Fluorescenza a Raggi X a
Riflessione Totale (TXRF)
Principi ed Applicazioni
Amedeo Cinosi
G.N.R. srl
Sommario
PRINCIPI DELLA XRF
 Interazione dei Raggi X con la materia
 Fluorescenza RX
 TXRF: Principi e caratteristiche
APPLICAZIONI IN TXRF
 Elementi in tracce in campioni biologici
 Vegetali
 Acque, suoli e matrici ambientali
RAGGI X
RAGGI X
Natura corpuscolare - Energia (keV)
100
40
1
0.02
Natura ondulatoria - Lunghezza d'onda (nm)
0.01
0.03
1
10
FRX
E  h 
hc

E keV  
1.2398
 nm
Interazione dei Raggi X con la materia
Sorgente
RaggiX
Campione
Diffusione elastica
sull’atomo
(Rayleigh)
Eo = ho hf
Diffusione anelastica
incoerente
(Compton)
Effetto
fotoelettrico
Eo = ho> Efhf
Effetto fotoelettrico e XRF
Fotoelettrone
Ek = ho - EL
DE=E2-E1=Ka
Energia RX di
fluorescenza
E2
E1
Fotone RX
incidente
Eo = ho
Elettrone Auger
L'energia di transizione dell’atomo allo stato fondamentale può essere emessa come radiazione
elettromagnetica (Fluorescenza) oppure può essere ceduta ad uno degli elettroni, che viene così espulso
e può essere rilevato: effetto Auger
Transizioni elettroniche
Energie di transizione emesse dall’atomo dallo stato
eccitato allo stato fondamentale (Ka..La..)
Germanium
XRF - Righe K
2.4
counts/(channel second)
2.2
Ka
6.398 eV
2.0
Ferro
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
Kb
0.4
7.057 eV
0.2
0.0
5000
6000
7000
8000
photon energy [eV]
9000
10000
XRF - Righe L
counts / (channel second)
5
4
Lb
Piombo
La
3
2
Lg
1
0
8000
10000
12000
14000
photon energy [eV]
16000
Anodo del tubo RX
Energia delle righe XRF
MoKa17.479keV
Efficienza eccitazione di Z=f(E sorg.)
As
Pb
Tecniche XRF
Il campione irraggiato, genera un fascio policromatico di XRF
Principio delle tecniche analitiche XRF è la loro discriminazione sulla
base della lunghezza d’onda o dell’energia.
Diffrazione RX con
cristallo disperdente
(monocromatore LiF)
- Legge di Bragg
WDXRF
Fluoresc. a dispers.
di lunghezza
d’onda
XRF
EDXRF(~40°)
Detector a stato
solido
Si(Li)/SDD…
EDXRF
Fluoresc. a
dispers. di
energia
TXRF
Sommario storico della TXRF
1923 – Arthur Compton descrisse per la prima volta la
Riflessione Totale dei RX; i calcoli teorici e le valutazioni
sperimentali sono tuttora validi
1971 - Y. Yoneda, T. Horiuchi, scopre la possibilità della
riflesione totale dei RX per l’analsi spettrale simultanea di
Cr, Fe, Ni e Zn e i rispettivi LoD;
1975/80 – Wobrauschek e Aiginger in Austria e Knoth e
Schwenke rivalutano il principio per applicazioni
microanalitiche. I loro lavori portano alla realizzazione dei
primi prototipi di TXRF:
1987 – Compaiono i primi articoli su applicazioni e
valutazioni teoriche della TXRF da parte di ricercatori
tedeschi (ISAS) e austriaci (IEAA)
Da questo periodo iniziano Workshop che evolvono in
Congressi biennali sulle applicazioni e sui metodi della
TXRF
List of international TXRF conferences
Name
Year
Location Country
1. Workshop
1986
Geesthacht Germany
2. Workshop
1988
Dortmund Germany
Spectrochim Acta B 44
(1989) 433–549
3. Workshop
1990
Vienna Austria
Spectrochim Acta B 46
(1991) 1313–1432
4. Workshop
1992
Geesthacht Germany
Spectrochim Acta B 48
(1993) 107–299
5. Workshop
1994
Tsukuba Japan
Adv. X-Ray in
Chem. Anal., Jpn, 26s (1995)
6. Conference
1996
Dortmund/Germany
Spectrochim Acta B 52(19979
Eindhoven /Netherlands
795–1072
Austin, Texas USA
Spectrochim Acta B 54
7. Conference
1998
Special Issue
(1999) 1385–1544
8. Conference
2000
Vienna Austria
Spectrochim Acta B 56
(2001) 2003–2336
9. Conference
2002
Madeira Portugal
Spectrochim Acta B 58
(2003) 2023–2260
10. Conference
2003
Awaji Island,Hyogo Japan
Spectrochim Acta B 59
(2004) 1047–1334
11. Conference
2005
Budapest Hungary
Spectrochim Acta B 61
(2006) 1082–1239
12. Conference
2007
Trento Italy
Spectrochim Acta B 63
(2008) 1349–1510
13. Conference
2009
Goteborg Sweden
Letteratura sulla TXRF
Principio e definizione della TXRF
DIN 51003: Total Reflection X-Ray Fluorescence Principles and Definition
La riflessione e la rifrazione dei RX può essere descritta
q1 > qC
con lo stesso formalismo della luce visibile.
