Xrf分析とは何ですか、およびプレスXrfペレットの製造方法

XRFとは何ですか?

xrf(蛍光X線分析)技術を使用すると、サンプルの元素組成を高精度で決定できます。 XRF 分光計は、サンプルに X 線を照射することによって機能します。これにより、サンプル内の原子が検出および分析できる特性エネルギーの二次 X 線を放出します。この情報は、サンプル中に存在する元素を特定し、その濃度を定量するために使用できます。

XRF 計測器の機能は、過去 10 年間で感度と安定性の両方において大幅に進歩しました。その結果、それらは分析における最も重要なエラーの原因ではなくなりました。これは、XRF 測定の全体的な精度が、使用される標準の数、サンプルの均質性、XRF 装置の安定性などの他の要因によって制限されるためです。

XRF サンプルの準備は、材料または物質を採取し、分析のために準備するプロセスです。これには通常、材料を粉砕し、均一な混合物を作成することが含まれます。サンプル前処理の目標は、偏りと誤差を軽減し、分析対象の材料の組成を正確に反映した結果を生成することです。サンプル前処理にはさまざまな技術や手法があり、どれを使用するかは分析対象の材料と必要な精度レベルによって異なります。ただし、一般に、目標は、汚染物質をできる限り含まない代表的なサンプルを作成することです。

ただし、欠点がないわけではありません。主な欠点は、サンプルが汚染される可能性があることです。XRF 分析用にサンプルを準備する最も一般的な方法の 1 つは、プレスペレットを作成することです。このプロセスは、高品質の結果が得られ、比較的迅速で低コストのアプローチであるため、特に人気があります。しかしながら、欠点がないわけではなく、主な欠点はサンプルが汚染される可能性があることです。さらに、ペレットは XRF の結果に影響を与える可能性があるため、正しい密度と厚さになるように慎重に作成する必要があります。

XRF 用のサンプルの準備

XRF 分析用のプレスペレットを作成するプロセスは、サンプルを微細な粒子サイズに粉砕することから始まります。次に、サンプルは粉砕または混合容器内で結合剤または粉砕助剤と混合されます。次いで、混合物をプレスダイに注ぎ、15〜35Tの圧力でプレスします。プレスされたペレットは金型から取り出され、100 ～ 200 ℃ の温度で乾燥されます。

XRF ペレットプレスで製造されたペレットまたはタブレットはすぐに分析できます。 XRF ペレットプレスは、密度と形状が均一なペレットまたは錠剤を製造します。これにより、取り扱いや測定が容易な一貫したサンプルが得られます。

良い出発点は、分析する特定の元素を検討し、それらの特定の元素に対してサンプルを準備する最適な方法を決定することです。たとえば、一部の元素は酸化状態でより良く分析できる一方、他の元素は還元状態でより良く分析できる場合があります。特定の要素を検討したら、次のステップは、サンプル前処理の適切な方法を選択することです。一般的な方法には、機械的粉砕、化学的蒸解、融合などが含まれます。これらの方法にはそれぞれ長所と短所があり、特定のアプリケーションに最適なアプローチを選択する前に考慮する必要があります。最後に、分析に使用される特定の XRF 機器に合わせてサンプル前処理プロトコルを最適化することが重要です。 XRF 装置が異なれば、サンプル前処理の要件も異なることが多いため、サンプル前処理を開始する前に、装置のマニュアルを参照するか、知識のある技術者に相談することが重要です。

XRF 分析では粒子が小さいほど正確な結果が得られる傾向があるため、サンプルが特に粗い場合は、分析前に粉砕する必要がある場合があります。一部のバインダーでは誤った測定値が得られる可能性があるため、バインダーの選択も重要です。希釈が多すぎると不正確な結果が生じる可能性があるため、希釈も問題となる可能性があります。サンプルに圧力をかけすぎると、ペレットが厚くなりすぎるため、結果が不正確になる可能性があります。

サンプルの汚染は、XRF サンプル前処理で考慮すべきもう 1 つの要因です。微量の汚染物質であっても、XRF 分析に大きな影響を与える可能性があります。調製、保管、分析中はサンプルの汚染を防ぐように注意する必要があります。

XRFペレットプレス機

Kindle Tech xrf ペレットプレスは、蛍光 X 線分析または赤外分光分析用に固体サンプルのペレットを迅速かつ簡単に準備する方法を探している人にとって最適なオプションです。このペレットプレスは、固体ペレットと浸透性の高いペレットの両方を製造できるため、さまざまな用途に多用途のオプションとなります。さらに、ペレットプレスはサンプルを最大限に活用できるように使いやすいように設計されています。

