Huỳnh quang tia X (X-Ray Fluorescence, XRF) là kỹ thuật phân tích không phá hủy mẫu được sử dụng để định danh và định lượng các nguyên tố trong nhiều đối tượng mẫu khác nhau. Mẫu được chiếu xạ tia X, gây ra sự phát huỳnh quang của các nguyên tử trong mẫu và được ghi nhận tại đầu dò. Tín hiệu huỳnh quang này được sử dụng để nhận diện các nguyên tố và nồng độ của chúng. XRF được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như khoa học vật liệu, phân tích môi trường, khảo cổ học và khai khoáng do sở hữu tính năng phân tích nhanh, chính xác trên nền mẫu rắn, lỏng và bột. Những ưu điểm cốt lõi của phương pháp là đưa kết quả nhanh, yêu cầu chuẩn bị mẫu ở mức tối thiểu và khả năng phân tích nhiều loại vật liệu khác nhau. Tìm hiểu thêm về XRF và cách hoạt động của nó trong bài viết này.

Nhấp để xem những chủ đề sau:

• Huỳnh quang tia X là gì?
• Các bộ phận chính của thiết bị XRF là gì?
• Ưu điểm của XRF là gì?
• Những ứng dụng của phương pháp XRF
• XRF trong phân tích quy trình
• Ưu điểm của XRF trong phân tích online là gì?

Huỳnh quang tia X là gì?

Huỳnh quang tia X, hay XRF, là phương pháp đo không phá hủy mẫu dùng cho phân tích thành phần nguyên tố của vật liệu. Quá trình bắt đầu khi mẫu được chiếu xạ bởi tia X, kích thích các nguyên tử bên trong mẫu. Nguyên tử được kích thích sẽ giải phóng năng lượng dưới hình thái mang tính đặc trưng của tia X. Tín hiệu tia X phát xạ của từng nguyên tố mang tính duy nhất, được thu nhận và đo lường phục vụ cho mục đích định danh và định lượng các nguyên tố trong mẫu.

Nguyên lí hoạt động của XRF có thể được hiểu dễ dàng hơn qua bốn giai đoạn sau:

1. Phát xạ: Thiết bị phân tích XRF phát xạ tia X từ một ống tia X.
2. Kích thích: Tia X chiếu vào mẫu, kích thích mẫu phát huỳnh quang và tín hiệu huỳnh quang tia X này được thu nhận tại đầu dò trong thiết bị XRF.
3. Đo lường: Tín hiệu huỳnh quang tia X được đầu dò ghi nhận. Đầu dò ghi nhận năng lượng huỳnh quang của từng tia X và xây dựng phổ đồ tương ứng. Thông tin này thể hiện sự hiện diện và hàm lượng của từng nguyên tố.
4. Kết quả: Phổ đồ năng lượng được xử lý bằng phần mềm và thể hiện dưới dạng các nguyên tố thành phần trong mẫu. Thành phần của mẫu dễ dàng được xác định chỉ trong hai giây.

Các bộ phận chính của thiết bị XRF là gì?

Thiết bị XRF bao gồm các bộ phận chính sau:

Nguồn phát xạ tia X

Một ống tia X (Hình 1) chuyển đổi điện năng thành tia X, tương tự như cách bóng đèn chuyển đổi điện thành ánh sáng. Tia X chỉ được hình thành khi có dòng điện chạy qua ống. Ống tia X chứa một sợi đèn nhỏ được tạo ra từ nhiều vật liệu khác nhau như rhodium, tungsten, vàng hoặc bạc. Không có vật liệu sợi đèn nào vượt trội hơn so với các vật liệu khác; việc lựa chọn phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể mà ống tia X được sử dụng.

Đầu dò tia X

Đầu dò tia X (Hình 1) thu nhận và đo tín hiệu huỳnh quang tia X được phát ra từ mẫu. Phương thức hoạt động của đầu dò tương tự như camera kỹ thuật số trong điện thoại thông minh, chuyển đổi tia X thành tín hiệu điện. Các loại đầu dò phổ biến nhất cho phân tích XRF là bộ đếm tỉ lệ (proportional counter), đầu dò silicon PIN (Si-PIN) và đầu dò trôi silicon (SDD). Trong số đó, đầu dò SDD mang lại hiệu suất và độ nhạy cao nhất.