q1
q1r
r q2
n2
 inc=  rifl=  rifratt
i  icq1  qC
Riflessione: Angolo incidente q1=ang.riflesso q1r
Rifrazione: Legge di SNELL:
cos q 2
n
 1
cos q 1 n2
q2  0
q1
nn
22
r=90°
q1 < qC
q1
n2
Principio e definizione della TXRF
q1 > qC
q1
q1r
r q2
n2
i  icq1  qC
N1 RX aria1; n2 RX <1
q2  0
n1 RX aria> n2 RX
q1
Esiste un angolo di incidenza q1=qC per il quale l'angolo di rifrazione q2 = 0°
e si ha
cos q 2
n
 1
cos q 1 n 2
nn
22
1
n
 1
cos q 1 n2
Ovvero per q1<qC non si rifrazione.
Tale angolo è detto angolo critico:
cosqC= n2/n1
L’indice di rifraz. RX nell’aria n11 
cosqC= n2
q1 < qC
q1
n2
Se l'angolo di incidenza è minore dell'angolo critico, il raggio incidente viene
totalmente riflesso (riflessione totale).
r=90°
Introduzione alla tecnica TXRF
Il raggio primario e riflesso generano onde stazionarie in prossimità della superficie.
Le frange d’interferenze generate sulla superficie del riflettore (A) h< 2µm
contribuiscono ad aumentare l’intensità degli FRX prodotti in tale volume.
A. Von Bohlen et al. J.Anal. At. Spectrom 2009, 24,792-800.
Intensità FRX per piccoli angoli d’incidenza
a=0.1°=1.75mrad
2.0
1.8
Fluorescence
line
Arbitrary units
Intensità RX
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
Quartz reflector
Mo Ka radiation
R=1
Reflectivity
R
Line intensity
IL ( 1 + R )
R=0
Background
I Rifl
I Incid
Sup. liscia
rugosità<1/20
Background
IB ( 1 - R ) sinq
0.6
0.4
Sup.
ruvida
0.2
0.0
0.0
0.5
1.0
1.5
critical
angle
2.0
2.5
angle [mrad]
3.0
3.5
4.0
Limiti di accettabilità in TXRF
From: R. Klockenkämper and A. Von Bohlen Spectrochimica acta part B 44 (1989) 461-469.
Limiti di accettabilità in TXRF
I materiali fini come nano-particelle/cristalli sono meno eccitati rispetto alle granulometrie micrometriche.
Cause:
 dispersione (scattering RXθ) dei RX da parte delle nano-particelle;
 incompleta illuminazione dei fini a causa della bassa intensità delle frange d’interferenze tra gli RX incidenti
e riflessi in prossimità della superficie.
