MAKALAH “XRF (X-ray fluorescence spectrometry)” Disusun untuk memenuhi tugas akhir mata kuliah Sains Kaca
Disusun oleh : Vera Rizchi Cahyani Putri
4211410017
Muh. Gufron Faza
4211410016
JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG TAHUN 2012
BAB I PENDAHULUAN Dewasa ini banyak sekali penelitian yang dilakukan untuk mengetahui susunan dari sebuah bahan. Dari pengukuran density dan repractive index, kekerasan¸ termal, struktur, sifat optic, sifat magnetic, sampai komposisi. Banyak teknik yang dilakukan dalam suatu penelitian, dan beragam bentuknya, tidak sama antar satu dengan yang lainnya. Dalam pengukuran kompisisi khususnya, dilakukan dengan metode spektometri,. Alat yang digunakan dalam metode tersebut yakni XRF. alam penggunaan alat-alat tersebut, para peneliti memanfaatkan pemancaran sinar-x dalam metode penelitiannya. Mengapa sinar-x yang digunakan, Profesor Daniel Mittleman dari Fakultas Teknik Elektrik dan Komputer Rice University memberi penjelasan detailnya. Sinar-x merupakan bentuk radiasi elektromagnetik, seperti cahaya, radiasi inframerah, gelombang mikro, dan gelombang radio. Namun dibanding jenis radiasi tersebut, sinarx lebih enerjik. Foton sinar-x seribu kali lebih enerjik dibanding foton cahaya tampak. Terakhir, mesin yang mengakselerasi elektron dalam orbit lingkaran dapat menghasilkan sinar-x. Ketika elektron berputar, elektron ini memancarkan sinar-x kuat. Nah itu tadi adalah pengetahuan awal dari makalah yang akan kita bahas pada kali ini. Pemancaran Sinar-x akan digunakan dalam alat yang dinamakan XRF (X-Ray Flourencenses). Kali ini akan dibahas lebih mendetail tentang, apa pengertian XRF dan bagaimana prinsip kerjanya terhadap pengukuran kaca, apa kelebihan dan kekurangan XRF,
apa saja aplikasi dari XRF serta beberapa contoh hasil dari pengukuran
menggunakan XRF.
BAB II
PENGERTIAN XRF X-ray
fluorescence
(XRF)
spektrometer adalah suatu alat x-ray digunakan untuk rutin, yang relatif non-destruktif analisis kimia batuan, mineral, sedimen dan cairan. Ia bekerja pada
panjang
spektroskopi Gambar 1. X-Ray Flourenceses
dengan
gelombang-dispersif prinsip
yang
microprobe
mirip
elektron.
Namun, XRF umumnya tidak dapat membuat analisis di spot ukuran kecil khas pekerjaan EPMA (2-5 mikron), sehingga biasanya digunakan untuk analisis sebagian besar fraksi lebih besar dari bahan geologi. Biaya kemudahan dan rendah relatif persiapan sampel, dan stabilitas dan kemudahan penggunaan x-ray spektrometer membuat salah satu metode yang paling banyak digunakan untuk analisis unsur utama dan jejak di batuan, mineral, dan sedimen.
PRINSIP DASAR X-RAY FLUORESENSI (XRF) Dasar analisis alat X-Ray Fluorescent ini adalah pencacahan sinar x yang dipancarkan oleh suatu unsur akibat pengisian kembali kekosongan elektron pada orbital yang lebih dekat dengan inti (karena terjadinya eksitasi elektron) oleh elektron yang terletak pada orbital yang lebih luar. Ketika sinar x yang berasal dari radioisotop sumber eksitasi menabrak elektron dan akan mengeluarkan elektron kulit dalam, maka akan terjadi kekosongan pada kulit itu.
Elektron dari kulit yang lebih tinggi akan mengisi kekosongan itu. Perbedaan energi dari dua kulit itu akan tampil sebagai sinar X yang dipancarkan oleh atom. Spektrum sinar X selama proses tersebut menunjukan peak/puncak yang karakteristik, dimana setiap unsur akan menunjukkan peak yang karakteristik yang merupakan landasan dari uji kualitatif untuk unsur-unsur yang ada dalam sampel. Tahap 1 : Ketika photon X-Ray memiliki energy yang cukup untuk menabrak atom, ini menyebabkan electron terlepas dari kulitnya (dalam hal ini Kulit K) Tahap 2: Atom akan mengisi kekosongan pada kulit K dengan electron dari kulit L; sebagai penurunan electron ke tingkat energy rendah dan melepaskan energy yang disebut K alfa XRay. Tahap 3: Atom mengisi kekosongan kulit K dengan electron dari kulit M, sebagai penurunan electron ke tingkat energy rendah, dan melepaskan energy yang disebut K betha X-ray.
