Die Röntgenfluoreszenzanalyse
Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA), im Englischen X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) genannt, wird zur Materialanalytik eingesetzt. Sie dient der qualitativen und quantitativen Bestimmung der Elementzusammensetzung fester, flüssiger oder pastöser Proben, wie z.B.: Gesteine, Böden, Minerale, Tone, Erze, Stähle, Legierungen, Gläser, Keramiken, Baustoffe, Schlacken, Kunststoffe, Pasten und Öle.
Die RFA wird in der Forschung und in der Qualitäts- und Produktionskontrolle in der Industrie eingesetzt. Je nach Ausstattung des Analysengerätes ist die Bestimmung der Elemente ab Ordnungszahl 4 (Be) bis 92 (U) möglich. Der Messbereich, abhängig vom Element und der Matrix, reicht von 0,0001 Gew% bis zu 100 Gew%.
Grundlagen der Methode
Die Röntgenfluoreszenzanalyse setzt Röntgenstrahlung als Primärstrahlung zur Anregung einer zu bestimmenden Probe ein. Durch Wechselwirkung mit der Probe entsteht eine sekundäre Röntgenstrahlung („Fluoreszenz-Strahlung“), die nach spektraler Zerlegung durch Beugung an einem Kristall qualitativ und quantitativ bestimmt werden kann. Die Wellenlängen dieser Strahlung sind für die vorhandenen Elemente in der Probe charakteristisch. Aus der Intensität der charakteristischen Strahlung kann auf Basis von umfangreichen Korrektur- und Kalibrierprogrammen die Konzentration der zu bestimmenden Elemente ermittelt werden.
Bild1: Strahlengang
Das RFA-Labor
Das RFA-Labor im Institut für Geowissenschaften der Universität Mainz ist ausgestattet mit dem Spektrometer MagiXPro der Firma Panalytical, inklusive Probenwechsler. Verwendet wird eine Rh-Röhre zur Anregung, maximale Leistung sind 4 kW (60 kV, 126 mA).
Bild2: MagixPro
Um optimal auf alle Fragestellungen eingehen zu können, ist das Spektrometer sehr mit verschiedenen Blenden, 3 Kollimatoren, 6 Analysatorkristallen (PX1, PE002, Ge111, PX9, LiF200, LiF220) sowie 3 Detektoren (Durchfluss-, Szintillations- und Xe Proportionalzähler) ausgestattet. So kann die jeweils beste Einstellung für Spuren- bis Hauptelemente vorgenommen werden.
Das Haupteinsatzgebiet an unserem Institut sind die Haupt- und Spurenelementbestimmung an geologischen Proben. Nach Bedarf werden auch spezielle Messprogramme (Applikationen) erstellt. Halbquantitative Analysen an den unterschiedlichsten Feststoffen können mit dem Standardlosen Messverfahren IQ+ der Fa. Panalytical durchgeführt werden.
Routinemäßig werden folgende Elemente gemessen:
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Applikation |
Elemente |
Matrix |
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Hauptelemente (als Oxide berechnet) |
Si, Al, Ti, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, P (Cr, Ni) |
Basalte, Granite, Ultramafite, Sedimente, Böden |
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Hauptelemente (als Oxide berechnet) + Nebenelemente |
Si, Al, Ti, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, P, S, V, Cr, Ni, Zn, Rb, Sr ,Zr, Ba, |
Karbonate, Baustoffe, Zemente, Flugaschen |
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Hauptelemente (als Oxide berechnet) + Spurenelemente |
Si, Al, Ti, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, P, S, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Rb, Sr, Y,Zr, Nb, Ba, La, Ce, Pb) |
Gesteine, Baustoffe, Keramiken |
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Spurenelemente |
Sc, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Rb Sr, Y, Zr, Nb, Cs, Ba, W, Pb, Th, U |
Gesteine, Sedimente, Böden |
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Sonderprogramme |
As, Mo, Cd, Sn, Sb, W, Pb, Bi |
Böden, Umweltproben |
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Sonderprogramme |
La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd |
Gesteine |
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Sonderprogramme |
F, S, Cl, Br, I |
Marine Sedimente |
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Sonderprogramme |
Hf, Ta |
Gesteine |
Probenpräparation
Für eine quantitative Analyse müssen die Gesteine gebrochen, gemahlen (< 63 µm) und zu Pulver- oder Schmelztabletten verarbeitet werden (siehe Abb 3). Die Hauptelementbestimmung erfolgt an Schmelztabletten. Die feingemahlene Probe wird je nach Applikation in einem Verhältnis von 1:5 bis 1:14 mit Schmelzmittel (Lithiumtetraborat) gemischt, in einem Platintiegel aufgeschmolzen und in eine Platinschale zu Glastabletten ausgegossen. Das Aufschmelzen erfolgt bei einer Temperatur von ca. 1050 °C mit Hilfe des automatischen Gebläsebrenners Vulcan der Fa. HD Elektronik und Elektrotechnik GmbH. Der Glühverlust der Probe (Loss of Ignition, LOI) wird parallel dazu bestimmt.
Bild 3: Schmelzgerät
Die Spurenelementbestimmung erfolgt an Pulverpresslingen. Dazu werden 6g der feingemahlenen Probe mit einigen Tropfen eines Zweikomponentenklebers (Scandia) in einem Achatmörser homogenisiert und in einer Pressvorrichtung mit 7t zu einer Tablette gepresst und anschließend getrocknet.
Nachfolgend eine Übersicht über die messbaren Proben und Präparationsweisen:
Kalibrierung
Die Röntgenfluoreszenzanalyse ist eine vergleichende Methode. Die Qualität der Kalibrierung hängt nicht nur von den Geräteeinstellungen sondern maßgeblich von der Qualität der verwendeten Standards ab. Für die geologischen Programme setzen wir Internationale Standards ein, für einige Sonderprogramme werden auch synthetische Proben oder hausinterne Standards verwendet.