Rentgenski žarki imajo številne edinstvene lastnosti kot sevanje, ki presegajo njihovo zelo kratko valovno dolžino. Ena od njihovih pomembnih lastnosti za znanost je elementarna selektivnost. Z izbiro in pregledovanjem spektrov posameznih elementov, ki se nahajajo na edinstvenih mestih v kompleksnih molekulah, imamo lokaliziran »atomski senzor«. S pregledovanjem teh atomov v različnih časih po vzbujanju strukture s svetlobo lahko sledimo razvoju elektronskih in strukturnih sprememb tudi v zelo kompleksnih sistemih oziroma, z drugimi besedami, sledimo elektronu skozi molekulo in preko vmesnikov.
Zgodovina
Izumitelj radiografije je bil Wilhelm Conrad Röntgen. Nekoč, ko je znanstvenik raziskoval zmožnost različnih materialov, da ustavljajo žarke, je na mesto med izpustom postavil majhen košček svinca. TorejTako je Roentgen na zaslonu iz barijevega platinocianida videl prvo rentgensko sliko, svoj svetleč duhovni skelet. Kasneje je poročal, da se je na tej točki odločil, da bo svoje eksperimente nadaljeval na skrivaj, ker se je bal za svoj poklicni ugled, če bi bila njegova opažanja napačna. Nemški znanstvenik je leta 1901 prejel prvo Nobelovo nagrado za fiziko za odkritje rentgenskih žarkov leta 1895. Po podatkih nacionalnega pospeševalnega laboratorija SLAC so njegovo novo tehnologijo hitro sprejeli drugi znanstveniki in zdravniki.
Charles Barkla, britanski fizik, je med letoma 1906 in 1908 izvedel raziskavo, ki je privedla do njegovega odkritja, da so rentgenski žarki lahko značilni za nekatere snovi. Njegovo delo mu je prineslo tudi Nobelovo nagrado za fiziko, vendar šele leta 1917.
Uporaba rentgenske spektroskopije se je dejansko začela nekoliko prej, leta 1912, začenši s sodelovanjem med očetom in sinom britanskih fizikov Williama Henryja Bragga in Williama Lawrencea Bragga. S spektroskopijo so preučevali interakcijo rentgenskih žarkov z atomi znotraj kristalov. Njihova tehnika, imenovana rentgenska kristalografija, je do naslednjega leta postala standard na tem področju in leta 1915 so prejeli Nobelovo nagrado za fiziko.
v akciji
V zadnjih letih se je rentgenska spektrometrija uporabljala na različne nove in vznemirljive načine. Na površini Marsa je rentgenski spektrometer, ki zbirainformacije o elementih, ki sestavljajo tla. Moč žarkov je bila uporabljena za odkrivanje svinčene barve na igračah, kar je zmanjšalo tveganje zastrupitve s svincem. Partnerstvo med znanostjo in umetnostjo je mogoče videti v uporabi radiografije, ki se uporablja v muzejih za identifikacijo elementov, ki bi lahko poškodovali zbirke.
Načela dela
Ko je atom nestabilen ali bombardiran z visokoenergetskimi delci, njegovi elektroni skočijo med energijskimi nivoji. Ko se elektroni prilagajajo, element absorbira in oddaja visokoenergijske fotone rentgenskih žarkov na način, ki je značilen za atome, ki sestavljajo ta določen kemični element. Z rentgensko spektroskopijo je mogoče določiti nihanja energije. To vam omogoča, da prepoznate delce in vidite interakcijo atomov v različnih okoljih.
Obstajata dve glavni metodi rentgenske spektroskopije: disperzijska valovna dolžina (WDXS) in energijska disperzija (EDXS). WDXS meri rentgenske žarke z eno valovno dolžino, ki se lomijo na kristalu. EDXS meri rentgenske žarke, ki jih oddajajo elektroni, ki jih stimulira visokoenergetski vir nabitih delcev.
Analiza rentgenske spektroskopije pri obeh metodah porazdelitve sevanja kaže na atomsko strukturo materiala in s tem na elemente znotraj analiziranega predmeta.
radiografske tehnike
Obstaja več različnih metod rentgenske in optične spektroskopije elektronskega spektra, ki se uporabljajo na številnih področjih znanosti in tehnologije,vključno z arheologijo, astronomijo in tehniko. Te metode lahko uporabite samostojno ali skupaj, da ustvarite popolnejšo sliko analiziranega materiala ali predmeta.
WDXS
Rentgenska fotoelektronska spektroskopija (WDXS) je površinsko občutljiva kvantitativna spektroskopska metoda, ki meri elementarno sestavo v nizu delov na površini preučevanega materiala ter določa tudi empirično formulo, kemijsko stanje in elektronsko stanje elementov, ki obstajajo v materialu. Preprosto povedano, WDXS je uporabna merilna metoda, saj ne kaže le, katere lastnosti so znotraj filma, ampak tudi, katere lastnosti se oblikujejo po obdelavi.
