☢️ Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF)
Kurz gefasst
Zerstörungsfreie Elementanalyse von festen und flüssigen Materialien von Beryllium (Be) bis Uran (U) mittels Röntgenfluoreszenz. Die Prüfung erfolgt nach PN-EN ISO 12677:2011 / PN-EN 15309:2007; Elementbereich: Be (Z=4) bis U (Z=92) — WDXRF; Na (Z=11) bis U — EDXRF. Das Verfahren umfasst 10 Schritte (insgesamt rund 4 Std. 10 Min.–8 Std. 10 Min.); eingesetzt wird sie unter anderem für: Chemische Analyse von Stählen und Metalllegierungen (Materialzertifikate), Bestimmung der Hauptoxide in Zement, Klinker, Rohstoffen (SiO₂, Al₂O₃, CaO, Fe₂O₃), Analyse der Bodenzusammensetzung hinsichtlich Schwermetallen (Pb, Cd, As, Hg).
Auf einen Blick
- Norm: PN-EN ISO 12677:2011 / PN-EN 15309:2007
- Kategorie: Physikochemie
- Verfahrensschritte: 10
- Gesamtdauer der Schritte: 4 Std. 10 Min.–8 Std. 10 Min.
- Elementbereich: Be (Z=4) bis U (Z=92) — WDXRF; Na (Z=11) bis U — EDXRF
- Konzentrationsbereich: ppm – 100% (Haupt-, Neben-, Spurenbestandteile)
- Nachweisgrenze: 0,1–10 ppm (WDXRF), 10–100 ppm (EDXRF)
Übersicht
Die Röntgenfluoreszenzspektrometrie (XRF — X-Ray Fluorescence) ist eine der am häufigsten eingesetzten zerstörungsfreien instrumentellen Methoden zur Elementanalyse von Feststoffen, Flüssigkeiten und Pulvern. Die Methode ermöglicht die gleichzeitige Bestimmung von Elementen von Beryllium (Z=4) bis Uran (Z=92) in Konzentrationen von ppm bis 100%, ohne dass ein Probenaufschluss erforderlich ist.
Die Norm PN-EN ISO 12677 definiert die Anwendung der XRF zur Analyse feuerfester Erzeugnisse, und PN-EN 15309 — zur Charakterisierung von Abfällen und Böden. XRF wird jedoch wesentlich breiter eingesetzt: in der Metallurgie (Stahl- und Legierungsanalyse), Geologie (Gesteine, Minerale), Zementindustrie, Keramik, Erdölindustrie (Schwefel in Kraftstoffen nach ISO 20884), Umweltschutz (Schwermetalle im Boden), Archäologie und Restaurierung von Kunstwerken.
Es werden zwei Typen von XRF-Spektrometern unterschieden: WDXRF (Wellenlängendispersion — höhere Auflösung und Empfindlichkeit, für stationäre Laboratorien) und EDXRF (Energiedispersion — kompakter, kostengünstiger, für den Feldeinsatz und Screening). Tragbare XRF-Geräte (Handheld) ermöglichen die Analyse im Feld — Schrottsortierung, Bodenanalyse, Materialverifikation (PMI).
Führende Hersteller sind: Bruker (S8 TIGER, S1 TITAN), Malvern Panalytical (Zetium, Axios, Epsilon), Rigaku (ZSX Primus IV, Supermini200), Shimadzu (XRF-1800), Thermo Fisher (ARL PERFORM'X). Kosten für WDXRF-Laborgeräte: 300 000–1 500 000 PLN, für tragbare EDXRF: 80 000–200 000 PLN.
