Comprender el viaje de la tecnología XRF de laboratorio a la portátil

Por Mathieu Bauer, científico de aplicaciones sénior 

El panorama de la tecnología analítica ha experimentado una evolución notable a lo largo de los años, y una transformación significativa ha sido la extensión de los sistemas tradicionales de fluorescencia de rayos X (XRF) de laboratorio a los revolucionarios dispositivos XRF portátiles utilizados sobre el terreno. Este cambio ha modificado el paradigma de las industrias, permitiéndoles realizar análisis rápidos y precisos de materiales a simple vista.

Exploremos el recorrido de la tecnología XRF, desde los sistemas de laboratorio hasta los analizadores portátiles, y descubramos las ventajas, las aplicaciones y el impacto transformador en la industria.

XRF de laboratorio: de la teoría a la práctica

En 1913, Henry Moseley sentó las bases del análisis químico mediante XRF al investigar los espectros de rayos X de varios elementos.1 Más de tres décadas después, en 1948, salió al mercado el primer espectrómetro de rayos X comercial. Sin embargo, la espectrometría XRF tardaría otra década en establecerse como un pilar del análisis químico.2

Cómo la fluorescencia de rayos X proporciona información sobre la composición elemental de las muestras (derechos de autor: Thermo Fisher Scientific)

Durante los primeros años, las limitaciones tecnológicas restringieron los sistemas XRF al laboratorio. No obstante, la técnica fue elogiada por su precisión y exactitud, ofreciendo información inestimable sobre la composición de los materiales, especialmente para el análisis de metales, aleaciones y muestras geológicas.

Las poderosas perspectivas que ofrecía la XRF seguían estando en gran medida fuera del alcance de los usuarios industriales debido a los altos costes, el nivel de habilidad requerido para operar los sistemas XRF y la necesidad de tomar muestras, transportarlas a un laboratorio, esperar el análisis y luego introducir los resultados en el proceso horas, días o incluso semanas después. En general, la falta de movilidad significaba que todavía era un desafío utilizar la XRF para tomar decisiones inmediatas e informadas en el campo.4,5

Análisis XRF portátil: del laboratorio al campo

A mediados de la década de 1960, aparecieron los instrumentos XRF portátiles; la tecnología móvil se convertiría en una solución innovadora que revolucionaría el análisis de materiales. El primer sistema XRF portátil de campo no fue diseñado para ser utilizado por una gran base de clientes, como suele ocurrir con las tecnologías novedosas. El atractivo de los primeros instrumentos XRF de campo probablemente se vio inhibido por la falta de verdadera portabilidad y la poca facilidad de uso.6 Sin embargo, estos dispositivos comparativamente compactos llevaron el laboratorio al campo, eliminando la necesidad de transportar muestras y proporcionando resultados in situ.

Utilizados en plantas industriales y minas en una amplia gama de materiales, las ventajas que aportaba el análisis XRF portátil eran múltiples.6 Se eliminaban los costes asociados al muestreo y al posterior análisis de laboratorio, se reducía el tiempo de inactividad operativa y las industrias ganaban la capacidad de tomar decisiones rápidas basadas en análisis precisos.5

En 1983, se produjo un analizador XRF «portátil de mano» que mejoraba las capacidades de los modelos portátiles de primera generación. Este modelo requería que los usuarios tuvieran una formación técnica considerable y un buen conocimiento de las técnicas de XRF.6 Aunque eran portátiles e incluso de mano, los analizadores de campo XRF de la década de 1980 todavía venían con al menos dos partes, una sonda que contenía un isótopo radiactivo junto con el detector y una unidad de procesamiento, y los analizadores generalmente estaban dedicados a una sola aplicación.

Perfeccionamiento del análisis XRF portátil

Entre 1980 y la década de 2000, el desarrollo de detectores de energía dispersiva y el uso de múltiples emisores de fuentes de isótopos radiactivos permitieron capacidades analíticas multielemento, aunque los rangos de detección se limitaron a elementos con números atómicos superiores al potasio.

A medida que los analizadores con nuevas fuentes ganaban terreno y la EPA de EE. UU. introducía el Método Estándar 6200, la XRF portátil de campo se estableció como un método analítico aceptado para el cribado elemental. Sin embargo, en última instancia, fue la demanda de una clasificación de chatarra eficaz in situ lo que estimuló el desarrollo de analizadores ligeros y redujo los precios unitarios.7

El analizador XRF portátil Niton XL de una sola unidad se introdujo en 1994.

En 1994, se desarrolló el primer analizador XRF portátil de una sola unidad. El analizador XRF Niton XL-309 con detector de diodo PIN de silicio proporcionaba procesamiento de señales digitales en tiempo real y podía medir elementos tan ligeros como el titanio. Con solo 1,13 kg, ofrecía un rendimiento analítico mejorado a un precio más bajo que la instrumentación XRF anterior.

