A röntgensugárzásnak számos olyan egyedi tulajdonsága van, amelyek túlmutatnak nagyon rövid hullámhosszukon. A tudomány számára egyik fontos tulajdonságuk az elemi szelektivitás. Az összetett molekulákban egyedi helyeken elhelyezkedő egyedi elemek spektrumának kiválasztásával és vizsgálatával egy lokalizált "atomérzékelőt" kapunk. Ezeket az atomokat a szerkezet fénnyel történő gerjesztése után különböző időpontokban vizsgálva már nagyon összetett rendszerekben is nyomon követhetjük az elektronikai és szerkezeti változások kialakulását, vagyis követhetjük az elektront a molekulán és a határfelületeken keresztül.
Előzmények
A radiográfia feltalálója Wilhelm Conrad Röntgen volt. Egyszer, amikor egy tudós különféle anyagoknak a sugarak megállítására való képességét vizsgálta, kisülés közben egy kis ólomdarabot helyezett a helyére. ÍgyÍgy Roentgen látta az első röntgenfelvételt, saját, csillogó, kísérteties csontvázát a bárium-platinocianid képernyőjén. Később beszámolt arról, hogy ezen a ponton döntött úgy, hogy titokban folytatja kísérleteit, mert féltette szakmai hírnevét, ha megfigyelései tévesek lesznek. A német tudós 1901-ben megkapta az első fizikai Nobel-díjat a röntgensugárzás 1895-ös felfedezéséért. A SLAC National Accelerator Laboratory szerint új technológiáját gyorsan átvették más tudósok és orvosok is.
Charles Barkla brit fizikus 1906 és 1908 között végzett kutatásokat, amelyek során felfedezte, hogy a röntgensugárzás bizonyos anyagokra jellemző lehet. Munkája a fizikai Nobel-díjat is kiérdemelte, de csak 1917-ben.
A röntgenspektroszkópia alkalmazása valójában valamivel korábban, 1912-ben kezdődött, a brit fizikusok apja és fia, William Henry Bragg és William Lawrence Bragg együttműködésével. Spektroszkópiával tanulmányozták a röntgensugarak kölcsönhatását a kristályokon belüli atomokkal. A röntgenkrisztallográfiának nevezett technikájuk a következő évre standard lett a szakmában, és 1915-ben megkapták a fizikai Nobel-díjat.
Akcióban
Az elmúlt években a röntgen-spektrometriát számos új és izgalmas módon használták. A Mars felszínén egy röntgenspektrométer található, amely gyűjtinformációkat a talajt alkotó elemekről. A gerendák erejét a játékokon lévő ólomfesték kimutatására használták, ami csökkentette az ólommérgezés kockázatát. A tudomány és a művészet közötti partnerség megnyilvánul a radiográfia használatában, amikor a múzeumokban használják olyan elemek azonosítására, amelyek károsíthatják a gyűjteményeket.
Működési elvek
Ha egy atom instabil, vagy nagy energiájú részecskék bombázzák, elektronjai energiaszintek között ugrálnak. Ahogy az elektronok alkalmazkodnak, az elem nagy energiájú röntgenfotonokat nyel el és bocsát ki az adott kémiai elemet alkotó atomokra jellemző módon. Röntgen-spektroszkópiával az energia ingadozása meghatározható. Ez lehetővé teszi a részecskék azonosítását és az atomok kölcsönhatásának megfigyelését különböző környezetekben.
A röntgenspektroszkópiának két fő módszere van: hullámhossz-diszperzív (WDXS) és energiadiszperzív (EDXS). A WDXS egy hullámhosszú röntgensugarakat mér, amelyek egy kristályon elhajlanak. Az EDXS a töltött részecskék nagy energiájú forrása által stimulált elektronok által kibocsátott röntgensugárzást méri.
A röntgenspektroszkópia analízise mindkét sugárzáseloszlási módszernél az anyag atomi szerkezetét jelzi, és így az elemzett objektumon belüli elemeket is.