Rentgenski spektri se pridobijo z obsevanjem materiala z rentgenskim žarkom ob hkratnem merjenju kinetične energije in števila elektronov, ki izhajajo iz zgornjih 0-10 nm analiziranega materiala. WDXS zahteva pogoje visokega vakuuma (P ~ 10-8 milibarov) ali ultravisokega vakuuma (UHV; P <10-9 milibarov). Čeprav se trenutno razvija WDXS pri atmosferskem tlaku, v katerem se vzorci analizirajo pri tlakih več deset milibarov.
ESCA (rentgenska elektronska spektroskopija za kemijsko analizo) je akronim, ki ga je skovala raziskovalna skupina Kaija Siegbahna, da bi poudarila kemijske (ne le elementarne) informacije, ki jih zagotavlja tehnika. V praksi z uporabo tipičnih laboratorijskih virovRentgenski žarki, XPS zazna vse elemente z atomsko številko (Z) 3 (litij) in več. Ne more zlahka zaznati vodika (Z=1) ali helija (Z=2).
EDXS
Energijsko disperzivna rentgenska spektroskopija (EDXS) je tehnika kemične mikroanalize, ki se uporablja v povezavi s skenirajočo elektronsko mikroskopijo (SEM). Metoda EDXS zazna rentgenske žarke, ki jih oddaja vzorec, ko ga bombardira z elektronskim žarkom, da označi elementarno sestavo analiziranega volumna. Analiziramo lahko elemente ali faze, tako majhne kot 1 µm.
Ko je vzorec bombardiran z elektronskim žarkom SEM, se elektroni izvržejo iz atomov, ki sestavljajo površino vzorca. Nastale elektronske praznine so napolnjene z elektroni iz višjega stanja, rentgenski žarki pa se oddajajo, da uravnotežijo energijsko razliko med stanji obeh elektronov. Rentgenska energija je značilna za element, iz katerega je bila oddana.
Detektor rentgenskih žarkov EDXS meri relativno količino oddanih žarkov, odvisno od njihove energije. Detektor je običajno litijeva polprevodniška naprava za odnašanje silicija. Ko vpadni rentgenski žarek zadene detektor, ustvari impulz polnjenja, ki je sorazmeren z energijo rentgenskega žarka. Polnilni impulz se pretvori v napetostni impulz (ki ostane sorazmeren z energijo rentgenskih žarkov) s pomočjo predojačevalnika, občutljivega na naboj. Signal se nato pošlje v večkanalni analizator, kjer so impulzi razvrščeni po napetosti. Energija, določena z meritvijo napetosti za vsak vpadni rentgenski žarek, se pošlje v računalnik za prikaz in nadaljnjo oceno podatkov. Ocenjuje se, da je energijski spekter rentgenskih žarkov glede na število ocenjen za določitev elementarne sestave velikosti vzorca.
XRF
Rentgenska fluorescenčna spektroskopija (XRF) se uporablja za rutinsko, relativno nedestruktivno kemično analizo kamnin, mineralov, sedimentov in tekočin. Vendar pa XRF običajno ne more analizirati pri majhnih velikostih madežev (2-5 mikronov), zato se običajno uporablja za množično analizo velikih frakcij geoloških materialov. Zaradi relativne enostavnosti in nizke cene priprave vzorcev ter stabilnosti in enostavne uporabe rentgenskih spektrometrov je ta metoda ena izmed najbolj razširjenih za analizo glavnih elementov v sledovih v kamninah, mineralih in sedimentih.
Fizika XRF XRF je odvisna od temeljnih načel, ki so skupna številnim drugim instrumentalnim tehnikam, ki vključujejo interakcije med elektronskimi žarki in rentgenskimi žarki na vzorcih, vključno z radiografskimi tehnikami, kot so SEM-EDS, difrakcija (XRD) in valovna dolžina disperzivna radiografija (mikrosonda WDS).
Analiza glavnih elementov v sledovih v geoloških materialih z XRF je možna zaradi obnašanja atomov pri interakciji s sevanjem. Ko materialiVzbujeni zaradi visokoenergijskega kratkovalovnega sevanja (kot so rentgenski žarki), lahko postanejo ionizirani. Če je energije sevanja dovolj, da odstrani tesno zaprt notranji elektron, postane atom nestabilen in zunanji elektron nadomesti manjkajočega notranjega. Ko se to zgodi, se energija sprosti zaradi zmanjšane energije vezave notranje elektronske orbitale v primerjavi z zunanjo. Sevanje ima nižjo energijo kot primarni vpadni rentgenski žarek in se imenuje fluorescentno.
XRF spektrometer deluje, ker če je vzorec osvetljen z intenzivnim žarkom rentgenskih žarkov, znanim kot vpadni žarek, se nekaj energije razprši, nekaj pa se tudi absorbira v vzorcu, kar je odvisno od njegove kemikalije sestava.