Las décadas siguientes serían testigos de rápidos avances tecnológicos. Los tubos de rayos X miniaturizados reemplazarían a los emisores de fuentes radiactivas en casi todos los dispositivos portátiles, proporcionando un rendimiento superior, aumentando la seguridad de los usuarios y reduciendo los requisitos de cumplimiento normativo. Los avances en los detectores reforzarían el rango elemental de los analizadores, de modo que los analizadores multiusos se convertirían en algo común.

Hoy en día, el análisis XRF portátil es la técnica estándar para la caracterización elemental rápida y precisa en entornos industriales; los operadores pueden ahora tomar decisiones seguras in situ sin demora. Los entornos industriales que se benefician de la XRF van desde el reciclaje de chatarra y la fabricación de metales hasta la minería, la generación de energía, la automoción y la industria aeroespacial, entre otros. Los actuales analizadores XRF portátiles son capaces de detectar elementos a niveles de trazas y rivalizan con la sensibilidad de los sistemas XRF de laboratorio. Los analizadores modernos también pueden medir elementos ligeros, como Mg, Al, P y Si.8

El analizador XRF portátil Niton XL5 Plus es una herramienta de última generación para el análisis elemental en entornos industriales

En la última generación de dispositivos, una interfaz fácil de usar garantiza que usuarios con distintos niveles de experiencia puedan manejar fácilmente los analizadores y generar resultados de alta calidad. La brecha entre los sistemas de laboratorio y los portátiles se ha reducido significativamente, lo que hace que estos últimos sean una opción favorable para una amplia gama de aplicaciones.8

Empoderar a la industria: La evolución de la tecnología XRF portátil

El paso de los sistemas de laboratorio a los portátiles de XRF marca un hito revolucionario en las capacidades analíticas, ya que la tecnología se ha puesto a disposición de un grupo mucho más amplio de usuarios. Inicialmente, solo el personal de laboratorio podía utilizar el poder de la tecnología XRF, pero los avances han puesto ese poder también en manos de los operadores industriales. La alta precisión, la facilidad de uso y el bajo coste de los analizadores portátiles han acelerado la toma de decisiones, optimizado los costes y mejorado la eficiencia operativa en todos los sectores.

Ya sea en minería, fabricación, reciclaje o análisis de materiales, el impacto transformador del análisis XRF es innegable.

Referencias y lecturas adicionales

1. Moseley HGJ. (1913). XCIII. Los espectros de alta frecuencia de los elementos. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. https://doi.org/10.1080/14786441308635052
2. Bain DC, et al. (1994). Espectroscopia de fluorescencia de rayos X y microanálisis. Mineralogía de arcillas: métodos espectroscópicos y químicos determinativos. https://doi.org/10.1007/978-94-011-0727-3_7
3. Borges CS, et al. (2020). Comparison of portable X-ray fluorescence spectrometry and laboratory-based methods to assess the soil elemental composition: Applications for wetland soils. Environmental Technology & Innovation. https://doi.org/10.1016/j.eti.2020.100826
4. Specht AJ, et al. (2019). Comparison of bone lead measured via portable X-ray fluorescence across and within bones. Environmental Research. https://doi.org/10.1016/j.envres.2019.02.031
5. Karttunen JO, et al. (1964). A Portable Fluorescence X-ray Instrument Utilizing Radioisotope Sources. Analytical Chemistry. https://doi.org/10.1021/ac60213a027
6. Rhodes JR, et al. (1983). Application of a microprocessor-based portable XRF analyzer in minerals analysis. The International Journal of Applied Radiation and Isotopes. https://doi.org/10.1016/0020-708X(83)90134-5
7. Lemière B. (2018). A review of pXRF (field portable X-ray fluorescence) applications for applied geochemistry. Journal of Geochemical. https://doi.org/10.1016/j.gexplo.2018.02.006
8. ThermoFisher Scientific. Analizador portátil de fluorescencia de rayos X Niton™ XL5 Plus. Disponible en: https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/NITONXL5PLUS?SID=srch-srp-NITONXL5PLUS (Consultado el 17 de agosto de 2023).
9. ThermoFisher Scientific. ¿Cómo funciona la espectrometría de emisión de rayos X con láser (LIBS)? Disponible en: https://www.thermofisher.com/uk/en/home/industrial/spectroscopy-elemental-isotope-analysis/portable-analysis-material-id/industrial-elemental-radiation-solutions/how-does-libs-work. html#:~:text=LIBS%20es%20un%20acrónimo%20de,átomos%20e%20iones%20electrónicamente%20excitados (Consultado el 17 de agosto de 2023).
10. ThermoFisher Scientific. El XRF impulsa el análisis de recubrimientos en la industria automotriz. Disponible en: https://www.thermofisher.com/blog/metals/xrf-drives-coating-analysis-in-the-automotive-industry/#:~:text=Handheld%20XRF%20analysis%20also%20helps,control%20or%20cost%20control%20standpoint (Consultado el 17 de agosto de 2023).