Röntgensäteillä on useita ainutlaatuisia ominaisuuksia säteilynä, jotka ylittävät niiden erittäin lyhyen aallonpituuden. Yksi niiden tärkeistä ominaisuuksista tieteelle on alkuaineselektiivisyys. Valitsemalla ja tutkimalla yksittäisten elementtien spektrejä, jotka sijaitsevat ainutlaatuisissa paikoissa monimutkaisissa molekyyleissä, meillä on paikallinen "atomisensori". Tarkastelemalla näitä atomeja eri aikoina rakenteen valovirityksen jälkeen voimme jäljittää elektronisten ja rakenteellisten muutosten kehittymistä jopa erittäin monimutkaisissa järjestelmissä, eli toisin sanoen voimme seurata elektronia molekyylin ja rajapintojen kautta.
Historia
Röntgentutkimuksen keksijä oli Wilhelm Conrad Röntgen. Kerran, kun tiedemies tutki eri materiaalien kykyä pysäyttää säteet, hän asetti pienen lyijypalan paikoilleen purkauksen tapahtuessa. NiinSiten Roentgen näki ensimmäisen röntgenkuvan, oman hohtavan aavemaisen luurankonsa bariumplatinosyanidia sisältävällä näytöllä. Myöhemmin hän kertoi, että juuri tässä vaiheessa hän päätti jatkaa kokeitaan salassa, koska hän pelkäsi ammatillisen maineensa puolesta, jos hänen havainnot olisivat virheellisiä. Saksalainen tiedemies sai ensimmäisen fysiikan Nobelin vuonna 1901 röntgensäteiden löytämisestä vuonna 1895. SLAC National Accelerator Laboratoryn mukaan muut tiedemiehet ja lääkärit omaksuivat hänen uuden teknologiansa nopeasti.
Charles Barkla, brittiläinen fyysikko, suoritti vuosina 1906-1908 tutkimuksen, joka johti hänen havaintoonsa, että röntgensäteet voivat olla ominaisia tietyille aineille. Hänen työnsä ansaitsi hänelle myös Nobelin fysiikan palkinnon, mutta vasta vuonna 1917.
Röntgenspektroskopian käyttö alkoi itse asiassa hieman aikaisemmin, vuonna 1912, alkaen brittiläisten fyysikkojen William Henry Braggin ja William Lawrence Braggin isän ja pojan yhteistyöstä. He käyttivät spektroskopiaa tutkiakseen röntgensäteiden vuorovaikutusta kiteiden sisällä olevien atomien kanssa. Heidän tekniikkansa, jota kutsutaan röntgenkristallografiaksi, tuli alan standardi seuraavana vuonna, ja he saivat fysiikan Nobelin palkinnon vuonna 1915.
Toiminnassa
Viime vuosina röntgenspektrometriaa on käytetty monilla uusilla ja jännittävillä tavoilla. Marsin pinnalla on röntgenspektrometri, joka keräätietoa maaperän muodostavista aineista. Palkkien tehoa käytettiin lyijymaalin havaitsemiseen leluista, mikä vähensi lyijymyrkytysriskiä. Tieteen ja taiteen välinen kumppanuus näkyy radiografian käytössä, kun sitä käytetään museoissa kokoelmia vahingoittavien elementtien tunnistamiseen.
Toimintaperiaatteet
Kun atomi on epävakaa tai sitä pommittavat suurienergiset hiukkaset, sen elektronit hyppäävät energiatasojen välillä. Kun elektronit mukautuvat, elementti absorboi ja emittoi korkeaenergisiä röntgenfotoneja tavalla, joka on ominaista kyseisen kemiallisen alkuaineen muodostaville atomeille. Röntgenspektroskopialla voidaan määrittää energian vaihtelut. Tämän avulla voit tunnistaa hiukkaset ja nähdä atomien vuorovaikutuksen eri ympäristöissä.
Röntgenspektroskopiassa on kaksi päämenetelmää: aallonpituusdispersiivinen (WDXS) ja energiadispersio (EDXS). WDXS mittaa yhden aallonpituuden röntgensäteitä, jotka taipuvat kiteelle. EDXS mittaa röntgensäteitä, joita emittoivat elektronit, joita stimuloi varautuneiden hiukkasten lähde.