A. Von Bohlen et al. J.Anal. At. Spectrom 2009, 24,792-800.
Sensibiltà degli elementi in TXRF
La sensibilità (S=I/mass) è funzione della sorgente e del numero atomico
Sensibilità
5000
25000
Mo
X-ray tube
4000
20000
Rb
Sr
Se
3000
As
Counts
Counts
15000
Si Ar
2000
Ga
Zn
Cu
Ni
Co
Fe
Mn
Cr
V
10000
1000
5000
Si Ar
0
Mo
X-ray tube
0
0
4
8
12
16
Photon energy, keV
TXRF spectrum of a
clean sample support
20
0
4
8
12
16
Photon energy, keV
TXRF spectrum of a
multi-element solution,
each 0.1µg/mL
20
Introduzione alla tecnica TXRF
Total reflection X-ray fluorescence (TXRF) first paper 1971
- TXRF shows excellent performance for micro-analysis of solids
- in the first approach TXRF is not a method for trace analysis
Schematic representation
Si(Li) / SDD detector
Multilayer: raggi
monocromatici
e paralleli
Collimatore
Fluorescence
radiation
X-ray
tube
Totally reflected
beam
Fenditura
Sample support
with sample
Quantificazione
Ix / Sx
cx 
 100%
 I i / Si
Se la massa del campione è
sconosciuta, Cx è relativa alla
somma di tutti gli elementi rilevati
S=I/mass
S=sensitivity
I=Intensity
Se la massa del campione è nota, Cx è
relativa alla concentrazione/massa di
uno Standard Interno
Ix / Sx
mint
cx 

I int / S int msample
Confronto TXRF vs EDXRF
PRINCIPALI DIFFERENZE
Geometria
Background
 LoD
Effetto matrice  Calibrazione
TXRF vs EDXRF: Geometria
La principale differenza EDXRF-TXRF è nella geometria
dell’angolo d’incidenza a del raggio primario
EDXRF: a circa 40°.
TXRF: a≤ angolo critico di riflessione (~0.1°).
Posizione detector.
TXRF
Conventional EDXRF
Energy-dispersive
detector
Energy-dispersive
detector
X-ray
tube
X-ray
tube
Fluorescence
radiation
Primary
beam
Fluorescence
radiation
a
Sample
Totally reflected
beam
Sample on
Optical flat
TXRF vs EDXRF: Detection Limits
Counts / channel
1500
Definizione LoD (IUPAC)
1000
Nb
LoD  3 
500
0
16.0
16.2
16.4
16.6
16.8
m B

A
t
17.0
Energy [keV]
A
= sensibilità
m
B
A
m
t
(cps)
(cps)
(pg)
(sec)
conteggio del background
Area netta dell’analita
massa dell’analita
tempo di acquisizione
In condizione di riflessione totale il background spettrale è minimo.Tra le tecniche a
dispersione di energia, i limiti di rilevabilità più bassi, a parità di matrice, si hanno in TXRF
TXRF vs EDXRF: Calibrazione
Ci=Ki•Ii
Ci=conc. Ii=intensità (cts) Ki=fattore matrice
EDXRF:Ki=f(C1+C2+C3+..)
1,2,3..elementi della matrice
Effetti matrice
Calibrazione
• parametri fondamentali
funzione della geometria e della
fisica del sistema
• materiali standard (CRM) affini
TXRF: Ki=cost per
assenza effetti
matrice
Analisi quantitativa con
un solo standard
interno
Preparazione e analisi campione
Vol.= 8 µL
Rimozione frazione
solvente
(es. evap. 90-100°C)
Film sottile
RX-tube
Pesare
Campione
Omogeneizzare
Aggiungere Std Interno
Si/Li
Detector
TXRF vs EDXRF: Confronto
VANTAGGI
LIMITI
alto range dinamico 105
Bassa sensibilità per
riduzione/eliminazione del
elementi leggeri (Na, Mg, Al,
Si)
background spettrale:
miglioramento dei Limit of
Detection (LoD) fino a cinque
ordini di grandezza (da 10-7 a
10-12 g).
Assenza effetti matrice:
analisi quantitativa con un solo
Standard Interno
Non determinabili Z<11
(Li, Be, B, F)
Il campione dev’essere in
fase liquida: mineralizzato o
sospeso (slurry)
Principali campi d’applicazione
From - P. Wobrauschek - Total reflection x-ray fluorescence analysis—a review
X-Ray Spectrom. 2007; 36: 289–300 - DOI: 10.1002/xrs.985
Elementi in tracce in campioni
biologici
Fegato di capodoglio omogeneizzato
NIST-QC03LH3 - Il campione è stato analizzato come
slurry- Fe int std
NIST
Recommended
Recomm.
TXRF Average
Val.-U
Values (ppm)
Val.+U
(ppm)
sd
rsd%
2.55
19.5
6.69
1.54
2.90
2.74
21.15
7.87
1.61
3.57
2.93
22.8
9.05
1.68
4.24
2.74
22.10
8.0
1.636
3.2
0.48
0.06
0.03
0.078
0.4
17.6
0.3
0.3
4.8
13.0
Cu
Zn
Se
Rb
Hg
25
TXRF values
NIST values
20
conc (ppm)
Cu
Zn
Se
Rb
Hg
Recomm.