Radiográfiai technikák
Az elektronikus spektrum röntgen- és optikai spektroszkópiájának számos különböző módszere létezik, amelyeket a tudomány és a technológia számos területén használnak,beleértve a régészetet, a csillagászatot és a mérnöki tudományokat. Ezeket a módszereket egymástól függetlenül vagy együtt is használhatjuk, hogy teljesebb képet kapjunk az elemzett anyagról vagy tárgyról.
WDXS
Röntgen fotoelektron spektroszkópia (WDXS) egy felületérzékeny kvantitatív spektroszkópiai módszer, amely a vizsgált anyag felületén egy sor rész elemi összetételét méri, valamint meghatározza az empirikus képletet, kémiai állapotot és az anyagban létező elemek elektronikus állapota. Egyszerűen fogalmazva, a WDXS egy hasznos mérési módszer, mert nemcsak azt mutatja meg, hogy milyen jellemzők vannak a filmben, hanem azt is, hogy milyen jellemzők alakulnak ki a feldolgozás után.
Röntgen-spektrumokat úgy kapunk, hogy egy anyagot röntgensugárral sugározunk be, miközben egyidejűleg mérjük a kinetikus energiát és a vizsgált anyag felső 0-10 nm-éből kilépő elektronok számát. A WDXS nagyvákuum (P ~ 10-8 millibar) vagy ultramagas vákuum (UHV; P <10-9 millibar) körülményeket igényel. Bár a WDXS atmoszférikus nyomáson jelenleg fejlesztés alatt áll, amelyben a mintákat több tíz millibaros nyomáson elemzik.
Az ESCA (X-ray Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) egy mozaikszó, amelyet Kai Siegbahn kutatócsoportja talált ki, hogy hangsúlyozza a technika által biztosított kémiai (nem csak elemi) információkat. A gyakorlatban tipikus laboratóriumi források felhasználásávalA röntgensugarak, az XPS minden olyan elemet észlel, amelynek rendszáma (Z) legalább 3 (lítium). Nem képes könnyen kimutatni a hidrogént (Z=1) vagy a héliumot (Z=2).
EDXS
Az energiadiszperzív röntgenspektroszkópia (EDXS) egy kémiai mikroelemzési technika, amelyet a pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) együtt alkalmaznak. Az EDXS módszer az elektronsugárral bombázott minta által kibocsátott röntgensugarakat érzékeli, hogy jellemezze az elemzett térfogat elemi összetételét. Akár 1 µm-es elemek vagy fázisok is elemezhetők.
Amikor egy mintát SEM elektronsugárral bombáznak, az elektronok kilökődnek a minta felületét alkotó atomokból. A keletkező elektronüregeket magasabb állapotú elektronokkal töltik meg, és röntgensugárzást bocsátanak ki, hogy kiegyenlítsék a két elektron állapota közötti energiakülönbséget. A röntgenenergia arra az elemre jellemző, amelyből kibocsátották.
Az EDXS röntgendetektor méri a kibocsátott sugarak relatív mennyiségét azok energiájától függően. A detektor általában szilícium-drift-lítium szilárdtest-eszköz. Amikor egy beeső röntgensugár elér egy detektort, az a röntgensugárzás energiájával arányos töltésimpulzust hoz létre. A töltésimpulzust egy töltésérzékeny előerősítő segítségével feszültségimpulzussá alakítják (amely arányos marad a röntgenenergiával). A jel ezután egy többcsatornás analizátorba kerül, ahol az impulzusokat feszültség szerint rendezik. Az egyes beeső röntgenfelvételeknél a feszültségmérésből meghatározott energia egy számítógépre kerül az adatok megjelenítésére és további kiértékelésére. A becslések szerint a röntgensugárzás energiaspektruma a számmal szemben határozza meg a minta méretének elemi összetételét.