自動XRFペレットプレスは、自動打錠機をベースに当社が開発した蛍光X線分析装置専用の装置です。

蛍光モールドのセットを内蔵しており、モールドの圧力プログラムを自動変換できます。金型セットには、動作中の金型の過負荷を防ぐ安全スイッチも装備されています。

XRF ペレットプレスには多くの利点があり、使いやすく信頼性の高い機械を求める人にとって理想的な選択肢となります。まず、加圧と保圧は両方とも自動化されているため、手動で圧力を調整する必要がありません。さらに、タイマーが鳴ると機械は自動的に圧力を解放し、ペレットが終了するとペレットを排出します。

XRFサンプルの準備方法

XRFサンプルの粒子サイズ

プレスペレットを調製する際の重要な点の 1 つは、サンプルが 75 µm 未満の粒子サイズに粉砕されていることを確認することですが、理想的には 50 µm 未満です。粒子サイズは、プレスの成功とペレットの品質を決定する重要な要素です。

粉砕機は通常、材料を非常に細かい粉末に粉砕するために使用されます。サンプルの種類と量に応じて、粉砕機は通常、この作業を数分で完了できます。この目的には、リング粉砕機とパック粉砕機が一般的に使用されます。

粒径が小さいほど、圧縮率が向上し、ペレットの安定性が向上します。粒径が小さいことは、加圧時にサンプルがどのように圧縮され結合するかに影響するため、最良の分析結果が得られるペレットを製造する上で重要な要素です。粒子サイズが小さいほど、圧縮が向上し、ペレットの安定性が向上します。これにより、ばらつきが少なくなり、元のサンプルをより再現したペレットが生成されます。

さらに重要なことは、サンプルの粒子サイズが大きいか変動すると、サンプル内に不均一性が生じる可能性があります。サンプルに含まれる元素のサンプリング深度または臨界脱出深度はエネルギーに依存するため、元素ごとに異なります。 Na などのより長い波長の元素は、Fe などのより短い波長の元素よりも逃げ深さが小さくなります。

これは、Na 分析ではサンプルの最初の 10µm 程度しかサンプリングされないため、そのスケールではサンプルの不均一性の影響を受けやすくなるということを意味します。

これは、より大きなサイズでより多くの粒子が存在する幅広い粒度分布として観察できます。サイズのばらつきが大きくなり、粒子サイズが大きくなると、材料の性能が低下したり、加工が困難になったりする可能性があります。

サンプルの XRF 分析表面の粒子サイズが大きくなると、「シャドウ効果」による分析エラーが発生する可能性があります。シャドウ効果は、ペレットの表面で、より大きな粒子がより小さな粒子から来る X 線信号に影を与えることです。これにより、X 線信号が弱くなり、分析が不正確になる可能性があります。

サンプルバインダー

サンプルバインダーは、あらゆるサンプルの重要な成分です。文字通りサンプルをまとめて保持し、構造とサポートを提供します。サンプルバインダーがなければ、サンプルはバラバラになってしまいます。バインダーはサンプルを損傷から保護し、乾燥を防ぐのにも役立ちます。

セルロースとワックスは、粉砕中にサンプルをまとめておくために一般的に使用される結合剤です。これら 2 つの物質の最適な混合物は通常、粉砕中にサンプルと均質化するセルロースとワックスの混合物です。この混合物は圧力下で再結晶化し、サンプルを結合します。

サンプルバインダーはさまざまな商品名で入手できますが、一般的には類似しています。

アクリルバインダーが使用されることもありますが、これらはミル内でサンプルと均質化するのが難しく、手で混合する必要があります。アクリルバインダーの結合特性により、繊維とマトリックス間の結合が強化され、強度と剛性が向上した複合材料が得られます。ただし、剛性が高まると脆くなり、耐衝撃性が低下する可能性があります。

一部の結合剤粉砕剤は、粉砕中にミルに自動的に追加できるプレミックスペレットとして入手できます。

サンプルの希釈

サンプルに添加する結合剤の量は、サンプルを希釈するため重要な考慮事項であり、また、希釈誤差を避けるためにすべてのサンプルに同じ割合で添加する必要があります。一貫性を維持し、エラーを避けるために、バインダーをサンプルに追加するときは正確に行うことが重要です。

ほとんどの最新の XRF プレス機は主要な元素に対してかなりの強度を提供するため、良好な強度のペレットを保証するために大量のバインダーを使用しても安全です。バインダーを使用すると、より安定した信頼性の高いサンプルが得られます。これは正確な分析に不可欠です。バインダーで作られたペレットは、プレスプロセス中にひび割れたり破損したりする可能性が低くなります。

