En la XRF la radiación es de tipo ionizante y es originada por la incidencia de los rayos X que emite una fuente artificial (tubo de rayos X) sobre la superficie de la muestra de análisis, afectando a los electrones de energía más baja, que son los que se encuentran cerca al núcleo, obligándolos a cambiar de orbital, o incluso a abandonar el átomo, debido al aumento súbito de la energía [13]. En seguida, un electrón que está en un nivel externo (más energético) salta hacia un nivel interior o más cercano al núcleo (menos energético), ocupando la vacante que ha sido dejada. Dicho electrón debe perder energía, debido a la modificación de su estado de movimiento y lo hace mediante la emisión de un rayo X característico de elementos químicos irradiados desde la profundidad analítica (profundidad de escape) (figura 1) [14].

Figura 1

En la muestra se generan impulsos por efecto de los rayos X y estos son proporcionales a la energía de los rayos X. El registro de la amplitud del impulso permite crear un espectro de energía en el que se identifica la composición de la muestra, es decir, los elementos que la conforman y la concentración en la que se encuentran, esto se debe a que cada elemento de la tabla periódica genera una radiación característica correspondiente a cada posible salto de nivel de energía [14, 15]. El análisis de esta información también permite determinar la concentración de cada elemento que está presente en la muestra, en función de sus espectros de XRF únicos [16].

Durante la interacción de los rayos X con la muestra, se pueden presentar, además de la fluorescencia, dos interacciones importantes conocidas como radiaciones dispersivas: el efecto de dispersión de Compton y el efecto de dispersión de Rayleigh.

En la dispersión de los rayos X pueden ocurrir dos fenómenos, uno con pérdida de energía (dispersión Compton) y otro sin pérdida de energía (dispersión Rayleigh). En la dispersión Compton, los electrones poco ligados (los de las capas más externas) [18] interactúan con los fotones que, al momento de ser dispersados, tienen menos energía y, por lo tanto, una longitud de onda más larga que el fotón incidente. Debido a la interacción, el electrón recibe algo de energía del fotón y es emitido, mientras que el fotón reduce su energía y se dispersa en un ángulo 6 (ángulo que se forma entre la trayectoria original del fotón X y la trayectoria del fotón dispersado después de interactuar con un electrón) [19] (figura 2). El fotón dispersado puede provocar más interacciones con otros electrones del átomo y generar fotoelectrones no deseados de menor energía. La dispersión de Compton suele ocurrir cuando las muestras irradiadas tienen composición elemental de bajo número atómico.

Figura 2

En la dispersión Rayleigh, el fotón incidente interacciona y excita el átomo, pero no se produce ionización ni pérdida de energía. Tiene lugar a bajas energías (< 30 keV) y, por lo tanto, ninguna energía es convertida en movimiento electrónico ni absorbida en el medio [21]. El único efecto que ocurre es la dispersión del fotón en pequeños ángulos respecto a la trayectoria inicial del fotón (figura 3), los rayos X dispersos tienen la misma longitud de onda que el haz incidente. La dispersión Rayleigh es muy probable cuando las muestras irradiadas tienen una composición elemental de alto número atómico.

Figura 3

Si bien el fenómeno de la generación de rayos X y su emisión sobre la superficie de una muestra son el mismo en todos los tipos de experimentos de XRF, actualmente se cuentan con diferentes equipos involucrados en el análisis. Los espectrómetros de XRF, en general, están compuestos principalmente por una fuente de rayos X, un compartimiento para la muestra, un sistema de detección y el sistema analizador (figura 6). De acuerdo con el sistema de detección utilizado, es posible clasificar los espectrómetros XRF en WDXRF y EDXRF. De esta última clasificación es posible encontrar equipos mejorados como lo son los espectrómetros de TXRF, que no serán tratados en la presente revisión bibliográfica.

Figura 6

Los espectrómetros de EDXRF consisten, principalmente, en una fuente de excitación (tubos de rayos X de Rh, Mo, W o Gd, tubos refrigerados por aire o radioisótopos como ¹²⁵I, ¹⁰⁹Cd, ²⁴¹Am o ²³⁸Pu) [27], un portamuestras, un sistema de detección de rayos X y un sistema de adquisición de datos. Sea cual sea la fuente de rayos X, el principio básico sigue siendo el mismo: los rayos X primarios inciden en la muestra y los fotones fluorescentes emergentes son registrados por un detector de energía dispersiva (detectores semiconductores de Si(Li) o Ge refrigerados y de diodo PIN), el cual, junto con la electrónica asociada, cuenta y clasifica, según la energía, todos los fotones que le llegan [28]. Por lo general, el detector sólo dispone de unos pocos microsegundos para el procesamiento de los fotones, de modo que, en algunos casos, los espectrómetros están equipados con filtros para filtrar una parte de la radiación excitadora y así evitar la sobrecarga del detector. Los fotones que inciden sobre el detector producen una gama equivalente de impulsos de tensión que salen del detector y llegan al analizador multicanal, el cual tiene como función clasificar los pulsos para producir un histograma del espectro de energía de rayos X. Todos los espectrómetros incorporarán algún tipo de computador disponible para la extracción espectral, identificación de picos, análisis cuantitativo y una serie de otras funciones útiles [29].

En los sistemas de EDXRF son posibles dos configuraciones diferentes para excitar la muestra (figura 7). La primera es la excitación directa, en la que el haz de rayos X apunta directamente a la muestra y la segunda es la excitación polarizada, en la que la radiación procedente de la fuente apunta a un objetivo secundario en un ángulo de 45°, el elemento objetivo se excita y emite radiación en un ángulo de 90° que irradia la muestra [30]. El detector debe estar perpendicular al plano determinado por el tubo, el objetivo y la muestra. El efecto más importante de esta configuración de un espectrómetro de EDXRF es que, al desviar la radiación de rayos X en 90°, la radiación se polariza y se reduce el fondo espectral [31]. Medir las posiciones de los picos espectrales de fluorescencia ayuda a determinar qué elementos se encuentran en la muestra, y mediante una conversión de las intensidades de radiación a la concentración de elementos, es posible realizar una determinación cuantitativa de los mismos [32]. Este último proceso se basa en la relación entre la concentración de analito, los rayos X medidos y la intensidad de la fuente de excitación junto con la composición general de la muestra y sus propiedades de absorción.

