Rentgenstariem ir vairākas unikālas īpašības kā starojums, kas pārsniedz to ļoti īso viļņa garumu. Viena no to svarīgajām īpašībām zinātnei ir elementārā selektivitāte. Atlasot un pārbaudot atsevišķu elementu spektrus, kas atrodas unikālās vietās sarežģītās molekulās, mums ir lokalizēts "atomu sensors". Izpētot šos atomus dažādos laikos pēc struktūras ierosināšanas ar gaismu, mēs varam izsekot elektronisko un strukturālo izmaiņu attīstībai pat ļoti sarežģītās sistēmās jeb, citiem vārdiem sakot, varam sekot elektronam cauri molekulai un caur saskarnēm.
Vēsture
Radiogrāfijas izgudrotājs bija Vilhelms Konrāds Rentgens. Reiz, kad zinātnieks pētīja dažādu materiālu spēju apturēt starus, viņš novietoja nelielu svina gabalu, kamēr notika izlāde. TātadTādējādi Rentgens uz bārija platinocianīda ekrāna ieraudzīja pirmo rentgena attēlu, savu mirdzošo spokaino skeletu. Vēlāk viņš ziņoja, ka tieši šajā brīdī viņš nolēma turpināt savus eksperimentus slepeni, jo baidījās par savu profesionālo reputāciju, ja viņa novērojumi būs kļūdaini. Vācu zinātniekam 1901. gadā tika piešķirta pirmā Nobela prēmija fizikā par rentgenstaru atklāšanu 1895. gadā. Saskaņā ar SLAC National Accelerator Laboratory datiem viņa jauno tehnoloģiju ātri pieņēma citi zinātnieki un ārsti.
Britu fiziķis Čārlzs Bārkla laikā no 1906. līdz 1908. gadam veica pētījumus, kuru rezultātā viņš atklāja, ka rentgena stari var būt raksturīgi noteiktām vielām. Viņa darbs arī nopelnīja viņam Nobela prēmiju fizikā, taču tikai 1917. gadā.
Rentgenstaru spektroskopijas izmantošana faktiski sākās nedaudz agrāk, 1912. gadā, sākot ar britu fiziķu Viljama Henrija Brega un Viljama Lorensa Brega tēva un dēla sadarbību. Viņi izmantoja spektroskopiju, lai pētītu rentgenstaru mijiedarbību ar atomiem kristālos. Viņu tehnika, ko sauc par rentgena kristalogrāfiju, kļuva par standartu šajā jomā nākamajā gadā, un viņi saņēma Nobela prēmiju fizikā 1915. gadā.
Darbībā
Pēdējos gados rentgenstaru spektrometrija ir izmantota dažādos jaunos un aizraujošos veidos. Uz Marsa virsmas atrodas rentgena spektrometrs, kas savācinformācija par elementiem, kas veido augsni. Siju spēks tika izmantots, lai noteiktu svina krāsu uz rotaļlietām, kas samazināja svina saindēšanās risku. Zinātnes un mākslas partnerību var redzēt radiogrāfijas izmantošanā, kad to izmanto muzejos, lai identificētu elementus, kas varētu sabojāt kolekcijas.
Darba principi
Kad atoms ir nestabils vai to bombardē lielas enerģijas daļiņas, tā elektroni lēkā starp enerģijas līmeņiem. Elektroniem pielāgojoties, elements absorbē un izstaro augstas enerģijas rentgena fotonus tādā veidā, kas raksturīgs atomiem, kas veido konkrēto ķīmisko elementu. Ar rentgenstaru spektroskopiju var noteikt enerģijas svārstības. Tas ļauj identificēt daļiņas un redzēt atomu mijiedarbību dažādās vidēs.
Ir divas galvenās rentgenstaru spektroskopijas metodes: viļņa garuma izkliedējošā (WDXS) un enerģiju izkliedējošā (EDXS). WDXS mēra viena viļņa garuma rentgena starus, kas tiek izkliedēti uz kristāla. EDXS mēra rentgena starus, ko izstaro elektroni, kurus stimulē augstas enerģijas lādētu daļiņu avots.
Rentgenstaru spektroskopijas analīze abās starojuma sadalījuma metodēs norāda materiāla atomu struktūru un līdz ar to arī elementus analizējamajā objektā.
