Røntgenstråler har en rekke unike egenskaper som stråling som går utover deres svært korte bølgelengde. En av deres viktige egenskaper for vitenskapen er elementær selektivitet. Ved å velge ut og undersøke spektrene til enkeltelementer som befinner seg på unike steder i komplekse molekyler, har vi en lokalisert "atomsensor". Ved å undersøke disse atomene til forskjellige tider etter eksitasjon av strukturen med lys, kan vi spore utviklingen av elektroniske og strukturelle endringer selv i svært komplekse systemer, eller, med andre ord, vi kan følge elektronet gjennom molekylet og gjennom grenseflatene.
Historie
Oppfinneren av radiografi var Wilhelm Conrad Röntgen. En gang, da en vitenskapsmann undersøkte evnen til ulike materialer til å stoppe stråler, plasserte han et lite stykke bly mens en utslipp pågikk. SåDermed så Roentgen det første røntgenbildet, sitt eget glitrende spøkelsesskjelett på en skjerm av bariumplatinocyanid. Han rapporterte senere at det var på dette tidspunktet han bestemte seg for å fortsette eksperimentene i hemmelighet fordi han fryktet for sitt profesjonelle rykte hvis observasjonene hans var feilaktige. Den tyske forskeren ble tildelt den første Nobelprisen i fysikk i 1901 for oppdagelsen av røntgenstråler i 1895. I følge SLAC National Accelerator Laboratory ble den nye teknologien hans raskt tatt i bruk av andre forskere og leger.
Charles Barkla, en britisk fysiker, utførte forskning mellom 1906 og 1908 som førte til at han oppdaget at røntgenstråler kunne være karakteristiske for visse stoffer. Arbeidet hans ga ham også Nobelprisen i fysikk, men først i 1917.
Bruken av røntgenspektroskopi begynte faktisk litt tidligere, i 1912, og startet med samarbeidet mellom far og sønn til britiske fysikere, William Henry Bragg og William Lawrence Bragg. De brukte spektroskopi for å studere interaksjonen mellom røntgenstråler og atomer inne i krystaller. Teknikken deres, k alt røntgenkrystallografi, ble standarden på feltet året etter, og de mottok Nobelprisen i fysikk i 1915.
I action
De siste årene har røntgenspektrometri blitt brukt på en rekke nye og spennende måter. På overflaten av Mars er det et røntgenspektrometer som samlerinformasjon om grunnstoffene som utgjør jorda. Kraften til bjelkene ble brukt til å oppdage blymaling på leker, noe som reduserte risikoen for blyforgiftning. Partnerskapet mellom vitenskap og kunst kan sees i bruken av radiografi når den brukes i museer for å identifisere elementer som kan skade samlinger.
Arbeidsprinsipper
Når et atom er ustabilt eller bombardert av høyenergipartikler, hopper elektronene mellom energinivåene. Når elektronene justerer seg, absorberer og avgir elementet høyenergi-røntgenfotoner på en måte som er karakteristisk for atomene som utgjør det spesielle kjemiske elementet. Med røntgenspektroskopi kan svingninger i energi bestemmes. Dette lar deg identifisere partikler og se samspillet mellom atomer i ulike miljøer.
Det er to hovedmetoder for røntgenspektroskopi: bølgelengdedispersiv (WDXS) og energidispersiv (EDXS). WDXS måler røntgenstråler med én bølgelengde som blir diffraktert på en krystall. EDXS måler røntgenstråler som sendes ut av elektroner stimulert av en høyenergikilde med ladede partikler.
Analysen av røntgenspektroskopi i begge metodene for strålingsfordeling indikerer atomstrukturen til materialet og derfor elementene i det analyserte objektet.
Radiografiske teknikker
Det finnes flere forskjellige metoder for røntgen og optisk spektroskopi av det elektroniske spekteret, som brukes innen mange felt innen vitenskap og teknologi,inkludert arkeologi, astronomi og ingeniørfag. Disse metodene kan brukes uavhengig eller sammen for å skape et mer fullstendig bilde av det analyserte materialet eller objektet.
WDXS
Røntgenfotoelektronspektroskopi (WDXS) er en overflatesensitiv kvantitativ spektroskopisk metode som måler grunnstoffsammensetningen i en rekke deler på overflaten av materialet som studeres, og også bestemmer den empiriske formelen, kjemisk tilstand og elektronisk tilstand til elementene som finnes i materialet. Enkelt sagt er WDXS en nyttig målemetode fordi den ikke bare viser hvilke funksjoner som er inne i filmen, men også hvilke funksjoner som dannes etter behandling.