15
10
5
0
Cu
Zn
Se
Rb
Hg
®
BCR
– 150
SKIM MILK POWDER
Il controllo degli eventuali contaminanti ambientali del latte può assumere la valenza di controllo della situazione
ambientale, dei processi di produzione e trasformazione industriale quindi di verifica igienico sanitaria dell’alimento
e di azione preventiva sull’uomo.
I metalli pesanti sono indubbiamente degli inquinanti ambientali che si possono rinvenire sia nel latte che nei suoi
derivati
Preparazione del campione:
il campione è stato disperso in solvente e
acqua + Int Std
SKIM MILK POWDER TXRF spectrum
BCR® – 150
SKIM MILK POWDER
Reference
TXRF results
media
(μg/g)
sd
Ref.
IC (95%)
Fe
Zn
Ni
Cu
Ga
Rb
Sr
Pb
12
44
0
2.8
100
23
7
0.9
0.6
1.4
0.1
0.4
0.0
2.2
1.0
0.1
11.8
0.6
2.23
0.08
1
0.04
P
S
K
Ca
Ti
V
As
6020
1439
13637
9797
0.9
0.7
<1
60.7
502.8
681.2
368.5
0.2
0.3
Analisi dei Capelli mediante TXRF
Il capello è un organo di secrezione dell'organismo e può dare chiarimenti su disturbi d'alimentazione, su malattie
metaboliche o indice delle condizioni ambientali ovvero rappresenta "diario chimico“.
L'analisi dei capelli offre inoltre la possibilità di diagnosticare, in uno stadio prematuro, squilibri minerali nell’organismo,
ovvero possono essere considerati uno strumento di medicina preventiva.
I metalli pesanti misurati nei capelli sono un gradiente per l'avvelenamento dell'ambiente e della persona colpita.
L'ufficio federale della sanità (USA) applica l'analisi dei capelli come metodo per accertare i problemi di inquinamento.
Approccio microanalitico della TXRF
Standard interno: Zn
Lo zinco infatti è presente nei capelli a livelli costanti: Zn=200±50
Gelleis et al - Biol Trace Elem Res. 2008 Summer;123(1-3):250-60
Khuder A. et al. Journal of radioanalytical and nuclear chemistry -2007, vol. 273, no 2, pp. 435-442
Analisi dei Capelli mediante TXRF
Element
Conc.(µg/g)
sd
S
K
Ca
Sc
Fe
Ni
Cu
Zn
As
Se
Br
Rb
Sr
Pb
Cl
Ti
10013
4641
4955
28
265
3
21
200
6
0
16
5
39
0
14721
126
214
72
58
13
6
1
2
4
1
0
1
1
1
0
194
10
Siero Umano
Siero umano
TXRF results
Reference serum data
Media
(mg/g)
SD
rsd%
IC = ±
Sample
treatment
X-Ray
source
P
46
5
10
6
vap diss/TQ
W La
P
S
838
136
16
143
TQ
W La
S
K
132
5
4
7
vap diss/TQ
W La
K
Min
(mg/g)
Max
(mg/g)
20.00
43.0
102
135
Ca
85
1.4
2
1.5
vap diss/TQ
W La
Ca
86
104
Cl
3185
328
10
814
TQ
W La
Cl
3440
3760
V
<0.05
vap diss
W La
V
Cr
<0.02
vap diss
W La
Cr
Mn
<0.02
Fe
0.94
0.56
1.68
Co
vap diss
W La
Mn
vap diss/TQ
W La
Fe
<0.016
vap diss
Mo Ka
Co
Ni
<0.01
vap diss
Mo Ka
Ni
Cu
0.82
0.03
4
0.05
vap diss
Mo Ka
Cu
0.83
1.40
Zn
0.93
0.05
6
0.09
vap diss
Mo Ka
Zn
0.8
1.3
As
<0.01
vap diss
Mo Ka
As
Rb
0.17
0.02
12
0.05
vap diss
Mo Ka
Rb
Sr
0.08
0.01
16
0.02
vap diss
Mo Ka
Sr
W
0.08
0.02
21
0.04
vap diss
Mo Ka
W
Pb
<0.02
vap diss
Mo Ka
Pb
Y
0.03
0.004
12
0.04
vap diss
Mo Ka
Y
Se
0.05
0.02
29
0.04
TQ
Mo Ka
Se
0.06
0.11
Br
2.72
0.04
1
0.10
TQ
Mo Ka
Br
0.02
2
0.02
http://www.rcpamanual.edu.au