弱い XRF ペレットは分光計内で破損し、機器に損傷を与える可能性があります。これは、分光計が非常に敏感な機械であり、弱いペレットによって簡単に損傷を受ける可能性があるためです。

結合剤とサンプルの比率が 20 ～ 30% であれば、ほとんどの場合、0.5 メートルの距離から地面に落としても壊れることがない非常に強力なペレットが生成されます。

消耗品のコストが懸念される場合は、最適な希釈レベルを決定するために、いくつかの実験を行ってより低いバインダー/サンプル比を使用できます。これにより、使用するバインダーが減り、必要な消耗品も減ります。さらに、比率が低いほどバインダーの性能も向上し、問題が減り、品質が向上する可能性があります。

適切な圧力

サンプルとバインダーが混合されたら、XRF サンプルプレスを使用して材料を金型内でプレスします。

サンプルに加えられる圧力は、サンプルを完全に圧縮して結合剤を再結晶化させるのに十分な圧力である必要があります。

これは、適切な金型を備えたプレスを使用し、試験対象の材料に推奨される圧力を適用することによって実現できます。ペレット内に空隙が残らないようにサンプルを完全に圧縮するための最も重要な要素の 1 つは、次のことを使用することです。適切な金型を備えたプレスで、試験対象の材料に推奨される圧力を加えます。

見た目が良好なペレットでもまだ空隙が含まれている可能性があり、軽い元素の強度が低下する可能性があります。そのため、ペレットを使用する前にペレットを測定し、必要なレベルの強度が得られることを確認することが重要です。

軽元素のサンプルを最大限に活用したい場合は、軽元素の強度が最大に達して安定するまで圧力を上げて実験する必要があります。これにより、軽元素分析で明確かつ正確な読み取り値を得ることができます。

サンプルを圧力容器に入れて加圧すると、サンプルは変形します。発生する変形量は、材料の降伏強度と加えられる圧力の関数です。ほとんどのサンプルは、25 ～ 35 T の圧力を 1 ～ 2 分間加えたときに最大変形に達します。

サンプル表面の亀裂を防ぐために、サンプルに加えられた圧力をゆっくりと解放することが重要です。圧力の解放が早すぎると亀裂が発生し、サンプルがばらばらになってしまう可能性があります。

XRFサンプルの厚さ

ペレットは、測定されるすべての元素の X 線ビームに対して無限の厚さでなければなりません。サンプル内で生成された X 線は、検出器に到達して測定されるために、再吸収されることなくサンプルから漏れ出すことができなければなりません。より高いエネルギーの元素 (通常、より高い原子番号を持つ元素) は、より低いエネルギーの元素と比較して、サンプル内の脱出深さがより深くなります。高エネルギー元素からの信号は、低エネルギー元素からの信号よりも多くのペレットをサンプリングします。サンプルの X 線再吸収能力は、サンプルの平均原子量に直接比例します。

あらゆるサンプルの吸収能力は、その平均元素組成と存在する各元素の質量吸収係数から計算できます。質量吸収係数 (MAC) は、物質が電磁放射線をどの程度吸収するかを示す尺度です。 MAC が高いほど、物質はより多く吸収されます。

問題は、特定の元素の逃げ深さがペレットの厚さよりも大きい場合に発生します。

たとえば、ペレット「A」は要素「B」にはうまくプレスできますが、要素「C」にはうまくプレスできません。覚えておくべき主な点は、実際に本番環境で使用する前に、使用する予定の要素タイプで新しいペレットをテストすることです。ペレットは、さまざまな用途に使用される小さな丸い材料片です。要素のプレスのコンテキストでは、要素を所定の位置にプレスするためにペレットがよく使用されます。各要素タイプは異なるため、実稼働環境で実際に使用する前に、使用する予定の要素タイプで新しいペレットをテストすることが重要です。こうすることで、ペレットが確実に望ましい結果をもたらすことができます。

これは要素に依存する問題であるため、特定のプレスペレットでは、一部の要素では良好な結果が得られるが、他の要素ではそうでない場合があります。

プレスされたペレットが最も高いエネルギー要素の脱出深さよりも厚いことを確認する必要があります。これにより、すべての高エネルギー粒子がペレット内に捕捉され、正確に測定できるようになります。

通常、直径 32 mm のペレットの場合は 8 ～ 10 g のサンプル、直径 40 mm のペレットの場合は 13 ～ 15 g のサンプルで作成されたペレットは、要素に対して十分な厚さになります。