Röntgenspektroskopian analyysi molemmissa säteilyn jakautumismenetelmissä osoittaa materiaalin atomirakenteen ja siten analysoitavan kohteen sisältämien alkuaineiden.
Radiografiset tekniikat
On olemassa useita erilaisia elektronisen spektrin röntgen- ja optisen spektroskopian menetelmiä, joita käytetään monilla tieteen ja tekniikan aloilla,mukaan lukien arkeologia, tähtitiede ja tekniikka. Näitä menetelmiä voidaan käyttää itsenäisesti tai yhdessä luomaan täydellisempi kuva analysoidusta materiaalista tai kohteesta.
WDXS
Röntgenvaloelektronispektroskopia (WDXS) on pintaherkkä kvantitatiivinen spektroskooppinen menetelmä, joka mittaa alkuainekoostumuksen useissa osissa tutkittavan materiaalin pinnalla ja määrittää myös empiirisen kaavan, kemiallisen tilan ja materiaalissa olevien alkuaineiden elektroninen tila. Yksinkertaisesti sanottuna WDXS on hyödyllinen mittausmenetelmä, koska se näyttää paitsi mitä piirteitä elokuvan sisällä on, myös mitä piirteitä muodostuu käsittelyn jälkeen.
Röntgenspektrit saadaan säteilyttämällä materiaalia röntgensäteellä samalla, kun mitataan kineettistä energiaa ja elektronien lukumäärää, jotka tulevat esiin analysoitavan materiaalin ylemmästä 0-10 nm:stä. WDXS vaatii korkean tyhjiön (P ~ 10-8 millibaaria) tai erittäin korkean tyhjiön (UHV; P <10-9 millibaaria). Vaikka WDXS ilmakehän paineessa on parhaillaan kehitteillä, jossa näytteet analysoidaan useiden kymmenien millibaarien paineissa.
ESCA (X-ray Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) on Kai Siegbahnin tutkimusryhmän kehittämä lyhenne korostaakseen tekniikan tarjoamaa kemiallista (ei vain alkuaine)informaatiota. Käytännössä tyypillisiä laboratoriolähteitä käyttäenRöntgensäteet, XPS havaitsee kaikki elementit, joiden atomiluku (Z) on 3 (litium) tai suurempi. Se ei voi helposti havaita vetyä (Z=1) tai heliumia (Z=2).
EDXS
Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDXS) on kemiallinen mikroanalyysitekniikka, jota käytetään pyyhkäisyelektronimikroskoopin (SEM) yhteydessä. EDXS-menetelmä havaitsee näytteen lähettämät röntgensäteet, kun sitä pommitetaan elektronisuihkulla, karakterisoidakseen analysoitavan tilavuuden alkuainekoostumuksen. Jo 1 µm:n kokoisia elementtejä tai faaseja voidaan analysoida.
Kun näytettä pommitetaan SEM-elektronisuihkulla, elektroneja irtoaa atomeista, jotka muodostavat näytteen pinnan. Tuloksena olevat elektronit täytetään elektroneilla korkeammasta tilasta, ja röntgensäteet lähetetään tasapainottamaan kahden elektronin tilojen välistä energiaeroa. Röntgenenergia on ominaista elementille, josta se säteili.
EDXS-röntgenilmaisin mittaa lähetettyjen säteiden suhteellisen määrän niiden energiasta riippuen. Ilmaisin on yleensä pii-drift-litium-solid state -laite. Kun tuleva röntgensäde osuu ilmaisimeen, se luo varauspulssin, joka on verrannollinen röntgensäteen energiaan. Varauspulssi muunnetaan jännitepulssiksi (joka pysyy verrannollinen röntgenenergiaan) varausherkän esivahvistimen avulla. Sen jälkeen signaali lähetetään monikanava-analysaattoriin, jossa pulssit lajitellaan jännitteen mukaan. Jännitemittauksesta jokaiselle tulevalle röntgenkuvalle määritetty energia lähetetään tietokoneelle näyttöä ja tietojen jatkoarviointia varten. Röntgensäteen energiaspektrin vs. lukumäärän arvioidaan määrittävän näytteen koon alkuainekoostumuksen.
