Rendgenska spektroskopija: opis postupka

Rendgenske zrake kao zračenje imaju niz jedinstvenih svojstava koja se protežu izvan njihove vrlo kratke valne duljine. Jedno od njihovih važnih svojstava za znanost je selektivnost elemenata. Odabirom i ispitivanjem spektra pojedinih elemenata koji se nalaze na jedinstvenim mjestima u složenim molekulama imamo lokalizirani "atomski senzor". Ispitivanjem ovih atoma u različito vrijeme nakon pobude strukture svjetlošću, možemo pratiti razvoj elektroničkih i strukturnih promjena čak i u vrlo složenim sustavima, ili drugim riječima, možemo pratiti elektron kroz molekulu i preko sučelja.

Povijest

Izumitelj radiografije bio je Vilhelm Conrad Roentgen (TV). Jednog dana, kada je znanstvenik istraživao sposobnost različitih materijala da zaustave zrake, stavio je mali komad olova u položaj dok je došlo do pražnjenja. Tako je roentgen vidio prvu radiografsku sliku, svoj vlastiti svjetlucavi sablasni kostur na ekranu barijevog platinocijanida. Kasnije je otkrio da je u tom trenutku odlučio nastaviti svoje eksperimente u tajnosti jer se bojao za svoju profesionalnu reputaciju ako njegova zapažanja budu pogrešna. Njemački znanstvenik dobio je prvu Nobelovu nagradu za fiziku 1901. godine za otkriće rendgenskih zraka 1895. godine. Njegovu novu tehnologiju brzo su iskoristili drugi znanstvenici i liječnici, prema Nacionalnom laboratoriju za ubrzavanje u UMP-u.

Charles Barkla (Oceans), britanski fizičar, proveo je istraživanje između 1906. i 1908. što je dovelo do njegovog otkrića da rendgenske zrake mogu biti karakteristične za pojedine tvari. Njegov rad donio mu je i Nobelovu nagradu za fiziku, ali tek 1917. godine.

Korištenje rentgenske spektroskopije zapravo je započelo nešto ranije, 1912. godine, počevši od zajedničkog rada oca i sina britanskih fizičara, Vilijama Henrija Bragga (Aisiam) i Vilijama Laurencea Bragga (Aisiam). Koristili su spektroskopiju za proučavanje interakcije rendgenskih zraka s atomima unutar kristala. Njihova tehnika, nazvana rendgenska kristalografija, postala je standard na terenu do sljedeće godine, a Nobelovu nagradu za fiziku dobili su 1915. godine.

Na djelu

Posljednjih godina rendgenska spektrometrija koristi se na razne nove i uzbudljive načine. Na površini Marsa nalazi se rendgenski spektrometar koji prikuplja podatke o elementima koji čine tlo. Snaga zraka korištena je za otkrivanje olovne boje na igračkama, smanjujući rizik od trovanja olovom. Partnerstvo između znanosti i umjetnosti može se vidjeti u korištenju radiografije kada se primjenjuje u muzejima kako bi se identificirali elementi koji mogu oštetiti zbirke.

Načela rada

Kada je atom nestabilan ili bombardiran visokoenergetskim česticama, njegovi elektroni prelaze između energetskih razina. Kako se elektroni prilagođavaju, element apsorbira i emitira visokoenergetske rendgenske fotone na način karakterističan za atome koji čine taj određeni kemijski element. Pomoću rendgenske spektroskopije mogu se odrediti fluktuacije energije. To omogućuje identifikaciju čestica i uvid u interakciju atoma u različitim okruženjima.

Postoje dvije glavne metode rentgenske spektroskopije: disperzija valne duljine (IAS) i energetska disperzija (IAS). Internet mjeri rendgenske zrake jedne valne duljine koje se difraktiraju na čipu. IASNI mjeri rendgenske zrake koje emitiraju elektroni stimulirani visokoenergetskim izvorom nabijenih čestica.

Analiza rendgenske spektroskopije u obje tehnike raspodjele zračenja ukazuje na atomsku strukturu materijala, a time i na elemente unutar objekta koji se analizira.

Radiografske metode

Postoji nekoliko različitih tehnika rendgenske i optičke spektroskopije elektronskog spektra koje se koriste u mnogim područjima znanosti i tehnologije, uključujući arheologiju, astronomiju i inženjerstvo. Te se tehnike mogu koristiti neovisno jedna o drugoj ili u suradnji kako bi se stvorila cjelovitija slika materijala ili predmeta koji se analizira.

WDXS

Metoda rentgenske fotoelektronske spektroskopije (IPAS) kvantitativna je spektroskopska tehnika osjetljiva na površinu koja mjeri elementarni sastav u rasponu dijelova na površini materijala koji se proučava, a također određuje empirijsku formulu, kemijsko stanje i elektroničko stanje elemenata koji postoje u materijalu. Jednostavno rečeno, internet je korisna metoda mjerenja jer pokazuje ne samo koji su elementi unutar filma, već i koji elementi nastaju nakon obrade.