Figura 7

Los espectrómetros de WDXRF (figura 8) consisten en un tubo de rayos X, un filtro, la cámara de la muestra, una máscara de la muestra, el sello de vacío, los colimadores, los cristales analizadores, el goniómetro y el detector o detectores. El tubo de rayos X actúa de manera similar a lo explicado para el espectrómetro de EDXRF, se irradia la muestra de manera directa y la fluorescencia que proviene de la muestra es medida con un sistema de detección de dispersión por longitud de onda. La señal que proviene de la muestra pasa por la máscara del espectrómetro, la cual elimina las señales no deseadas, y posteriormente pasa por el sello de vacío, que separa la cámara de la muestra de la cámara del goniómetro. Durante el ingreso de una muestra, el sello se cierra y la cámara del goniómetro permanece en vacío. Así, solo un pequeño volumen de la cámara de la muestra debe evacuarse cuando se van a medir sólidos o inundarse con helio cuando se van a medir líquidos.

Figura 8

Cuando la señal llega a los colimadores, estos dirigen y canalizan los rayos X policromáticos fluorescentes, provenientes de la muestra, hacia los cristales. Los colimadores pueden mejorar la resolución al restringir los ángulos en los que los rayos X fluorescentes inciden en el cristal y, así mismo, pueden mejorar la sensibilidad al ampliar los ángulos en los que inciden los rayos X sobre el cristal. Los cristales de un espectrómetro WDXRF (tabla 2) difractan los rayos X con diferentes longitudes de onda, como un prisma. El ángulo de incidencia de los rayos X fluorescentes en el cristal de análisis es importante para cumplir la ley de difracción de Bragg (figura 9), ya que, para una longitud de onda determinada, el cristal refleja los rayos X hacia el detector. Para mantener las condiciones geométricas requeridas, se utiliza un goniómetro que tiene como función garantizar que el ángulo entre la fuente y el cristal y entre el cristal y el detector se mantenga igual [35].

Tabla 2

Cristal	Nombre del material	2d (nm)
LiF (200)	Fluoruro de litio	0,403
LiF (220)	Fluoruro de litio	0,285
LiF (420)	Fluoruro de litio	0,180
Ge	Germanio	0,653
TIAP	Biftalato de talio	2,576
PET	Pentaeritrito	0,874
XS-B	La/B4C multicapa	19,0
XS-C	TiO2/C multicapa	12,0
XS-N	Ni/BN multicapa	11,0
XS-55	W/Si multicapa	5,5
XS-CEM	Estructura específica	2,75
ADP	Fosfato dihidrógeno de amonio	1,064
InSb	Antimoniuro de indio	0,748

Figura 9

Cuando la señal de los rayos X, que tiene una longitud de onda específica proveniente de los cristales, llega al detector, este la convierte en una intensidad para la muestra analizada. Los detectores más utilizados en los espectrómetros de WDXRF son el contador de flujo proporcional (para medir elementos pesados) y los contadores de centelleo (para medir elementos livianos). Este análisis puede hacerse midiendo la intensidad de los rayos X en diferentes longitudes de onda, una tras otra (secuencial) o en posiciones fijas, es decir, todas al mismo tiempo (simultánea) [38].

Un espectrómetro portátil de XRF, a veces conocido como pistola XRF portátil (figura 10), se utiliza para determinar la composición química de materiales, especialmente en el control de procesos y calidad en cualquier punto de las operaciones de fabricación, o para analizar chatarra en los puntos de entrega antes de que ingrese a la cadena de suministro [39], o incluso para verificar el peso en quilates y el valor de las joyas de oro. Su importancia radica en que permite el análisis directo de las muestras sin necesidad de realizar ningún pretratamiento de las mismas. Esto hace atractivos a los equipos portátiles para el análisis químico de piezas de arte, mediciones in situ, entre otras aplicaciones que requieren de mediciones rápidas y de análisis inmediato de los resultados.

Figura 10

Los espectrómetros de XRF portátiles tienen el mismo principio de funcionamiento que los espectrómetros de EDXRF y WDXRF, solo que manejan una geometría diferente. Consisten básicamente en un tubo de rayos X, un detector, un procesador digital, una CPU, una pantalla táctil y un puerto USB. En los sistemas portátiles, el tubo de rayos X crea un haz de rayos X con suficiente energía para impactar los electrones en las capas internas de los átomos de una muestra. Luego, el haz de rayos X se emite desde la parte frontal del analizador XRF portátil [40]. El haz de rayos X interactúa con los átomos de la muestra y desplaza los electrones de las capas orbitales internas del átomo; después, la radiación secundaria que emite la muestra es capturada por el detector, que usualmente es de dispersión de energía, el cual transforma esa energía en pulsos electrónicos y los envía al preamplificador. El preamplificador amplifica las señales y las envía al procesador de señal digital (DSP), el cual recopila y digitaliza los pulsos de rayos X y envía los datos espectrales a la CPU principal, allí se procesan los datos espectrales para producir un análisis de composición detallado [41]. Los datos de composición y demás información importante de la medición se almacenan en la memoria del espectrómetro, para recuperarlos o descargarlos posteriormente a una USB externa o pasarlos a un computador.