サンプルの汚染

サンプルが均質でない場合、たとえばサンプルに含有物が含まれている場合、得られるペレットはサンプル全体を代表していない可能性があります。このような場合、その含有物は、マトリックスとは無関係の重要な信号に寄与する可能性があります。ペレットが均一にプレスされていない場合、ペレット表面から得られる信号がペレット全体を代表していない可能性があります。サンプルの汚染を回避し、ペレットがサンプル全体を代表していることを確認するには、高品質のペレットプレスを使用することが重要です。ペレット全体にサンプルを均一に分散させます。さらに、相互汚染を避けるために、サンプル間でペレットプレスを清掃することが重要です。

汚染は通常、サンプルの粉砕プロセス中に発生し、サンプル前処理装置とサンプル間の相互汚染という 2 つの主な原因から発生します。最も一般的なタイプの汚染は、サンプル調製装置からの摩耗粉であり、研削中にサンプルに混入する可能性があります。場合によっては、サンプル間の相互汚染を防ぐための予防措置を講じることによって、この汚染を除去できることがあります。

サンプル調製装置からの汚染

サンプル粉砕機は、サンプルに最も多くの汚染をもたらす可能性のあるサンプル調製装置です。高速デバイスでは、サンプルを非常に早く分解する可能性がありますが、サンプルを汚染する可能性のある大量の粉塵やエアロ消耗性物質も生成する可能性があります。サンプル粉砕機を適切に使用しないと、分析に重大な誤差が生じる可能性があります。

粉砕機は、サンプルを粗い状態から細かい粉末に粉砕する機械です。最も一般的なタイプの粉砕機は、リングアンドパック式粉砕ボウルで、直径数ミリメートルのサンプルを微粉末に粉砕するために使用されます。

サンプルを粉砕するために選択した材料によっては、最終製品に異物が混入する可能性があります。これを避けるためには、粉砕媒体の選択に注意する必要があります。

スチール、炭化タングステン、アルミナやジルコニアなどのセラミックが最も一般的な選択肢です。

鋼にはFe、Ni、Crが添加され、タングステンカーバイドにはWが添加され、アルミナとジルコニアにはそれぞれAlとZrが添加されます。したがって、汚染を避けるために、分析対象の元素を考慮し、それに応じて粉砕容器を選択することが重要です。

炭化タングステンは最も硬い金属の 1 つであるため、多くの用途で一般的に選択されています。また、多くのアプリケーションでは、分析の重要な要素になる可能性も低くなります。ただし、多くの場合、炭化タングステンが最も高価なオプションとなります。

サンプル間の相互汚染

サンプルの汚染物質を分析する場合、サンプル前処理中の相互汚染は大きな問題です。結果にバイアスやゆがみが生じる可能性があり、正確な結論を導き出すことが困難になります。このリスクを最小限に抑えるには、厳格な洗浄プロトコルを導入し、常に遵守する必要があります。

二次汚染の潜在的な原因を何としてでも回避することが重要です。二次汚染を回避する 1 つの方法は、サンプルの種類ごとに専用のエリアを用意することです。こうすることで、ある種類のサンプルが別の種類のサンプルと接触するリスクがなくなります。相互汚染を避けるもう 1 つの方法は、サンプルの種類ごとに別々の機器を使用することです。これにより、ある種類のサンプルが別の種類のサンプルと接触するリスクがなくなります。最後に、サンプルを扱う際には適切な個人用保護具 (PPE) を使用することが重要です。これには、手袋、エプロン、フェイスマスクが含まれます。 PPE を使用することで、相互汚染のリスクを最小限に抑えることができます。

校正標準と日常サンプルの準備

すべての分析技術と同様、XRF 結果の精度と精度は、機器の校正、オペレーターの専門知識、サンプル前処理、分析方法の選択など、多くの要因の関数です。ただし、XRF は一般に非常に正確で精密な技術であると考えられています。

正確な分析を保証するには、校正標準と未知のサンプルを同じ方法で準備する必要があります。準備方法が異なれば、結果も異なる可能性があるためです。したがって、校正標準と未知のサンプルが異なる方法で準備されると、分析の精度が損なわれます。

まとめ

プレスペレットの調製におけるエラーの原因となる一般的な要因がいくつかあります。サンプルの粒子サイズは、結合剤の選択だけでなく、ペレットの精度にも影響を与える可能性があります。希釈率とサンプルに加えられる圧力の量も、最終的なペレットに影響を与える可能性があります。ペレットの厚さとサンプル間の相互汚染も誤差の一般的な要因です。

エラーを制限する方法を作成するときは、細部に注意を払い、一貫した警戒心を保つことが重要です。これは、プロトコルに一貫して従うだけでなく、明確で十分に文書化された方法があることを意味します。優れたメソッドの開発には、主題の理解と正確さへのこだわりが必要です。メソッドが開発されたら、データの収集、分析、解釈のベストプラクティスに準拠して変動の原因を制限することが重要です。