X-zrake imaju niz jedinstvenih svojstava kao što su zračenje koja nadilaze njihovu vrlo kratku valnu duljinu. Jedno od njihovih važnih svojstava za znanost je elementarna selektivnost. Odabirom i ispitivanjem spektra pojedinih elemenata koji se nalaze na jedinstvenim mjestima u složenim molekulama, imamo lokalizirani "atomski senzor". Ispitujući te atome u različito vrijeme nakon pobuđivanja strukture svjetlom, možemo pratiti razvoj elektroničkih i strukturnih promjena čak i u vrlo složenim sustavima, odnosno, drugim riječima, možemo pratiti elektron kroz molekulu i kroz sučelja.
Povijest
Izumitelj radiografije bio je Wilhelm Conrad Röntgen. Jednom, kada je znanstvenik istraživao sposobnost različitih materijala da zaustave zrake, stavio je mali komadić olova na mjesto dok se odvijalo pražnjenje. TakoTako je Roentgen vidio prvu rendgensku sliku, svoj vlastiti svjetlucavi sablasni kostur na ekranu od barijevog platinocijanida. Kasnije je izvijestio da je u tom trenutku odlučio nastaviti svoje eksperimente u tajnosti jer se bojao za svoj profesionalni ugled ako su njegova opažanja bila pogrešna. Njemački znanstvenik dobio je prvu Nobelovu nagradu za fiziku 1901. za otkriće X-zraka 1895. godine. Prema SLAC National Accelerator Laboratory, njegovu novu tehnologiju brzo su usvojili drugi znanstvenici i liječnici.
Charles Barkla, britanski fizičar, proveo je istraživanje između 1906. i 1908. koje je dovelo do njegovog otkrića da X-zrake mogu biti karakteristične za određene tvari. Njegov rad donio mu je i Nobelovu nagradu za fiziku, ali tek 1917.
Upotreba rendgenske spektroskopije zapravo je počela nešto ranije, 1912. godine, počevši od suradnje između oca i sina britanskih fizičara, Williama Henryja Bragga i Williama Lawrencea Bragga. Koristili su spektroskopiju za proučavanje interakcije X-zraka s atomima unutar kristala. Njihova tehnika, nazvana rendgenska kristalografija, postala je standard u polju do sljedeće godine, a dobili su Nobelovu nagradu za fiziku 1915.
U akciji
Posljednjih godina, rendgenska spektrometrija se koristila na razne nove i uzbudljive načine. Na površini Marsa nalazi se rendgenski spektrometar koji skupljainformacije o elementima koji čine tlo. Snaga zraka korištena je za otkrivanje olovne boje na igračkama, što je smanjilo rizik od trovanja olovom. Partnerstvo između znanosti i umjetnosti može se vidjeti u korištenju radiografije kada se koristi u muzejima za identifikaciju elemenata koji bi mogli oštetiti zbirke.
Načela rada
Kada je atom nestabilan ili bombardiran česticama visoke energije, njegovi elektroni skaču između energetskih razina. Kako se elektroni prilagođavaju, element apsorbira i emitira fotone X-zraka visoke energije na način karakterističan za atome koji čine taj određeni kemijski element. Rentgenskom spektroskopijom mogu se odrediti fluktuacije energije. To vam omogućuje da identificirate čestice i vidite interakciju atoma u različitim okruženjima.
Postoje dvije glavne metode rendgenske spektroskopije: disperzivna valna duljina (WDXS) i disperzivna energija (EDXS). WDXS mjeri rendgenske zrake jedne valne duljine koje se difrakiraju na kristalu. EDXS mjeri X-zrake koje emitiraju elektroni stimulirani visokoenergetskim izvorom nabijenih čestica.
Analiza rendgenske spektroskopije u obje metode raspodjele zračenja ukazuje na atomsku strukturu materijala, a time i na elemente unutar analiziranog objekta.
Radiografske tehnike
Postoji nekoliko različitih metoda rendgenske i optičke spektroskopije elektroničkog spektra, koje se koriste u mnogim područjima znanosti i tehnologije,uključujući arheologiju, astronomiju i inženjerstvo. Ove se metode mogu koristiti samostalno ili zajedno za stvaranje potpunije slike analiziranog materijala ili predmeta.
WDXS
Rentgenska fotoelektronska spektroskopija (WDXS) je površinski osjetljiva kvantitativna spektroskopska metoda koja mjeri elementarni sastav u nizu dijelova na površini materijala koji se proučava, a također određuje empirijsku formulu, kemijsko stanje i elektronsko stanje elemenata koji postoje u materijalu. Jednostavno rečeno, WDXS je korisna metoda mjerenja jer pokazuje ne samo koje su značajke unutar filma, već i koje značajke nastaju nakon obrade.