Las muestras químicamente homogéneas, con una superficie plana, pueden ser analizadas por XRF sin necesidad de un tratamiento previo. Sin embargo, esta muestra ideal es poco común, ya que la mayoría de las muestras sólidas requieren de algún tipo de pretratamiento como pulverización, homogeneización y secado, para posteriormente ser preparadas como polvos sueltos, polvos prensados (pellets) o perlas fundidas, tal como se muestra en la figura 11. En la tabla 3 se presentan varios ejemplos de preparación de muestras como polvo suelto, polvo prensado o perlas fundidas, para diferentes matrices que pueden ser medidas por XRF.

Figura 11

Tabla 3

fd: factor de dilución.

La técnica de preparación de la muestra se selecciona de acuerdo con el propósito analítico y la precisión requerida del estudio. Para determinar la mejor metodología de preparación, se debe tener conocimiento en las técnicas de tratamiento de las muestras (matriz de análisis), es decir, se debe realizar una optimización de los parámetros de preparación, tales como la cantidad de muestra, la presión, el tiempo de prensado (para los polvos prensados) y el tiempo de fusión (para perlas fundidas), con el objetivo de asegurar que se selecciona el método que da resultados más fiables (figura 12). En este sentido, se debe establecer si una técnica se puede aplicar a diferentes tipos de matrices o si, por el contrario, una matriz de análisis sólo permite una preparación específica de muestra, como en el caso de los aceros, arcillas y cementos, cuya preparación más común es la perla fundida, o para algunos alimentos y suelos, cuya preparación es por polvos prensados. Las perlas fundidas son las más homogéneas entre estos tipos de preparación de muestras y son las menos afectadas por el efecto matriz (la absorción y el aumento de los rayos X por parte de los componentes).

Figura 12

Los materiales sólidos de composición multielemental como suelos, rocas, alimentos, entre otros, presentan, en su mayoría, una morfología heterogénea en cuanto a tamaño, textura y estado en el que se encuentran, por lo que algunos componentes de las muestras pueden no determinarse con precisión mediante la medición directa por XRF. Estas muestras sólidas heterogéneas requieren una cuidadosa homogeneización, mediante pulverización y mezcla, para convertirlas en un polvo fino que minimice los efectos indeseados y permita el procesamiento de la muestra, ya sea como polvos prensados o perlas fundidas [55]. Para estos casos es común hacer uso de equipos de molienda, como morteros [56] y molinos [57], que son fabricados de diversos tamaños y materiales tales como ágata [58], alúmina, acero [59], carburo de tungsteno, carburo de aluminio [60], circonio, entre otros.

Cuando se utiliza un equipo de molienda (por ejemplo, un molino de bolas), se debe considerar que tanto el material de fabricación de las bolas como la cantidad de muestra que se va a moler sean las adecuadas para evitar contaminación, ya que se podría transferir la composición de las bolas y del molino a la muestra, o puede que la muestra no sea pulverizada adecuadamente. En algunos casos, es mejor realizar este tipo de trituraciones o pulverización en un mortero, para así evitar pérdidas que disminuyan el rendimiento de la molienda; esto dependerá del tipo de muestra, su dureza y la cantidad de muestra que se desee homogenizar. Para trituración, maceración, molienda u homogenización en alimentos, se suele hacer uso de los morteros de ágata o de carburo de tungsteno que no son tan agresivos con la muestra, como por ejemplo en el estudio realizado por Jolly et al. [61], quienes usaron un mortero de carburo de tungsteno para la molienda de unas muestras de leche previamente calcinadas. En el trabajo de Chubarov et al., utilizaron un mortero de ágata para moler muestras de suelo hasta alcanzar un tamaño de partícula inferior a 75 μm[62].

Para los análisis cuantitativos, se deben mantener las mismas condiciones de pulverización (cantidad de muestra y tiempo de pulverización) tanto para los materiales de referencia (MR) o MRC como para las muestras de concentración desconocida, cuando se identifique que el tamaño de partícula no es el adecuado para las mediciones por XRF. Es muy importante tener en cuenta que los tiempos de pulverización o molienda varían desde segundos hasta minutos y que dependen de la naturaleza de la muestra. La relación entre la intensidad de los rayos X y el tiempo de pulverización es crucial, ya que, a mayor tiempo de pulverización, menor tamaño de partícula y, por lo tanto, mayor intensidad [63]. En el estudio realizado por Morikawa [63], se buscó evaluar la relación entre la intensidad de los rayos X para la línea Si-Kα y el tiempo de pulverización para una muestra de dióxido de silicio (SiO₂) (ver figura 13)la cual fue pulverizada en un mortero de carburo de tungsteno hasta obtener un tamaño de partícula menor a 50 μm. En esta figura se evidencia que, para obtener análisis precisos con esta matriz, el tiempo de pulverización recomendado es de 5 min.

Figura 13

Para la homogenización de una muestra de arroz de marca comercial (de Colombia) realizada en el Instituto Nacional de Metrología (INM), se llevaron a cabo ciertos procedimientos hasta obtener el tamaño de partícula deseado (< 100 μm). En primera medida, los granos se molieron en un triturador de comida marca NutriBullet Baby^®, donde se obtuvieron tamaños de partícula < 350 μm para la fracción minoritaria y > 500 μm para la fracción mayoritaria (tamiz n.° 45). Se observó que el rendimiento relativo (fracción minoritaria (g)/muestra inicial de arroz (g)) de la primera molienda no fue lo suficientemente alto (< 50%) con este triturador de comida, por lo cual se eligió el molino de impacto de rotor SR300, marca Retsch, para moler 200 g de granos de arroz en un tiempo inferior a un minuto. Con esta molienda se obtuvo un polvo fino, con tamaño de partícula inferior a 100 μm (tamiz n.° 170). Los granos de arroz presentaron un aspecto visiblemente homogéneo después de la molienda (figura 14).