Prinzip der Methode
Die Probe wird mit einem Röntgenstrahl aus einer Röntgenröhre (üblicherweise Rhodium Rh, 1–4 kW) bestrahlt. Die Elemente in der Probe absorbieren die Primärstrahlung und emittieren charakteristische Röntgenstrahlung (Fluoreszenz) mit einer für das jeweilige Element spezifischen Energie/Wellenlänge (Kα-, Kβ-, Lα-Linien). Bei WDXRF — wird die Fluoreszenzstrahlung an einem Analysatorkristall aufgespalten (Bragg'sches Gesetz: nλ = 2d sinθ) und mit einem Detektor (Proportional + Szintillation) gemessen. Bei EDXRF — trennt ein Halbleiterdetektor (Si(Li) oder SDD) die Strahlung direkt nach der Energie auf. Die Intensität der Fluoreszenzlinien ist proportional zur Elementkonzentration.
Anwendungen
- Chemische Analyse von Stählen und Metalllegierungen (Materialzertifikate)
- Bestimmung der Hauptoxide in Zement, Klinker, Rohstoffen (SiO₂, Al₂O₃, CaO, Fe₂O₃)
- Analyse der Bodenzusammensetzung hinsichtlich Schwermetallen (Pb, Cd, As, Hg)
- Schwefelbestimmung in Kraftstoffen (ISO 20884) — Petrochemische Industrie
- Materialverifikation (PMI — Positive Material Identification) auf Baustellen und in Raffinerien
- Analyse von Glas, Keramik, feuerfesten Materialien
- Archäologische und restauratorische Untersuchungen (Zusammensetzung von Pigmenten, Metallen)
- Qualitätskontrolle galvanischer Schichten (Dicke und Zusammensetzung der Beschichtungen)
Schlüsselparameter
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Elementbereich | Be (Z=4) bis U (Z=92) — WDXRF; Na (Z=11) bis U — EDXRF |
| Konzentrationsbereich | ppm – 100% (Haupt-, Neben-, Spurenbestandteile) |
| Nachweisgrenze | 0,1–10 ppm (WDXRF), 10–100 ppm (EDXRF) |
| Genauigkeit | 0,01–0,1% abs. (Hauptbestandteile), 5–15% rel. (Spurenbestandteile) |
| Analysenzeit | 1–10 min (EDXRF-Screening), 10–30 min (WDXRF-Vollanalyse) |
| Probenvorbereitung | Presstablette, Schmelztablette (Fusion) oder direkt (Handheld) |
Norm
- Normnummer
- PN-EN ISO 12677:2011 / PN-EN 15309:2007
- Titel (PL)
- Analiza chemiczna wyrobów ogniotrwałych metodą XRF / Charakteryzowanie odpadów i gleby — Oznaczanie składu pierwiastkowego metodą fluorescencji rentgenowskiej
- Title (EN)
- Chemical analysis of refractory products by XRF / Characterisation of waste — Determination of elemental composition by X-ray fluorescence
Schritt-für-Schritt-Verfahren
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Probenvorbereitung — Mahlung
Feste Probe in der Vibrationsmühle auf Korngröße < 75 µm (für Tabletten) oder < 200 µm (für Schmelztabletten) mahlen. Probenmenge 5–10 g.
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Trocknung
Probe im Trockenschrank bei 105°C bis zur Gewichtskonstanz trocknen. Für die Bestimmung des Glühverlusts (LOI) — bei 1050°C 1 h glühen.
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Herstellung der Presstablette (Alternative A)
8 g Probe mit 2 g Bindemittel (Wachs Hoechst C) mischen. In der hydraulischen Presse bei 200–300 kN (20–30 Tonnen) pressen. Pressdauer 30 s.
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Herstellung der Schmelztablette (Alternative B)
0,5–1 g Probe + 5–10 g Flussmittel (Li₂B₄O₇/LiBO₂) einwiegen. In Pt/Au-Tiegel einsetzen. Bei 1050°C 10–15 min mit automatischem Rühren schmelzen.
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Spektrometerkalibrierung
Kalibrierung mit einer Serie von CRM (mind. 10 Standards im erwarteten Konzentrationsbereich) durchführen. Matrixkorrekturen (Alpha/FP) anwenden.