Radiogrāfiskās metodes
Ir vairākas dažādas elektroniskā spektra rentgenstaru un optiskās spektroskopijas metodes, kuras izmanto daudzās zinātnes un tehnoloģiju jomās,ieskaitot arheoloģiju, astronomiju un inženierzinātnes. Šīs metodes var izmantot neatkarīgi vai kopā, lai radītu pilnīgāku priekšstatu par analizējamo materiālu vai objektu.
WDXS
Rentgenstaru fotoelektronu spektroskopija (WDXS) ir virsmas jutīga kvantitatīvā spektroskopiskā metode, kas mēra elementu sastāvu vairākās daļās uz pētāmā materiāla virsmas, kā arī nosaka empīrisko formulu, ķīmisko stāvokli un materiālā esošo elementu elektroniskais stāvoklis. Vienkārši sakot, WDXS ir noderīga mērīšanas metode, jo tā parāda ne tikai filmas iekšpusi, bet arī to, kādi elementi veidojas pēc apstrādes.
Rentgenstaru spektri tiek iegūti, apstarojot materiālu ar rentgena staru, vienlaikus mērot kinētisko enerģiju un elektronu skaitu, kas izplūst no analizējamā materiāla augšējiem 0–10 nm. WDXS ir nepieciešami augsta vakuuma (P ~ 10-8 milibāri) vai īpaši augsta vakuuma (UHV; P <10-9 milibāri) apstākļi. Lai gan pašlaik tiek izstrādāta WDXS atmosfēras spiedienā, kurā paraugus analizē ar vairāku desmitu milibāru spiedienu.
ESCA (rentgenstaru elektronu spektroskopija ķīmiskajai analīzei) ir akronīms, ko radījusi Kai Siegbahn pētnieku grupa, lai uzsvērtu ķīmisko (ne tikai elementāro) informāciju, ko sniedz šī tehnika. Praksē, izmantojot tipiskus laboratorijas avotusRentgenstari, XPS atklāj visus elementus, kuru atomskaitlis (Z) ir 3 (litijs) un lielāks. Tas nevar viegli noteikt ūdeņradi (Z=1) vai hēliju (Z=2).
EDXS
Enerģijas dispersīvā rentgena spektroskopija (EDXS) ir ķīmiskās mikroanalīzes metode, ko izmanto kopā ar skenējošu elektronu mikroskopiju (SEM). EDXS metode nosaka rentgena starus, ko izstaro paraugs, bombardējot ar elektronu staru, lai raksturotu analizētā tilpuma elementāro sastāvu. Var analizēt elementus vai fāzes, kuru izmērs ir līdz 1 µm.
Kad paraugu bombardē ar SEM elektronu staru kūli, elektroni tiek izmesti no atomiem, kas veido parauga virsmu. Iegūtie elektronu tukšumi tiek piepildīti ar elektroniem no augstāka stāvokļa, un tiek izstaroti rentgena stari, lai līdzsvarotu enerģijas starpību starp divu elektronu stāvokļiem. Rentgenstaru enerģija ir raksturīga elementam, no kura tā tika izstarota.
EDXS rentgenstaru detektors mēra relatīvo emitēto staru daudzumu atkarībā no to enerģijas. Detektors parasti ir silīcija dreifējoša litija cietvielu ierīce. Kad krītošs rentgena stars sasniedz detektoru, tas rada lādiņa impulsu, kas ir proporcionāls rentgenstaru enerģijai. Uzlādes impulss tiek pārveidots par sprieguma impulsu (kas paliek proporcionāls rentgenstaru enerģijai), izmantojot lādiņu jutīgu priekšpastiprinātāju. Pēc tam signāls tiek nosūtīts uz daudzkanālu analizatoru, kur impulsi tiek sakārtoti pēc sprieguma. Enerģija, kas noteikta no sprieguma mērījumiem katram krītošajam rentgenam, tiek nosūtīta uz datoru, lai parādītu un tālāk novērtētu datus. Tiek lēsts, ka rentgenstaru enerģijas spektrs salīdzinājumā ar skaitu nosaka parauga lieluma elementāro sastāvu.