Figura 14

Para determinar la homogeneidad química de las muestras pulverizadas, se debe hacer una estimación experimental a partir de la cantidad total de la muestra de polvo y del volumen de muestreo. Esta homogeneidad puede estimarse de forma sencilla de la siguiente manera: primero, preparar aproximadamente cinco a diez submuestras de la muestra de polvo y analizarlas con un espectrómetro de XRF; a continuación, calcular la variación en los resultados utilizando la desviación estándar relativa (RSD) de la intensidad de los rayos X fluorescentes de cada analito; finalmente, la RSD se compara con la estadística teórica de los rayos X estimada a partir de la intensidad de los rayos X fluorescentes y el tiempo de recuento [64]. De esta manera, será posible evaluar la homogeneidad química de los analitos de interés en la muestra, después de molida o pulverizada, hasta el tamaño de partícula requerido.

En el estudio realizado por Chuparina et al., evaluaron el efecto que tiene la variación del tamaño de partícula en la heterogeneidad de la determinación de óxidos de Na, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Ti, Mn y Fe en residuos de carbón [47]; la variación de estas desviaciones depende notablemente de la preparación de la muestra y, por lo tanto, del tamaño de partícula (figura 15). En esta figura se muestran tres intervalos de tamaño de partícula donde, para el primer intervalo (125 a 250 μm), es notable una alta heterogeneidad que resulta de la variedad de tamaños que presentan los óxidos analizados; en el segundo intervalo la heterogeneidad disminuye; y en el último intervalo, cuando la muestra de residuo de carbón se homogeneizó y se preparó con un tamaño de partícula < 50 μm, las variaciones en la RSD disminuyeron en gran medida al controlar mejor el tamaño de la partícula.

Figura 15

El espesor de la muestra (masa por unidad de superficie) es un factor importante para el análisis confiable por XRF, es importante que las muestras tengan un espesor adecuado para evitar errores analíticos derivados de los efectos de absorción de la muestra. Cuando se analizan rayos X fluorescentes de alta energía de elementos pesados, en muestras que contienen elementos ligeros, la profundidad analítica puede superar el espesor de la muestra [72]. En este caso, el espesor se vuelve incluso más importante que el tamaño de las partículas, porque la intensidad de los rayos X fluorescentes aumenta con el espesor hasta la profundidad analítica. El problema de la profundidad analítica respecto al espesor de la muestra se produce con frecuencia en los siguientes análisis: 1) muestras compuestas principalmente por elementos ligeros con pequeños coeficientes de absorción de masa; 2) rayos X fluorescentes de alta energía como los espectros K de elementos pesados; 3) muestras de baja densidad como polvos sueltos, y 4) muestras delgadas. Respecto al diámetro de la muestra, también es un parámetro que influye en las intensidades de los rayos X fluorescentes de forma similar al espesor de la muestra [73].

En el estudio realizado por Inui et al., se evaluó la relación que hay entre las intensidades de los rayos X fluorescentes y el espesor, utilizando granos de arroz blanco y marrón que contenían 10 mg/kg de Cd. La figura 16 muestra la variación de la intensidad de Cd-Kα según el espesor de la muestra. Los autores concluyeron en su estudio que las intensidades de Cd-Kα, en los granos de arroz blanco y marrón, aumentaron gradualmente con el aumento del espesor de la muestra, hasta 0,87 g/cm (utilizando 7 g de muestra) [74]. De igual manera, ellos evaluaron en su estudio el efecto del diámetro de la muestra, variaron el diámetro del colimador de 1 a 30 mm y observaron que, cuando el diámetro del colimador era inferior a 10 mm, la intensidad del Cd-Kα era débil, causando un % de RSD entre el 15 y el 5%. Para diámetros superiores a 10 mm, observaron un incremento directamente proporcional con las intensidades de la línea de emisión del Cd, tal como se muestra en la figura 16, por lo que los autores concluyeron que el diámetro óptimo de la muestra y, por ende, del colimador es de 30 mm, ya que consiguieron intensidades más altas, así como % de RSD más bajos (inferiores al 2%).

Figura 16

Para el análisis de muestras que deben recuperarse después de la medición, o muestras en polvo como el grafito y la mica, que son difíciles de preparar en polvos prensados (incluso utilizando aglutinantes), la muestra puede medirse en atmósfera de vacío por el método de polvo suelto, así mantiene su condición original, sin necesidad de alta presión ni un proceso de fusión. El análisis de material en polvo suelto generalmente requiere que la muestra se coloque en una copa para muestras líquidas con una película como soporte (Prolene, PP Mylar ®, entre otros) (figura 18). Esto asegura una superficie plana para que la muestra sea irradiada con los rayos X. Cuanto más pequeño es el tamaño de partícula de la muestra (< 100 μm), más probable es que sea homogénea y que los espacios vacíos sean limitados, esto permite hacer una medición directa del polvo sin necesidad de preparar un pellet o una perla. Para ello se debe usar suficiente muestra en polvo, esto asegura que se obtenga un espesor infinito para todos los elementos de interés. Este requisito se puede cumplir utilizando 15 g de muestra para la mayoría de los materiales [84].

Figura 18

Los polvos sueltos tienen varias desventajas que requieren atención. En primera medida, hay que tener en cuenta que los rayos X fluorescentes de menor energía (especialmente de elementos como Na, Mg, etc.) son absorbidos considerablemente por la película o film y, por lo tanto, disminuye su intensidad (figura 19) [81]. Esta absorción de rayos X podría corregirse, en cierta medida, con un cálculo teórico, utilizando parámetros como la composición elemental, el espesor de la película (tabla 4), entre otros. En segundo lugar, la reproducibilidad en la preparación de muestras en polvo suelto no es tan alta en comparación con la del método de polvo prensado [85], esto se debe a que las densidades de empaquetado son variables y las superficies analíticas son gruesas. En tercer lugar, el resultado analítico puede ser poco fiable cuando los polvos y los granos tienen composiciones elementales heterogéneas.

Figura 19

Tabla 4

Nombre	Espesor (μm)
Ultra-Poliéster	1,5
Mylar®	2,5
Mylar®	3,6
EntonProlene®	4,0
Polipropileno	6,0
Kapton	7,5
Polipropileno	12,0
Polipropileno	6,0
Poliéster	6,0

Mylar y Kapton: marca registrada por Du Pont, EE. UU.

