Introdución
Texto tomado fundamentalmente de: Reed, Stephen J.B., 2006. Electron Microprobe Analysis and
Scanning Electron Microscopy in Geology, 2e édition.
Cambridge University Press, Cambridge, 206 p.
El análisis por microsonda electrónica o microanálisis por sonda electrónica (EMPA
o EPMA, por sus siglas en inglés, respectivamente) es una técnica para
analizar químicamente pequeñas áreas seleccionadas de muestras sólidas
en las que se produce la emisión de rayos X por
excitación del volumen irradiado por un de haz de electrones enfocado. El
espectro de rayos X
generado tras el impacto de los electrones contiene líneas características de los elementos presentes; por lo tanto, es fácil obtener un
análisis cualitativo identificando las líneas a partir de sus longitudes de onda (o
energías fotónicas). Comparando sus intensidades con las emitidas por muestras
estándar (elementos puros o compuestos de composición conocida), también es posible determinar
cuantitativamente las concentraciones de los elementos. Se puede obtener una
precisión cercana al 1 % (relativo) y se pueden alcanzar límites de detección de hasta decenas de ppm (partes por millón, en peso). En condiciones normales, la
resolución espacial está limitada a aproximadamente 1
mm debido a la dispersión del haz dentro de la muestra. Las
distribuciones espaciales de elementos específicos pueden
obtenerse en forma de perfiles lineales o mapas bidimensionales, que suelen mostrarse utilizando escalas
de grises o de falso color para representar las concentraciones elementales.
El microscopio electrónico de barrido (SEM) es un pariente cercano de la microsonda electrónica, pero está diseñado principalmente para la obtención de imágenes más que para el análisis. Las imágenes se producen escaneando el haz
sobre la muestra objetivo y se muestran en una pantalla de televisión o
un monitor de ordenador tras detectarse la señal deseada en un detector de electrones. Al elegir el modo de detección
de electrones adecuado, se puede obtener contraste topográfico o de
composición química media (en este caso, "composición química media" se refiere al número atómico
Z medio). Se puede lograr una resolución espacial superior a 10 nm en
modo topográfico (también denominadas imágenes de
electrones secundarios, SEI) y a 100 nm en modo
"Z medio" (también denominadas imágenes de electrones retrodispersados,
electrones retrodispserdados, BSEI), aunque para muchas aplicaciones la gran profundidad de campo
de las imágenes de SEM (>100 veces mayor que la de un microscopio óptico estándar) es más relevante que
su alta resolución espacial. Un factor importante para el éxito del
SEM es que las imágenes de objetos tridimensionales suelen ser susceptibles de una interpretación intuitiva inmediata por parte del observador. El rango de aplicaciones del
SEM se puede ampliar añadiendo otros tipos de detector, por ejemplo,
para captar la emisión de luz causada por bombardeo de electrones (o
catodoluminiscencia, CLI).
Los microscopios electrónicos de barrido
SEM suelen incorporar
además un espectrómetro de rayos X (EDS), lo que permite utilizar los rayos X característicos de un elemento seleccionado para generar una imagen
(mapas elementales). Además, con un haz estacionario, se pueden obtener análisis puntuales, como en el
EPMA.
La resolución espacial para el análisis cualitativo/semicuantitativo/cuantitativo sigue limitada a aproximadamente 1
mm debido a la dispersión del haz en un
volumen no menor de 1 mm3, a pesar de
la mayor resolución que se obtiene en las imágenes de barrido. Dado que
los instrumentos EPMA cuentan con funciones de imagen electrónica
SE, BSEI y
CL, utilizadas principalmente (aunque no solo) para localizar puntos para el análisis, las
funciones de ambos instrumentos se solapan considerablemente. El
SEM está optimizado para la imagen, con el análisis como un extra, mientras
que en EPMA las prioridades se invierten y se incorporan diversas
funciones adicionales que facilitan el análisis.
No obstante, se puede decir que las diferencias fundamentales entre
EPMA y SEM son:
-
La medición de los RX emitidos, o la
espectrometría, en un caso midiendo la intensidad de longitudes de
onda de RX característicos de elementos químicos (wavelength
dispersion spectroscopy, WDS) y en el otro midiendo la
intensidad de la energía de los RX característicos (energy
dispersion spectroscopy, EDS) (se miden Armstrong o nanometros en un
caso y en kiloelectron-voltios en el otro), siendo el primer método mucho
más preciso que el segundo. EPMA suele ir
equipada con ambos tipos de espectrómetros.
