Röntgenstrålar har ett antal unika egenskaper som strålning som går längre än deras mycket korta våglängd. En av deras viktiga egenskaper för vetenskapen är elementär selektivitet. Genom att välja och undersöka spektra av enskilda grundämnen som finns på unika platser i komplexa molekyler har vi en lokaliserad "atomsensor". Genom att undersöka dessa atomer vid olika tidpunkter efter excitation av strukturen med ljus kan vi spåra utvecklingen av elektroniska och strukturella förändringar även i mycket komplexa system, eller, med andra ord, vi kan följa elektronen genom molekylen och genom gränssnitten.
Historia
Uppfinnaren av radiografi var Wilhelm Conrad Röntgen. En gång, när en vetenskapsman undersökte förmågan hos olika material att stoppa strålar, placerade han en liten bit bly på plats medan en urladdning pågick. SåSåledes såg Roentgen den första röntgenbilden, sitt eget skimrande spöklika skelett på en skärm av bariumplatinocyanid. Han rapporterade senare att det var vid denna tidpunkt som han bestämde sig för att fortsätta sina experiment i hemlighet eftersom han fruktade för sitt professionella rykte om hans observationer var felaktiga. Den tyske vetenskapsmannen tilldelades det första Nobelpriset i fysik 1901 för upptäckten av röntgenstrålar 1895. Enligt SLAC National Accelerator Laboratory anammades hans nya teknik snabbt av andra forskare och läkare.
Charles Barkla, en brittisk fysiker, genomförde forskning mellan 1906 och 1908 som ledde till att han upptäckte att röntgenstrålar kunde vara karakteristiska för vissa ämnen. Hans arbete gav honom också Nobelpriset i fysik, men först 1917.
Användningen av röntgenspektroskopi började faktiskt lite tidigare, 1912, och började med samarbetet mellan far och son till brittiska fysiker, William Henry Bragg och William Lawrence Bragg. De använde spektroskopi för att studera interaktionen mellan röntgenstrålar och atomer inuti kristaller. Deras teknik, kallad röntgenkristallografi, blev standard inom området året därpå, och de fick Nobelpriset i fysik 1915.
I action
Under de senaste åren har röntgenspektrometri använts på en mängd nya och spännande sätt. På ytan av Mars finns en röntgenspektrometer som samlarinformation om de grundämnen som utgör jorden. Balkarnas kraft användes för att upptäcka blyfärg på leksaker, vilket minskade risken för blyförgiftning. Partnerskapet mellan vetenskap och konst kan ses i användningen av radiografi när den används på museer för att identifiera element som kan skada samlingar.
Arbetsprinciper
När en atom är instabil eller bombarderas av högenergipartiklar, hoppar dess elektroner mellan energinivåerna. När elektronerna anpassar sig absorberar och avger elementet högenergiröntgenfotoner på ett sätt som är karakteristiskt för atomerna som utgör det specifika kemiska elementet. Med röntgenspektroskopi kan fluktuationer i energi bestämmas. Detta gör att du kan identifiera partiklar och se samspelet mellan atomer i olika miljöer.
Det finns två huvudmetoder för röntgenspektroskopi: våglängdsdispersiv (WDXS) och energidispergerande (EDXS). WDXS mäter enkelvåglängdsröntgenstrålar som diffrakteras på en kristall. EDXS mäter röntgenstrålar som emitteras av elektroner som stimuleras av en högenergikälla av laddade partiklar.
Analysen av röntgenspektroskopi i båda metoderna för strålningsfördelning indikerar materialets atomära struktur och därför elementen i det analyserade objektet.
radiografiska tekniker
Det finns flera olika metoder för röntgen och optisk spektroskopi av det elektroniska spektrumet, som används inom många områden av vetenskap och teknik,inklusive arkeologi, astronomi och ingenjörsvetenskap. Dessa metoder kan användas oberoende eller tillsammans för att skapa en mer komplett bild av det analyserade materialet eller objektet.
WDXS
Röntgenfotoelektronspektroskopi (WDXS) är en ytkänslig kvantitativ spektroskopisk metod som mäter grundämnessammansättningen i en rad delar på ytan av materialet som studeras, och som även bestämmer den empiriska formeln, kemiskt tillstånd och elektroniskt tillstånd för de element som finns i materialet. Enkelt uttryckt är WDXS en användbar mätmetod eftersom den inte bara visar vilka funktioner som finns inuti filmen, utan också vilka funktioner som bildas efter bearbetning.