XRF
A röntgenfluoreszcens spektroszkópiát (XRF) kőzetek, ásványok, üledékek és folyadékok rutinszerű, viszonylag roncsolásmentes kémiai elemzésére használják. Az XRF azonban jellemzően nem tud kis foltméreteken (2-5 mikron) elemezni, ezért jellemzően geológiai anyagok nagy frakcióinak tömeges elemzésére használják. A minta-előkészítés viszonylagos egyszerűsége és alacsony költsége, valamint a röntgenspektrométerek stabilitása és könnyű használhatósága miatt ez a módszer az egyik legszélesebb körben használt módszer a kőzetekben, ásványokban és üledékekben található fő nyomelemek elemzésére.
Az XRF XRF fizikája olyan alapvető elveken múlik, amelyek közösek számos más műszeres technikában, amelyek magukban foglalják az elektronsugarak és a minták röntgensugarak közötti kölcsönhatásait, beleértve a radiográfiás technikákat, például a SEM-EDS-t, a diffrakciót (XRD) és a hullámhosszt. diszperzív radiográfia (mikropróba WDS).
A geológiai anyagok fő nyomelemeinek XRF-vizsgálata az atomok viselkedése miatt lehetséges, amikor kölcsönhatásba lépnek a sugárzással. Amikor anyagokA nagy energiájú, rövid hullámhosszú sugárzás (például röntgensugárzás) által gerjesztve ionizálódhatnak. Ha elegendő sugárzási energia áll rendelkezésre a szorosan tartott belső elektron kimozdításához, az atom instabillá válik, és a külső elektron pótolja a hiányzó belső elektront. Amikor ez megtörténik, energia szabadul fel a belső elektronpálya csökkent kötési energiája miatt a külsőhöz képest. A sugárzás energiája kisebb, mint az elsődleges beeső röntgensugárzásé, ezért fluoreszcensnek nevezik.
Az XRF spektrométer azért működik, mert ha egy mintát intenzív röntgensugárral, úgynevezett beeső sugárral világítanak meg, az energia egy része szétszóródik, de egy része el is nyelődik a mintában, ami a kémiai összetételétől függ. kompozíció.
XAS
A röntgenabszorpciós spektroszkópia (XAS) a fém alapelektronikus állapotaiból a gerjesztett elektronállapotokba (LUMO) és a kontinuumba való átmenet mérése; az előbbi X-ray Absorption Near Structure (XANES), az utóbbi pedig X-ray Extended Absorption Fine Structure (EXAFS) néven ismert, amely az abszorpció finom szerkezetét vizsgálja az elektronfelszabadulási küszöböt meghaladó energiáknál. Ez a két módszer további szerkezeti információkat szolgáltat, a XANES spektrumok a fémhely elektronszerkezetét és szimmetriáját, az EXAFS pedig számokat, típusokat és ligandumok és az abszorbeáló elemtől a szomszédos atomok távolságát jelenti.
A XAS lehetővé teszi számunkra, hogy tanulmányozzuk a kérdéses elem lokális szerkezetét anélkül, hogy a fehérjemátrix, víz vagy levegő abszorpciója zavarná. A metalloenzimek röntgen-spektroszkópiája azonban kihívást jelentett a vizsgált elem mintában lévő kis relatív koncentrációja miatt. Ebben az esetben a standard megközelítés az volt, hogy röntgen-fluoreszcenciát használtak az abszorpciós spektrumok kimutatására az átviteli detektálási mód helyett. A szinkrotron sugárzás harmadik generációs intenzív röntgenforrásainak kifejlesztése lehetővé tette a híg minták vizsgálatát is.