Los polvos prensados son una preparación relativamente sencilla, que busca moldear y prensar un polvo fino. La muestra en polvo se ubica en una matriz de compactación, posteriormente se somete a presión y así se obtiene la muestra prensada (figura 20). La facilidad de compactación de la muestra depende de sus características, del tamaño de partícula, del tiempo de prensado y de la presión de compactación.

Figura 20

La preparación de una muestra en polvos prensados es más rigurosa que verter polvos sueltos en una copa para muestra, pero es muy recomendada porque los resultados son más precisos y reproducibles; esto se debe a que las partículas son más uniformes en tamaño y forma, lo que garantiza que, durante la compactación, el polvo se distribuya uniformemente y se obtenga una superficie adecuadamente plana. Adicionalmente, el prensado mejora la durabilidad de la muestra, lo que permite la medición de rayos X fluorescentes de baja energía de elementos ligeros en condiciones de vacío.

La preparación de polvos prensados requiere una atención considerable al tamaño heterogéneo de las partículas y a la composición química de la muestra, ya que utilizar tamaños de partícula mayores a 100 μm [88] podría causar variaciones en la intensidad de los rayos X fluorescentes, lo que llevaría a resultados erróneos, tal como se mencionó en la sección "Efecto de la homogenización y el tamaño de partícula". Para asegurar una alta precisión y reproducibilidad, la homogeneidad de la muestra pulverizada debe ser examinada adecuadamente, especialmente cuando se determinan elementos ligeros con poca profundidad analítica. Además, antes de la preparación, el polvo debe secarse para eliminar los componentes húmedos y volátiles, como se describe en la sección "Efecto del secado y la calcinación"; si se omite este paso, el polvo prensado puede resultar dañado durante la medición por XRF.

Los polvos, que son difíciles de compactar por sí solos, requieren del uso de un aglutinante para facilitar la compactación. Medir una muestra que no está lo suficientemente compacta puede generar que las partículas del polvo fino se desprendan y contaminen la cámara de la muestra del espectrómetro, especialmente si la medición se realiza en el modo de vacío. Los polvos cuyas partículas tienen forma esférica, como el SiCh o las cenizas, son difíciles de prensar y la proporción de la mezcla muestra-aglutinante suele ser de 10:1 o 10:2. Es muy importante determinar la pureza del aglutinante, ya que hay que seleccionar un aglutinante que no incluya los elementos que se van a analizar. Los más utilizados son la cera [89], los polvos a base de poliestireno, los polvos de ácido bórico [90] y la celulosa [91].

Como se mencionó anteriormente, la presión de compactación es una variable a tener en cuenta en la preparación de polvos prensados, esto se debe a que la intensidad de los rayos X cambia en función de esta variable. La figura 21 muestra la relación entre la presión de compactación y la intensidad de los rayos X para una muestra de cemento. En este gráfico se evidencia que la intensidad de los rayos X aumenta con la presión aplicada, debido a que aumenta la densidad de la muestra. Por encima de una determinada presión, la intensidad de los rayos X se satura. Los errores debidos a este efecto pueden minimizarse manteniendo constantes la cantidad de muestra y la presión de compactación para cada polvo prensado que se prepare. Para obtener resultados reproducibles, lo más recomendado es que la muestra se compacte a la presión en la que se satura la intensidad de los rayos X [92].

Figura 21

La preparación en general de muestras por perlas fundidas (figura 22) se realiza de la siguiente manera: inicialmente se pesa la muestra, finamente pulverizada y seca, junto con el fundente (por ejemplo, tetraborato de litio [93], metaborato de litio, o una mezcla de metaborato y tetraborato). En algunas situaciones se pesa un agente oxidante, si las muestras a fundir presentan alto contenido de carburos, sulfuros o metales y se llevan a oxidar entre 600 a 800 °C. Una vez pesada la muestra y los reactivos involucrados durante la fusión, se transfieren al crisol donde ocurrirá la fusión. Se deben mezclar muy bien, de manera manual, la muestra y los reactivos antes de la fusión, además de añadirse un agente liberador (como el yoduro de litio [94], el bromuro de litio [95] o el cloruro de litio, que se añade en cantidades menores al 1% en masa) para facilitar la extracción de la perla del molde.

Figura 22

En matrices como el cemento y la piedra caliza, el CaO de la muestra puede estar presente como CaCO₃, por lo que se debe llevar a cabo una calcinación de la muestra a 800 °C antes de la fusión, debido a que el aumento repentino de la temperatura puede generar la formación de una espuma (liberación de CO₂) causada por la reacción química CaCO₃ - → CaO + CO₂. La calcinación reduce el riesgo de sobreflujo de la muestra y de que quede aire atrapado dentro de las perlas fundidas. Las cenizas obtenidas son utilizadas para la preparación de las perlas fundidas.

Para llevar a cabo la fusión, la mezcla se funde a altas temperaturas (1000 a 1200 °C) en un crisol de Pt-Au [96], el cual se mantiene inmóvil hasta que la mezcla se funde. Entre mayor sea la temperatura aplicada, mayor será la fluidez durante la fusión, pero esto puede aumentar la volatilización del fundente y de los analitos, además de disminuir la vida útil del crisol. Si se mantiene fijo el tiempo de fusión, la volatilización del fundente es constante y, por lo tanto, puede ignorarse su efecto. Sin embargo, para minimizar la variación en la volatilización de la muestra debida a diferencias en la composición de la muestra, es aconsejable fusionar a temperaturas más bajas [97].