XRF
Röntgenfluoresenssispektroskopiaa (XRF) käytetään kivien, mineraalien, sedimenttien ja nesteiden rutiininomaiseen, suhteellisen tuhoamattomaan kemialliseen analyysiin. XRF ei kuitenkaan tyypillisesti pysty analysoimaan pienillä pistekokoilla (2-5 mikronia), joten sitä käytetään tyypillisesti suurten geologisten materiaalien osien bulkkianalyysiin. Näytteen valmistelun suhteellisen helppous ja alhaiset kustannukset sekä röntgenspektrometrien stabiilisuus ja helppokäyttöisyys tekevät tästä menetelmästä yhden yleisimmin käytetyistä tärkeimpien hivenaineiden analysoinnissa kivissä, mineraaleissa ja sedimenteissä.
XRF XRF:n fysiikka riippuu perusperiaatteista, jotka ovat yhteisiä useille muille instrumentaalisille tekniikoille, jotka sisältävät vuorovaikutuksia näytteissä olevien elektronisuihkujen ja röntgensäteiden välillä, mukaan lukien radiografiatekniikat, kuten SEM-EDS, diffraktio (XRD) ja aallonpituus dispersiivinen röntgenkuvaus (mikrokoetin WDS).
Geologisten materiaalien tärkeimpien hivenaineiden analysointi XRF:llä on mahdollista atomien käyttäytymisen vuoksi, kun ne ovat vuorovaikutuksessa säteilyn kanssa. Kun materiaalitKorkeaenergisen lyhytaallonpituisen säteilyn (kuten röntgensäteilyn) kiihottamina ne voivat ionisoitua. Jos säteilyenergiaa on tarpeeksi tiukasti pidetyn sisäisen elektronin irrottamiseksi, atomi muuttuu epävakaaksi ja ulompi elektroni korvaa puuttuvan sisemmän elektronin. Kun näin tapahtuu, energiaa vapautuu sisäisen elektroniradan alentuneen sitoutumisenergian vuoksi ulkoiseen verrattuna. Säteilyn energia on pienempi kuin ensisijaisella tulevalla röntgensäteilyllä, ja sitä kutsutaan fluoresoivaksi.
XRF-spektrometri toimii, koska jos näytettä valaistaan voimakkaalla röntgensäteellä, joka tunnetaan tulevana säteenä, osa energiasta hajoaa, mutta osa myös absorboituu näytteeseen, mikä riippuu sen kemikaalista. kokoonpano.
XAS
Röntgenabsorptiospektroskopia (XAS) on siirtymien mittaus metallin maaelektroniikasta virittyneisiin elektronisiin tiloihin (LUMO) ja jatkuvuuteen; Ensimmäinen tunnetaan nimellä X-ray Absorption Near Structure (XANES) ja jälkimmäinen X-ray Extended Absorption Fine Structure (EXAFS), joka tutkii absorption hienorakennetta elektronien vapautumiskynnyksen ylittävillä energioilla. Nämä kaksi menetelmää tarjoavat rakenteellista lisätietoa, XANES-spektrit raportoivat metallikohdan elektronisen rakenteen ja symmetrian ja EXAFS-spektrit, jotka raportoivat numerot, tyypit ja etäisyydet ligandeihin ja viereisiin atomeihin absorboivasta elementistä.
XAS antaa meille mahdollisuuden tutkia kiinnostavan elementin paikallista rakennetta ilman, että proteiinimatriisin, veden tai ilman imeytyminen häiritsee. Metalloentsyymien röntgenspektroskopia on kuitenkin ollut haaste, koska kiinnostavan elementin suhteellinen pitoisuus näytteessä on pieni. Tällaisessa tapauksessa tavallinen lähestymistapa oli käyttää röntgenfluoresenssia absorptiospektrien havaitsemiseen sen sijaan, että käytettäisiin lähetysilmaisumoodia. Kolmannen sukupolven intensiivisten synkrotronisäteilyn röntgenlähteiden kehittäminen on mahdollistanut myös laimennettujen näytteiden tutkimisen.
Metallikompleksit, joiden rakenteet tunnetaan, olivat välttämättömiä metalloproteiinien XAS:n ymmärtämiselle. Nämä kompleksit tarjoavat perustan arvioida koordinaatioväliaineen (koordinaatiovarauksen) vaikutusta absorptioreunan energiaan. Rakenteellisesti hyvin karakterisoitujen mallikompleksien tutkiminen tarjoaa myös vertailukohdan tuntemattoman rakenteen omaavien metallijärjestelmien EXAFS:ien ymmärtämiseen.