Bộ xử lí bên trong

Bộ xử lí bên trong có chức năng điều khiển ống tia X, đầu dò tia X, hiệu chuẩn nâng cao, màn hình cảm ứng, các kết nối không dây và tất cả các thành phần khác. Nó điều khiển hoạt động của ống tia X và chuyển đổi tín hiệu từ đầu dò và biểu thị dưới dạng thành phần hóa học.

Buồng đo mẫu

Buồng đo mẫu được sử dụng trong các thiết bị phân tích XRF trực tuyến, được lập trình để tự động lấy mẫu từ dây chuyền sản xuất theo các khoảng thời gian định sẵn. Mẫu được lấy và chuyển đến buồng đo mẫu (Hình 1), nơi nó được chiếu tia X do nguồn tia X tạo ra. Các nguyên tử trong mẫu hấp thụ tia X này và phát bức xạ tia X ở các mức năng lượng đặc trưng cho từng nguyên tố hiện diện trong mẫu. Khi phép phân tích hoàn thành (khoảng vài giây), mẫu sẽ được đưa trở lại dòng quá trình hoặc loại bỏ. Để đảm bảo độ chính xác của phép phân tích, mẫu có thể được xử lý sơ bộ như lọc để loại bỏ các hạt rắn lơ lửng. Các bước xử lý sơ bộ này được tự động hóa để tối ưu hóa quá trình phân tích.

Ưu điểm của XRF là gì?

Phương pháp phân tích Huỳnh Quang Tia X, XRF mang đến nhiều lợi ích cho phép thử tại phòng thí nghiệm và hiện trường. Lợi ích của phương pháp XRF: 

• Phép thử không phá hủy: XRF là một phương pháp đo không phá hủy, không làm thay đổi hay hư hại mẫu, cho phép phân tích mà không làm thay đổi thành phần hóa học. Trạng thái mẫu được giữ nguyên từ đầu đến cuối quá trình phân tích.
• Kết quả nhanh: Phương pháp XRF cung cấp kết quả nhanh, thường trong vài giây đến vài phút, phù hợp cho phép phân tích theo thời gian thực và ra quyết định sản xuất nhanh với phạm vi ứng dụng đa dạng. Phương pháp đo này rút ngắn thời gian phân tích đáng kể so với các phương pháp hóa học cổ điển.
• Phân tích đa nguyên tố: Phương pháp XRF cho phép phát hiện và định lượng nhiều nguyên tố chỉ một phép đo mẫu, tăng cườngthúc quả và toàn diện của phép phân tích.
• Tính linh hoạt: Ứng dụng phương pháp XRF phân tích nhiều nền mẫu khác nhau, từ mẫu rắn, lỏng đến dạng bột. Tính linh hoạt cho phép phương pháp XRF ứng dụng đo trong nhiều ngành công nghiệp như khai khoáng, sản xuất kim loại, điện tử, phân tích môi trường, hóa dầu, sản xuất năng lượng và các lĩnh vực khác.

Những ứng dụng của phương pháp XRF

Phương pháp Huỳnh Quang Tia X cơ bản là một công nghệ phân tích nguyên tố. Điều này có nghĩa là các ứng dụng của XRF trong phân tích thành phần gần như không giới hạn. Vì XRF là phương pháp phân tích nguyên tố – và mọi vật chất đều được cấu tạo từ nguyên tử – nên hầu như mọi loại vật liệu đều có thể được phân tích bằng XRF.

Vì XRF là một phương pháp t hông phá hủy, nên ngay cả các mẫu có giá trị hoặc dễ vỡ đều được đánh giá mà không gây ảnh hưởng hiện trạng mẫu. Tính linh động và dễ sử dụng của các thiết bị XRF cầm tay đặc biệt hữu ích trong trường hợp các phép khảo sát tại chỗ hoặc tại hiện trường, nơi cần các phân tích nhanh, chính xác và ít xâm lấn.