Gambar 2. Prinsip Dasar XRF
CARA KERJA XRF Analisis unsur-unsur utama dan jejak dalam bahan geologi oleh XRF dimungkinkan oleh perilaku atom ketika mereka berinteraksi dengan X-radiasi. Sebuah spektrometer XRF bekerja karena jika sampel diterangi oleh sinar-X intens beam, yang dikenal sebagai balok insiden, sebagian energi yang tersebar, tetapi beberapa juga diserap dalam sampel dengan cara yang tergantung pada kimia nya. Insiden X-ray beam biasanya dihasilkan dari target Rh, meskipun W, Mo, Cr dan lain-lain juga dapat digunakan, tergantung pada aplikasi. Saat ini sinar X-ray utama menerangi sampel, dikatakan bersemangat. Sampel bersemangat pada gilirannya memancarkan sinar-X sepanjang spektrum panjang gelombang karakteristik dari jenis atom hadir dalam sampel. Bagaimana ini terjadi? Atom-atom dalam sampel menyerap sinar-X energi pengion, elektron mendepak dari tingkat energi rendah (biasanya K dan L). Para elektron dikeluarkan diganti oleh elektron dari, energi luar orbit yang lebih tinggi. Ketika ini terjadi, energi dilepaskan karena energi yang mengikat penurunan orbital elektron dalam dibandingkan dengan yang luar. Hal ini melepaskan energi dalam bentuk emisi karakteristik sinar-X menunjukkan atom jenis ini. Jika sampel memiliki unsur-unsur yang hadir, seperti yang khas untuk kebanyakan mineral dan batuan, penggunaan Spektrometer dispersif Panjang gelombang seperti bahwa dalam EPMA memungkinkan pemisahan spektrum yang dipancarkan sinar-X yang kompleks ke dalam panjang gelombang karakteristik untuk masing-masing elemen ini. Berbagai jenis detektor (aliran gas proporsional dan kilau) digunakan untuk mengukur intensitas sinar yang dipancarkan. Penghitung aliran yang biasa digunakan untuk mengukur gelombang panjang (> 0,15 nm) sinar-X yang khas dari spektrum K dari unsur yang lebih ringan daripada Zn. Detektor sintilasi umumnya digunakan untuk menganalisis panjang gelombang lebih pendek dalam spektrum sinar-X (K spektrum elemen dari Nb ke I; L spektrum Th dan U). X-ray dari panjang gelombang menengah (K spektrum yang dihasilkan dari Zn untuk Zr dan L
spektrum dari Ba dan unsur tanah jarang) umumnya diukur dengan menggunakan kedua detektor bersama-sama. Intensitas energi yang diukur oleh detektor sebanding dengan kelimpahan elemen dalam sampel. Nilai yang tepat dari proporsionalitas ini untuk setiap elemen diperoleh dengan perbandingan standar mineral atau batuan dengan komposisi yang diketahui dari analisis sebelumnya dengan teknik lain.
BOX DIAGRAM DARI XRF :
·
Gambar 3. Box Diagram Dari X-Ray Source (Tabung Sinar-X)
Electron energy tinggi ditembakkan pada anoda (biasanya terbuat dari Ag atau Rh). Energy eksitasi dapat bervariasi dari 15-50 kV dan arusnya 1-200 µA. ·
Silicon Drift Detector (SDD) and digital pulse processor Energy dispersive, multi channel analyzer tidak monokromatik , inilah yang diperlukan. Energy foton dalam keV adalah terkait dengan jenis elemen. Tingkat emisi (cps) berhubungan dengan konsentrasi unsur.
·
Perangkat lunak analyzer mengkonversi data spectral untuk pembacaan hasil secara langsung. Konsentrasi unsur ditentukan dari data kalibrasi pabrik, ketebalan sampel seperti yang diperkirakan dari sumber backscatter , dan parameter lainnya.
JENIS – JENIS XRF Jenis
XRF
yang
pertama
adalah
WDXRF
(Wavelength-dispersive
X-ray
Fluorescence) dimana dispersi sinar-X didapat dari difraksi dengan menggunakan analyzer yang berupa cristal yang berperan sebagai grid. Kisi kristal yang spesifik memilih panjang gelombang yang sesuai dengan hukum bragg (PANalytical, 2009). Keuntungan menggunakan WDXRF spektrometer (PANalytical, 2009): ·
Aplikasinya luas dan beragam.
·
Kondisi pengukuran yang optimal dari tiap – tiap elemen dapat diprogram.