XAS:n merkittävä etu röntgenkristallografiaan verrattuna on, että paikallista rakennetietoa kiinnostavan elementin ympärillä voidaan saada jopa epäjärjestyneistä näytteistä, kuten jauheista ja liuoksesta. Tilatut näytteet, kuten kalvot ja yksittäiskiteet, lisäävät kuitenkin usein XAS:sta saatua tietoa. Orientoiduille yksittäiskiteille tai järjestetyille kalvoille interatomien vektorien orientaatiot voidaan päätellä dikroismin mittauksista. Nämä menetelmät ovat erityisen hyödyllisiä klusterirakenteiden määrittämisessä.polyydinmetallit, kuten Mn4Ca-klusteri, joka liittyy veden hapettumiseen happea vapauttavassa fotosynteettisessä kompleksissa. Lisäksi melko pienet muutokset geometriassa/rakenteessa, jotka liittyvät välitilojen (eli S-tilojen) välisiin siirtymiin veden hapettumisreaktiosyklissä, voidaan helposti havaita XAS:n avulla.
Sovellukset
Röntgenspektroskopiatekniikoita käytetään monilla tieteenaloilla, mukaan lukien arkeologia, antropologia, tähtitiede, kemia, geologia, tekniikka ja kansanterveys. Sen avulla voit löytää piilotettuja tietoja muinaisista esineistä ja jäännöksistä. Esimerkiksi Lee Sharp, kemian apulaisprofessori Grinnell Collegesta Iowassa, ja kollegat käyttivät XRF:tä jäljittääkseen esihistoriallisten ihmisten valmistamien obsidiaaninuolenpäiden alkuperän Pohjois-Amerikan lounaisosassa.
Astrofyysikot oppivat röntgenspektroskopian ansiosta lisää avaruudessa olevien esineiden toiminnasta. Esimerkiksi Washingtonin yliopiston St. Louisissa tutkijat suunnittelevat tarkkailevansa röntgensäteitä kosmisista kohteista, kuten mustista aukoista, saadakseen lisätietoja niiden ominaisuuksista. Henryk Kravczynskin, kokeellisen ja teoreettisen astrofyysikon, johtama ryhmä aikoo julkaista röntgenspektrometrin, jota kutsutaan röntgenpolarimetriksi. Joulukuusta 2018 alkaen instrumentti ripustettiin maan ilmakehään heliumilla täytetyllä ilmapallolla pitkään.
Juri Gogotsi, kemisti ja insinööri,Drexel University of Pennsylvania luo sputteroituja antenneja ja kalvoja suolanpoistoon röntgenspektroskopialla analysoiduista materiaaleista.
Näkymättömät sputteroidut antennit ovat vain muutaman kymmenen nanometrin paksuisia, mutta ne pystyvät lähettämään ja ohjaamaan radioa altoja. XAS-tekniikka auttaa varmistamaan, että uskomattoman ohuen materiaalin koostumus on oikea ja auttaa määrittämään johtavuuden. "Antennit vaativat korkeaa metallinjohtavuutta toimiakseen hyvin, joten meidän on pidettävä materiaalia tarkasti silmällä", Gogotsi sanoi.
Gogotzi ja kollegat käyttävät myös spektroskopiaa analysoidakseen monimutkaisten kalvojen pintakemiaa, jotka poistavat suolan vedestä suodattamalla tiettyjä ioneja, kuten natriumia.
Lääketieteessä
Röntgenvaloelektronispektroskopiaa löytyy useilla anatomisen lääketieteellisen tutkimuksen osa-alueilla ja käytännössä esimerkiksi nykyaikaisissa TT-skannauslaitteissa. Röntgenabsorptiospektrien kerääminen TT-skannauksen aikana (käyttämällä fotonilaskentaa tai spektriskanneria) voi antaa tarkempaa tietoa ja määrittää, mitä kehossa tapahtuu, pienemmillä säteilyannoksilla ja vähemmän tai ei lainkaan varjoaineita (värejä).