XRF
Rentgenstaru fluorescences spektroskopija (XRF) tiek izmantota parastai, salīdzinoši nesagraujošai iežu, minerālu, nogulumu un šķidrumu ķīmiskai analīzei. Tomēr XRF parasti nevar analizēt mazos plankumu izmēros (2–5 mikroni), tāpēc to parasti izmanto lielu ģeoloģisko materiālu frakciju lielapjoma analīzei. Paraugu sagatavošanas relatīvā vienkāršība un zemās izmaksas, kā arī rentgena spektrometru stabilitāte un lietošanas vienkāršība padara šo metodi par vienu no visplašāk izmantotajām galveno mikroelementu analīzei akmeņos, minerālos un nogulumos.
XRF XRF fizika ir atkarīga no pamatprincipiem, kas ir kopīgi vairākām citām instrumentālajām metodēm, kas ietver mijiedarbību starp elektronu stariem un rentgena stariem paraugos, tostarp radiogrāfijas metodēm, piemēram, SEM-EDS, difrakciju (XRD) un viļņa garumu. dispersīvā radiogrāfija (mikrozonde WDS).
Galveno mikroelementu analīze ģeoloģiskajos materiālos ar XRF ir iespējama atomu uzvedības dēļ, kad tie mijiedarbojas ar starojumu. Kad materiāliAugstas enerģijas īsviļņu starojuma (piemēram, rentgena starojuma) satraukti tie var kļūt jonizēti. Ja ir pietiekami daudz starojuma enerģijas, lai izspiestu cieši turēto iekšējo elektronu, atoms kļūst nestabils un ārējais elektrons aizvieto trūkstošo iekšējo elektronu. Kad tas notiek, enerģija tiek atbrīvota, jo iekšējā elektronu orbitāle ir samazināta, salīdzinot ar ārējo. Starojumam ir mazāka enerģija nekā primārajam krītošajam rentgenstaram, un to sauc par fluorescējošu.
XRF spektrometrs darbojas, jo, ja paraugs tiek apgaismots ar intensīvu rentgena staru, ko sauc par krītošu staru kūli, daļa enerģijas tiek izkliedēta, bet daļa arī tiek absorbēta paraugā, kas ir atkarīgs no tā ķīmiskās vielas. sastāvs.
XAS
Rentgenstaru absorbcijas spektroskopija (XAS) ir pāreju mērīšana no metāla pamata elektroniskajiem stāvokļiem uz ierosinātajiem elektroniskajiem stāvokļiem (LUMO) un kontinuumu; pirmā ir pazīstama kā rentgenstaru absorbcijas tuvu struktūra (XANES), bet otrā - kā rentgenstaru paplašinātās absorbcijas smalkā struktūra (EXAFS), kas pēta absorbcijas smalko struktūru pie enerģijām, kas pārsniedz elektronu izdalīšanās slieksni. Šīs divas metodes nodrošina papildu strukturālo informāciju, XANES spektri, kas ziņo par metāla vietas elektronisko struktūru un simetriju, un EXAFS, kas ziņo par skaitļiem, veidiem un attālumiem līdz ligandiem un blakus esošajiem atomiem no absorbējošā elementa.
XAS ļauj mums izpētīt interesējošā elementa lokālo struktūru bez proteīna matricas, ūdens vai gaisa absorbcijas traucējumiem. Tomēr metaloenzīmu rentgena spektroskopija ir bijusi problēma, jo paraugā ir maza interesējošā elementa relatīvā koncentrācija. Šādā gadījumā standarta pieeja bija izmantot rentgena fluorescenci, lai noteiktu absorbcijas spektrus, nevis izmantot pārraides noteikšanas režīmu. Trešās paaudzes intensīvo sinhrotrona starojuma rentgena avotu attīstība ir devusi iespēju pētīt arī atšķaidītus paraugus.
Metālu kompleksi kā modeļi ar zināmām struktūrām bija būtiski, lai izprastu metaloproteīnu XAS. Šie kompleksi nodrošina pamatu, lai novērtētu koordinācijas vides (koordinācijas lādiņa) ietekmi uz absorbcijas malas enerģiju. Strukturāli labi raksturotu modeļu kompleksu izpēte nodrošina arī etalonu, lai izprastu EXAFS no nezināmas struktūras metāliskām sistēmām.
