguyên tố, hoặc sử dụng nhiều điều kiện liên tiếp để tối ưu từng nhóm nguyên tố.

Ít sử dụng hóa chất

Nhiều mẫu được đo trực tiếp hoặc chỉ cần nghiền, ép viên hay rót vào cốc. Điều này giảm acid, dung môi và chất thải so với nhiều phương pháp hóa học ướt.

Không tiêu thụ mẫu trong quá trình đo

Phép đo XRF thường không đốt hoặc phân hủy hóa học mẫu. Mẫu rắn có thể được giữ lại; mẫu lỏng có thể được đo lại nếu vẫn ổn định và cốc mẫu còn phù hợp. Tuy nhiên, các bước chuẩn bị như nghiền, ép viên hoặc nung chảy vẫn làm thay đổi trạng thái ban đầu của mẫu.

Phạm vi nồng độ rộng

Tùy nguyên tố và nền, EDXRF có thể phân tích từ mức ppm đến hàm lượng phần trăm cao. Không nên hiểu đây là một phạm vi chung cho mọi nguyên tố.

Chi phí vận hành tương đối thấp

Thiết bị không cần plasma, khí đốt hoặc lượng lớn hóa chất tiêu hao. Chi phí chủ yếu có thể gồm cốc, màng, mẫu chuẩn và helium khi cần.

Phù hợp tự động hóa QC

Máy để bàn có thể tích hợp:

• Bộ xoay mẫu.
• Khay nhiều vị trí.
• Mẫu QC trong chuỗi đo.
• Đánh giá Pass/Fail.
• Xuất dữ liệu và báo cáo.

Giới hạn của EDXRF

Không cho biết đầy đủ dạng hóa học

EDXRF đo nguyên tố, không phải lúc nào cũng xác định được trạng thái oxy hóa, cấu trúc tinh thể hoặc hợp chất cụ thể.

Nguyên tố nhẹ khó hơn

Na, Mg và các nguyên tố nhẹ phát tia X dễ bị hấp thụ. Có thể cần helium, chân không, màng đặc biệt hoặc thời gian đo dài hơn.

Độ chính xác phụ thuộc nền và hiệu chuẩn

Hiệu chuẩn không phù hợp có thể tạo kết quả có độ lặp lại tốt nhưng sai về độ đúng. Mẫu chuẩn cần đại diện cho mẫu thực tế.

Không đồng nhất làm tăng sai số

EDXRF chỉ phân tích thể tích mẫu mà tia X có thể tương tác. Mẫu hạt lớn, phân lớp hoặc có lớp phủ không đồng đều có thể cần nghiền, xoay mẫu hoặc đo nhiều vị trí.

Không phải lựa chọn tối ưu cho mọi phân tích vết

Ở mức vết rất thấp, ICP-MS, ICP-OES hoặc các kỹ thuật chuyên dụng có thể có giới hạn phát hiện tốt hơn, nhưng thường cần chuẩn bị mẫu và chi phí vận hành cao hơn.

Một số tiêu chuẩn yêu cầu công nghệ khác

Một tiêu chuẩn có thể quy định WDXRF, EDXRF phân cực hoặc một cấu hình cụ thể. Không thể tuyên bố đáp ứng tiêu chuẩn chỉ vì thiết bị thuộc nhóm XRF.

Ứng dụng của EDXRF trong công nghiệp

Dầu mỏ, nhiên liệu và dầu bôi trơn

EDXRF được dùng để phân tích:

• Lưu huỳnh trong dầu và nhiên liệu.
• Mg, P, S, Cl, Ca, Zn, Mo trong dầu bôi trơn.
• V và Ni trong dầu thô, dầu cặn.
• Clo hữu cơ hoặc tổng clo theo quy trình phù hợp.

Xem chuyên đề: Phân tích dầu bằng máy XRF Hitachi theo tiêu chuẩn ASTM và ISO.

Xi măng và vật liệu xây dựng

Máy EDXRF có thể kiểm soát các oxit và nguyên tố chính trong nguyên liệu, clinker, xi măng, thạch cao và vật liệu liên quan. Quy trình chuẩn bị có thể từ ép viên đến nung chảy, tùy yêu cầu độ chính xác.

Khoáng sản và khai khoáng

EDXRF được sử dụng để kiểm tra quặng, khoáng công nghiệp, silica, phosphate rock, đất sét và nguyên liệu khai khoáng trong quá trình khai thác và chế biến.

Trong phòng thí nghiệm hoặc nhà máy, máy để bàn phù hợp với mẫu đã nghiền, ép viên hoặc chuẩn bị theo quy trình cố định. Ngoài hiện trường, máy XRF cầm tay hỗ trợ sàng lọc địa hóa, kiểm soát hàm lượng quặng, khảo sát đất và lựa chọn mẫu cần gửi về phòng phân tích.