A fémkomplexek, mint ismert szerkezetű modellek, elengedhetetlenek voltak a metalloproteinek XAS-jának megértéséhez. Ezek a komplexek adják az alapot a koordinációs közeg (koordinációs töltés) abszorpciós élenergiára gyakorolt hatásának értékeléséhez. A szerkezetileg jól jellemzett modellkomplexumok tanulmányozása viszonyítási alapként szolgál az ismeretlen szerkezetű fémrendszerekből származó EXAFS-ek megértéséhez.
Az XAS jelentős előnye a röntgenkrisztallográfiával szemben, hogy egy érdekes elem körüli lokális szerkezeti információ nyerhető még rendezetlen mintákból is, például porokból és oldatokból. A rendezett minták, például a membránok és az egykristályok azonban gyakran növelik az XAS-ból nyert információkat. Orientált egykristályok vagy rendezett membránok esetében a dikroizmus méréseiből az interatomikus vektor orientációra lehet következtetni. Ezek a módszerek különösen hasznosak a klaszterstruktúrák meghatározására.polinukleáris fémek, mint például az Mn4Ca klaszter, amely az oxigént felszabadító fotoszintetikus komplexben a víz oxidációjához kapcsolódik. Ezenkívül a víz oxidációs reakcióciklusában a közbenső állapotok közötti átmenetekhez kapcsolódó geometriai/szerkezeti meglehetősen kis változások, amelyeket S-állapotoknak neveznek, könnyen kimutatható az XAS segítségével.
Alkalmazások
A röntgenspektroszkópiai technikákat a tudomány számos területén alkalmazzák, beleértve a régészetet, az antropológiát, a csillagászatot, a kémiát, a geológiát, a mérnöki tudományokat és a közegészségügyet. Segítségével rejtett információkat fedezhet fel az ősi leletekről és maradványokról. Például Lee Sharp, az iowai Grinnell College kémia docense és munkatársai XRF segítségével nyomon követték az őskori emberek által az észak-amerikai délnyugaton készített obszidián nyílhegyek eredetét.
Az asztrofizikusok a röntgenspektroszkópiának köszönhetően többet megtudhatnak az űrben lévő objektumok működéséről. A St. Louis-i Washington Egyetem kutatói például azt tervezik, hogy megfigyelik a kozmikus objektumok, például a fekete lyukak röntgensugárzását, hogy többet megtudjanak jellemzőikről. A Henryk Kravczynski kísérleti és elméleti asztrofizikus vezette csapat egy röntgen-polariméternek nevezett röntgenspektrométer kibocsátását tervezi. 2018 decemberétől a műszert egy héliummal töltött ballonnal hosszú ideig felfüggesztették a Föld légkörében.
Yuri Gogotsi, vegyész és mérnök,A Drexel University of Pennsylvania porlasztott antennákat és membránokat hoz létre a sótalanításhoz röntgenspektroszkópiával elemzett anyagokból.
A láthatatlan porlasztott antennák mindössze néhány tíz nanométer vastagok, de képesek rádióhullámok továbbítására és irányítására. Az XAS technika segít abban, hogy a hihetetlenül vékony anyag összetétele megfelelő legyen, és segít meghatározni a vezetőképességet. „Az antennák jó működéséhez nagy fémvezetőképességre van szükség, ezért nagyon oda kell figyelnünk az anyagra” – mondta Gogotsi.
Gogotzi és munkatársai spektroszkópiát is használnak olyan összetett membránok felületi kémiájának elemzésére, amelyek speciális ionok, például nátrium kiszűrésével sótalanítják a vizet.
Az orvostudományban
A röntgen fotoelektron spektroszkópia az anatómiai orvosi kutatások több területén és a gyakorlatban is alkalmazható, például a modern CT-szkennerekben. A röntgen-abszorpciós spektrumok CT-vizsgálat során történő gyűjtése (fotonszámlálás vagy spektrális szkenner segítségével) részletesebb információkat szolgáltathat, és meghatározhatja, hogy mi történik a testben, alacsonyabb sugárzási dózis mellett, és kevesebb vagy nincs szükség kontrasztanyagra (festékre).