·
Analisa yang sangat bagus untuk elemen berat.
·
Sensitivitas yang sangat tinggi dan limit deteksi yang sangat rendah Gambar berikut menggambarkan prinsip kerja WDXRF(Gosseau,2009.)
Gambar 4. Ilustrasi Prinsip Kerja WDXRF
Sampel yang terkena radiasi sinar-X akan mengemisikan radiasi ke segala arah. Radiasi dengan dengan arah yang spesifik yang dapat mencapai colimator. Sehingga refleksi sinar radiasi dari kristal ke detektor akan memberikan sudut θ. Sudut ini akan terbentuk jika, panjang gelombang yang diradiasikan sesuai dengan sudut θ dan sudut 2θ dari kisi kristal. Maka hanya panjang gelombang yang sesuai akan terukur oleh detektor. Karena sudut
refleksi spesifik bergantung panjang gelombang, maka untuk pengukuran elemen yang berbeda, perlu dilakukan pengaturan posisi colimator, kristal serta detektor (Gosseau,2009). Jenis XRF yang kedua adalah EDXRF. EDXRF (Energy-dispersive X-ray Fluorescence) spektrometri bekerja tanpa menggunakan kristal, namun menggunakan software yang mengatur seluruh radiasi dari sampel kedetektor (PANalytical, 2009). Radiasi Emisi dari sample yang dikenai sinar-X akan langsung ditangkap oleh detektor. Detektor menangkap foton – foton tersebut dan dikonversikan menjadi impuls elektrik. Amplitudo dari impuls elektrik tersebut bersesuaian dengan energi dari foton – foton yang diterima detektor. Impuls kemudian menuju sebuah perangkat yang dinamakan MCA (Multi-Channel Analyzer) yang akan memproses impuls tersebut. Sehingga akan terbaca dalam memori komputer sebagai channel. Channel tersebut yang akan memberikan nilai spesifik terhadap sampel yang dianalisa. Pada XRF jenis ini, membutuhkan biaya yang relatif rendah, namun keakuratan kurang. (Gosseau,2009). Gambar berikut mengilustrasikan prinsip kerja EDXRF (Gosseau,2009):
Gambar 5. Ilustrasi prinsip kerja EDXRF
KELEBIHAN DAN KEKURANGAN XRF Setiap teknik analisa memiliki kelebihan serta kekurangan, beberapa kelebihan dari XRF : · Cukup mudah, murah dan analisanya cepat · Jangkauan elemen Hasil analisa akurat · Membutuhan sedikit sampel pada tahap preparasinya(untuk Trace elemen) · Dapat digunakan untuk analisa elemen mayor (Si, Ti, Al, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, P) maupun tace elemen (>1 ppm; Ba, Ce, Co, Cr, Cu, Ga, La, Nb, Ni, Rb, Sc, Sr, Rh, U, V, Y, Zr, Zn) · Akurasi yang tinggi · Dapat menentukan unsur dalam material tanpa adanya standar · Dapat menentukan kandungan mineral dalam bahan biologik maupun dalam tubuh secara langsung Beberapa kekurangan dari XRF : · Tidak cocok untuk analisa element yang ringan seperti H dan He · Analisa sampel cair membutuhkan Volume gas helium yang cukup besar · Preparasi
sampel
biasanya
membutuhkan
waktu
yang
cukup
lama
dan
memebutuhkan perlakuan yang banyak . Tidak dapat mengetahui senyawa apa yang dibentuk oleh unsur-unsur yang terkandung dalam material yang akan kita teliti. · Tidak dapat menentukan struktur dari atom yang membentuk material itu.