Kim loại, nhận dạng vật liệu (PMI) và phân loại phế liệu

Đây là nhóm ứng dụng nổi bật của XRF cầm tay. Máy có thể đo trực tiếp chi tiết, đường ống, van, mối hàn, phế liệu hoặc sản phẩm kim loại để:

• Nhận dạng mác hợp kim.
• Nhận dạng vật liệu dương (Positive Material Identification – PMI).
• Phân loại phế liệu thép không gỉ, hợp kim nickel, đồng và các kim loại màu.
• Kiểm tra vật liệu đầu vào và thành phẩm tại hiện trường.

Đối với nhóm ứng dụng này, máy cầm tay thường được lựa chọn vì có thể đo trực tiếp trên đường ống, van, mối hàn, chi tiết cơ khí hoặc phế liệu mà không cần cắt mẫu.

Môi trường, RoHS và an toàn sản phẩm

XRF cầm tay có thể được dùng để sàng lọc đất, trầm tích, sơn chứa chì và các chất bị hạn chế trong sản phẩm. Với RoHS, thiết bị hỗ trợ kiểm tra nhanh Pb, Cd, Hg, Cr và Br tại vị trí sản xuất hoặc kiểm tra hàng hóa.

Kim loại quý

Máy XRF cầm tay có thể phân tích thành phần hợp kim và hỗ trợ phân loại vàng, bạc, platinum và các kim loại quý. Kết quả cần được diễn giải cùng hiểu biết về lớp mạ, hình học mẫu và khả năng không đồng nhất của sản phẩm.

Polymer, nhựa và hóa chất

Các ứng dụng gồm:

• Phụ gia và chất xúc tác trong polymer.
• Nguyên tố halogen.
• Kim loại hoặc chất độn vô cơ.
• Dung dịch hóa chất và bể mạ.

Giấy, film và vật liệu chống dính

EDXRF có thể kiểm soát khối lượng phủ silicone, kim loại hoặc các nguyên tố đánh dấu trên giấy và film. Đây là phép đo nhanh, phù hợp với kiểm soát sản xuất khi có mẫu chuẩn phù hợp.

Xử lý gỗ

Các nguyên tố trong hóa chất bảo quản gỗ có thể được xác định để kiểm tra mức xử lý và sự đồng nhất của sản phẩm.

Thực phẩm

EDXRF có thể được sử dụng để xác định một số thành phần vô cơ như muối, sắt hoặc khoáng trong mẫu thực phẩm dạng rắn, lỏng hoặc bột. Việc lựa chọn kỹ thuật cần dựa trên nguyên tố, giới hạn yêu cầu và quy trình kiểm chứng.

Mỹ phẩm và kem chống nắng

EDXRF có thể xác định Ti, Zn hoặc các nguyên tố vô cơ khác trong công thức mỹ phẩm. Với kem chống nắng khoáng, TiO₂ và ZnO là hai ứng dụng đáng chú ý.

Thủy tinh, gốm và vật liệu chịu lửa

XRF được sử dụng để kiểm soát Si, Al, Ca, Mg, Na, K và các thành phần vô cơ khác trong nguyên liệu và sản phẩm. Với yêu cầu độ chính xác cao, việc chuẩn bị hạt thủy tinh nung chảy có thể giúp giảm ảnh hưởng cỡ hạt và khoáng vật.

Sơn, pigment và hóa chất

EDXRF có thể kiểm tra pigment, chất độn, chất xúc tác và tạp chất nguyên tố trong sơn, mực, toner và hóa chất. Mẫu lỏng, paste hoặc bột cần được trình bày với chiều dày và hình học ổn định.

Bán dẫn, màng mỏng và lớp phủ

XRF có thể xác định thành phần, khối lượng phủ và độ dày của một hoặc nhiều lớp khi sử dụng hệ quang học, kích thước điểm đo và mô hình lớp phù hợp. Các ứng dụng màng rất mỏng hoặc vùng đo nhỏ có thể cần hệ XRF chuyên dụng thay vì máy phân tích vật liệu khối thông thường.

Pháp y và nhận dạng vật liệu chưa biết

EDXRF có thể hỗ trợ so sánh mảnh kính, kim loại, pigment và cặn vô cơ. Kết quả nguyên tố thường được sử dụng cùng các kỹ thuật khác; XRF hiếm khi là bằng chứng duy nhất để kết luận nguồn gốc mẫu.

EDXRF khác gì so với phương pháp hóa học ướt và ICP?