http://www.healthatoz.com/healthatoz/Atoz/ency/electrolyte_tests.jsp
PLASMA
PLASMA
Element
Conc.(µg/g)
Error
Fe
2.80
0.11
Ni
<0.2
Cu
1.12
Zn
Element Conc.(µg/g)
Error
P
253
14
S
2801
20
0.06
Cl
8679
24
2.42
0.07
K
1434
6
As
0.00
0.00
Ca
151
2
Se
0.10
0.02
Ti
0.52
0.13
Br
6.06
0.07
V
<0.5
Rb
1.52
0.01
Cr
<0.5
Mn
<0.3
URINA
URINA
Element
Zn
Br
Rb
Sr
Pb
As
Se
Conc.(µg/g)
0.95
4.6
2.6
0.33
0.00
0.05
0.02
Element
P
S
Cl
K
Ca
Fe
Cu
Conc.(µg/g)
227
618
768
2001
185
0.95
<0.3
Metalli in Tabacco
CRM OTL1
Ref.
Conc.
(ppm)
Tal quale vs Ref. data
Average RSD LoD
(ppm)
% (ppm)
P
2892
900
33
348
S
7320
6653
3
229
Cl
298
259
26
135
K
15600
13847
2
67
Ca
31700
31900
3
41
52
47
9
Ti
V
1.55
<7
6
Cr
2,59
<5
5
Mn
412
403
2
4
Fe
989
833
15
3
Ni
6,32
6,07
16
2
Cu
14,1
13
24
2
Zn
49,9
48
3
2
As
0,5
2
5
1
Br
9,28
9,3
14
1
Rb
9,79
8,1
3
1
Sr
201
216
1
1
Ba
84,2
85
16
22
Pb
4,91
4
21
3
Spirulina maxima
La spirulina é un integratore alimentare naturale ad alto contenuto di vitamine B 12, acido folico,
ferro e antianemici capaci di migliorare l'ossigenazione delle cellule aumentandone l'efficienza .
Impiegata nell'anemia, nella gravidanza e in convalescenza. La notevole presenza di fenilanina
e tirosina riducono sensibilmente il desiderio di cibo rende quest'alga un valido aiuto nelle diete..
Campione
Pianta
Provenienza
SPIRULINA POLVERE MICRONIZZATA
Spirulina maxima - fam. Oscillatoriaceae
COLTIVATA
CHINA
Spirulina maxima
<1.5
<1
3.7
5.0
27.9
<2
<2
<5
Variazione del LoD con l'arricchimento del campione sul
portacampione
RSD%
9
5
7.0
2
3
TQ-LoD
OVD-LoD (8 mcl)
OVD-LoD (16 mcl)
6.0
5.0
10
4
<1.7
<1.9
6
mg/kg
P
S
Cl
K
Ca
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Ni
Cu
Zn
Ga
As
Se
Br
Rb
Sr
Pb
Hg
W
average
(ppm)
4923
4851
<100
14681
3780
<7
<5
<4
20.2
489.0
1.7
1.6
24.4
4.0
3.0
2.0
1.0
12
11
10
0.0
Ti
V
Cr Mn Fe Ni Cu Zn Ga As Se Br Rb Sr Pb
Elementi
Caratterizzazione di Terreni
Tal quali
*SENZA TRATTAMENTO CHIMICO
TXRF – sample slurry analysis
Obiettivi




Analisi campione tal quale
Simultanea determinazione quantitativa con uno Int. Std.:
Metalli
Cl, S, I, Br
As, Se, Sb…Hg
Incremento produttività: tempi/costi
Possibilità di analizzare microcampioni
Punti critici


Sedimentazione dello slurry – campione rappresentativo
(prelievo=8 ml)
Assicurarsi che siano verificate le condizioni per una effettiva
Total Reflection (critical mass/thickness)
Granulometria campione
Campione
Polvere
Volume (%)
Macinato in vibromulino
Particle Size Distribution
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0.01
0.1
1
10
Particle Size (µm)
VI 33, 10 November 2006 10:42:33
D < 1 mm
10%
D <10 mm
50%
D < 30 mm
90%
100
1000 3000
Sedimentazione dello slurry
8.00
2 R 2 (d s  d l ) g
v
9
Qz in Solv. (cm/sec)
6.00
V (cm/sec)
Nella sospensione della polvere
nel liquido la velocità di
caduta dei granuli è data
dalla legge di Stoks:
FeOOH_H2O
Qz in H2O (cm/sec)
7.00
FeOOH in H2O
(cm/sec)
FeOOH in Solv.