Röntgenspektra erhålls genom att bestråla ett material med en röntgenstråle samtidigt som man mäter den kinetiska energin och antalet elektroner som kommer ut från de övre 0-10 nm av det analyserade materialet. WDXS kräver högvakuum (P ~ 10-8 millibar) eller ultrahögt vakuum (UHV; P <10-9 millibar). Även om WDXS vid atmosfärstryck för närvarande utvecklas, där prover analyseras vid ett tryck på flera tiotals millibar.
ESCA (röntgenelektronspektroskopi för kemisk analys) är en akronym som myntats av Kai Siegbahns forskargrupp för att betona den kemiska (inte bara elementära) information som tekniken ger. I praktiken med hjälp av typiska laboratoriekällorRöntgenstrålar, XPS detekterar alla grundämnen med ett atomnummer (Z) på 3 (litium) och högre. Den kan inte lätt detektera väte (Z=1) eller helium (Z=2).
EDXS
Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDXS) är en kemisk mikroanalysteknik som används i samband med svepelektronmikroskopi (SEM). EDXS-metoden detekterar röntgenstrålar som sänds ut av ett prov när det bombarderas med en elektronstråle för att karakterisera den analyserade volymens elementära sammansättning. Element eller faser så små som 1 µm kan analyseras.
När ett prov bombarderas med en SEM-elektronstråle, stöts elektroner ut från atomerna som utgör provets yta. De resulterande elektronhålrummen fylls med elektroner från ett högre tillstånd, och röntgenstrålar sänds ut för att balansera energiskillnaden mellan de två elektronernas tillstånd. Röntgenenergi är karakteristisk för det element från vilket den sänds ut.
EDXS röntgendetektor mäter den relativa mängden utsända strålar beroende på deras energi. Detektorn är vanligtvis en kiseldrivande litium-solid-state-enhet. När en infallande röntgenstråle träffar en detektor skapar den en laddningspuls som är proportionell mot röntgenstrålens energi. Laddningspulsen omvandlas till en spänningspuls (som förblir proportionell mot röntgenenergin) med hjälp av en laddningskänslig förförstärkare. Signalen skickas sedan till en flerkanalsanalysator där pulserna sorteras efter spänning. Energin som bestäms från spänningsmätningen för varje infallande röntgenstrålning skickas till en dator för visning och vidare utvärdering av data. Röntgenenergispektrumet kontra antalet uppskattas för att bestämma grundämnessammansättningen av provstorleken.
XRF
Röntgenfluorescensspektroskopi (XRF) används för rutinmässig, relativt oförstörande kemisk analys av stenar, mineraler, sediment och vätskor. Men XRF kan vanligtvis inte analysera vid små fläckstorlekar (2-5 mikron), så det används vanligtvis för bulkanalys av stora fraktioner av geologiskt material. Den relativa enkla och låga kostnaden för provberedning, liksom stabiliteten och användarvänligheten för röntgenspektrometrar, gör denna metod till en av de mest använda för analys av viktiga spårämnen i bergarter, mineraler och sediment.
Fysiken för XRF XRF beror på grundläggande principer som är gemensamma för flera andra instrumentella tekniker som involverar interaktioner mellan elektronstrålar och röntgenstrålar på prover, inklusive radiografitekniker som SEM-EDS, diffraktion (XRD) och våglängd dispersiv radiografi (mikrosond WDS).
Analysen av de viktigaste spårelementen i geologiska material med XRF är möjlig på grund av atomernas beteende när de interagerar med strålning. När materialUpphetsade av högenergistrålning med kort våglängd (som röntgenstrålar) kan de bli joniserade. Om det finns tillräckligt med strålningsenergi för att lossa den hårt hållna inre elektronen, blir atomen instabil och den yttre elektronen ersätter den saknade inre. När detta händer frigörs energi på grund av den minskade bindningsenergin hos den inre elektronorbitalen jämfört med den yttre. Strålningen har lägre energi än den primära infallande röntgenstrålningen och kallas fluorescerande.
XRF-spektrometern fungerar eftersom om ett prov belyses med en intensiv röntgenstråle, känd som en infallande stråle, sprids en del av energin, men en del absorberas också i provet, vilket beror på dess kemikalie. sammansättning.
