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espectroscopia de rayos X de energía dispersiva

Espectro EDS de la corteza mineral del camarón de cloaca Rimicaris exoculata [1] La mayoría de estos picos son rayos X emitidos cuando los electrones regresan a la capa de electrones K ( líneas K-alfa y K-beta ). Un pico proviene de la capa L de hierro.

La espectroscopia de rayos X de energía dispersiva ( EDS , EDX , EDXS o XEDS ), a veces llamada análisis de rayos X de energía dispersiva ( EDXA o EDAX ) o microanálisis de rayos X de energía dispersiva ( EDXMA ), es una técnica analítica utilizada para el análisis elemental. o caracterización química de una muestra . Se basa en la interacción de alguna fuente de excitación de rayos X y una muestra. Sus capacidades de caracterización se deben en gran parte al principio fundamental de que cada elemento tiene una estructura atómica única que permite un conjunto único de picos en su espectro de emisión electromagnética [2] (que es el principio fundamental de la espectroscopia ). Las posiciones de los picos se predicen mediante la ley de Moseley con una precisión mucho mejor que la resolución experimental de un instrumento EDX típico.

Para estimular la emisión de rayos X característicos de una muestra, se enfoca un haz de electrones o rayos X en la muestra que se está estudiando. En reposo, un átomo dentro de la muestra contiene electrones en estado fundamental (o no excitados) en niveles de energía discretos o capas de electrones unidos al núcleo. El haz incidente puede excitar un electrón en una capa interna, expulsándolo de la capa y creando un agujero donde estaba el electrón. Luego, un electrón de una capa exterior de mayor energía llena el agujero, y la diferencia de energía entre la capa de mayor energía y la capa de menor energía puede liberarse en forma de rayos X. El número y la energía de los rayos X emitidos por una muestra se pueden medir mediante un espectrómetro de energía dispersiva. Como las energías de los rayos X son características de la diferencia de energía entre las dos capas y de la estructura atómica del elemento emisor, el EDS permite medir la composición elemental de la muestra. [2]

Equipo

Cuatro componentes principales de la configuración EDS son

  1. la fuente de excitación (haz de electrones o haz de rayos X)
  2. el detector de rayos x
  3. el procesador de pulso
  4. el analizador. [ cita necesaria ]

La excitación por haz de electrones se utiliza en microscopios electrónicos , microscopios electrónicos de barrido (SEM) y microscopios electrónicos de transmisión de barrido (STEM). La excitación por haz de rayos X se utiliza en espectrómetros de fluorescencia de rayos X (XRF). Se utiliza un detector para convertir la energía de rayos X en señales de voltaje ; Esta información se envía a un procesador de pulsos, que mide las señales y las pasa a un analizador para su visualización y análisis. [ cita necesaria ] El detector más común solía ser un detector de Si (Li) enfriado a temperaturas criogénicas con nitrógeno líquido . Ahora, los sistemas más nuevos suelen estar equipados con detectores de deriva de silicio (SDD) con sistemas de refrigeración Peltier .

Peligros y seguridad

  1. Alto voltaje: SEM-EDX funciona a altos voltajes (normalmente varios kilovoltios), lo que puede suponer un riesgo de descarga eléctrica.
  2. Radiación de rayos X: si bien SEM-EDX no utiliza un voltaje tan alto como algunas técnicas de rayos X, aún produce rayos X que pueden ser dañinos con una exposición prolongada. Son necesarias medidas de protección y seguridad adecuadas.
  3. Preparación de muestras: La manipulación y preparación de muestras puede implicar productos químicos o materiales peligrosos. Se debe utilizar equipo de protección personal (EPP) adecuado.
  4. Sistema de vacío: El sistema de vacío utilizado en SEM-EDX puede implosionar si no se mantiene adecuadamente, lo que genera peligros potenciales.
  5. Peligros criogénicos: algunas muestras pueden requerir técnicas criogénicas para su análisis, lo que puede presentar riesgos de quemaduras por frío o asfixia si no se manipulan adecuadamente.
  6. Peligros mecánicos: si se usan incorrectamente, las piezas móviles del SEM pueden causar lesiones.
  7. Riesgos de incendio y explosión: algunas muestras, particularmente aquellas que involucran materiales inflamables, pueden presentar riesgos de incendio o explosión en condiciones de vacío.
  8. Riesgos ergonómicos: el uso prolongado de SEM-EDX puede generar riesgos ergonómicos si la estación de trabajo no está configurada correctamente para la comodidad y seguridad del usuario.