(cm/sec)
5.00
FeOOH_solv
4.00
QZ_H2O
3.00
2.00
v= velocità di sedimentazione;
R = raggio delle particelle disperse;
ds = densità della fase solida;
dl = densità della fase liquida;
g = accelerazione di gravità;
h = viscosità della fase continua.
QZ_solv
1.00
0.00
0
0.0005
0.001
0.0015
0.002
0.0025
0.003
0.0035
Raggio (cm)
Soluzione
Solvente dipolare aprotico
Per ridurre la velocità di caduta
e la differenza di velocità tra le
fasi della polvere
 solv > H2O
 Buon potere disperdente delle
polveri
TXRF massa/spessore critico per
Analisi di Slurry
t
K
(m  ) 
K = cost 0.10.05
(m/)  coff. d’assorb.
di massa del
campione
  densità del
campione
t = spessore critico
From: R. Klockenkämper and A. Von Bohlen Spectrochimica acta part B 44 (1989) 461-469.
Spessori critici e masse critiche approssimative di “infiniti”
film sottili analizzati in TXRF con sorgente Mo-Ka. I
valori critici dipendono dall’energia E dei raggi-X di
fluorescenza dei singoli elementi.
Certified Reference Materials
GBW 07405 SOIL
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
Found
412
118
144
1360
40
117
41,5
22,7
629
166
21
12452
494
88267
430
102
142
1429
36
133
55
26
648
182
27
11925
515
Int.Std.
NIST SRM 2781
Certified
values
K
Ca
Ti
Cr
Fe
Ni
Cu
Zn
As
Pb
Se
ppm 4900
ppm 39000
ppm 3200
ppm
202
ppm 28000
ppm 80,2
ppm 627,4
ppm 1273
ppm
8
ppm 202,1
ppm
16
Found
4635
41048
3391
204
Int.Std.
75
621
1277
14
200
13
40000
GBW 07401 SOIL
Certified
values
As
Cr
Cu
Mn
Ni
Pb
Rb
Sr
Th
Ti
V
Y
Ca
K
Zn
Fe
ppm 33,5
ppm
62
ppm
21
ppm 1760
ppm 20,4
ppm
98
ppm
140
ppm
155
ppm
12
ppm 4830
ppm
86
ppm
25
ppm 12293
ppm 21501
ppm
680
ppm 36300
Found
42
47
20
1705
19
93
139
162
8
4705
91
24
11557
19143
694
Int.Std.
TXRF Data (ppm)
As
Cr
Cu
Mn
Ni
Rb
Sr
Th
Ti
V
Y
K
Zn
Fe
Certified
values
30000
20000
10000
0
0
10000
20000
30000
Certified values (ppm)
Y=A+B*X
R = 0.99749
Param
A
B
Value
-67.2
1.01
N = 38
sd
93.8
0.01
40000
Tematiche ambientali 2006- Inquinamento atmosferico e beni culturali.
Protezione e conservazione del patrimonio culturale- Udine, 5-7 dicembre 2006
CARATTERIZZAZIONE ELEMENTARE MEDIANTE
FLUORESCENZA A RAGGI X IN RIFLESSIONE TOTALE E
SPETTROMETRIA OTTICA IN EMISSIONE CON PLASMA
ACCOPPIATO INDUTTIVAMENTE DEI DEPOSITI
SUPERFICIALI DEL TEATRO ROMANO DI AOSTA
Région Autonome Vallée d'Aoste
Regione Autonoma Valle d'Aosta
Amedeo Cinosi, Filippo Lo Coco, Anna Piccirillo, Lorenzo Appolonia, Francesca Tibaldi, Nunzio Andriollo
Particolato atmosferico
Attività di ricerca del Ni in ambiente di lavoro (capannone di compostaggio).