Không có kỹ thuật nào tốt nhất cho mọi trường hợp. EDXRF đặc biệt mạnh khi cần phản hồi nhanh, ít chuẩn bị mẫu và kiểm tra số lượng mẫu lớn. ICP hoặc hóa học ướt có thể phù hợp hơn khi cần giới hạn phát hiện rất thấp hoặc thông tin hóa học cụ thể.

An toàn bức xạ khi sử dụng máy XRF

Máy XRF sử dụng bức xạ ion hóa nên phải được vận hành theo hướng dẫn của nhà sản xuất, quy trình an toàn và quy định pháp luật hiện hành. Nguyên tắc ALARA yêu cầu giữ liều chiếu ở mức thấp hợp lý bằng ba biện pháp:

• Thời gian: hạn chế thời gian ở gần chùm tia khi không cần thiết.
• Khoảng cách: tăng khoảng cách với nguồn và vùng phát tia.
• Che chắn: sử dụng khoang máy, nắp liên động, trạm đo và phụ kiện bảo vệ phù hợp.

Máy để bàn hiện đại có khoang kín và liên động an toàn. Với máy cầm tay, người vận hành phải kiểm soát hướng chùm tia, không giữ mẫu bằng tay trong đường tia, không hướng thiết bị vào người và sử dụng trạm đo hoặc giá đỡ khi thích hợp.

Khi nào nên chọn EDXRF để bàn và khi nào nên chọn EDXRF cầm tay?

Đây là quyết định về cách triển khai cùng một nguyên lý phân tích. Không nên chọn chỉ dựa trên kích thước máy hoặc giá đầu tư.

Nên chọn máy để bàn khi cần độ lặp lại cao, mẫu phải được chuẩn bị theo quy trình, cần phân tích chất lỏng hoặc bột, hoặc cần tự động hóa QC.

Nên chọn máy cầm tay khi mẫu khó vận chuyển, cần quyết định ngay tại hiện trường hoặc mục tiêu chính là nhận dạng, sàng lọc và phân loại trực tiếp trên vật thể.

Ví dụ các cấu hình EDXRF tại 2H Instrument

Để minh họa cách một nguyên lý EDXRF được triển khai thành các cấu hình khác nhau, 2H Instrument đang phân phối:

• Hitachi LAB-X5000: hệ để bàn một vị trí mẫu, phù hợp QC thường quy và số lượng mẫu vừa phải.
• Hitachi X-Supreme8000: hệ để bàn có khay tự động 10 vị trí, phù hợp lượng mẫu lớn và đo theo lô.
• Vanta Handheld XRF của Evident: hệ cầm tay cho phân tích trực tiếp tại hiện trường, PMI, phế liệu, khai khoáng và kiểm tra tuân thủ.

Ba nhóm thiết bị trên cùng sử dụng nguyên lý EDXRF nhưng phục vụ các quy trình khác nhau. Việc lựa chọn cần bắt đầu từ loại mẫu, vị trí đo, nguyên tố, dải nồng độ và tiêu chuẩn, không bắt đầu từ tên model.

Những câu hỏi cần trả lời trước khi đầu tư EDXRF

1. Loại mẫu là gì? Lỏng, bột, rắn, film hay lớp phủ?
2. Cần phân tích nguyên tố nào?
3. Dải nồng độ dự kiến là bao nhiêu?
4. Giới hạn phát hiện và độ chính xác yêu cầu?
5. Tiêu chuẩn hoặc quy trình nội bộ nào đang áp dụng?
6. Mẫu có cần helium hoặc chuẩn bị đặc biệt không?
7. Cần đo tại hiện trường hay trong phòng QC?
8. Có bao nhiêu mẫu hoặc vị trí đo mỗi ngày?
9. Có cần khay tự động, bộ xoay mẫu hay đo trực tiếp trên vật thể lớn không?
10. Đã có vật liệu chuẩn phù hợp chưa?
11. Kết quả dùng để sàng lọc, QC hay chứng nhận?

Việc đánh giá bằng mẫu thực tế trước khi đầu tư thường hữu ích hơn so với chỉ so sánh thông số catalogue.

Câu hỏi thường gặp về EDXRF

EDXRF là viết tắt của gì?

EDXRF là viết tắt của Energy Dispersive X-ray Fluorescence, tức huỳnh quang tia X tán sắc năng lượng.

EDXRF có phải là XRF không?

Có. EDXRF là một loại thiết bị XRF. XRF là tên kỹ thuật chung; EDXRF phân tách tín hiệu theo năng lượng.

EDXRF có phân tích được hợp chất hữu cơ không?

EDXRF xác định nguyên tố. Thiết bị không trực tiếp xác định cấu trúc phân tử hữu cơ, nhưng có thể đo các nguyên tố vô cơ hoặc nguyên tố đánh dấu trong vật liệu hữu cơ.

