X-zrake imaju niz jedinstvenih svojstava kao što su zračenje koje prevazilaze njihovu vrlo kratku talasnu dužinu. Jedno od njihovih važnih svojstava za nauku je elementarna selektivnost. Odabirom i ispitivanjem spektra pojedinačnih elemenata koji se nalaze na jedinstvenim mjestima u složenim molekulima, imamo lokalizirani "atomski senzor". Ispitivanjem ovih atoma u različito vrijeme nakon pobuđivanja strukture svjetlom, možemo pratiti razvoj elektronskih i strukturnih promjena čak i u vrlo složenim sistemima, odnosno, drugim riječima, možemo pratiti elektron kroz molekulu i kroz međusklopove.
Historija
Izumitelj radiografije bio je Wilhelm Conrad Röntgen. Jednom, kada je naučnik istraživao sposobnost različitih materijala da zaustave zrake, stavio je mali komad olova na mjesto dok se odvijalo pražnjenje. DakleTako je Rentgen ugledao prvu rendgensku sliku, svoj svetlucavi sablasni kostur na ekranu od barijum platinocijanida. Kasnije je izvijestio da je u tom trenutku odlučio da nastavi svoje eksperimente u tajnosti jer se bojao za svoju profesionalnu reputaciju ako su njegova zapažanja bila pogrešna. Nemački naučnik dobio je prvu Nobelovu nagradu za fiziku 1901. za otkriće rendgenskih zraka 1895. godine. Prema SLAC National Accelerator Laboratory, njegovu novu tehnologiju brzo su usvojili drugi naučnici i doktori.
Charles Barkla, britanski fizičar, sproveo je istraživanje između 1906. i 1908. koje je dovelo do njegovog otkrića da rendgenski zraci mogu biti karakteristični za određene supstance. Njegov rad mu je doneo i Nobelovu nagradu za fiziku, ali tek 1917.
Upotreba rendgenske spektroskopije zapravo je počela nešto ranije, 1912. godine, počevši od saradnje između oca i sina britanskih fizičara, Williama Henryja Bragga i Williama Lawrencea Bragga. Koristili su spektroskopiju za proučavanje interakcije X-zraka sa atomima unutar kristala. Njihova tehnika, nazvana rendgenska kristalografija, postala je standard u ovoj oblasti 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 postoji rendgenski spektrometar koji sakupljainformacije o elementima koji čine tlo. Snaga zraka korištena je za detekciju olovne boje na igračkama, što je smanjilo rizik od trovanja olovom. Partnerstvo između nauke i umjetnosti može se vidjeti u korištenju radiografije kada se koristi u muzejima za identifikaciju elemenata koji bi mogli oštetiti zbirke.
Principi rada
Kada je atom nestabilan ili bombardovan česticama visoke energije, njegovi elektroni skaču između energetskih nivoa. Kako se elektroni prilagođavaju, element apsorbira i emituje visokoenergetske rendgenske fotone na način karakterističan za atome koji čine taj određeni kemijski element. Rendgenskom spektroskopijom se mogu odrediti fluktuacije energije. Ovo vam omogućava da identifikujete čestice i vidite interakciju atoma u različitim okruženjima.
Postoje dvije glavne metode rendgenske spektroskopije: disperzivna talasna dužina (WDXS) i disperzivna energija (EDXS). WDXS mjeri rendgenske zrake jedne talasne dužine koje se difraktiraju na kristalu. EDXS mjeri X-zrake koje emituju elektroni stimulirani visokoenergetskim izvorom nabijenih čestica.
Analiza rendgenske spektroskopije u obje metode raspodjele zračenja ukazuje na atomsku strukturu materijala, a samim tim i na elemente unutar analiziranog objekta.
Radiografske tehnike
Postoji nekoliko različitih metoda rendgenske i optičke spektroskopije elektronskog spektra, koje se koriste u mnogim oblastima nauke i tehnologije,uključujući arheologiju, astronomiju i inženjerstvo. Ove metode se mogu koristiti samostalno ili zajedno za stvaranje potpunije slike analiziranog materijala ili objekta.
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, hemijsko stanje i elektronsko stanje elemenata koji postoje u materijalu. Jednostavno rečeno, WDXS je korisna metoda mjerenja jer pokazuje ne samo koje karakteristike su unutar filma, već i koje karakteristike se formiraju nakon obrade.