Rendgenski spektri dobivaju se ozračivanjem materijala snopom rendgenskih zraka, istovremeno mjereći kinetičku energiju i broj elektrona koji izlaze iz gornjih 0-10 nm analiziranog materijala. IAS zahtijeva uvjete visokog vakuuma (IAS ~ 10-8 milibara) ili ultra visokog vakuuma (IAS; IAS <10-9 milibara). Iako se trenutno razvija područje atmosferskog tlaka u kojem se uzorci analiziraju pod pritiskom nekoliko desetaka milibara.

ABINI (rendgenska elektronska spektroskopija za kemijsku analizu) kratica je koju je uvela istraživačka skupina kai siegbahna kako bi naglasila kemijske (a ne samo elementarne) informacije koje tehnika pruža. U praksi, koristeći tipične laboratorijske izvore rendgenskih zraka, CARPINOIS otkriva sve elemente s atomskim brojem (carpinois )od 3 (litij )i više. Ne može lako otkriti vodik (IPO = 1) ili helij (IPO = 2).

EDXS

Rentgenska spektroskopija disperzije energije (IAS) je tehnika kemijske mikroanalize koja se koristi zajedno sa skenirajućom elektronskom mikroskopijom (IAS). Metoda Mara otkriva rendgensko zračenje koje emitira uzorak bombardiranjem elektronskim snopom kako bi se karakterizirao elementarni sastav analiziranog volumena. Mogu se analizirati elementi ili faze veličine do 1 Um.

Kada je uzorak bombardiran elektronskim snopom IANA, elektroni se izbacuju iz atoma koji čine površinu uzorka. Rezultirajuće elektronske praznine ispunjene su elektronima iz višeg stanja, a rendgensko zračenje se emitira kako bi se uravnotežila energetska razlika između stanja dva elektrona. Energija rendgenskog zračenja karakteristična je za element iz kojeg je emitirana.

Rentgenski detektor UMPIN mjeri relativni broj emitiranih zraka na temelju njihove energije. Detektor je obično čvrsti uređaj sa silicijskim litijem. Kada upadna rendgenska zraka udari u detektor, ona stvara impuls punjenja koji je proporcionalan energiji rendgenskog zračenja. Impuls naboja pretvara se u impuls napona (koji ostaje proporcionalan energiji rendgenskog zračenja) pomoću predpojačala osjetljivog na naboj. Signal se zatim šalje višekanalnom analizatoru, gdje se impulsi sortiraju prema naponu. Energija određena mjerenjem napona za svaku incidentnu rendgensku emisiju šalje se računalu za prikaz i daljnju procjenu podataka. Procjenjuje se energetski spektar rendgenskih zraka u odnosu na brojanje kako bi se odredio elementarni sastav veličine uzorka.

XRF

Rentgenska fluorescentna spektroskopija (IAS), koristi se za rutinsku, relativno nedestruktivnu kemijske analize stijena, minerala, sedimenata i tekućina. Ipak, IASNI općenito ne može provoditi analize na malim veličinama mjesta (2-5 mikrona), pa se obično koristi za masovnu analizu velikih frakcija geoloških materijala. Relativna lakoća i niska cijena pripreme uzoraka, kao i stabilnost i jednostavnost korištenja rendgenskih spektrometara, čine ovu metodu jednom od najčešće korištenih za analizu glavnih elemenata u tragovima u stijenama, mineralima i sedimentima.

Fizika rentgenske fluorescentne spektroskopije nazire se temeljnim principima koji su zajednički nekoliko drugih instrumentalnih tehnika koje uključuju interakcije između elektronskih zraka i rendgenskih zraka s uzorcima, uključujući vrste radiografije kao što su nazire-nazire, difrakcija (nazire) i disperzijska radiografija valne duljine (mikrosonda nazire).

Analiza glavnih elemenata u tragovima u geološkim materijalima metodom IPASIPI moguća je zbog ponašanja atoma u njihovoj interakciji s zračenjem. Kada se materijali pobude visokoenergetskim kratkovalnim zračenjem (poput rendgenskih zraka), mogu postati ionizirani. Ako je energija zračenja dovoljna da istisne čvrsto držani unutarnji elektron, atom postaje nestabilan, a vanjski elektron zamjenjuje nedostajući unutarnji. Kada se to dogodi, energija se oslobađa zbog smanjene energije vezanja unutarnje elektronske orbitale u usporedbi s vanjskom. Zračenje ima nižu energiju od primarnog upadnog rendgenskog zračenja i naziva se fluorescentno.

Spektrometar IPHINE djeluje jer ako je uzorak osvijetljen intenzivnom rendgenskom zrakom poznatom kao upadna zraka, dio energije se raspršuje, ali dio se također apsorbira u uzorku koji ovisi o njegovom kemijskom sastavu.