XAS
Rentgenska absorpcijska spektroskopija (XAS) je merjenje prehodov iz osnovnih elektronskih stanj kovine v vzbujena elektronska stanja (LUMO) in kontinuum; prva je znana kot bližnja struktura rentgenske absorpcije (XANES), druga pa kot rentgenska razširjena absorpcijska fina struktura (EXAFS), ki preučuje fino strukturo absorpcije pri energijah nad pragom sproščanja elektronov. Ti dve metodi zagotavljata dodatne strukturne informacije, spektri XANES, ki poročajo o elektronski strukturi in simetriji kovinskega mesta, in EXAFS, ki poroča o številkah, vrstah in razdaljah do ligandov in sosednjih atomov od absorpcijskega elementa.
XAS nam omogoča preučevanje lokalne strukture elementa, ki nas zanima, brez motenj zaradi absorpcije beljakovinske matrice, vode ali zraka. Vendar pa je bila rentgenska spektroskopija metaloencimov izziv zaradi majhne relativne koncentracije elementa, ki nas zanima v vzorcu. V takem primeru je bil standardni pristop uporaba rentgenske fluorescence za odkrivanje absorpcijskih spektrov namesto uporabe načina zaznavanja prenosa. Razvoj intenzivnih rentgenskih virov sinhrotronskega sevanja tretje generacije je omogočil tudi preučevanje razredčenih vzorcev.
Kovinski kompleksi kot modeli z znanimi strukturami so bili bistveni za razumevanje XAS metaloproteinov. Ti kompleksi so osnova za vrednotenje vpliva koordinacijskega medija (koordinacijskega naboja) na energijo roba absorpcije. Študija strukturno dobro označenih modelnih kompleksov zagotavlja tudi merilo za razumevanje EXAFS iz kovinskih sistemov neznane strukture.
Pomembna prednost XAS pred rentgensko kristalografijo je, da je lokalne strukturne informacije okoli elementa, ki nas zanima, mogoče pridobiti tudi iz neurejenih vzorcev, kot so praški in raztopina. Vendar pa naročeni vzorci, kot so membrane in monokristali, pogosto povečajo informacije, pridobljene iz XAS. Za usmerjene monokristale ali urejene membrane je mogoče orientacije medatomskih vektorjev sklepati iz meritev dihroizma. Te metode so še posebej uporabne za določanje struktur grozdov.polinuklearne kovine, kot je grozd Mn4Ca, povezan z oksidacijo vode v fotosintetskem kompleksu, ki sprošča kisik. Poleg tega je z uporabo XAS mogoče zlahka zaznati precej majhne spremembe v geometriji/strukturi, povezane s prehodi med vmesnimi stanji, znanimi kot S-stanja, v reakcijskem ciklu oksidacije vode.
Aplikacije
Tehnike rentgenske spektroskopije se uporabljajo na številnih področjih znanosti, vključno z arheologijo, antropologijo, astronomijo, kemijo, geologijo, inženiringom in javnim zdravjem. Z njegovo pomočjo lahko odkrijete skrite informacije o starodavnih artefaktih in ostankih. Na primer, Lee Sharp, izredni profesor kemije na Grinnell College v Iowi, in sodelavci so uporabili XRF za sledenje izvora puščic iz obsidijana, ki so jih izdelali prazgodovinski ljudje na jugozahodu Severne Amerike.
Astrofiziki bodo zahvaljujoč rentgenski spektroskopiji izvedeli več o delovanju objektov v vesolju. Na primer, raziskovalci na univerzi Washington v St. Louisu nameravajo opazovati rentgenske žarke iz kozmičnih predmetov, kot so črne luknje, da bi izvedeli več o njihovih značilnostih. Ekipa, ki jo vodi Henryk Kravczynski, eksperimentalni in teoretični astrofizik, namerava izdati rentgenski spektrometer, imenovan rentgenski polarimeter. Od decembra 2018 je bil instrument dolgo časa visel v Zemljini atmosferi z balonom, napolnjenim s helijem.
Yuri Gogotsi, kemik in inženir,Drexel University of Pennsylvania ustvarja razpršene antene in membrane za razsoljevanje iz materialov, analiziranih z rentgensko spektroskopijo.
Nevidne razpršene antene so debele le nekaj deset nanometrov, vendar so sposobne oddajati in usmerjati radijske valove. Tehnika XAS pomaga zagotoviti, da je sestava neverjetno tankega materiala pravilna in pomaga določiti prevodnost. "Antene zahtevajo visoko kovinsko prevodnost za dobro delovanje, zato moramo pozorno spremljati material," je dejal Gogotsi.
Gogotzi in sodelavci uporabljajo tudi spektroskopijo za analizo površinske kemije kompleksnih membran, ki razsolujejo vodo s filtriranjem posebnih ionov, kot je natrijev.
V medicini
Rentgenska fotoelektronska spektroskopija najde uporabo na več področjih anatomskih medicinskih raziskav in v praksi, na primer v sodobnih strojih za skeniranje CT. Zbiranje spektrov absorpcije rentgenskih žarkov med CT skeniranjem (z uporabo štetja fotonov ali spektralnega skenerja) lahko zagotovi podrobnejše informacije in ugotovi, kaj se dogaja v telesu, z nižjimi odmerki sevanja in manj ali brez potrebe po kontrastnih materialih (barvili).