Spektri X zraka se dobijaju zračenjem materijala rendgenskim snopom uz istovremeno mjerenje kinetičke energije i broja elektrona koji izlaze iz gornjih 0-10 nm analiziranog materijala. WDXS zahtijeva uslove visokog vakuuma (P ~ 10-8 milibara) ili ultravisokog vakuuma (UHV; P <10-9 milibara). Iako se trenutno razvija WDXS pri atmosferskom pritisku, u kojem se uzorci analiziraju pri pritiscima od nekoliko desetina milibara.
ESCA (rendgenska elektronska spektroskopija za hemijsku analizu) je akronim koji je skovao istraživački tim Kai Siegbahna da bi se naglasile hemijske (ne samo elementarne) informacije koje tehnika pruža. U praksi, koristeći tipične laboratorijske izvoreX-zrake, XPS detektuje sve elemente sa atomskim brojem (Z) od 3 (litijum) i više. Ne može lako detektovati vodonik (Z=1) ili helijum (Z=2).
EDXS
Energy dispersive X-Ray Spectroscopy (EDXS) je tehnika hemijske mikroanalize koja se koristi zajedno sa skenirajućom elektronskom mikroskopijom (SEM). EDXS metoda detektuje X-zrake koje emituje uzorak kada je bombardovan elektronskim snopom kako bi se karakterizirao elementarni sastav analiziranog volumena. Elementi ili faze male veličine od 1 µm mogu se analizirati.
Kada je uzorak bombardiran SEM elektronskim snopom, elektroni se izbacuju iz atoma koji čine površinu uzorka. Rezultirajuće elektronske praznine se popunjavaju elektronima iz višeg stanja, a rendgenske zrake se emituju kako bi se uravnotežila razlika u energiji između stanja dva elektrona. Rendgenska energija je karakteristična za element iz kojeg je emitovana.
EDXS rendgenski detektor mjeri relativnu količinu emitovanih zraka u zavisnosti od njihove energije. Detektor je obično silikonski drift litijum uređaj u čvrstom stanju. Kada upadni snop rendgenskih zraka udari u detektor, on 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 punjenje. Signal se zatim šalje u višekanalni analizator gdje se impulsi sortiraju po naponu. Energija određena mjerenjem napona za svaki incidentni rendgenski snimak šalje se kompjuteru za prikaz i dalju evaluaciju podataka. Energetski spektar rendgenskih zraka u odnosu na broj se procjenjuje kako bi se odredio elementarni sastav veličine uzorka.
XRF
Fluorescentna spektroskopija X-zraka (XRF) se koristi za rutinsku, relativno nedestruktivnu hemijsku analizu stena, minerala, sedimenata i fluida. Međutim, XRF tipično ne može analizirati na malim veličinama tačaka (2-5 mikrona), pa se obično koristi za masovnu analizu velikih frakcija geoloških materijala. Relativna lakoća 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 zavisi od osnovnih principa 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 talasna dužina disperzivna radiografija (mikrosonda WDS).
Analiza glavnih elemenata u tragovima u geološkim materijalima pomoću XRF-a je moguća zbog ponašanja atoma kada su u interakciji sa zračenjem. Kada materijaliPobuđeni visokoenergetskim kratkotalasnim zračenjem (kao što su rendgenski zraci), oni mogu postati jonizovani. Ako ima dovoljno energije zračenja da pomakne čvrsto držani unutrašnji elektron, atom postaje nestabilan i vanjski elektron zamjenjuje unutrašnji elektron koji nedostaje. Kada se to dogodi, energija se oslobađa zbog smanjene energije vezivanja unutrašnje orbitale elektrona u odnosu na vanjsku. Zračenje ima nižu energiju od primarnog upadnog rendgenskog zraka i naziva se fluorescentno.
XRF spektrometar radi jer ako je uzorak osvijetljen intenzivnim snopom rendgenskih zraka, poznatim kao upadni snop, dio energije se raspršuje, ali se dio također apsorbira u uzorku, što ovisi o njegovoj kemikaliji kompozicija.
XAS
Apsorpciona spektroskopija X-zraka (XAS) je merenje prelaza iz osnovnih elektronskih stanja metala u pobuđena elektronska stanja (LUMO) i kontinuum; prva je poznata kao bliska struktura rendgenske apsorpcije (XANES), a druga kao fina struktura proširene apsorpcije X-zraka (EXAFS), koja proučava finu strukturu apsorpcije pri energijama iznad praga oslobađanja elektrona. Ove dvije metode daju dodatne strukturne informacije, XANES spektre koji izvještavaju o elektronskoj strukturi i simetriji metalnog mjesta, i EXAFS koji izvještava o brojevima, tipovima i udaljenostima do liganda i susjednih atoma od apsorbirajućeg elementa.