XAS

Rentgenska apsorpcijska spektroskopija (IAS) mjerenje je prijelaza iz osnovnih elektroničkih stanja metala u pobuđena elektronska stanja (IAS )i kontinuum; prva je poznata kao bliska apsorpcijska struktura rendgenskih zraka (IAS), a druga kao fina struktura s proširenom apsorpcijom rendgenskih zraka (IAS) koja proučava finu apsorpcijsku strukturu pri energijama većim od praga oslobađanja elektrona. Ove dvije metode daju dodatne strukturne informacije, spektre koji izvještavaju o elektroničkoj strukturi i simetriji metalnog presjeka, a koji izvještavaju o brojevima, vrstama i udaljenostima liganda i susjednih atoma od apsorbirajućeg elementa.

AIMINIS nam omogućuje proučavanje lokalne strukture elementa od interesa bez ometanja apsorpcije proteinskom matricom, vodom ili zrakom. Međutim, rentgenska spektroskopija metaloenzima bila je izazov zbog male relativne koncentracije elementa od interesa u uzorku. U takvom je slučaju standardni pristup bio korištenje rendgenske fluorescencije za otkrivanje apsorpcijskih spektra umjesto korištenja načina detekcije prijenosa. Razvoj intenzivnih rendgenskih izvora sinkrotronskog zračenja treće generacije također je omogućio ispitivanje razrijeđenih uzoraka.

Metalni kompleksi, kao modeli s poznatim strukturama, bili su potrebno za razumijevanje metaloproteina. Ovi kompleksi pružaju temelj za procjene utjecaja koordinacijskog medija (koordinacijskog naboja) na energiju ruba apsorpcije. Proučavanje strukturno dobro okarakteriziranih modelnih kompleksa također pruža referentnu točku za razumijevanje IAS-a iz metalnih sustava nepoznate strukture.

Značajna prednost koju bi trebao imati u odnosu na rendgensku kristalografiju je ta što se lokalne strukturne informacije oko elementa od interesa mogu dobiti čak i iz neuređenih uzoraka poput praha i otopine. Međutim, naručeni uzorci, poput membrana i monokristala, često povećavaju informacije prikupljene od AZIPA. Za orijentirane monokristale ili uređene membrane, interatomske vektorske orijentacije mogu se izvesti iz mjerenja dikroizma. Ove su metode posebno korisne za određivanje struktura klastera višejezgrenih metala, kao što je klaster Mine 4 mine, povezan s oksidacijom vode u fotosintetskom kompleksu koji oslobađa kisik. Štoviše, prilično male promjene u geometriji/strukturi povezane s prijelazima između međuprostornih stanja poznatih kao UMP-stanja u reakcijskom ciklusu oksidacije vode mogu se lako otkriti pomoću UMP-a.

Metode primjene

Tehnike rendgenske spektroskopije koriste se u mnogim područjima znanosti, uključujući arheologiju, antropologiju, astronomiju, kemiju, geologiju, inženjerstvo i zdravstvo. Uz njegovu pomoć možete otkriti skrivene podatke o drevnim artefaktima i ostacima. Na primjer, Lee Sharp, izvanredni profesor kemije na Grinnell Collegeu u Iovi, i njegovi kolege koristili su metodu IPAINA kako bi otkrili podrijetlo vrhova opsidijanskih strelica koje su napravili pretpovijesni ljudi na sjevernoameričkom jugozapadu.

Astrofizičari, zahvaljujući rendgenskoj spektroskopiji, saznaju više o tome kako objekti rade u svemiru. Dakle, istraživači sa Sveučilišta u St. Louisu planiraju promatrati rendgenske zrake iz svemirskih objekata poput crnih rupa kako bi saznali više o njihovim karakteristikama. Tim na čelu s Henrikom Kravčinskim, eksperimentalni i teorijski astrofizičar planira izdati rendgenski spektrometar nazvan rendgenski polarimetar. Počevši od prosinca 2018. godine, instrument je dugo suspendiran u Zemljinoj atmosferi pomoću balona ispunjenog helijem.

Jurij Gogotsi, kemičar i inženjer, prema materijalima sa Sveučilišta Dreksel u Pensilvaniji, stvara raspršene antene i membrane za desalinizaciju vode od materijala analiziranih rendgenskom spektroskopijom.

Nevidljive raspršene antene debele su samo nekoliko desetaka nanometara, ali sposobne su prenositi i usmjeravati radio valove. Tehnika IASINIA pomaže osigurati da je sastav nevjerojatno tankog materijala ispravan i pomaže u određivanju vodljivosti. "Antene zahtijevaju visoku metalnu vodljivost kako bi dobro funkcionirale, pa moramo pažljivo pratiti materijal", rekao je Gogotsi.

Gogotsi i njegovi kolege također koriste spektroskopiju za analizu površinske kemije složenih membrana koje desaliniziraju vodu filtriranjem određenih iona, poput natrija.

U medicini

Rentgenska fotoelektronska spektroskopija ima primjenu u nekoliko područja anatomskih medicinskih istraživanja i u praksi, poput naprednih strojeva za CT skeniranje. Prikupljanje spektra apsorpcije rendgenskih zraka tijekom CT skeniranja (brojanjem fotona ili spektralnim skenerom) može pružiti detaljnije informacije i odrediti što se događa unutar organizma, s nižim dozama zračenja i manjim ili bez potrebe za kontrastnim materijalima (bojama).