Quang phổ nhiễu xạ tia X (XRD) và ứng dụng

Mục lục bài viết

XRD là gì?

XDR là viết tắt của từ X-Ray diffraction trong tiếng Anh, có nghĩa là Nhiễu xạ X-ray. Nhiễu xạ X-ray là một kỹ thuật phân tích không phá hủy, cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể, trạng thái, định hướng tinh thể, và các thông số cấu trúc khác, chẳng hạn như kích thước trung bình hạt hay các khuyết tật tinh thể.

Bản chất của nhiễu xạ tia X là hiện tượng các chùm tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể của chất rắn. Tính tuần hoàn của cấu trúc tinh thể tạo nên các phổ nhiễu xạ cực đại và cực tiểu. Kỹ thuật nhiễu xạ tia X được sử dụng để phân tích cấu trúc chất rắn, vật liệu… Xét về bản chất vật lý, nhiễu xạ tia X cũng gần giống với nhiễu xạ điện tử, sự khác nhau trong tính chất phổ nhiễu xạ là do sự khác nhau về tương tác giữa tia X với nguyên tử và sự tương tác giữa điện tử và nguyên tử.

Ứng dụng của Quang phổ nhiễu xạ tia X

XRD có thể được sử dụng để xác định các đơn tinh thể và tiết lộ cấu trúc của chúng. Các nhà địa chất nhận thấy XRD đặc biệt hữu ích vì nó có thể được sử dụng để xác định các tinh thể có trong hỗn hợp, chẳng hạn như khoáng chất trong đá. Đối với các khoáng chất có công thức và cấu trúc thay đổi, chẳng hạn như đất sét, XRD là phương pháp tốt nhất để xác định và xác định tỷ lệ của chúng trong một mẫu.

Nhiễu xạ tia X được sử dụng rộng rãi trong việc xác định các vật liệu tinh thể chưa biết (ví dụ: khoáng chất, hợp chất vô cơ). Xác định chất rắn chưa biết rất quan trọng đối với các nghiên cứu về địa chất, khoa học môi trường, khoa học vật liệu, kỹ thuật và sinh học. Các ứng dụng bao gồm:

Xác định đặc tính tinh thể của vật liệu
Xác định cấu trúc tinh thể sử dụng Phân tích Rietveld
Thực hiện đo lường cấu trúc vật liệu, ví dụ như sự định hướng của các hạt trong các mẫu đa tinh thể
Đo độ tinh khiết mẫu
Xác định các thành phần và hàm lượng của các khoáng chất (phân tích định lượng)
Xác định các khoáng chất hạt mịn như đất sét và đất sét hỗn hợp (rất khó để xác định bằng các phương pháp quang học)
Xác định kích thước đơn vị của mạng tinh thể

Phân tích Rietveld là một kỹ thuật được Hugo Rietveld mô tả đầu tiên, sử dụng trong việc xác định đặc tính của các vật liệu có dạng tinh thể. Sự nhiễu xạ neutron và tia X của các mẫu bột và hỗn hợp mẫu bột tạo ra một đặc tuyến đặc trưng bởi sự phản xạ tại các vị trí nhất định và duy nhất cho từng vật liệu.

Các kỹ thuật nhiễu xạ tia X phổ biến

Nguyên lý nhiễu xạ X-Ray vật liệu bột

Nhiễu xạ X-Ray vật liệu bột (Powder X-ray diffraction) là phương pháp sử dụng cho các mẫu đa tinh thể, được sử dụng rộng rãi nhất trong việc xác định cấu trúc tinh thể bằng cách sử dụng một chùm tia X hẹp song song năng lượng hẹp, chiếu vào mẫu. Người ta sẽ quay mẫu và cảm biến thu chùm nhiễu xạ trên một đường tròn đồng tâm, ghi lại cường độ chùm tia phản xạ và phổ nhiễu xạ bậc 1 (n = 1).

Phổ nhiễu xạ sẽ là biểu đồ biểu diễn cường độ nhiễu xạ với 2 lần góc nhiễu xạ (2θ). Đối với các mẫu dạng màng mỏng, cách thức thực hiện có một chút khác biệt, khi đó người ta chiếu tia X tới dưới góc rất hẹp (để tăng chiều dài tia X tương tác với màng mỏng, giữ cố định mẫu và chỉ quay cảm biến.

Đối với mẫu đơn giản nhất, bao gồm các tấm điện tích cách nhau một khoảng d, giao thoa cộng hưởng (cường độ tán xạ lớn hơn) được quan sát khi thỏa mãn Định luật Bragg: n λ = 2 d sin θ.

Phương pháp nhiễu xạ mẫu dạng bột cho phép xác định thành phần pha, cấu trúc tinh thể (các tham số mạng tinh thể) và là phương pháp rất dễ thực hiện… Ngoài phương pháp nhiễu xạ bột còn có phương pháp Nhiễu xạ Laue và phương pháp đơn tinh thể quay.

Ưu điểm và hạn chế của phương pháp nhiễu xạ tia X?

Ưu điểm

Có kết quả nhanh (<20 phút) để xác định một khoáng chất chưa biết.
Cung cấp thông tin định lượng khoáng chất trong hầu hết các trường hợp.
Chuẩn bị mẫu tối thiểu.
Thiết bị XRD tương đối phổ biến với chi phí trung bình.
Giải thích dữ liệu tương đối đơn giản.