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Probenmessung
Tablette/Schmelztablette in das Spektrometer einsetzen. Messprogramm starten. WDXRF: sequenzielle Messung der Kα/Lα-Linien jedes Elements.
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Ergebnisberechnung
Software rechnet Linienintensitäten unter Berücksichtigung von Matrixkorrekturen (Absorptions- und Verstärkungseffekte) in Konzentrationen um. Ergebnisse in % Oxide oder ppm Elemente.
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Qualitätskontrolle
Kontroll-CRM (unabhängig von der Kalibrierung) in jeder Serie analysieren. Abweichung vom zertifizierten Wert < 2× CRM-Unsicherheit.
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Validierung / Verifizierung
Linearität, Wiederholbarkeit (RSD < 1% für Hauptbestandteile), Reproduzierbarkeit, LOD/LOQ prüfen. Oxidbilanz 99,0–100,5%.
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Bericht
Prüfbericht erstellen mit Ergebnissen in % (Oxide) oder ppm (Elemente), Messunsicherheit, Probenidentifikation und Vorbereitungsmethode.
Erforderliche Geräte und Apparatur
| Gerät | Beispiel | Richtpreis |
|---|---|---|
| WDXRF-Spektrometer | Bruker S8 TIGER Series 3, Malvern Panalytical Zetium, Rigaku ZSX Primus IV | 400 000–1 500 000 PLN |
| EDXRF-Spektrometer | Bruker S2 PUMA, Malvern Panalytical Epsilon 4, Shimadzu EDX-7200 | 100 000–400 000 PLN |
| Tragbares XRF (Handheld) | Bruker S1 TITAN 800, Thermo Niton XL5, Olympus Vanta | 80 000–200 000 PLN |
| Hydraulische Tablettenpresse | Fluxana Vaneox, Herzog TP-40, Specac Atlas | 20 000–60 000 PLN |
| Schmelzaufschlussgerät (Borax-Schmelztabletten) | Claisse M4 Fluxer, PANalytical Eagon2, Katanax X-600 | 80 000–200 000 PLN |
| Vibrations-/Kugelmühle | Retsch RS 200, Fritsch Pulverisette 6, Herzog HSM 100 | 30 000–80 000 PLN |
Reagenzien, Nährmedien und Verbrauchsmaterialien
| Reagenz | CAS | Details |
|---|---|---|
| Lithiumtetraborat (Li₂B₄O₇) | 12007-60-2 | Flussmittel zur Herstellung von Schmelztabletten (Fusion bei 1050°C), Claisse / Fluxana, ~300 PLN/kg |
| Lithiummetaborat (LiBO₂) | 13453-69-5 | Flussmittel — Mischung mit Tetraborat (66:34) gewährleistet optimale Viskosität der Schmelztablette |
| Borsäure (H₃BO₃) | 10043-35-3 | Bindemittel für Presstabletten, Unterschicht (Unterlage), ~50 PLN/kg |
| Mikrokristallines Wachs (Hoechst C) | — | Bindemittel für Presstabletten (1–3% Zusatz), erleichtert das Pressen |
| CRM-Standards | — | Zertifizierte Referenzmaterialien (z.B. NIST SRM, BAS, IPT) — Zement, Stahl, Erze, Boden — 200–800 PLN/Stk. |
| Lithiumiodid (LiI) | 10377-51-2 | Trennmittel — verhindert das Anhaften der Schmelztablette am Platintiegel (0,5–1% zur Mischung) |
Arbeitsschutz und Sicherheit
- Röntgenstrahlung — Spektrometer besitzt Abschirmungen und Verriegelungen, Messkammer nicht während des Röhrenbetriebs öffnen
- Fusion bei 1050°C — Platintiegel sehr heiß, Tiegelzange und hitzebeständige Handschuhe verwenden
- Borflussmittel (Li₂B₄O₇) — reizend, Staubeinatmung vermeiden, Handschuhe
- Hydraulische Presse — Quetschgefahr, Hände nicht während des Pressvorgangs einführen
- Vibrationsmühle — Lärm, Gehörschutz; Staub — Maske P2
- Tragbares XRF — Strahl niemals auf Personen richten, Rückstreuabschirmung verwenden
Häufige Fragen
Welche Norm beschreibt diese Prüfung?