Variantes tecnológicas

Principio de EDS

El exceso de energía del electrón que migra a una capa interna para llenar el agujero recién creado puede hacer más que emitir rayos X. [3] A menudo, en lugar de emitir rayos X, el exceso de energía se transfiere a un tercer electrón desde una capa exterior más alejada, lo que provoca su expulsión. Esta especie eyectada se llama electrón Auger , y el método para su análisis se conoce como espectroscopia de electrones Auger (AES). [3]

La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) es otro pariente cercano de la EDS, que utiliza electrones expulsados ​​de una manera similar a la de AES. La información sobre la cantidad y la energía cinética de los electrones expulsados ​​se utiliza para determinar la energía de enlace de estos electrones ahora liberados, que es específica del elemento y permite la caracterización química de una muestra. [ cita necesaria ]

La EDS a menudo se contrasta con su contraparte espectroscópica, la espectroscopia de rayos X de dispersión de longitud de onda (WDS). WDS se diferencia de EDS en que utiliza la difracción de rayos X en cristales especiales para separar sus datos sin procesar en componentes espectrales (longitudes de onda). WDS tiene una resolución espectral mucho más fina que EDS. WDS también evita los problemas asociados con artefactos en EDS (falsos picos, ruido de los amplificadores y microfónicos ).

Se puede utilizar un haz de partículas cargadas de alta energía, como electrones o protones, para excitar una muestra en lugar de rayos X. Esto se llama emisión de rayos X inducida por partículas o PIXE.

Exactitud

EDS se puede utilizar para determinar qué elementos químicos están presentes en una muestra y para estimar su abundancia relativa. EDS también ayuda a medir el espesor de revestimiento multicapa de revestimientos metálicos y al análisis de diversas aleaciones. La precisión de este análisis cuantitativo de la composición de la muestra se ve afectada por varios factores. Muchos elementos tendrán picos de emisión de rayos X superpuestos (por ejemplo, Ti K β y VK α , Mn K β y Fe K α ). La precisión de la composición medida también se ve afectada por la naturaleza de la muestra. Los rayos X son generados por cualquier átomo de la muestra que esté suficientemente excitado por el haz entrante. Estos rayos X se emiten en todas direcciones (isotrópicamente) y, por lo tanto, es posible que no todos escapen de la muestra. La probabilidad de que un rayo X escape de la muestra y, por lo tanto, esté disponible para detectarlo y medirlo, depende de la energía del rayo X y de la composición, cantidad y densidad del material que tiene que atravesar para llegar al detector. Debido a este efecto de absorción de rayos X y efectos similares, la estimación precisa de la composición de la muestra a partir del espectro de emisión de rayos X medido requiere la aplicación de procedimientos de corrección cuantitativa, que a veces se denominan correcciones matriciales. [2]

Tecnología emergente

Existe una tendencia hacia un detector EDS más nuevo, llamado detector de deriva de silicio (SDD). El SDD consta de un chip de silicio de alta resistividad donde los electrones son conducidos a un pequeño ánodo colector. La ventaja reside en la capacidad extremadamente baja de este ánodo, por lo que utiliza tiempos de procesamiento más cortos y permite un rendimiento muy alto. Los beneficios del SDD incluyen: [ cita necesaria ]

  1. Altas tasas de conteo y procesamiento,
  2. Mejor resolución que los detectores tradicionales de Si(Li) a altas tasas de conteo,
  3. Menor tiempo muerto (tiempo empleado en procesar el evento de rayos X),
  4. Capacidades analíticas más rápidas y mapas de rayos X o datos de partículas más precisos recopilados en segundos.
  5. Capacidad para ser almacenado y operado a temperaturas relativamente altas, eliminando la necesidad de enfriamiento con nitrógeno líquido .

