Røntgenstråler har en række unikke egenskaber som stråling, der går ud over deres meget korte bølgelængde. En af deres vigtige egenskaber for videnskaben er elementær selektivitet. Ved at udvælge og undersøge spektrene af individuelle grundstoffer, der er placeret unikke steder i komplekse molekyler, har vi en lokaliseret "atomsensor". Ved at undersøge disse atomer på forskellige tidspunkter efter excitation af strukturen med lys, kan vi spore udviklingen af elektroniske og strukturelle ændringer selv i meget komplekse systemer, eller med andre ord kan vi følge elektronen gennem molekylet og gennem grænsefladerne.
Historie
Opfinderen af radiografi var Wilhelm Conrad Röntgen. Engang, da en videnskabsmand undersøgte forskellige materialers evne til at stoppe stråler, anbragte han et lille stykke bly på plads, mens en udledning fandt sted. SåSåledes så Roentgen det første røntgenbillede, sit eget flimrende spøgelsesskelet på en skærm af bariumplatinocyanid. Han rapporterede senere, at det var på dette tidspunkt, han besluttede at fortsætte sine eksperimenter i hemmelighed, fordi han frygtede for sit professionelle omdømme, hvis hans observationer var fejlagtige. Den tyske videnskabsmand blev tildelt den første Nobelpris i fysik i 1901 for opdagelsen af røntgenstråler i 1895. Ifølge SLAC National Accelerator Laboratory blev hans nye teknologi hurtigt overtaget af andre videnskabsmænd og læger.
Charles Barkla, en britisk fysiker, udførte forskning mellem 1906 og 1908, der førte til hans opdagelse af, at røntgenstråler kunne være karakteristiske for visse stoffer. Hans arbejde gav ham også Nobelprisen i fysik, men først i 1917.
Brugen af røntgenspektroskopi begyndte faktisk lidt tidligere, i 1912, startende med samarbejdet mellem far og søn af britiske fysikere, William Henry Bragg og William Lawrence Bragg. De brugte spektroskopi til at studere interaktionen mellem røntgenstråler og atomer inde i krystaller. Deres teknik, kaldet røntgenkrystallografi, blev standarden på området året efter, og de modtog Nobelprisen i fysik i 1915.
I action
I de seneste år er røntgenspektrometri blevet brugt på en række nye og spændende måder. På overfladen af Mars er der et røntgenspektrometer, der samleroplysninger om de grundstoffer, der udgør jorden. Bjælkernes kraft blev brugt til at opdage blymaling på legetøj, hvilket mindskede risikoen for blyforgiftning. Partnerskabet mellem videnskab og kunst kan ses i brugen af radiografi, når den bruges på museer til at identificere elementer, der kan skade samlinger.
Arbejdsprincipper
Når et atom er ustabilt eller bombarderet af højenergipartikler, springer dets elektroner mellem energiniveauerne. Når elektronerne justerer, absorberer og udsender grundstoffet højenergi-røntgenfotoner på en måde, der er karakteristisk for de atomer, der udgør det særlige kemiske grundstof. Med røntgenspektroskopi kan udsving i energi bestemmes. Dette giver dig mulighed for at identificere partikler og se samspillet mellem atomer i forskellige miljøer.
Der er to hovedmetoder til røntgenspektroskopi: bølgelængdedispersiv (WDXS) og energidispersiv (EDXS). WDXS måler røntgenstråler med enkelt bølgelængde, der er diffrakteret på en krystal. EDXS måler røntgenstråler udsendt af elektroner stimuleret af en højenergikilde af ladede partikler.
Analysen af røntgenspektroskopi i begge metoder til strålingsfordeling indikerer materialets atomare struktur og derfor elementerne i det analyserede objekt.
Radiografiske teknikker
Der er flere forskellige metoder til røntgen og optisk spektroskopi af det elektroniske spektrum, som bruges inden for mange områder af videnskab og teknologi,herunder arkæologi, astronomi og teknik. Disse metoder kan bruges uafhængigt eller sammen for at skabe et mere komplet billede af det analyserede materiale eller objekt.
WDXS
Røntgenfotoelektronspektroskopi (WDXS) er en overfladefølsom kvantitativ spektroskopisk metode, der måler grundstofsammensætningen i en række dele på overfladen af det materiale, der undersøges, og også bestemmer den empiriske formel, kemiske tilstand og elektronisk tilstand af de elementer, der findes i materialet. Kort sagt er WDXS en nyttig målemetode, fordi den ikke kun viser, hvilke funktioner der er inde i filmen, men også hvilke funktioner der dannes efter behandling.