Die Prüfung erfolgt nach PN-EN ISO 12677:2011 / PN-EN 15309:2007 — „Chemical analysis of refractory products by XRF / Characterisation of waste — Determination of elemental composition by X-ray fluorescence“.
Wie funktioniert diese Methode?
Die Probe wird mit einem Röntgenstrahl aus einer Röntgenröhre (üblicherweise Rhodium Rh, 1–4 kW) bestrahlt. Die Elemente in der Probe absorbieren die Primärstrahlung und emittieren charakteristische Röntgenstrahlung (Fluoreszenz) mit einer für das jeweilige Element spezifischen Energie/Wellenlänge (Kα-, Kβ-, Lα-Linien).
Wie groß sind Messbereich und Genauigkeit?
Elementbereich: Be (Z=4) bis U (Z=92) — WDXRF; Na (Z=11) bis U — EDXRF; Konzentrationsbereich: ppm – 100% (Haupt-, Neben-, Spurenbestandteile); Nachweisgrenze: 0,1–10 ppm (WDXRF), 10–100 ppm (EDXRF); Genauigkeit: 0,01–0,1% abs. (Hauptbestandteile), 5–15% rel. (Spurenbestandteile).
Wie lange dauert die Prüfung?
Die für die einzelnen Schritte angegebenen Zeiten ergeben zusammen rund 4 Std. 10 Min.–8 Std. 10 Min. Das Verfahren umfasst 10 Schritte.
Welche Geräte werden benötigt?
WDXRF-Spektrometer, EDXRF-Spektrometer, Tragbares XRF (Handheld), Hydraulische Tablettenpresse, Schmelzaufschlussgerät (Borax-Schmelztabletten), Vibrations-/Kugelmühle. Richtpreis für das Kerngerät (WDXRF-Spektrometer): 400 000–1 500 000 PLN.
Wo wird diese Prüfung eingesetzt?
Chemische Analyse von Stählen und Metalllegierungen (Materialzertifikate); Bestimmung der Hauptoxide in Zement, Klinker, Rohstoffen (SiO₂, Al₂O₃, CaO, Fe₂O₃); Analyse der Bodenzusammensetzung hinsichtlich Schwermetallen (Pb, Cd, As, Hg); Schwefelbestimmung in Kraftstoffen (ISO 20884) — Petrochemische Industrie; Materialverifikation (PMI — Positive Material Identification) auf Baustellen und in Raffinerien; Analyse von Glas, Keramik, feuerfesten Materialien; Archäologische und restauratorische Untersuchungen (Zusammensetzung von Pigmenten, Metallen); Qualitätskontrolle galvanischer Schichten (Dicke und Zusammensetzung der Beschichtungen).
Welche Sicherheitsmaßnahmen gelten?
Röntgenstrahlung — Spektrometer besitzt Abschirmungen und Verriegelungen, Messkammer nicht während des Röhrenbetriebs öffnen; Fusion bei 1050°C — Platintiegel sehr heiß, Tiegelzange und hitzebeständige Handschuhe verwenden; Borflussmittel (Li₂B₄O₇) — reizend, Staubeinatmung vermeiden, Handschuhe; Hydraulische Presse — Quetschgefahr, Hände nicht während des Pressvorgangs einführen; Vibrationsmühle — Lärm, Gehörschutz; Staub — Maske P2; Tragbares XRF — Strahl niemals auf Personen richten, Rückstreuabschirmung verwenden.
Welches Labor führt diese Prüfung durch?
Die Prüfung führen nach ISO/IEC 17025 akkreditierte Labore durch. Auf LabCoda finden Sie sie über die Normnummer PN-EN ISO 12677 / PN-EN 15309.