XAS
Röntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) är mätningen av övergångar från jordelektroniska tillstånd hos en metall till exciterade elektroniska tillstånd (LUMO) och kontinuum; den förra är känd som X-ray Absorption Near Structure (XANES) och den senare som X-ray Extended Absorption Fine Structure (EXAFS), som studerar den fina strukturen av absorption vid energier över elektronfrisättningströskeln. Dessa två metoder ger ytterligare strukturell information, XANES-spektra som rapporterar metallplatsens elektroniska struktur och symmetri, och EXAFS rapporterar antal, typer och avstånd till ligander och närliggande atomer från det absorberande elementet.
XAS tillåter oss att studera den lokala strukturen för ett element av intresse utan störningar från absorption av en proteinmatris, vatten eller luft. Röntgenspektroskopi av metalloenzymer har emellertid varit en utmaning på grund av den lilla relativa koncentrationen av det intressanta elementet i provet. I ett sådant fall var standardmetoden att använda röntgenfluorescens för att detektera absorptionsspektra istället för att använda transmissionsdetektionsläget. Utvecklingen av tredje generationens intensiva röntgenkällor för synkrotronstrålning har också gjort det möjligt att studera utspädda prover.
Metalkomplex, som modeller med kända strukturer, var avgörande för att förstå metalloproteiners XAS. Dessa komplex utgör grunden för att utvärdera koordinationsmediets (koordinationsladdning) inflytande på absorptionskantenergin. Studiet av strukturellt välkarakteriserade modellkomplex ger också ett riktmärke för att förstå EXAFS från metalliska system med okänd struktur.
En betydande fördel med XAS jämfört med röntgenkristallografi är att lokal strukturell information kring ett element av intresse kan erhållas även från oordnade prover som pulver och lösning. Men beställda prover som membran och enkristaller ökar ofta informationen som erhålls från XAS. För orienterade enkristaller eller ordnade membran kan interatomiska vektororienteringar härledas från mätningar av dikroism. Dessa metoder är särskilt användbara för att bestämma klusterstrukturer.polynukleära metaller såsom Mn4Ca-klustret associerat med oxidation av vatten i det syrefrisättande fotosyntetiska komplexet. Dessutom kan ganska små förändringar i geometri/struktur associerade med övergångar mellan mellanliggande tillstånd, kända som S-tillstånd, i vattenoxidationsreaktionscykeln lätt detekteras med XAS.
Applications
Röntgenspektroskopitekniker används inom många vetenskapsområden, inklusive arkeologi, antropologi, astronomi, kemi, geologi, ingenjörsvetenskap och folkhälsa. Med dess hjälp kan du upptäcka dold information om antika artefakter och lämningar. Lee Sharp, docent i kemi vid Grinnell College i Iowa, och kollegor använde till exempel XRF för att spåra ursprunget till obsidianpilspetsar gjorda av förhistoriska människor i nordamerikanska sydvästra USA.
Astrofysiker, tack vare röntgenspektroskopi, kommer att lära sig mer om hur objekt i rymden fungerar. Till exempel planerar forskare vid Washington University i St Louis att observera röntgenstrålar från kosmiska föremål som svarta hål för att lära sig mer om deras egenskaper. Ett team ledd av Henryk Kravczynski, en experimentell och teoretisk astrofysiker, planerar att släppa en röntgenspektrometer som kallas en röntgenpolarimeter. Med början i december 2018 hängde instrumentet upp i jordens atmosfär med en heliumfylld ballong under lång tid.
Yuri Gogotsi, kemist och ingenjör,Drexel University of Pennsylvania skapar sputtrade antenner och membran för avs altning från material som analyserats med röntgenspektroskopi.
Osynliga sputtrade antenner är bara några tiotals nanometer tjocka, men kan sända och rikta radiovågor. XAS-tekniken hjälper till att säkerställa att sammansättningen av det otroligt tunna materialet är korrekt och hjälper till att bestämma konduktiviteten. "Antenner kräver hög metallisk konduktivitet för att fungera bra, så vi måste hålla ett öga på materialet", sa Gogotsi.
Gogotzi och kollegor använder också spektroskopi för att analysera ytkemin hos komplexa membran som avs altar vatten genom att filtrera bort specifika joner som natrium.
I medicin
Röntgenfotoelektronspektroskopi finner tillämpning inom flera områden av anatomisk medicinsk forskning och i praktiken, till exempel i moderna CT-skanningsmaskiner. Att samla in röntgenabsorptionsspektra under en datortomografi (med fotonräkning eller en spektralskanner) kan ge mer detaljerad information och avgöra vad som händer inuti kroppen, med lägre stråldoser och mindre eller inget behov av kontrastmaterial (färgämnen).
