Helio o Vacío: ¿Qué es Mejor para Analizar Elementos Ligeros?

La radiación característica de rayos X de elementos ligeros como sodio, magnesio, aluminio y silicio se absorbe significativamente en el aire, lo que presenta un desafío para el análisis de estos elementos utilizando espectrómetros de fluorescencia de rayos X (XRF) de sobremesa. Para mejorar el análisis de elementos ligeros, los fabricantes de espectrómetros XRF recurren al uso de sistemas ópticos de rayos X con vacío o a la purga con helio gaseoso. Pero, ¿cuál es la diferencia entre estos dos métodos y cuáles son sus pros y contras?

Los espacios de aire entre la muestra y el detector de rayos X, incluso a la distancia más corta posible, absorben hasta el 97% de la radiación de sodio, el 87% de la de magnesio y el 72% de la de aluminio. La radiación de elementos más ligeros es absorbida casi por completo. Es por eso que los analizadores XRF que operan en el aire pueden analizar elementos que comienzan desde el magnesio (número atómico 12 en la Tabla Periódica). Para evitar esta absorción y ampliar el rango de elementos analizables, es necesario eliminar el aire del espacio entre la muestra y el detector.

El método más sencillo para eliminar el aire es mediante el bombeo al vacío. La principal (y quizás única) ventaja de este método es la ausencia de consumibles (excepto por el reemplazo periódico del aceite de la bomba de vacío). Sin embargo, presenta varios inconvenientes. En primer lugar, las bombas son ruidosas, lo que requiere ubicarlas fuera del laboratorio y añadir insonorización adicional para un funcionamiento cómodo. En segundo lugar, el grado de vacío alcanzado afecta la absorción en el aire residual, lo que podría impactar la precisión del análisis. Además, no se pueden analizar líquidos en un entorno de vacío, ya que estos hierven y se evaporan instantáneamente. También resulta problemático analizar muestras en polvo, ya que reintroducir aire en la cámara del espectrómetro al final del análisis podría dispersar la muestra por toda la cámara y hasta contaminar la ventana del detector y los componentes electrónicos sensibles.

Un método alternativo para eliminar el aire es reemplazarlo con helio gaseoso. El helio, el gas inerte más ligero, tiene un coeficiente de absorción extremadamente bajo para la radiación de rayos X, incluso para elementos ligeros. En una atmósfera de helio (comparado con el vacío), los detectores capturan el 99,2% de la radiación característica del sodio, el 99,6% del magnesio y el 99,8% del aluminio. Analíticamente, el helio se acerca mucho al rendimiento del vacío, permitiendo el análisis de muestras en cualquier estado: sólido, líquido o en polvo. El único inconveniente es el consumo de helio y la necesidad de reemplazar periódicamente los cilindros. Para los espectrómetros de Elvatech, este es un problema menor, ya que la purga se activa automáticamente solo durante el análisis de elementos ligeros, minimizando el uso de helio. Incluso con un uso intenso, un cilindro estándar de 40 litros dura un año.

¿Podría usarse el vacío para extender el rango de elementos analizados hacia aquellos más ligeros que el sodio, dado que tiene una transmisión del 100% en cualquier energía de los cuantos, mientras que la transmisión del helio disminuye con la reducción de la energía? Esto solo podría responderse afirmativamente si no hubiera otros absorbentes entre la muestra y el detector. Sin embargo, este no es el caso en los espectrómetros XRF de sobremesa. En primer lugar, la muestra se coloca sobre la ventana de medición del espectrómetro, cubierta por una película ultrafina transparente a los rayos X. Esta película evita que objetos extraños, polvo, suciedad y fragmentos de muestras alcancen las frágiles ventanas del tubo de rayos X y del detector. La absorción en la línea de sodio para las mejores y más delgadas películas es del 40 – 60% y aumenta bruscamente con la disminución del número atómico del elemento analizado. En segundo lugar, el detector de rayos X está equipado con su propia ventana protectora, hecha de berilio con un grosor de 8 – 12 micrómetros o grafeno con un grosor de 1 micrómetro en detectores de nueva generación. La ventana de berilio transmite el 77% de la radiación del aluminio, el 60% de la del magnesio y solo el 38% de la del sodio. La ventana de grafeno es ligeramente más transparente a los rayos X, transmitiendo el 87%, 76% y 64% para Al, Mg y Na, respectivamente. Estos dos elementos constructivos hacen que sea prácticamente imposible o ineficiente registrar la radiación de elementos con números atómicos inferiores a 11, incluso en vacío. Además, los tubos de rayos X de baja potencia utilizados en los espectrómetros de sobremesa no pueden excitar una intensidad significativa de radiación de estos elementos debido a la drástica disminución del rendimiento de fluorescencia con la reducción del número atómico del elemento.

Por lo tanto, el uso de vacío en los espectrómetros de laboratorio de sobremesa no ofrece ventajas sobre la purga con helio, limita la aplicación funcional del dispositivo y resulta poco práctico.

¿Pero cuándo es realmente insustituible el vacío en un espectrómetro? El vacío permite extender el rango de análisis hasta el boro (número atómico 5) en espectrómetros XRF de dispersión de longitud de onda estacionarios equipados con tubos de rayos X de varios kilovatios, donde no se utilizan películas protectoras. Pero eso es una clase diferente de equipo espectral de rayos X.