Debido a que la capacitancia del chip SDD es independiente del área activa del detector, se pueden utilizar chips SDD mucho más grandes (40 mm2 o más). Esto permite una recopilación de tasas de recuento aún mayores. Otros beneficios de los chips de área grande incluyen: [ cita necesaria ]

  1. Minimizar la corriente del haz SEM permitiendo la optimización de las imágenes en condiciones analíticas.
  2. Daño reducido de la muestra [4] y
  3. Interacción de haz más pequeña y resolución espacial mejorada para mapas de alta velocidad.

Cuando las energías de rayos X de interés superan ~ 30 keV, las tecnologías tradicionales basadas en silicio adolecen de una eficiencia cuántica deficiente debido a una reducción en el poder de parada del detector . Los detectores producidos a partir de semiconductores de alta densidad, como el telururo de cadmio (CdTe) y el telururo de cadmio y zinc (CdZnTe), tienen una eficiencia mejorada a energías de rayos X más altas y son capaces de funcionar a temperatura ambiente. Los sistemas de un solo elemento y, más recientemente, los detectores de imágenes pixeladas, como el sistema de tecnología de imágenes de rayos X de alta energía (HEXITEC), son capaces de alcanzar resoluciones de energía del orden del 1% a 100 keV.

En los últimos años, también se ha comercializado un tipo diferente de detector EDS, basado en un microcalorímetro superconductor. Esta nueva tecnología combina las capacidades de detección simultánea de EDS con la alta resolución espectral de WDS. El microcalorímetro EDS consta de dos componentes: un absorbente y un termómetro con sensor de borde de transición (TES) superconductor . El primero absorbe los rayos X emitidos por la muestra y convierte esta energía en calor; este último mide el cambio posterior de temperatura debido a la entrada de calor. Históricamente, el microcalorímetro EDS ha sufrido una serie de inconvenientes, incluidas bajas tasas de conteo y áreas de detector pequeñas. La tasa de conteo se ve obstaculizada por su dependencia de la constante de tiempo del circuito eléctrico del calorímetro. El área del detector debe ser pequeña para mantener pequeña la capacidad calorífica y maximizar la sensibilidad térmica ( resolución ). Sin embargo, la tasa de conteo y el área del detector se han mejorado mediante la implementación de conjuntos de cientos de microcalorímetros EDS superconductores, y la importancia de esta tecnología está creciendo.

Ver también

Referencias

  1. ^ Corbari, L; et al. (2008). "Depósitos de óxido de hierro asociados con las bacterias ectosimbióticas en el camarón Rimicaris exoculata del respiradero hidrotermal". Biogeociencias . 5 (5): 1295-1310. Código Bib : 2008BGeo....5.1295C. doi : 10.5194/bg-5-1295-2008 .
  2. ^ abc Joseph Goldstein (2003). Microscopía Electrónica de Barrido y Microanálisis de Rayos X. Saltador. ISBN 978-0-306-47292-3. Consultado el 26 de mayo de 2012 .
  3. ^ ab Jenkins, RA; De Vries, JL (1982). Espectrometría de Rayos X Práctica . Saltador. ISBN 978-1-468-46282-1.
  4. ^ Kosasih, Félix Utama; Cacovich, Stefania; Divitini, Giorgio; Ducati, Caterina (17 de noviembre de 2020). "Análisis químico nanométrico de materiales sensibles al haz: un estudio de caso de STEM-EDX en células solares de perovskita". Pequeños métodos . 5 (2): 2000835. doi : 10.1002/smtd.202000835 . PMID  34927887.

enlaces externos