Ni: allergenico e causa di tumori delle alte vie respiratorie
F<100mm
Mediana F=30mm
Particolato atmosferico
ICP OES: campione mineralizzato HF/HNO3
TXRF: campione analizzato tal quale; Int.Std=Fe (dato ICP)
K
Ca
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Ni
Cu
Zn
As
Br
Rb
Sr
Y
Pb
Ba
Cd
Sn
TXRF
media
(ppm)
SD
11617
478
56334
3829
1693
315
<60
283
127
700
160
intern. Standard
136
35
589
128
1764
309
25
11
42
8
40
3
285
37
17
7
1345
352
1166
232
ICP-OES
media
(ppm)
10260
56680
--281
709
41995
163
394
1386
---212
-1044
-9
223
SD
14
5685
100000
6
13
1252
6
4
37
1000
TXRF
10000
ICP OES
100
10
1
1
K
Ca
Cr
Mn
Ni
Cu
Zn
Sr
Pb
4
1
47
Si osserva un generale accordo tra i dati ottenuti
con i due metodi d’analisi. La TXRF ha inoltre
permesso di trarre maggiori informazioni sulla
composizione del campione.
Analisi di campioni tal quali Vantaggi





Rapidità
Simultaneità (metalli, alogeni, Hg, As, Se..)
Un solo std interno
Screening analitico
Buone accuratezze e precisione aggiungendo
Ga=std int agli slurry di polveri omogenee,
fini e con densità <1.5-2 g/cm3 (es. fanghi,
fasi metallorganiche, pigmenti per cosmesi,
prod. chimici, ceneri, farmaci, vegetali..)
Analisi tal di campioni tal quali Limiti



Elementi leggeri
Disomogeneità campione
e granulometria→RSD%
Densità → accuratezza
Analisi campioni Tal Quali
Gli effetti della disomogeneita e della densità sono
minimizati utilizzando un idoneo mezzo disperdente
180
elements recovery comparison
(GBW 07401 slurry)
Recovery %
160
140
120
100
80
Slurry in H2O
60
Slurry in NMP
40
As
Ba
Cr
Cu
Mn
Ni
Pb
Rb
Sr
Ti
V
Y
Ca
K
Acqua
TXRF spettrum with W La
source
TXRF spettrum with Mo Ka
source
LoD Mo Ka and W
La source
24DMW - water results
Average
(m g/g)
K
Ca
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
As
Br
Rb
Sr
Ba
Hg
Tl
Pb
Bi
Se
0.05
0.21
0.010
<0,003
0.013
0.011
0.10
0.009
0.011
0.025
0.017
<0,002
0.002
<0,002
0.011
0.011
0.004
0.009
0.012
0.011
0.003
±IC
Source
0.022
0.044
0.000
W La
W La
W La
Mo Ka
Mo Ka
Mo Ka
Mo Ka
Mo Ka
Mo Ka
Mo Ka
Mo Ka
Mo Ka
Mo Ka
Mo Ka
Mo Ka
W La
Mo Ka
Mo Ka
Mo Ka
Mo Ka
Mo Ka
0.003
0.001
0.014
0.002
0.001
0.008
0.008
0.001
0.004
0.005
0.002
0.004
0.003
0.005
0.001
Mo Kα W Lα
K
Ca
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
As
Br
Rb
Sr
Ba
Hg
Tl
Pb
Bi
Se
Soluzione Standard di acqua
0.050
0.050
0.010
0.003
0.004
0.003
0.003
0.003
0.002
0.002
0.002
0.002
0.002
0.002
0.006
0.003
0.003
0.003
0.003
0.002
0.001
0.004
0.004
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
0.001
Acque reflue
Campione: acqua reflua, torbida e con visibile particolato sospeso, proveniente da un
impianto di depurazione. Mediante la TXRF è possibile quantificare simultaneamente
tutte le fase presenti senza alcun tipo di trattamento del campione
Acque reflue
media
( m g/g)
P
S
Cl
K
Ca
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Ni
Cu
Zn
As
Br
Rb
Sr
Pb
Bi
<7
537
2119
31
301
12
<0,2
76,7
0,6
8,5
0,09
0,25
0,95
<0,05
2,40
0,043
0,8
0,095
0,031
sd
( m g/g)
RSD%
15
68
2
6
1
3
3
5
2
4
0,7
0,1
0,4
0,01
0,05
0,03
1
15
5
12
20
3
0,08
0,006
0,1
0,003
0,007
3
14
13
4
23
LoD
( m g/g)
10
15
2
2
0,5
0,2
0,2
0,2
0,3
0,03
0,03
0,04
0,05
0,05
0,02
0,02
0,02
0,02
 Analisi simultanea e quantitativa con un
solo Standard Interno delle varie fasi
presenti nel campione.