APLIKASI X-Ray fluoresensi digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk •
penelitian di petrologi beku, sedimen, dan metamorf
•
survei tanah
•
pertambangan (misalnya, mengukur nilai dari bijih)
•
produksi semen
•
keramik dan kaca manufaktur
•
metalurgi (misalnya, kontrol kualitas)
•
lingkungan studi (misalnya, analisis partikel pada filter udara)
•
minyak industri (misalnya, kandungan sulfur minyak mentah dan produk minyak bumi)
•
bidang analisis dalam studi geologi dan lingkungan (menggunakan portabel, tangan memegang spektrometer XRF)
X-Ray fluoresensi sangat cocok untuk penyelidikan yang melibatkan •
massal kimia analisis elemen utama (Si, Ti, Al, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, P) dalam batuan dan sedimen
•
massal kimia analisis unsur jejak (dalam kelimpahan> 1 ppm; Ba, Ce, Co, Cr, Cu, Ga, La, Nb, Ni, Rb, Sc, Sr, Rh, U, V, Y, Zr, Zn) di batuan dan sedimen batas deteksi untuk elemen biasanya pada urutan beberapa bagian per juta
Fluoresensi sinar-X terbatas pada analisis •
relatif besar sampel, biasanya> 1 gram
•
bahan yang dapat dipersiapkan dalam bentuk bubuk dan efektif dihomogenisasi
•
bahan yang komposisinya mirip, standar baik ditandai tersedia
•
bahan yang mengandung kelimpahan tinggi unsur-unsur yang penyerapan dan efek fluoresensi yang cukup dipahami dengan baik
Dalam kebanyakan kasus untuk batuan, bijih, sedimen dan mineral, sampel tanah untuk menjadi bubuk halus. Pada titik ini dapat dianalisis secara langsung, terutama dalam hal analisis elemen jejak. Namun, rentang yang sangat luas dalam kelimpahan unsur yang berbeda, terutama besi, dan berbagai ukuran butir dalam sampel bubuk, membuat perbandingan proporsionalitas dengan standar sangat merepotkan. Untuk alasan ini, adalah praktek umum untuk mencampur sampel bubuk dengan fluks kimia dan menggunakan tungku atau kompor gas untuk mencairkan sampel bubuk. Mencair menciptakan glass homogen yang dapat dianalisis dan kelimpahan (sekarang agak diencerkan) elemen dihitung.
CONTOH KURVA HASIL PENGUKURAN MENGGUNAKAN XRF
Gambar 6. Contoh kurva hubungan energy unsure terhadap intesitas paduan U-Zr
Gambar 7. Contoh Spektrum hubungan energi dengan intensitas paduan AlMgSi1
Gambar 8. Karakteristik spectrum sinar-X yang dihasilkan dari penyinaran irisan gigi dentin manusia oleh sumber 109Cd.
Gambar 9 (a)
Gambar 9 (b) Gambar 9 (a)(b). Contoh Hasil Pengukuran Pada XRF
(c) Gambar 9 (a)(b)(c). Contoh Hasil Pengukuran Pada Kaca Silika menggunakan XRF
Gambar 10. Contoh Hasil Pengukuran Pada kaca Silika menggunakan EDAX
Gambar 11. Contoh Hail Pengukuran XRF pada Kaca Silika
BAB III PENUTUP Kesimpulan Pada makalah ini dapat disimpulkan bahwa, 1. XRF (X-ray fluorescence spectrometry) digunakan untuk identifikasi serta penentuan konsentrasi elemen yang ada pada padatan, bubuk ataupun sample cair. 2. Prinsip Dasar analisis alat XRF (X-ray fluorescence spectrometry) ini adalah pencacahan Sinar-X yang dipancarkan oleh suatu unsur akibat pengisian kembali kekosongan elektron pada orbital yang lebih dekat dengan inti. 3. Terdapat dua jenis XRF , WDXRF (Wavelength-dispersive X-ray Fluorescence) dan EDXRF. EDXRF (Energy-dispersive X-ray Fluorescence) . 4. X-Ray Fluorescent Spectroscocy (XRF) mempunyai banyak keuntungannya yaitu analisis tidak merusak, cepat, multi elemen dan murah. 5. X-Ray Fluorescent Spectroscocy (XRF digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk keramik dan kaca manufaktur
DAFTAR PUSTAKA Scott Ryland.XRF and SEM analysis of glass.Florida Dept. of Law Enforcement Masrukan, Dian Anggraini dan Rosika. Vol. 13 No. 3 Juli 2007: 99 -146. Studi Komparasi Hasil Analisis Komposisi Paduan Almgsi1 Dengan Menggunakan Teknik X Ray Fluorocency (Xrf) Dan Emission Spectroscoy .Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir, BATAN. Kawasan Puspiptek Serpoong, Tangerang. Masrukan dan Rosika. Vol. 14 No. 1 Tahun 2008: 1-48. Perbandingan Hasil Analisis Bahan Bakar U-Zr dengan Menggunakan Teknik XRF dan SSA. Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir, BATAN. Kawasan Puspiptek Serpoong, Tangerang. http://arindharenipramesti.blogspot.com. 3 Januari 2012-19.54. http://anekakimia.blogspot.com. 4 Januari 2012-15.43 http://www.uniquant.com/applications/glass.html 3 Januari 2012-13.59 http://teaf.fiu.edu/Training_Downloads/Module%204d_SEM%20and%20XRF.pdf 5 Januari 2012-15.30 http://www.glass-ts.com/pdfs/xrf.pdf 6 Januari 2012-19.07. http://www.icdd.com/resources/axa/vol42/V42_19a.pdf 6 Januari 2012-22.57.
LAMPIRAN