Una vez fundida la muestra, el crisol empieza a sufrir pequeños movimientos para homogeneizar el líquido y eliminar las burbujas de aire. Es importante enfriar la muestra fundida manteniendo sus propiedades vítreas, ya que un enfriamiento rápido puede hacer que la muestra se agriete, mientras que un enfriamiento demasiado lento puede provocar la cristalización. Por ello, se recomienda un enfriamiento lento pasivo al inicio, seguido de un enfriamiento activo [98]. El tiempo de enfriamiento variará en función de la muestra, el tipo de fundente y la proporción de dilución. La figura 23 ilustra el tiempo de enfriamiento de la muestra.

Figura 23

El producto vítreo se desmolda del crisol después de que se enfría a temperatura ambiente y, posteriormente, se envuelve en papel de parafina y se mantiene en un desecador a temperatura ambiente [96]. La cantidad de muestra utilizada durante la preparación de una perla fundida depende del tamaño del crisol y del factor de dilución establecido para los analitos que interesa medir. Así mismo, el rendimiento de la fusión depende de la relación muestra-fundente y de la composición de la muestra, por lo que utilizar factores de dilución muy bajos (1:1 o 1:2) o extremadamente altos (1:300) afecta negativamente el rendimiento de la fusión. El efecto matriz (efecto de absorción y realce) puede reducirse considerablemente si se realiza una mayor dilución de las muestras; no obstante, la determinación de elementos menores o trazas se hace más difícil. Diversos estudios han utilizado varias relaciones de dilución según los fines analíticos, por ejemplo, alrededor de 1:10 [99] de dilución para los óxidos principales, alrededor de 1:5 [100] de dilución para elementos mayoritarios y minoritarios y alrededor de 1:1 de dilución para los componentes traza. En la tabla 5 se muestra el efecto del factor de dilución con respecto a la intensidad de los rayos X fluorescentes para líneas de emisión del Si- Kα, Ca- Kα, Ti- Kα y Fe- Kα [101].

Tabla 5

Factor de dilución	Intensidad relativa
	Si- Kα	Ca- Kα	Ti- Kα	Fe- Kα
1	62	78	91	92
2	45	64	83	85
5	24	42	67	70
10	14	27	50	54
20	7,4	15	33	38

La XRF está sujeta a importantes efectos matriz, que deben tenerse en cuenta cuando se lleve a cabo un análisis cuantitativo. El efecto matriz puede deberse a diferencias físicas en la muestra, lo que ocasiona tanto efectos de absorción como de realce, los cuales afectan la magnitud de la señal del analito [102]. En la figura 24 se muestra un ejemplo del efecto matriz que sufre el Fe en diferentes matrices binarias. Cuando los efectos de la matriz son insignificantes o constantes, se obtiene una relación lineal entre la intensidad de la radiación y la fracción másica del analito (curva A). La curva B se obtiene cuando los elementos de la matriz en la muestra absorben la radiación en mayor proporción que el analito (absorción positiva), por ejemplo, en binarios como FeCr, dónde el Cr absorbe en mayor medida la radiación en comparación con el Fe, por lo que se obtiene un comportamiento similar al de la curva B. La curva C muestra un efecto de aumento en la intensidad del analito, por ejemplo, en el caso de la determinación de Fe en binarios como FeNi, donde la presencia del Ni en la matriz realza la intensidad del Fe. Por último, la curva D muestra cuando el elemento matriz de la muestra absorbe la radiación en menor medida que el analito (absorción negativa), por ejemplo, en binarios como FeMn, donde el Mn no causa un efecto significativo sobre el Fe, por lo que se puede presentar un comportamiento un poco similar al de la curva A [103].

Figura 24

En el análisis cuantitativo por XRF, la intensidad de la señal característica va a depender de factores como el tipo de muestra, su preparación, la matriz de la muestra, la rugosidad de la muestra, la superficie irradiada, el flujo, la distribución espectral, la geometría del espectrómetro, entre otros. La interpretación de estas señales se logra utilizando métodos teóricos, los cuales se basan en modelos matemáticos que involucran parámetros físicos como coeficientes de atenuación, probabilidad de transición, procesos de excitación y relajación, etc. [104]. Los métodos más utilizados en el análisis cuantitativo pueden dividirse en tres categorías: métodos de compensación, métodos de corrección y métodos de reducción de los efectos de matriz (figura 25). En los métodos de corrección de matriz, la mayor parte de las variables involucradas durante el proceso de excitación se calculan teóricamente y otras de manera experimental. Con el avance de la tecnología en los últimos años, los métodos teóricos (parámetros fundamentales) y el método de los coeficientes influyentes se han convertido en los más utilizados en el análisis por XRF. Los métodos de reducción de los efectos de matriz buscan la disminución de los efectos de reforzamiento y absorción y esto se logra preparando la muestra con un espesor muy fino (películas delgadas), así, los efectos de matriz se vuelven despreciables [105].

Figura 25

Los dos métodos más eficaces para corregir los efectos de matriz son los algoritmos de los coeficientes influyentes y el método de los parámetros fundamentales. Dado que las concentraciones de elementos presentes en un espécimen son bastante difíciles de cuantificar con certeza, para los métodos presentados a continuación se puede suponer que las muestras son homogéneas, tienen una superficie plana y pulida y un espesor infinito con respecto a la radiación incidente y a las emisiones del XRF [106].

El método de parámetros fundamentales, empleado para la cuantificación en XRF, es único porque se basa en la relación teórica entre las intensidades de los rayos X y las concentraciones de los elementos en la muestra, sin el uso de estándares [107]. Esta relación teórica se basa en la física de los rayos X y en los valores de los parámetros atómicos fundamentales de la región de rayos X del espectro electromagnético [108].

El método de los coeficientes influyentes se basa en coeficientes numéricos que corrigen el efecto de cada elemento de la matriz sobre el elemento a determinar (analito) en una muestra dada. Los coeficientes de influencia pueden clasificarse en dos categorías: empíricos y teóricos. En el enfoque multielemental, los coeficientes empíricos se obtienen a partir del análisis de regresión lineal múltiple, utilizando intensidades medidas y composiciones de materiales de referencia multielementales. Por otra parte, los coeficientes empíricos se calculan una vez para un conjunto determinado de materiales de referencia y pueden corregir otros efectos de interferencia como los efectos del tamaño de las partículas, los efectos mineralógicos y los efectos de la rugosidad de la superficie, así como el conocimiento deficiente de la composición de los materiales de referencia y la preparación deficiente de las muestras [109].