Spektri X-zraka dobivaju se zračenjem materijala rendgenskom zrakom uz istovremeno mjerenje kinetičke energije i broja elektrona koji izlaze iz gornjih 0-10 nm analiziranog materijala. WDXS zahtijeva uvjete visokog vakuuma (P ~ 10-8 milibara) ili ultravisokog vakuuma (UHV; P <10-9 milibara). Iako se trenutno razvija WDXS pri atmosferskom tlaku, u kojem se uzorci analiziraju na tlakovima od nekoliko desetaka milibara.
ESCA (X-ray Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) je akronim koji je skovao istraživački tim Kai Siegbahna kako bi se naglasile kemijske (ne samo elementarne) informacije koje tehnika pruža. U praksi, koristeći tipične laboratorijske izvoreX-zrake, XPS detektira sve elemente s atomskim brojem (Z) od 3 (litij) i više. Ne može lako detektirati vodik (Z=1) ili helij (Z=2).
EDXS
Energy dispersive X-Ray Spectroscopy (EDXS) je tehnika kemijske mikroanalize koja se koristi zajedno sa skenirajućom elektronskom mikroskopijom (SEM). EDXS metoda detektira X-zrake koje emitira uzorak kada je bombardiran snopom elektrona kako bi se okarakterizirao elementarni sastav analiziranog volumena. Elementi ili faze male veličine od 1 µm mogu se analizirati.
Kada je uzorak bombardiran SEM elektronskom zrakom, elektroni se izbacuju iz atoma koji čine površinu uzorka. Rezultirajuće elektronske šupljine ispunjene su elektronima iz višeg stanja, a rendgenske zrake se emitiraju kako bi se uravnotežila razlika energije između stanja dvaju elektrona. Rendgenska energija je karakteristična za element iz kojeg je emitirana.
EDXS rendgenski detektor mjeri relativnu količinu emitiranih zraka ovisno o njihovoj energiji. Detektor je obično silicij drift litij u čvrstom stanju. Kada upadna zraka rendgenskih zraka udari u detektor, ona stvara impuls punjenja koji je proporcionalan energiji rendgenskog zraka. Puls punjenja se pretvara u impuls napona (koji ostaje proporcionalan energiji X zraka) pomoću pretpojačala osjetljivog na naboj. Signal se zatim šalje u višekanalni analizator gdje se impulsi razvrstavaju po naponu. Energija određena mjerenjem napona za svaku upadnu X-zraku šalje se računalu za prikaz i daljnju evaluaciju podataka. Procjenjuje se da je energetski spektar X-zraka u odnosu na broj kako bi se odredio elementarni sastav veličine uzorka.
XRF
Rentgenska fluorescentna spektroskopija (XRF) koristi se za rutinsku, relativno nedestruktivnu kemijsku analizu stijena, minerala, sedimenata i tekućina. Međutim, XRF obično ne može analizirati na malim veličinama mjesta (2-5 mikrona), pa se obično koristi za masovnu analizu velikih frakcija geoloških materijala. Relativna jednostavnost i niska cijena pripreme uzoraka, kao i stabilnost i jednostavnost upotrebe rendgenskih spektrometara, čine ovu metodu jednom od najčešće korištenih za analizu glavnih elemenata u tragovima u stijenama, mineralima i sedimentima.
Fizika XRF XRF ovisi o temeljnim principima koji su zajednički za nekoliko drugih instrumentalnih tehnika koje uključuju interakcije između elektronskih zraka i X-zraka na uzorcima, uključujući tehnike radiografije kao što su SEM-EDS, difrakcija (XRD) i valna duljina disperzivna radiografija (mikrosonda WDS).
Analiza glavnih elemenata u tragovima u geološkim materijalima pomoću XRF-a moguća je zbog ponašanja atoma u interakciji s zračenjem. Kada materijaliPobuđeni visokoenergetskim kratkovalnim zračenjem (kao što su X-zrake), mogu postati ionizirani. Ako ima dovoljno energije zračenja da se pomakne čvrsto držani unutarnji elektron, atom postaje nestabilan i vanjski elektron zamjenjuje unutarnji elektron koji nedostaje. Kada se to dogodi, energija se oslobađa zbog smanjene energije vezanja unutarnje orbitale elektrona u usporedbi s vanjskom. Zračenje ima nižu energiju od primarnog upadnog X-zraka i naziva se fluorescentno.
XRF spektrometar radi jer ako je uzorak osvijetljen intenzivnim snopom rendgenskih zraka, poznatim kao upadna zraka, dio energije se raspršuje, ali dio se također apsorbira u uzorku, što ovisi o njegovoj kemijskoj tvari sastav.
XAS
Apsorpcijska spektroskopija X-zraka (XAS) je mjerenje prijelaza iz osnovnih elektronskih stanja metala u pobuđena elektronska stanja (LUMO) i kontinuum; prva je poznata kao X-ray Absorption Near Structure (XANES), a druga kao X-ray Extended Absorption Fine Structure (EXAFS), koja proučava finu strukturu apsorpcije pri energijama iznad praga oslobađanja elektrona. Ove dvije metode daju dodatne strukturne informacije, XANES spektre koji izvješćuju o elektroničkoj strukturi i simetriji metalnog mjesta, i EXAFS koji izvještava o brojevima, tipovima i udaljenostima do liganda i susjednih atoma od apsorbirajućeg elementa.