Røntgenspektre opnås ved at bestråle et materiale med en røntgenstråle, mens man samtidig måler den kinetiske energi og antallet af elektroner, der kommer ud fra de øverste 0-10 nm af det analyserede materiale. WDXS kræver højvakuum (P ~ 10-8 millibar) eller ultrahøjt vakuum (UHV; P <10-9 millibar) forhold. Selvom WDXS ved atmosfærisk tryk i øjeblikket udvikles, hvor prøver analyseres ved tryk på adskillige titusvis af millibar.
ESCA (X-ray Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) er et akronym opfundet af Kai Siegbahns forskerhold for at understrege den kemiske (ikke kun elementære) information, som teknikken giver. I praksis ved hjælp af typiske laboratoriekilderX-stråler, XPS detekterer alle grundstoffer med et atomnummer (Z) på 3 (lithium) og højere. Det kan ikke nemt detektere brint (Z=1) eller helium (Z=2).
EDXS
Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDXS) er en kemisk mikroanalyseteknik, der bruges i forbindelse med scanningelektronmikroskopi (SEM). EDXS-metoden detekterer røntgenstråler, der udsendes af en prøve, når den bombarderes med en elektronstråle for at karakterisere grundstofsammensætningen af det analyserede volumen. Elementer eller faser så små som 1 µm kan analyseres.
Når en prøve bombarderes med en SEM-elektronstråle, udstødes elektroner fra atomerne, der udgør prøvens overflade. De resulterende elektronhulrum er fyldt med elektroner fra en højere tilstand, og røntgenstråler udsendes for at afbalancere energiforskellen mellem de to elektroners tilstande. Røntgenenergi er karakteristisk for det grundstof, hvorfra den blev udsendt.
EDXS røntgendetektor måler den relative mængde af udsendte stråler afhængigt af deres energi. Detektoren er norm alt en siliciumdrift lithium-faststof-enhed. Når en indfaldende røntgenstråle rammer en detektor, skaber den en ladningsimpuls, der er proportional med røntgenstrålens energi. Ladningsimpulsen omdannes til en spændingsimpuls (som forbliver proportional med røntgenenergien) ved hjælp af en ladningsfølsom forforstærker. Signalet sendes derefter til en multikanalanalysator, hvor impulserne sorteres efter spænding. Energien bestemt ud fra spændingsmålingen for hver indfaldende røntgenstråle sendes til en computer til visning og yderligere evaluering af dataene. Røntgenenergispektret versus antallet estimeres til at bestemme grundstofsammensætningen af prøvestørrelsen.
XRF
Røntgenfluorescensspektroskopi (XRF) bruges til rutinemæssig, relativt ikke-destruktiv kemisk analyse af sten, mineraler, sedimenter og væsker. XRF kan dog typisk ikke analysere ved små pletstørrelser (2-5 mikron), så det bruges typisk til bulkanalyse af store fraktioner af geologiske materialer. Den relative lethed og lave omkostninger ved prøveforberedelse samt stabiliteten og brugervenligheden af røntgenspektrometre gør denne metode til en af de mest udbredte til analyse af vigtige sporstoffer i klipper, mineraler og sedimenter.
Fysikken i XRF XRF afhænger af grundlæggende principper, der er fælles for flere andre instrumentelle teknikker, der involverer interaktioner mellem elektronstråler og røntgenstråler på prøver, herunder radiografiteknikker såsom SEM-EDS, diffraktion (XRD) og bølgelængde dispersiv radiografi (mikroprobe WDS).
Analysen af de vigtigste sporelementer i geologiske materialer ved XRF er mulig på grund af atomers opførsel, når de interagerer med stråling. Når materialerOphidset af højenergi stråling med kort bølgelængde (såsom røntgenstråler) kan de blive ioniseret. Hvis der er nok strålingsenergi til at løsne den fastholdte indre elektron, bliver atomet ustabilt, og den ydre elektron erstatter den manglende indre. Når dette sker, frigives energi på grund af den reducerede bindingsenergi i den indre elektronorbital sammenlignet med den ydre. Strålingen har en lavere energi end den primære indfaldende røntgenstråle og kaldes fluorescerende.
XRF-spektrometeret virker, fordi hvis en prøve belyses med en intens røntgenstråle, kendt som en indfaldende stråle, spredes noget af energien, men noget absorberes også i prøven, hvilket afhænger af dens kemikalie sammensætning.