Máy EDXRF có cần phá hủy mẫu không?

Phép đo thường không tiêu thụ hoặc phân hủy hóa học mẫu. Tuy nhiên, quá trình nghiền, ép viên hoặc nung chảy có thể làm thay đổi trạng thái ban đầu của mẫu.

EDXRF có đo được Na và Mg không?

Có trên thiết bị và cấu hình phù hợp. Na và Mg thường cần điều kiện tối ưu như helium hoặc chân không vì tia X của chúng dễ bị hấp thụ.

EDXRF có đo được carbon, nitrogen hoặc oxygen không?

Các máy EDXRF công nghiệp thông thường thường không định lượng trực tiếp C, N và O với hiệu năng như các nguyên tố nặng hơn. Một số ảnh hưởng của nền C/H/O có thể được hiệu chỉnh hoặc suy ra gián tiếp trong phương pháp cụ thể.

Thời gian phân tích EDXRF là bao lâu?

Thường từ vài giây đến vài phút, tùy nguyên tố, nồng độ, số điều kiện kích thích và yêu cầu độ chụm.

Có thể dùng một đường hiệu chuẩn cho mọi mẫu không?

Không nên. Đường hiệu chuẩn cần phù hợp với nền, dải nồng độ, cách chuẩn bị mẫu và điều kiện đo.

EDXRF có chính xác bằng ICP không?

Hai kỹ thuật có ưu thế khác nhau. EDXRF mạnh về tốc độ và ít chuẩn bị mẫu; ICP thường có ưu thế ở phân tích vết rất thấp. Độ đúng phụ thuộc vào phương pháp, hiệu chuẩn và loại mẫu.

EDXRF cầm tay có phải cùng công nghệ với EDXRF để bàn không?

Có. Cả hai đều phân tách tín hiệu huỳnh quang theo năng lượng. Sự khác biệt nằm ở phần cứng, hình học đo, môi trường sử dụng, cách chuẩn bị mẫu và mức độ tự động hóa.

Máy XRF cầm tay có chính xác bằng máy để bàn không?

Không thể trả lời chung cho mọi ứng dụng. Máy cầm tay có thể cho kết quả rất tốt trong PMI, hợp kim hoặc địa hóa khi mẫu và hiệu chuẩn phù hợp. Máy để bàn thường có lợi thế về độ lặp lại, kiểm soát mẫu lỏng/bột và quy trình QC chuẩn hóa.

Đỉnh Compton và Rayleigh có phải là nguyên tố không?

Không. Đây là tín hiệu tán xạ của chùm tia kích thích. Chúng có thể cung cấp thông tin về nền mẫu và được dùng trong một số phương pháp hiệu chỉnh.

XRF chỉ phân tích bề mặt đúng không?

XRF thu tín hiệu từ một độ sâu hữu hạn. Độ sâu này thay đổi theo nguyên tố, năng lượng vạch và nền mẫu. Lớp bề mặt có ảnh hưởng lớn, nhưng phép đo không phải lúc nào cũng chỉ giới hạn ở lớp ngoài cùng.

Lựa chọn giải pháp EDXRF phù hợp

Một hệ thống EDXRF phù hợp cần đồng thời đáp ứng:

• Đúng loại mẫu và hình học đo.
• Đúng nguyên tố và dải nồng độ.
• Đúng tiêu chuẩn hoặc yêu cầu QC.
• Đủ độ lặp lại, giới hạn phát hiện và năng suất.
• Có bộ hiệu chuẩn, mẫu QC và quy trình chuẩn bị mẫu phù hợp.

2H Instrument cung cấp cả EDXRF để bàn Hitachi và XRF cầm tay Vanta của Evident, nhờ đó có thể lựa chọn cấu hình theo nhu cầu phân tích thay vì cố gắng dùng một dạng thiết bị cho mọi loại mẫu.

Lưu ý kỹ thuật: Khả năng phân tích thực tế phụ thuộc vào nguyên tố, nền mẫu, dải nồng độ, cấu hình ống tia X và đầu dò, môi trường đo, phương pháp chuẩn bị mẫu, hình học đo, bộ hiệu chuẩn và yêu cầu tiêu chuẩn. Không nên chọn thiết bị chỉ dựa trên việc cùng sử dụng nguyên lý EDXRF.

Nguồn tham khảo

• Hitachi High-Tech – Benchtop XRF elemental analysis, LAB-X5000 và X-Supreme8000.
• Hitachi High-Tech – LAB-X5000 benchtop XRF analyzer.
• IAEA – Sampling, storage and sample preparation procedures for X-ray fluorescence analysis.
• IAEA – Commercial applications of X-ray fluorescence.
• Evident Scientific – Vanta Handheld XRF Analyzers.