Những ứng dụng phổ biến của XRF:

Từ mỏ khai thác đến nhà máy luyện kim, từ nhà máy đến sân chơi, và từ đồng xu đến sản phẩm tiêu dùng, XRF đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích vật liệu không phá hủy.

XRF trong phân tích quy trình

Tổng thể phân tích quá trình là phương pháp kiểm tra tiến độ làm việc của một dây chuyền sản xuất. Mục tiêu tối thượng là đảm bảo dây chuyền đạt được tiêu chí đề ra đồng thời đưa ra hướng cải thiện chất lượng, hiệu quả và an toàn của quá trình hiện tại. Kĩ thuật XRF có thể là công cụ quan trọng giúp đạt được những mục tiêu này. Kĩ thuật này không bị giới hạn trong ngành công nghiệp cụ thể nào và có thể sử dụng cho mẫu rắn hoặc lỏng. Các ứng dụng công nghiệp như khai khoáng, rèn, sản xuất xi măng, dầu khí (hóa dầu), pin (năng lượng), sản xuất và tái chế đều có thể tận dụng phương pháp XRF.

Tối ưu hóa bể mạ kẽm-niken

Thiết bị phân tích online XRF được thiết kế để giám sát liên tục nền mẫu lỏng trong nhiều ngành công nghiệp nơi mà phân tích nguyên tố là yêu cầu cần thiết.Một lĩnh vực cụ thể mà thiết bị phân tích online XRF phát huy hiệu quả là trong công nghiệp mạ kẽm-nickel.

Trong công nghiệp mạ kim loại, thiết bị phân tích online XRF đã chuyển đổi hình thức giám sát và kiểm soát quá trình mạ.

Trước đây, việc chuẩn độ thủ công được thực hiện mỗi sáu giờ để xác định hàm lượng kẽm và nickel trong bể mạ kẽm-nickel. Phương pháp này cung cấp số lượng dữ liệu có giới hạn (Hình 5), gây khó khăn trong việc nhận biết xu hướng hoặc sự gián đoạn quá trình. Do đó, phương pháp này có thể dẫn đến hiệu suất không tối ưu, tăng lượng chất thải và chất lượng sản phẩm không đồng đều.

Ngược lại, thiết bị phân tích online XRF cung cấp dữ liệu thời gian thực với tần suất dữ liệu cao cho nồng độ ion kim loại trong bể mạ kẽm-nickel (Hình 6). Các thiết bị này giúp kiểm soát quá trình chính xác, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm tiêu thụ hóa chất và hạn chế tác động đến môi trường.

Ưu điểm của XRF trong phân tích online là gì?

Kết luận

Tính linh hoạt và khả năng ứng dụng phân tích trên chuyền của XRF giúp nó trở thành công cụ có giá trị trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Dù được sử dụng trong tinh chế, mạ kim loại, sản xuất xi măng, sản xuất điện tử, khai khoáng hay khảo cổ học, công nghệ XRF cầm tay mang đến giải pháp mạnh mẽ và thiết thực cho phân tích nguyên tố. Khi được tự động hóa trong phân tích online, công nghệ XRF gia tăng thêm giá trị thông qua việc hỗ trợ các nhà sản xuất đạt được những cải tiến đáng kể trong quá trình vận hành. Nhờ việc thu nhận thông tin theo thời gian thực về các tham số quan trọng của dây chuyền sản xuất, nhà máy có thể tối ưu hóa nguồn lực thiết bị, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thời gian gián đoạn và đưa ra quyết định dựa trên dữ liệu thúc đẩy hiệu quả và bảo vệ môi trường. 

Your knowledge take-aways

Flyer: Efficient Bath Quality Control with XRF – Online analysis of zinc and nickel for process control

Flyer: Efficient Li-ion battery production with XRF – Online analysis of metals in cathode active material (CAM)

Brochure: 2060 XRF Process Analyzer

Application Note: Online monitoring of cyanide and gold in gold leaching solution

Application Note: Online analysis of copper, tin, and zinc in white bronze baths by XRF

On-demand webinar: Online analysis of copper, tin, and zinc in white bronze baths by XRF