XAS nam omogućuje proučavanje lokalne strukture elementa od interesa bez smetnji zbog apsorpcije proteinske matrice, vode ili zraka. Međutim, rendgenska spektroskopija metaloenzima bila je izazov zbog male relativne koncentracije elementa od interesa u uzorku. U takvom slučaju, standardni pristup bio je korištenje rendgenske fluorescencije za detekciju apsorpcijskih spektra umjesto korištenja načina detekcije prijenosa. Razvoj treće generacije intenzivnih izvora rendgenskog zračenja sinkrotronskog zračenja također je omogućio proučavanje razrijeđenih uzoraka.
Metalni kompleksi, kao modeli s poznatim strukturama, bili su bitni za razumijevanje XAS-a metaloproteina. Ovi kompleksi daju osnovu za procjenu utjecaja koordinacijskog medija (koordinacijskog naboja) na energiju ruba apsorpcije. Proučavanje strukturno dobro okarakteriziranih kompleksa modela također pruža mjerilo za razumijevanje EXAFS-a iz metalnih sustava nepoznate strukture.
Značajna prednost XAS-a u odnosu na rendgensku kristalografiju je da se lokalne strukturne informacije oko elementa od interesa mogu dobiti čak i iz neuređenih uzoraka kao što su prašci i otopine. Međutim, naručeni uzorci kao što su membrane i monokristali često povećavaju informacije dobivene iz XAS-a. Za orijentirane monokristale ili uređene membrane, interatomske orijentacije vektora mogu se zaključiti iz mjerenja dikroizma. Ove metode su posebno korisne za određivanje struktura klastera.polinuklearni metali kao što je klaster Mn4Ca povezan s oksidacijom vode u fotosintetskom kompleksu koji oslobađa kisik. Štoviše, prilično male promjene u geometriji/strukturi povezane s prijelazima između međustanja, poznatih kao S-stanja, u ciklusu reakcije oksidacije vode mogu se lako otkriti korištenjem XAS-a.
Prijave
Tehnike rendgenske spektroskopije koriste se u mnogim područjima znanosti, uključujući arheologiju, antropologiju, astronomiju, kemiju, geologiju, inženjerstvo i javno zdravstvo. Uz njegovu pomoć možete otkriti skrivene informacije o drevnim artefaktima i ostacima. Na primjer, Lee Sharp, izvanredni profesor kemije na Grinnell College u Iowi, i kolege koristili su XRF kako bi ušli u trag podrijetlu vrhova strelica od opsidijana koje su napravili prapovijesni ljudi na jugozapadu Sjeverne Amerike.
Astrofizičari će, zahvaljujući rendgenskoj spektroskopiji, naučiti više o tome kako objekti u svemiru rade. Na primjer, istraživači sa Sveučilišta Washington u St. Louisu planiraju promatrati X-zrake iz kozmičkih objekata kao što su crne rupe kako bi saznali više o njihovim karakteristikama. Tim pod vodstvom Henryka Kravczynskog, eksperimentalnog i teoretskog astrofizičara, planira izdati rendgenski spektrometar nazvan rendgenski polarimetar. Počevši od prosinca 2018., instrument je dugo vremena bio suspendiran u Zemljinoj atmosferi s balonom ispunjenim helijem.
Yuri Gogotsi, kemičar i inženjer,Drexel University of Pennsylvania stvara raspršene antene i membrane za desalinizaciju materijala analiziranih rendgenskom spektroskopijom.
Nevidljive raspršene antene debele su samo nekoliko desetaka nanometara, ali sposobne odašiljati i usmjeravati radio valove. XAS tehnika pomaže osigurati da je sastav nevjerojatno tankog materijala ispravan i pomaže u određivanju vodljivosti. "Antene zahtijevaju visoku metalnu vodljivost da bi dobro radile, tako da moramo pažljivo paziti na materijal", rekao je Gogotsi.
Gogotzi i kolege također koriste spektroskopiju za analizu površinske kemije složenih membrana koje desaliniziraju vodu filtriranjem specifičnih iona kao što je natrij.
U medicini
Rentgenska fotoelektronska spektroskopija nalazi primjenu u nekoliko područja anatomskih medicinskih istraživanja iu praksi, na primjer, u modernim CT strojevima za skeniranje. Prikupljanje spektra apsorpcije rendgenskih zraka tijekom CT skeniranja (pomoću brojanja fotona ili spektralnog skenera) može pružiti detaljnije informacije i odrediti što se događa unutar tijela, s nižim dozama zračenja i manje ili bez potrebe za kontrastnim materijalima (bojama).