 Determinare in un’unica soluzione tracce e
elementi maggiori.
 Analisi del Cl, S, Br Totali ovvero presenti
in fasi organiche ed inorganiche.
 Analisi di As, Se, Sb…Hg (> LoD)
 Incrementare produttività: numero di
informazioni, tempi e costi
Applicazioni nel campo
geochimico
Cinosi and Rustioni: TXRF 2002
Sept. 8 – 13, 2002 Madeira, Portugal
Analisi di materiali inorganici:
rocce e prodotti di corrosione
Certified Reference Material (CRM)
ICP-Sample
Producter
Sample
Material
Sample
Material
MINTEK
MINTEK
NIM G
NIM L
Granite
Lujavrite
Z1
VL-B
Zeolites
Corrosion Product
GSJ
JB 1
Basalt
VL-C
Corrosion Product
NCS
DC 14018
Dolomite
VL-D
FC352
Corrosion Product
Corrosion Product
MIN G Granite –TXRF spectrum
Nim G – Granito
MnO
CaO
K2O
TiO2
Cr
Ni
Cu
Zn
Ga
As
Rb
Sr
Y
Hf
Pb
Th
Found
1,E+05
%
2,02
%
2,02
1,E+04
0,021
0,78
4,99
0,09
m g/g
2
8
12
50
27
15
320
10
143
12
40
51
0,02
0,79
4,97
0,09
m g/g
<10
<3
8
51
27
15
311
12
133
11
39
44
LoD
10
3
0,1
5
4
1
1
1
1
5
2
2
TXRF data (mg/g)
Fe2O3
Ref.
1,E+03
1,E+02
1,E+01
1,E+00
1,E+00
1,E+01
1,E+02
1,E+03
Ref. data (mg/g)
Linear Regression for NIM G
Y=A+B*X
N = 14
R =1
Param
Value
sd
A
6
13
B
0,9963
0,009
1,E+04
1,E+05
Valutazione dei dati in TXRF
Elementi: As, Ca, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, Hf, K, Mn, Ni, Pb, Rb, Sr, Th,
Ti, Y, Zn da 0.5mg/g a 44%
Valutazione statistica dei
dati (n=78) con il
PAIRED t-TEST
I risultati non
differiscono
significativamente
CRM and ICP data / TXRF correlation data result.
Equation: Y = A + B X
n
r
A
SD (A)
B
SD (B)
78
0.99974
-180
277
1.009
0.003
Le due serie di dati sono
linearmente correlate
Coltan Columbo-Tantalite
Nb
Ta
Fe
Mn
Sn
W
Ti
Ca
V
Cr
Se
Y
K
Rb
Sr
Pb
Th
U
Ce
Nd
Conc %
sd
24
11.7
8.2
5.4
3.39
1.18
1.12
4705
<200
<200
<30
1071
<500
<20
152
488
221
1094
968
608
2
0.6
0.4
0.4
0.04
0.09
0.06
256
rsd
%
7
5
5
8
1
8
6
5
72
7
40
147
87
126
196
23
26
30
39
12
20
4
LoD % Sorgent
e
0.3
W-La
0.015 Mo-Ka
0.01
Mo-Ka
0.015 Mo-Ka
0.06
W-La
0.015 Mo-Ka
0.015
W-La
300
W-La
200
Mo-Ka
200
Mo-Ka
30
Mo-Ka
20
Mo-Ka
500
Mo-Ka
20
Mo-Ka
20
Mo-Ka
70
Mo-Ka
40
Mo-Ka
40
Mo-Ka
280
W-La
250
W-La
Bibliografia
R. Klockenkämper, Total-Reflection X-Ray Fluorescence Analysis,
John Wiley and Sons Inc., New York, 1997, ISBN 0-471-30524-3
Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy
TXRF Special Issues – TXRF conference proceedings
Grazie per l’attenzione
Amedeo Cinosi
GNR srl
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