La validación es importante para garantizar la fiabilidad de un método analítico, incluida la preparación de la muestra y el método de cuantificación [110]. La validación busca garantizar que un método analítico genera resultados confiables bajo las condiciones de trabajo del laboratorio. El Vocabulario Internacional de Metrología (VIM) define la validación como una "verificación, donde los requisitos especificados son adecuados para un uso previsto", entendiendo que la verificación es el proceso de presentar de manera objetiva la evidencia de que se cumplen unos requisitos específicos [111]. En los análisis por XRF, los parámetros de validación que más reportan los autores en sus estudios son el límite de detección (LOD), el límite de cuantificación (LOQ) y la exactitud, aunque no se puede dejar de lado que existen otros parámetros importantes como linealidad, selectividad y robustez. A continuación, se describen estos parámetros teniendo en cuenta su definición en el VIM, la Eurachem y la ISO 3534, esto con el fin de aclarar algunos conceptos inequívocos que se utilizan en lo referente a estos parámetros. De igual manera, se describe la forma de evaluarlos y se presentan ejemplos aplicados en XRF por algunos autores.

El VIM define el LOD como "el valor medido, obtenido mediante un procedimiento de medición dado, con una probabilidad β de declarar erróneamente la ausencia de un constituyente en un material, dada una probabilidad α de declarar erróneamente su presencia" [111]. De esta definición se destaca que se hace referencia a un valor medido y, para evaluar los límites de detección, se debe realizar su confirmación mediante mediciones y no solo estimarlo.

En los espectrómetros de XRF, el LOD puede alcanzar valores de aproximadamente 0,2 mg/kg; no obstante, este va a depender de varios factores como, por ejemplo, la preparación de la muestra, el tiempo de medición, la matriz de la muestra y la presencia de elementos de interferencia [112]. En la Ec. (1) se muestra una manera de calcular el LOD del elemento de interés:

dónde LOD es el límite de detección del elemento objetivo, m es la pendiente de la curva de calibración y σ es la desviación estándar de mediciones para una muestra (N-1) [113].

Por otro lado, el LOQ se define como la cantidad mínima de analito que puede ser cuantificada con un desempeño aceptable [114]. La estimación del LOQ de manera experimental se lleva a cabo de acuerdo con la mayoría de las convenciones: la desviación estándar obtenida (σ) a niveles bajos multiplicada por un factor kQ que puede ser igual a diez. También es posible calcular el LOQ con cualquiera de los métodos empleados para el cálculo del límite de detección, pero en lugar de multiplicar por tres se debe multiplicar por el factor kQ mencionado anteriormente, como muestra la Ec. (2):

donde, al igual que en la Ec. (1), m es la pendiente de la curva de calibración y σ es la desviación estándar de mediciones para una muestra.

Por último, de acuerdo con la guía para la validación de métodos en análisis químico cuantitativo, publicada por el INM, es válido tomar el límite inferior del intervalo de trabajo como el límite de cuantificación [115].

En la tabla 6 se muestran valores del LOD calculados para un método de medición de leche en polvo por WDXRF, los cuales fueron calculados por Fernandes et al. [116] utilizando las Ec. (1) y (2). De los datos reportados por los autores, se tiene que los límites de detección de los metales incluidos en este estudio estaban en el intervalo de 0,2 a 1,8 mg/kg, excepto para el Al, para el que se estimó un LOD de 7,0 mg/kg. Los resultados del límite de cuantificación variaron considerablemente desde Cu, donde el LOQ se estimó desde 0,6 hasta 21,2 mg/kg.

Tabla 6

Elemento	LOD (mg/kg)	LOQ (mg/kg)
Al	7,0	21,2
Cu	0,8	2,4
Fe	1,8	5,5
Zn	0,2	0,6

La validación requiere que el MRC o MR y la muestra objetivo tengan matrices similares, pero esto no siempre es posible, ya que puede que no exista un MRC adecuado o de matriz similar a la muestra. Es posible desarrollar nuevos MR como puntos (niveles) para la construcción de una curva de calibración, pero estos estándares de calibración preparados deben analizarse con otro método de medición (por ejemplo, AA, ICP-MS, ICP-OES, LIBS, etc.) para hacer una comparación cruzada de los resultados por los dos métodos. Autores como Perring y Blanc [120] desarrollaron y validaron un método rápido y eficaz para la determinación de hierro en cereales infantiles de marcas comerciales mediante EDXRF. Para la validación, ellos utilizaron un conjunto de veinte muestras, las cuales fueron medidas por el método que desarrollaron y compararon los resultados con los obtenidos por el método de referencia, el cual fue la ICP-OES (también conocida como espectroscopia de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente o ICP-AES). Durante la validación, para el parámetro de repetibilidad midieron tres muestras con tres réplicas instrumentales, y obtuvieron un valor de 134,1 mg/ kg de Fe, tanto para las mediciones por el método de EDXRF como por ICP-AES. En la figura 27 se correlacionan los valores de concentración de Fe (mg/kg) obtenidos por los dos métodos, los autores concluyeron que no se presentaron diferencias significativas entre ambos.

Figura 27

Algunos investigadores utilizan métodos de referencia, aunque cuenten con MRC para llevar a cabo la validación del método. Tal es el caso de Oliveira et al. [121], quienes desarrollaron un método para análisis elemental en muestras de cocoa y chocolate en polvo usando la EDXRF. Para validar los parámetros de precisión y exactitud, utilizaron el MRC 2384 (baking chocolate) del NIST, también compararon los resultados con el método de referencia ICP-OES y concluyeron que no había diferencias significativas entre las concentraciones obtenidas por medio de los dos métodos. En la figura 28 se muestra la correlación entre los dos métodos comparados en este estudio, donde se obtuvo un R² > 0,99.