Røntgenspektra oppnås ved å bestråle et materiale med en røntgenstråle mens man samtidig måler den kinetiske energien og antallet elektroner som kommer ut fra de øvre 0-10 nm av det analyserte materialet. WDXS krever høyvakuum (P ~ 10-8 millibar) eller ultrahøyt vakuum (UHV; P <10-9 millibar) forhold. Selv om WDXS ved atmosfærisk trykk er under utvikling, hvor prøver analyseres ved trykk på flere titalls millibar.
ESCA (X-ray Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) er et akronym laget av Kai Siegbahns forskerteam for å understreke den kjemiske (ikke bare elementære) informasjonen som teknikken gir. I praksis ved å bruke typiske laboratoriekilderRøntgen, XPS oppdager alle grunnstoffer med et atomnummer (Z) på 3 (litium) og høyere. Den kan ikke enkelt oppdage hydrogen (Z=1) eller helium (Z=2).
EDXS
Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDXS) er en kjemisk mikroanalyseteknikk som brukes i forbindelse med skanningelektronmikroskopi (SEM). EDXS-metoden oppdager røntgenstråler som sendes ut av en prøve når den bombarderes med en elektronstråle for å karakterisere grunnstoffsammensetningen til det analyserte volumet. Elementer eller faser så små som 1 µm kan analyseres.
Når en prøve blir bombardert med en SEM-elektronstråle, blir elektroner kastet ut fra atomene som utgjør prøvens overflate. De resulterende elektronhullene fylles med elektroner fra en høyere tilstand, og røntgenstråler sendes ut for å balansere energiforskjellen mellom tilstandene til de to elektronene. Røntgenenergi er karakteristisk for grunnstoffet den ble sendt ut fra.
EDXS røntgendetektor måler den relative mengden av stråler som sendes ut avhengig av energien deres. Detektoren er vanligvis en silisiumdrift litium solid state-enhet. Når en innfallende røntgenstråle treffer en detektor, skaper den en ladningspuls som er proporsjonal med energien til røntgenstrålen. Ladningspulsen omdannes til en spenningspuls (som forblir proporsjonal med røntgenenergien) ved hjelp av en ladningsfølsom forforsterker. Signalet sendes deretter til en flerkanalsanalysator hvor pulsene sorteres etter spenning. Energien som bestemmes fra spenningsmålingen for hver innfallende røntgenstråle sendes til en datamaskin for visning og videre evaluering av dataene. Røntgenenergispekteret versus antall estimeres for å bestemme grunnstoffsammensetningen av prøvestørrelsen.
XRF
Røntgenfluorescensspektroskopi (XRF) brukes til rutinemessig, relativt ikke-destruktiv kjemisk analyse av bergarter, mineraler, sedimenter og væsker. Imidlertid kan XRF vanligvis ikke analysere ved små punktstørrelser (2-5 mikron), så det brukes vanligvis til bulkanalyse av store fraksjoner av geologiske materialer. Den relative enkle og lave kostnaden ved prøvepreparering, samt stabiliteten og brukervennligheten til røntgenspektrometre, gjør denne metoden til en av de mest brukte for analyse av viktige sporelementer i bergarter, mineraler og sedimenter.
Fysikken til XRF XRF avhenger av grunnleggende prinsipper som er felles for flere andre instrumentelle teknikker som involverer interaksjoner mellom elektronstråler og røntgenstråler på prøver, inkludert radiografiteknikker som SEM-EDS, diffraksjon (XRD) og bølgelengde dispersiv radiografi (mikroprobe WDS).
Analysen av hovedsporelementene i geologiske materialer ved XRF er mulig på grunn av atomenes oppførsel når de samhandler med stråling. Når materialerOpphisset av høyenergi stråling med kort bølgelengde (som røntgenstråler), kan de bli ionisert. Hvis det er nok strålingsenergi til å løsne det tett holdte indre elektronet, blir atomet ustabilt og det ytre elektronet erstatter det manglende indre. Når dette skjer, frigjøres energi på grunn av den reduserte bindingsenergien til den indre elektronorbitalen sammenlignet med den ytre. Strålingen har lavere energi enn den primære innfallende røntgenstrålen og kalles fluorescerende.
XRF-spektrometeret fungerer fordi hvis en prøve belyses med en intens røntgenstråle, kjent som en innfallende stråle, spres noe av energien, men noe absorberes også i prøven, noe som avhenger av kjemikaliet. komposisjon.
XAS
Røntgenabsorpsjonsspektroskopi (XAS) er måling av overganger fra bakkens elektroniske tilstander til et metall til eksiterte elektroniske tilstander (LUMO) og kontinuum; førstnevnte er kjent som X-ray Absorption Near Structure (XANES) og sistnevnte som X-ray Extended Absorption Fine Structure (EXAFS), som studerer den fine strukturen til absorpsjon ved energier over elektronfrigjøringsterskelen. Disse to metodene gir ytterligere strukturell informasjon, XANES-spektra som rapporterer den elektroniske strukturen og symmetrien til metallstedet, og EXAFS rapporterer tall, typer og avstander til ligander og naboatomer fra det absorberende elementet.