XAS
Røntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) er måling af overgange fra jordelektroniske tilstande af et metal til exciterede elektroniske tilstande (LUMO) og kontinuum; førstnævnte er kendt som X-ray Absorption Near Structure (XANES) og sidstnævnte som X-ray Extended Absorption Fine Structure (EXAFS), som studerer den fine struktur af absorption ved energier over elektronfrigivelsestærsklen. Disse to metoder giver yderligere strukturel information, XANES-spektre rapporterer den elektroniske struktur og symmetri af metalstedet, og EXAFS rapporterer tal, typer og afstande til ligander og naboatomer fra det absorberende element.
XAS giver os mulighed for at studere den lokale struktur af et element af interesse uden interferens fra absorption af en proteinmatrix, vand eller luft. Imidlertid har røntgenspektroskopi af metalloenzymer været en udfordring på grund af den lille relative koncentration af elementet af interesse i prøven. I et sådant tilfælde var standardtilgangen at bruge røntgenfluorescens til at detektere absorptionsspektre i stedet for at bruge transmissionsdetektionstilstanden. Udviklingen af tredjegenerations intense røntgenkilder til synkrotronstråling har også gjort det muligt at studere fortyndede prøver.
Metalkomplekser, som modeller med kendte strukturer, var essentielle for at forstå XAS af metalloproteiner. Disse komplekser danner grundlag for evaluering af koordinationsmediets (koordinationsladning) indflydelse på absorptionskantenergien. Studiet af strukturelt velkarakteriserede modelkomplekser giver også et benchmark for forståelse af EXAFS fra metalliske systemer med ukendt struktur.
En væsentlig fordel ved XAS i forhold til røntgenkrystallografi er, at lokal strukturel information omkring et element af interesse kan opnås selv fra uordnede prøver såsom pulvere og opløsning. Bestilte prøver såsom membraner og enkeltkrystaller øger dog ofte informationen fra XAS. For orienterede enkeltkrystaller eller ordnede membraner kan interatomiske vektororienteringer udledes fra målinger af dikroisme. Disse metoder er især nyttige til at bestemme klyngestrukturer.polynukleære metaller såsom Mn4Ca-klyngen forbundet med oxidationen af vand i det iltfrigivende fotosyntetiske kompleks. Desuden kan ret små ændringer i geometri/struktur forbundet med overgange mellem mellemtilstande, kendt som S-tilstande, i vandoxidationsreaktionscyklussen let detekteres ved hjælp af XAS.
Applications
Røntgenspektroskopi-teknikker bruges inden for mange videnskabsområder, herunder arkæologi, antropologi, astronomi, kemi, geologi, teknik og folkesundhed. Med dens hjælp kan du opdage skjulte oplysninger om gamle artefakter og rester. For eksempel brugte Lee Sharp, lektor i kemi ved Grinnell College i Iowa, og kolleger XRF til at spore oprindelsen af obsidian-pilespidser lavet af forhistoriske mennesker i det nordamerikanske sydvest.
Astrofysikere vil takket være røntgenspektroskopi lære mere om, hvordan objekter i rummet fungerer. For eksempel planlægger forskere ved Washington University i St. Louis at observere røntgenstråler fra kosmiske objekter såsom sorte huller for at lære mere om deres egenskaber. Et hold ledet af Henryk Kravczynski, en eksperimentel og teoretisk astrofysiker, planlægger at frigive et røntgenspektrometer kaldet et røntgenpolarimeter. Fra december 2018 blev instrumentet suspenderet i jordens atmosfære med en heliumfyldt ballon i lang tid.
Yuri Gogotsi, kemiker og ingeniør,Drexel University of Pennsylvania skaber sputterede antenner og membraner til afs altning fra materialer analyseret ved røntgenspektroskopi.
Usynlige sputterede antenner er kun nogle få titus nanometer tykke, men i stand til at transmittere og dirigere radiobølger. XAS-teknikken er med til at sikre, at sammensætningen af det utroligt tynde materiale er korrekt og hjælper med at bestemme ledningsevnen. "Antenner kræver høj metallisk ledningsevne for at fungere godt, så vi er nødt til at holde et vågent øje med materialet," sagde Gogotsi.
Gogotzi og kolleger bruger også spektroskopi til at analysere overfladekemien af komplekse membraner, der afs alter vand ved at filtrere specifikke ioner fra såsom natrium.
I medicin
Røntgenfotoelektronspektroskopi finder anvendelse inden for flere områder af anatomisk medicinsk forskning og i praksis, for eksempel i moderne CT-scanningsmaskiner. Indsamling af røntgenabsorptionsspektre under en CT-scanning (ved hjælp af fotontælling eller en spektralscanner) kan give mere detaljerede oplysninger og bestemme, hvad der sker inde i kroppen, med lavere strålingsdoser og mindre eller intet behov for kontrastmaterialer (farvestoffer).