Hạn chế

Cần vật liệu đồng nhất khi cần xác định các vật liệu chưa biết.
Cần thư viện tham chiếu chuẩn của các hợp chất vô cơ.
Yêu cầu mẫu có từ 0,1 gam vật liệu dạng bột.
Đối với vật liệu dạng hỗn hợp, giới hạn phát hiện là ~ 2% mẫu
Đối với ứng dụng xác định đơn vị ô tinh thể, việc lập chỉ mục các mẫu cho các hệ tinh thể không đẳng cự rất phức tạp.
Cộng hưởng bề mặt có thể xảy ra do ảnh hưởng của tín hiệu “phản xạ” ở góc cao.

Thiết bị phân tích XRD di động

Các thiết bị phân tích XRD như TERRA™ II và BTX™ III thế hệ tiếp theo sử dụng công nghệ này để cung cấp phân tích pha và khoáng chất nhanh chóng, đáng tin cậy của các thành phần chính và phụ trong thời gian thực trực tiếp trên máy phân tích.

Máy phân tích XRD để bàn BTX ™ III (trái) và máy phân tích XRD di động TERRA ™ II (phải) cung cấp khả năng phân tích như các hệ thống phòng thí nghiệm lớn, phức tạp với thiết kế nhỏ gọn, nhẹ.

Các thiết bị XRD dựa trên goniometer thông thường sử dụng kỹ thuật hình học phản xạ để xử lý dữ liệu XRD. Do đó, các thiết bị này lớn, có nhiều bộ phận chuyển động và thường yêu cầu làm mát bên ngoài. Một nhược điểm khác là các thiết bị này cũng yêu cầu mẫu với khối lượng lớn để phân tích. Trước đây, những hạn chế này đồng nghĩa với việc phân tích XRD luôn diễn ra trong phòng thí nghiệm.

Trên các thiết bị XRD mới của Olympus đã đưa phương pháp XRD trở nên cơ động hơn trước bằng cách sử dụng phương pháp hình học truyền dẫn độc đáo nơi chùm tia X đi qua mẫu.

Hình minh họa cách tiếp cận sử dụng hình học truyền dẫn.

Phương pháp này không yêu cầu bộ phận chuyển động, cho phép thiết kế thiết bị XRD di động, chạy bằng pin thương mại đầu tiên trên thế giới là thiết bị TERRA ™ II. Ngày nay, các thiết bị XRD tiếp tục cung cấp tính di động và dễ sử dụng và chỉ yêu cầu khoảng 15 mg mẫu để tiến hành phân tích.

Khi mẫu được chứa trong buồng mẫu, máy phân tích XRD sử dụng phương pháp ngẫu nhiên hóa hạt được gọi là hóa lỏng bột. Với phương pháp này, các máy phân tích của chúng tôi áp dụng tần số rung không đổi lên mẫu, làm cho bột chuyển động từ trên xuống dưới và quay trên trục của nó.

Trong vòng 30 giây, mọi hạt trong cửa sổ mẫu sẽ đi qua chùm tia X theo mọi hướng có thể. Kết quả là, các thiết bị XRD đạt được sự ngẫu nhiên 100% — thành phần quan trọng nhất của nhiễu xạ tia X có kết quả chính xác.

Quy trình phân tích định lượng khoáng chất trên thiết bị XRD

Quy trình XRD đơn giản nhất có thể đạt được kết quả đo khoáng định lượng một cách nhanh chóng và dễ dàng. Quá trình này có thể được giải thích chỉ trong một vài bước:

1. Chuẩn bị mẫu

Đầu tiên, chuyển mẫu thành dạng bột. Các phụ kiện đi kèm với máy phân tích để giúp việc thu thập và chuẩn bị mẫu trở nên đơn giản nhất có thể.

2. Rây mẫu

Cho mẫu qua rây hoặc máy nghiền cầm tay. Các thiết bị XRD như BTX hay Terra chỉ yêu cầu bột mịn đến 150 micron.

3. Lắc mẫu

Sử dụng dao trộn để đặt mẫu vào giá đỡ mẫu rung. Giá đỡ mẫu đảm bảo mẫu không có các hiệu ứng định hướng.

4. Bắt đầu kiểm tra

Nhấn nút trên thiết bị để bắt đầu kiểm tra. Khi xử lý mẫu, có thể quan sát mẫu nhiễu xạ tia X trong thời gian thực bằng cách kết nối máy phân tích XRD với máy tính xách tay, máy tính bảng, điện thoại thông minh hoặc thiết bị không dây khác.

Bắt đầu thử nghiệm, máy phân tích truyền tia X qua mẫu đối lưu trong cửa sổ
Tia X chạm vào mẫu và nhiễu xạ theo một khoảng 2 góc-theta
Cảm biến CCD đo nhiễu xạ

5. Đọc kết quả

Mẫu nhiễu xạ đã sẵn sàng để báo cáo. Bạn cũng có thể chỉnh sửa kết quả trước khi chạy báo cáo.

Phần mềm định lượng và ID pha tự động SwiftMin® hiển thị ID pha hoặc khoáng chất trong thời gian thực trực tiếp trên máy phân tích hoặc trong giao diện người dùng trực quan

Phân tích XRD trên phần mềm SwiftMin giúp loại bỏ các tác vụ lặp đi lặp lại với các tính năng trực quan, bao gồm một bảng điều khiển cho dữ liệu, hiệu chuẩn đặt trước, truyền dữ liệu tự động và xuất dữ liệu dễ dàng.