XAS lar oss studere den lokale strukturen til et element av interesse uten forstyrrelser fra absorpsjon av en proteinmatrise, vann eller luft. Imidlertid har røntgenspektroskopi av metalloenzymer vært en utfordring på grunn av den lille relative konsentrasjonen av elementet av interesse i prøven. I et slikt tilfelle var standardtilnærmingen å bruke røntgenfluorescens for å oppdage absorpsjonsspektra i stedet for å bruke transmisjonsdeteksjonsmodus. Utviklingen av tredjegenerasjons intense røntgenkilder for synkrotronstråling har også gjort det mulig å studere fortynnede prøver.
Metalkomplekser, som modeller med kjente strukturer, var avgjørende for å forstå XAS av metalloproteiner. Disse kompleksene gir grunnlag for å evaluere koordinasjonsmediets (koordinasjonsladning) innflytelse på absorpsjonskantenergien. Studiet av strukturelt godt karakteriserte modellkomplekser gir også en målestokk for å forstå EXAFS fra metalliske systemer med ukjent struktur.
En betydelig fordel med XAS fremfor røntgenkrystallografi er at lokal strukturell informasjon rundt et element av interesse kan fås selv fra uordnede prøver som pulver og oppløsning. Bestilte prøver som membraner og enkeltkrystaller øker imidlertid ofte informasjonen hentet fra XAS. For orienterte enkeltkrystaller eller ordnede membraner kan interatomiske vektororienteringer utledes fra målinger av dikroisme. Disse metodene er spesielt nyttige for å bestemme klyngestrukturer.polynukleære metaller som Mn4Ca-klyngen assosiert med oksidasjon av vann i det oksygenfrigjørende fotosyntetiske komplekset. Dessuten kan ganske små endringer i geometri/struktur assosiert med overganger mellom mellomtilstander, kjent som S-tilstander, i vannoksidasjonsreaksjonssyklusen enkelt oppdages ved hjelp av XAS.
Applications
Røntgenspektroskopiteknikker brukes i mange vitenskapsfelt, inkludert arkeologi, antropologi, astronomi, kjemi, geologi, ingeniørfag og folkehelse. Med dens hjelp kan du oppdage skjult informasjon om gamle gjenstander og levninger. For eksempel brukte Lee Sharp, førsteamanuensis i kjemi ved Grinnell College i Iowa, og kolleger XRF for å spore opprinnelsen til obsidian-pilspisser laget av forhistoriske mennesker i det nordamerikanske sørvestlandet.
Astrofysikere, takket være røntgenspektroskopi, vil lære mer om hvordan objekter i rommet fungerer. For eksempel planlegger forskere ved Washington University i St. Louis å observere røntgenstråler fra kosmiske objekter som sorte hull for å lære mer om deres egenskaper. Et team ledet av Henryk Kravczynski, en eksperimentell og teoretisk astrofysiker, planlegger å frigjøre et røntgenspektrometer k alt et røntgenpolarimeter. Fra og med desember 2018 ble instrumentet hengt opp i jordens atmosfære med en heliumfylt ballong i lang tid.
Yuri Gogotsi, kjemiker og ingeniør,Drexel University of Pennsylvania lager sputterte antenner og membraner for avs alting fra materialer analysert ved røntgenspektroskopi.
Usynlige sputterte antenner er bare noen få titalls nanometer tykke, men i stand til å sende og styre radiobølger. XAS-teknikken bidrar til å sikre at sammensetningen av det utrolig tynne materialet er riktig og hjelper til med å bestemme konduktiviteten. "Antenner krever høy metallisk ledningsevne for å fungere bra, så vi må holde et godt øye med materialet," sa Gogotsi.
Gogotzi og kolleger bruker også spektroskopi for å analysere overflatekjemien til komplekse membraner som avs alter vann ved å filtrere ut spesifikke ioner som natrium.
I medisin
Røntgenfotoelektronspektroskopi finner anvendelse i flere områder av anatomisk medisinsk forskning og i praksis, for eksempel i moderne CT-skanningsmaskiner. Innsamling av røntgenabsorpsjonsspektra under en CT-skanning (ved hjelp av fotontelling eller en spektralskanner) kan gi mer detaljert informasjon og bestemme hva som skjer inne i kroppen, med lavere strålingsdoser og mindre eller ingen behov for kontrastmaterialer (fargestoffer).