Figura 28

El uso de la espectrometría de XRF en aplicaciones industriales se ha incrementado debido a la flexibilidad de la técnica en los análisis cualitativos y cuantitativos, tanto a nivel de laboratorio como in situ. Los últimos avances en el análisis por XRF se han logrado gracias al desarrollo de nuevas ópticas y detectores de rayos X. Por ejemplo, en la investigación realizada por Tsuji et al., se utilizó la microfluorescencia de rayos X (μ-XRF) con focal para visualizar la distribución elemental de Au-Lα, Ni-Kα, Ti-Kα, Cu-Kα y Br-Kα mientras se realizaban mediciones directas a una tarjeta de memoria microSD y, de manera paralela, los autores propusieron la modificación de un espectrómetro de dispersión por longitud de onda para la obtención rápida de imágenes XRF elementales, utilizando un nuevo detector de rayos X bidimensional, el detector Pilatus [122].

Las mediciones in situ se han vuelto cada vez más relevantes, por lo tanto, los equipos de XRF portátiles se han convertido en una poderosa herramienta para los análisis en campo. Tal es el caso de las mediciones realizadas por Turner y Filella [123] para la cuantificación de antimonio (Sb), utilizando XRF con energía dispersiva portátil (p-XRF), en una serie de productos poliméricos de uso frecuente, como aparatos electrónicos (televisores, neveras y computadores), juguetes, bombillas, tapicería, ropa de tela sintética, gafas de sol, productos de PET, entre otros; de este estudio los autores concluyen que hay presencia de Sb catalítico en los envases de alimentos y en los juguetes para niños, lo cual es un tema preocupante por su riesgo para la salud, lo que requiere seguir investigando la toxicidad del Sb y su migración en matrices poliméricas, así como reconsiderar los medios de eliminación y reciclaje de los residuos plásticos y electrónicos con contenido de Sb.

En la industria alimentaria, la XRF se sigue utilizando como una técnica que permite el análisis cuantitativo de elementos mayoritarios y trazas. En el estudio realizado por Vivek et al. [124], utilizaron la WDXRF para el estudio de enfermedades agrícolas en plantas y granos de arroz, midiendo los cambios elementales causados por la presencia de nematodos y falso tizón. Utilizaron un método de referencia llamado espectroscopia de descomposición inducida por láser (LIBS) y concluyeron que los resultados obtenidos por las dos técnicas son similares; además, evidenciaron que hay cambios significativos en las concentraciones elementales (elementos mayores, traza y metales pesados) debido a la presencia de la enfermedad, tal como se muestra en la tabla 9.

Tabla 9

A: elementos detectados en plantas mediante WDXRF.

La determinación de impurezas en las materias primas destinadas a la fabricación de productos farmacéuticos es importante para garantizar la calidad del producto final, así como para evitar daños a la salud. Las impurezas metálicas pueden presentar efectos tóxicos incluso a bajas concentraciones, por lo que las agencias reguladoras y las farmacopeas definen los niveles permisibles. En este sentido, técnicas rápidas, sensibles y precisas, como la técnica de XRF, son una alternativa para el análisis de metales en materiales de uso farmacéutico.

Paulino et al. [125] vieron la necesidad de investigar la presencia de contaminantes y sus niveles de concentración en productos farmacéuticos, su trabajo se centró en validar un método para utilizar la técnica EDXRF para identificar y cuantificar la composición química de materias primas y productos farmacéuticos. Las muestras se homogeneizaron utilizando un mortero de ágata y un mezclador rotativo que contenía bolas de acero en su interior y, posteriormente, la mezcla se separó en porciones de 4 g y se compactó cada sub-muestra a una presión de 10 t durante 30 s. Una vez preparadas las muestras, se procede con la validación del método, dónde los parámetros validados fueron la selectividad, la linealidad, la precisión, LOD, LOQ y la robustez. Los resultados de la validación demostraron que la EDXRF puede ser utilizada como técnica de detección y cuantificación de impurezas elementales pertenecientes a la clase 1 (Cd, Pb, As, Hg) y a la clase 2A (Co, V, Ni).

Otro estudio realizado en el campo farmacéutico fue el realizado por Cruz et al. [126], donde utilizaron la TXRF para el análisis cuantitativo de metales tóxicos (Pb, As, Cr y Hg) en muestras de suplementos dietarios. Se realizó la validación del método, evaluando los parámetros de linealidad, repetibilidad, reproducibilidad, LOD y LOQ. Los valores obtenidos para el LOD fueron 0,59; 0,41; 0,57 y 0,75 μg/L y para el LOQ fueron 1,95; 1,35; 1,9 y 2,5 μg/L para Pb, As, Cr y Hg, respectivamente. Los autores concluyeron que los resultados que obtuvieron fueron satisfactorios, según lo recomendado por la IUPAC y la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) de los EE. UU.

Por último, la investigación en materiales inorgánicos se encuentra actualmente en fase de crecimiento (en particular, en el campo de los nanomateriales) y la XRF está desempeñando un papel importante en la caracterización de dichos materiales. El estudio de los procesos de deposición de nanopartículas sobre muestras de superficie plana y lisa, el tamaño medio de las nanopartículas y su forma, fueron realizado por Tiwari [127] utilizando un espectrómetro de XRF de incidencia rasante (GIXRF), que es una versión mejorada de la TXRF. El empleo de esta técnica permitió determinar el tamaño medio de las nanopartículas tras realizar una única medición, por lo que se concluye que es una técnica que puede emplearse con éxito para analizar la morfología superficial de materiales nanoestructurados, que estén dispersos sobre una superficie pulida o incrustados en el interior de la matriz de análisis.