Espectroscopía de Rayos X por Dispersión de Energía (EDS)
De (con adendas)
Energy-Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDS), por John Goodge,
University of Minnesota-Duluth.
La interacción de un haz de electrones con una muestra produce diversas emisiones, incluyendo rayos X. Se utiliza un
detector de dispersión de energía (EDS, también se utiliza "EDX"
como abreviatura de espectroscopia de rayos X por dispersión de energía) para separar los rayos X característicos de diferentes elementos en un espectro
característico de energía, y el software del sistema EDS se utiliza para analizar dicho espectro y
determinar la abundancia de elementos específicos. La EDS permite determinar la composición química de materiales con un tamaño de punto de unas pocas micras y crear
imágenes electrónicas (BSE, CL,
SE, EBSD) y mapas de composición de elementos en un área
amplia de la muestra rasteriazada o
escaneada. En conjunto, estas capacidades proporcionan información fundamental sobre la composición de una amplia variedad de materiales.
Cómo Funciona - EDS
Los sistemas EDS suelen integrarse en un instrumento SEM o
EPMA. Los sistemas EDS incluyen un detector
de rayos X sensible, un recipiente Dewar de nitrógeno líquido para refrigeración y
software para recopilar y analizar los espectros de energía. El
detector se monta en la cámara de muestra del instrumento
principal al final de un brazo largo, y es refrigerado por nitrógeno líquido. Los detectores más comunes están hechos de cristales de
Si(Li) que operan a bajos voltajes para mejorar la sensibilidad, pero avances recientes en la tecnología de detectores permiten obtener los llamados "detectores de deriva de silicio", que operan
con tasas de conteo más altas sin refrigeración por nitrógeno líquido.
Un detector EDS mostrando el contenedor deward de nitógeno líquido, el brazo
frío y la punta del detector que se monta en la cámara de la muestra.
Un detector EDS contiene un cristal (típicamente
de silicio) que absorbe la energía de los rayos X entrantes ionizándose, liberando electrones en el cristal que se vuelve
conductor y produciendo una polarización de carga eléctrica. La absorción de rayos X
por el cristal convierte así la energía de cada rayo X en
voltajes eléctricos proporcionales
de forma que los pulsos eléctricos se corresponden
con los rayos X característicos del elemento en
cuestión.
Ventajas
-
Cuando se utiliza en modo "spot" (punto), se
puede adquirir un espectro elemental completo del material
irradiado en tan solo unos segundos. El software de soporte permite identificar fácilmente los picos, lo que convierte a EDS en una excelente herramienta para identificar rápidamente fases desconocidas antes de
su análisis cuantitativo.
-
EDS puede utilizarse en modo semicuantitativo para determinar la composición química
de la sustancia mediante la relación de la altura de pico con respecto a un estándar.
Limitaciones
-
Existen
solapamientos de picos de energía entre diferentes elementos, en
concreto los correspondientes a rayos X generados por la emisión de diferentes capas de niveles de energía (K, L y M) en diferentes elementos. Por ejemplo, existen solapamientos
fuertes (cercanos) entre Mn-Kα y Cr-Kβ, o Ti-Kα y varias líneas L
del Ba. Particularmente a energías más altas, los picos individuales pueden corresponder a varios elementos diferentes; en este caso,
se pueden aplicar métodos de deconvolución para intentar la separación de picos o simplemente
considerar los elementos que tienen "más sentido"
en el contexto de la muestra (aunque esto es
arriesgado).
-
Dado que el método de dispersión de longitud de onda (WDS) es
bastante más preciso y capaz de detectar menores
concentraciones de elementos, la EDS se utiliza con menos frecuencia para el análisis químico real, aunque las mejoras en la resolución del detector lo convierten en una alternativa fiable y precisa.
(En comparación con la EPMA,
que utiliza cristales analizadores, la EDS ofrece una alta
resolución espacial, 100 veces superior, pero
con una precisión de cuantificación 10 veces
inferior).
-
La EDS no puede detectar los elementos más ligeros,
típicamente por debajo del número atómico 11 (del Na), en detectores equipados con una ventana de Be.
Sin embargo, existen ventanas delgadas basadas en polímeros permiten la detección de elementos ligeros, dependiendo del instrumento y las condiciones de operación.
Resultados
Un espectro EDS típico se representa como un gráfico de los recuentos de rayos X frente a la energía (en keV). Los picos de energía corresponden a los diversos elementos de la muestra. Generalmente son estrechos y se resuelven fácilmente, pero muchos elementos producen picos múltiples. Por ejemplo, el hierro suele mostrar picos Kα y Kβ intensos. Los elementos en baja abundancia generarán picos de rayos X que podrían no ser resolubles
respecto de la radiación de fondo.
Espectro EDS de vidrio multielemental (NIST K309) que contiene O, Al, Si, Ca, Ba y Fe (Goldstein et al., 2003).
Espectro EDS de biotita, con Mg, Al, Si, K, Ti y Fe detectables (de Goodge,
2003).
Referencias
- Severin, Kenneth P., 2004, Energy Dispersive Spectrometry of
Common Rock Forming Minerals. Kluwer Academic Publishers, 225 p.--Libro
de referencia muy recomendable con espectros EDS representativos de
minerales formadores de roca, así como consejos prácticos para la
adquisición e interpretación espectral.
- Goldstein, J. (2003) Scanning electron microscopy and x-ray
microanalysis. Kluwer Adacemic/Plenum Pulbishers, 689 p.
- Reimer, L. (1998) Scanning electron microscopy : physics of image
formation and microanalysis. Springer, 527 p.
- Egerton, R. F. (2005) Physical principles of electron microscopy :
an introduction to TEM, SEM, and AEM. Springer, 202.
- Clarke, A. R. (2002) Microscopy techniques for materials science.
CRC Press (electronic
resource).
Enlaces relacionados
Petroglifo--Un atlas de imágenes realizadas con microscopio electrónico, imágenes de electrones retrodispersados, mapas de elementos, espectros de rayos X de energía dispersiva y microscopio petrográfico. Eric Chrisensen, Universidad Brigham Young.
Página web de SEM/EDX de
Indiana University - Purdue University Fort Wayne
Página web de Dmitry Dolivo-Dobrovolsky
MSearch: Un programa para buscar minerales por su composición química cualitativa y por la presencia de fragmentos de texto específicos en sus nombres y fórmulas. Puede usar este pequeño programa gratuito para filtrar rápidamente minerales conocidos por su composición química cualitativa y/o por la presencia/ausencia de subcadenas específicas en sus nombres y/o fórmulas. Por ejemplo, puede ayudarle a
encontrar minerales que puedan corresponder a análisis de microsonda problemáticos
(o "desconocidos"). La versión actual de la base de datos contiene registros de 4858 minerales y abarca todos los minerales conocidos (aprobados por IMA).
Actividad docente
Argast, Anne y Tennis, Clarence F., III,
2004, Argast, Anne and Tennis, Clarence F., III, 2004, A web resource for the study of alkali feldspars and perthitic textures using light microscopy, scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy, Journal of Geoscience Education 52, no. 3, p. 213-217.
Otras fuentes
MyScope (Microscopy Training) >>
Energy Dispersive Spectroscopy
>> EDS simulator
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