XAS nam omogućava da proučavamo lokalnu strukturu 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 je bio korištenje rendgenske fluorescencije za detekciju spektra apsorpcije umjesto korištenja načina detekcije transmisije. Razvoj treće generacije intenzivnih izvora rendgenskog zračenja sinhrotronskog zračenja također je omogućio proučavanje razrijeđenih uzoraka.
Metalni kompleksi, kao modeli sa poznatim strukturama, bili su od suštinskog značaja za razumevanje XAS metaloproteina. Ovi kompleksi daju osnovu za procjenu utjecaja koordinacionog medija (koordinacijskog naboja) na energiju ruba apsorpcije. Proučavanje strukturno dobro okarakteriziranih kompleksa modela također pruža mjerilo za razumijevanje EXAFS-a iz metalnih sistema nepoznate strukture.
Značajna prednost XAS-a u odnosu na rendgensku kristalografiju je u tome što se lokalne strukturne informacije oko elementa od interesa mogu dobiti čak i iz neuređenih uzoraka kao što su prahovi i rastvori. Međutim, naručeni uzorci kao što su membrane i monokristali često povećavaju informacije dobivene od XAS-a. Za orijentirane monokristale ili uređene membrane, interatomske orijentacije vektora mogu se zaključiti iz mjerenja dikroizma. Ove metode su posebno korisne za određivanje strukture klastera.polinuklearni metali kao što je klaster Mn4Ca povezan s oksidacijom vode u fotosintetskom kompleksu koji oslobađa kisik. Štaviše, 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 poljima nauke, uključujući arheologiju, antropologiju, astronomiju, hemiju, geologiju, inženjerstvo i javno zdravstvo. Uz njegovu pomoć možete otkriti skrivene informacije o drevnim artefaktima i ostacima. Na primjer, Lee Sharp, vanredni profesor hemije na Grinnell koledžu u Ajovi, i kolege koristili su XRF da uđu u trag porijeklu vrhova strela od opsidijana koje su napravili praistorijski ljudi na jugozapadu Sjeverne Amerike.
Astrofizičari će, zahvaljujući rendgenskoj spektroskopiji, naučiti više o tome kako funkcionišu objekti u svemiru. Na primjer, istraživači sa Univerziteta Washington u St. Louisu planiraju promatrati X-zrake iz kosmičkih objekata kao što su crne rupe kako bi saznali više o njihovim karakteristikama. Tim predvođen Henrykom Kravczynskim, eksperimentalnim i teorijskim astrofizičarem, planira izdati rendgenski spektrometar nazvan rendgenski polarimetar. Počevši od decembra 2018, instrument je dugo vremena bio suspendovan u Zemljinoj atmosferi sa balonom ispunjenim helijumom.
Yuri Gogotsi, hemičar i inženjer,Drexel University of Pennsylvania kreira raspršene antene i membrane za desalinizaciju materijala analiziranih rendgenskom spektroskopijom.
Nevidljive raspršene antene su debele samo nekoliko desetina nanometara, ali sposobne da prenose i usmeravaju radio talase. XAS tehnika pomaže da se osigura da je sastav neverovatno tankog materijala ispravan i pomaže u određivanju provodljivosti. "Antene zahtevaju visoku metalnu provodljivost da bi dobro radile, tako da moramo pažljivo da pazimo na materijal", rekao je Gogoci.
Gogotzi i kolege takođe koriste spektroskopiju za analizu površinske hemije složenih membrana koje desaliniraju vodu filtriranjem specifičnih jona kao što je natrijum.
U medicini
Rentgenska fotoelektronska spektroskopija nalazi primenu u nekoliko oblasti anatomskih medicinskih istraživanja iu praksi, na primer, u modernim mašinama za CT skeniranje. Prikupljanje spektra apsorpcije rendgenskih zraka tokom CT skeniranja (koristeći brojanje fotona ili spektralni skener) može pružiti detaljnije informacije i odrediti šta se dešava unutar tijela, uz manje doze zračenja i manje ili nikakve potrebe za kontrastnim materijalima (bojama).