Nozīmīga XAS priekšrocība salīdzinājumā ar rentgenstaru kristalogrāfiju ir tā, ka lokālo strukturālo informāciju ap interesējošo elementu var iegūt pat no nesakārtotiem paraugiem, piemēram, pulveriem un šķīdumiem. Tomēr pasūtīti paraugi, piemēram, membrānas un atsevišķi kristāli, bieži palielina no XAS iegūto informāciju. Orientētiem monokristāliem vai sakārtotām membrānām starpatomisko vektoru orientācijas var secināt no dihromisma mērījumiem. Šīs metodes ir īpaši noderīgas klasteru struktūru noteikšanai.daudzkodolu metāli, piemēram, Mn4Ca klasteris, kas saistīts ar ūdens oksidēšanos skābekli izdalošā fotosintētiskā kompleksā. Turklāt diezgan nelielas izmaiņas ģeometrijā/struktūrā, kas saistītas ar pārejām starp starpstāvokļiem, kas pazīstami kā S-stāvokļi, ūdens oksidācijas reakcijas ciklā var viegli noteikt, izmantojot XAS.
Lietojumprogrammas
Rentgenstaru spektroskopijas metodes tiek izmantotas daudzās zinātnes jomās, tostarp arheoloģijā, antropoloģijā, astronomijā, ķīmijā, ģeoloģijā, inženierzinātnēs un sabiedrības veselībā. Ar tās palīdzību jūs varat atklāt slēptu informāciju par seniem artefaktiem un atliekām. Piemēram, Lī Šārps, asociētais ķīmijas profesors Grinnellas koledžā Aiovas štatā, un kolēģi izmantoja XRF, lai izsekotu aizvēsturisko cilvēku izgatavoto obsidiāna bultu uzgaļu izcelsmi Ziemeļamerikas dienvidrietumos.
Astrofiziķi, pateicoties rentgenstaru spektroskopijai, uzzinās vairāk par to, kā darbojas objekti kosmosā. Piemēram, pētnieki no Vašingtonas universitātes Sentluisā plāno novērot rentgena starus no kosmiskiem objektiem, piemēram, melnajiem caurumiem, lai uzzinātu vairāk par to īpašībām. Eksperimentālā un teorētiskā astrofiziķa Henrika Kravčinska vadītā komanda plāno izlaist rentgenstaru spektrometru, ko sauc par rentgenstaru polarimetru. Sākot ar 2018. gada decembri, instruments uz ilgu laiku tika apturēts Zemes atmosfērā ar hēliju pildītu balonu.
Jurijs Gogotsi, ķīmiķis un inženieris,Drexel University of Pensilvānija rada izsmidzinātas antenas un membrānas atsāļošanai no materiāliem, kas analizēti ar rentgenstaru spektroskopiju.
Neredzamās izsmidzinātās antenas ir tikai dažus desmitus nanometru biezas, taču tās spēj pārraidīt un virzīt radioviļņus. XAS tehnika palīdz nodrošināt, ka neticami plānā materiāla sastāvs ir pareizs un palīdz noteikt vadītspēju. "Lai antenas labi darbotos, ir nepieciešama augsta metāla vadītspēja, tāpēc mums ir rūpīgi jāuzrauga materiāls," sacīja Gogotsi.
Gogotzi un kolēģi arī izmanto spektroskopiju, lai analizētu sarežģītu membrānu virsmas ķīmiju, kas atsāļo ūdeni, filtrējot īpašus jonus, piemēram, nātriju.
Medicīnā
Rentgenstaru fotoelektronu spektroskopija atrod pielietojumu vairākās anatomiskās medicīnas pētījumu jomās un praksē, piemēram, mūsdienu datortomogrāfijas skenēšanas iekārtās. Rentgena absorbcijas spektru savākšana CT skenēšanas laikā (izmantojot fotonu skaitīšanu vai spektrālo skeneri), var sniegt sīkāku informāciju un noteikt, kas notiek ķermeņa iekšienē, ar mazākām starojuma devām un mazāku vai mazāku kontrastvielu (krāsvielu) nepieciešamību.