-
El movimiento del haz, estacionario (modo sonda)
en EPMA y móvil en modo escaneo en modo
SEM, de forma que la
platina que sustenta la muestra se mueve en el espacio X-Y en el
primero y el en segundo permanece estacionaria, si bien en
EPMA se
puede mover también el haz en modo escaneo (SEM) y en algunas aplicaciones
del SEM se mueve la muestra y no el haz (difracción de electrones retrodispersados,
EBSD).
Aplicaciones geológicas del SEM y la EPMA
Las ventajas del SEM como instrumento de imagen (alta resolución espacial, gran profundidad de campo y sencilla preparación de muestras) lo convierten en una herramienta
indispensable en las siguientes ramas de la geología:
-
Paleontología. El SEM es ideal para el estudio de la morfología fósil, especialmente de los microfósiles.
-
Sedimentología. Permite obtener imágenes tridimensionales de granos individuales de sedimentos e intercrecimientos; también se pueden generar datos sobre la estructura y la porosidad.
-
Mineralogía. El SEM es muy eficaz para estudiar la morfología cristalina a microescala.
-
Petrología. La capacidad de producir imágenes de secciones pulidas que muestran diferencias en el número atómico medio es muy útil tanto en la
petrología sedimentaria como en la ígnea y en
yacimientos minerales.
-
Geología estructural. Capacidad de difractar
electrones, lo que permite estudiar la orientación preferente de
elementos cristalinos de los granos minerales (fábrica) crecidos
antes o durante esfuerzos desviatorios (mayormente, en rocas
metamórficas deformadas).
si bien prácticamente cualquier área de las ciencias
geológicas y del medio ambiente hace uso de la microscopía electrónica.
Las razones de la amplia aplicación del análisis
químico por microscopía electrónica en geología (ya sea realizada
WDS o
EDS), especialmente en los campos de la mineralogía y la petrología, se pueden resumir de la siguiente manera:
-
La preparación de muestras es sencilla e implica el uso de técnicas existentes de corte y pulido con solo modificaciones menores.
-
La técnica es no destructiva, a diferencia de la mayoría de las demás técnicas analíticas.
-
Se puede obtener un análisis elemental cuantitativo con una precisión del orden del 1 %
relativo (para elementos mayoritarios).
-
Se pueden determinar todos los elementos de número atómico superior a 3 (con precisión y sensibilidad ligeramente variables).
-
Los límites de detección son lo suficientemente bajos como para permitir la determinación de elementos minoritarios y trazas en muchos casos.
-
El tiempo por análisis es razonablemente corto (normalmente entre 1 y 5 minutos).
-
Una resolución espacial del orden de 1
mm permite resolver la mayoría de las características
químicas del material de interés.
-
Los granos minerales individuales pueden analizarse in situ, manteniendo intactas sus relaciones texturales.
-
Es posible un alto rendimiento de las muestras, ya que el tiempo necesario para cambiarlas es bastante corto.
Estas características han demostrado ser útiles en las siguientes áreas temáticas:
Petrología descriptiva. La técnica EPMA se utiliza comúnmente para la descripción y clasificación petrológica de rocas y tiene una importancia comparable a la del microscopio polarizador.
Identificación mineral. Como complemento a la microscopía de luz polarizada y la difracción de rayos X, la EPMA proporciona información composicional que facilita la identificación de minerales.
Petrología experimental. Para estudios experimentales sobre las relaciones de fases y la distribución elemental entre fases coexistentes, la resolución espacial de la microsonda electrónica resulta especialmente útil, dado el tamaño de grano típicamente pequeño.
Geotermobarometría. La técnica EPMA es ideal para la determinación de la composición de fases coexistentes en rocas, a partir de la cual se pueden derivar las temperaturas y presiones de formación.
Determinación de la edad. La datación Th-U-Pb de minerales que contienen cantidades insignificantes de Pb no radiogénico (como
la monacita) es posible mediante EPMA, con mayor resolución espacial que la obtenida con métodos isotópicos, aunque con menor precisión.
Zonación. La alta resolución espacial de la técnica permite estudiar en detalle la zonificación dentro de los granos minerales.
Estudios de difusión. Los perfiles de difusión experimentales en sistemas geológicamente relevantes pueden determinarse con la microsonda electrónica, siendo su alta resolución espacial crucial en este campo.
Análisis modal. Las fracciones de volumen de minerales y otros datos pueden obtenerse mediante análisis modal automatizado, y la identificación de minerales se basa en señales de rayos X y, en ocasiones, de electrones retrodispersados
(BSE).
Localización e identificación de fases raras. Los granos de fases raras pueden localizarse mediante procedimientos de búsqueda automatizados, utilizando la señal de rayos X para uno o más elementos de diagnóstico.
List of materials analysis methods
Lista de métodos analíticos de materiales:
Wikipedia (en inglés)
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