Els raigs X tenen una sèrie de propietats úniques com a radiació que van més enllà de la seva longitud d'ona molt curta. Una de les seves propietats importants per a la ciència és la selectivitat elemental. En seleccionar i examinar els espectres d'elements individuals que es troben en llocs únics en molècules complexes, tenim un "sensor atòmic" localitzat. Examinant aquests àtoms en diferents moments després de l'excitació de l'estructura per la llum, podem rastrejar el desenvolupament de canvis electrònics i estructurals fins i tot en sistemes molt complexos, o, en altres paraules, podem seguir l'electró a través de la molècula i a través de les interfícies.
Història
L'inventor de la radiografia va ser Wilhelm Conrad Röntgen. Una vegada, quan un científic estava investigant la capacitat de diversos materials per aturar els raigs, va col·locar un petit tros de plom en posició mentre es produïa una descàrrega. TanAixí, Roentgen va veure la primera imatge de raigs X, el seu propi esquelet fantasmal brillant en una pantalla de platinocianur de bari. Més tard va informar que va ser en aquest moment quan va decidir continuar els seus experiments en secret perquè temia per la seva reputació professional si les seves observacions eren errònies. El científic alemany va rebre el primer Premi Nobel de Física l'any 1901 pel descobriment dels raigs X l'any 1895. Segons el SLAC National Accelerator Laboratory, la seva nova tecnologia va ser adoptada ràpidament per altres científics i metges.
Charles Barkla, un físic britànic, va dur a terme una investigació entre 1906 i 1908 que va portar al seu descobriment que els raigs X podien ser característics de determinades substàncies. El seu treball també li va valer el Premi Nobel de Física, però només el 1917.
L'ús de l'espectroscòpia de raigs X va començar una mica abans, l'any 1912, començant amb la col·laboració entre pare i fill dels físics britànics, William Henry Bragg i William Lawrence Bragg. Van utilitzar l'espectroscòpia per estudiar la interacció dels raigs X amb els àtoms dins dels cristalls. La seva tècnica, anomenada cristal·lografia de raigs X, es va convertir en l'estàndard en el camp l'any següent i van rebre el Premi Nobel de Física el 1915.
En acció
En els darrers anys, l'espectrometria de raigs X s'ha utilitzat de diverses maneres noves i interessants. A la superfície de Mart hi ha un espectròmetre de raigs X que recullinformació sobre els elements que formen el sòl. La potència dels raigs es va utilitzar per detectar pintura amb plom a les joguines, la qual cosa va reduir el risc d'intoxicació per plom. L'associació entre la ciència i l'art es pot veure en l'ús de la radiografia quan s'utilitza als museus per identificar elements que podrien danyar les col·leccions.
Principis de treball
Quan un àtom és inestable o bombardejat per partícules d' alta energia, els seus electrons s alten entre nivells d'energia. A mesura que els electrons s'ajusten, l'element absorbeix i emet fotons de raigs X d' alta energia d'una manera característica dels àtoms que componen aquest element químic en particular. Amb l'espectroscòpia de raigs X, es poden determinar les fluctuacions d'energia. Això us permet identificar partícules i veure la interacció dels àtoms en diversos entorns.
Hi ha dos mètodes principals d'espectroscòpia de raigs X: dispersiu de longitud d'ona (WDXS) i dispersiu d'energia (EDXS). WDXS mesura els raigs X d'una sola longitud d'ona que es difracten en un cristall. L'EDXS mesura els raigs X emesos per electrons estimulats per una font d' alta energia de partícules carregades.
L'anàlisi de l'espectroscòpia de raigs X en ambdós mètodes de distribució de la radiació indica l'estructura atòmica del material i, per tant, els elements dins de l'objecte analitzat.
Tècniques radiogràfiques
Hi ha diversos mètodes diferents d'espectroscòpia de raigs X i òptica de l'espectre electrònic, que s'utilitzen en molts camps de la ciència i la tecnologia,incloent l'arqueologia, l'astronomia i l'enginyeria. Aquests mètodes es poden utilitzar de manera independent o conjuntament per crear una imatge més completa del material o objecte analitzat.
WDXS
L'espectroscòpia fotoelectrònica de raigs X (WDXS) és un mètode espectroscòpic quantitatiu sensible a la superfície que mesura la composició elemental en una sèrie de parts a la superfície del material objecte d'estudi i també determina la fórmula empírica, l'estat químic i estat electrònic dels elements que hi ha en el material. En poques paraules, WDXS és un mètode de mesura útil perquè mostra no només quines característiques hi ha dins de la pel·lícula, sinó també quines característiques es formen després del processament.
Els espectres de raigs X s'obtenen irradiant un material amb un feix de raigs X alhora que es mesuren l'energia cinètica i el nombre d'electrons que emergeixen dels 0-10 nm superiors del material analitzat. El WDXS requereix condicions de buit elevat (P ~ 10-8 mil·libars) o molt buit (UHV; P <10-9 mil·libars). Encara que actualment s'està desenvolupant el WDXS a pressió atmosfèrica, en el qual s'analitzen mostres a pressions de diverses desenes de mil·libars.
ESCA (X-ray Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) és un acrònim encunyat per l'equip d'investigació de Kai Siegbahn per emfatitzar la informació química (no només elemental) que proporciona la tècnica. A la pràctica, utilitzant fonts típiques de laboratoriRaigs X, XPS detecta tots els elements amb un nombre atòmic (Z) de 3 (liti) i superior. No pot detectar fàcilment l'hidrogen (Z=1) o l'heli (Z=2).
EDXS
L'espectroscòpia de raigs X amb dispersió energètica (EDXS) és una tècnica de microanàlisi química que s'utilitza juntament amb la microscòpia electrònica d'exploració (SEM). El mètode EDXS detecta els raigs X emesos per una mostra quan es bombardeja amb un feix d'electrons per caracteritzar la composició elemental del volum analitzat. Es poden analitzar elements o fases tan petits com 1 µm.
Quan una mostra és bombardejada amb un feix d'electrons SEM, els electrons són expulsats dels àtoms que formen la superfície de la mostra. Els buits d'electrons resultants s'omplen d'electrons d'un estat superior i s'emeten raigs X per equilibrar la diferència d'energia entre els estats dels dos electrons. L'energia dels raigs X és característica de l'element des del qual s'ha emès.
El detector de raigs X EDXS mesura la quantitat relativa de raigs emesos en funció de la seva energia. El detector sol ser un dispositiu d'estat sòlid de liti de deriva de silici. Quan un feix de raigs X incident arriba a un detector, crea un pols de càrrega que és proporcional a l'energia dels raigs X. El pols de càrrega es converteix en un pols de tensió (que roman proporcional a l'energia dels raigs X) mitjançant un preamplificador sensible a la càrrega. A continuació, el senyal s'envia a un analitzador multicanal on els polsos s'ordenen per tensió. L'energia determinada a partir de la mesura de tensió per a cada raig X incident s'envia a un ordinador per a la visualització i una avaluació posterior de les dades. S'estima l'espectre d'energia de raigs X en funció del recompte per determinar la composició elemental de la mida de la mostra.
XRF
L'espectroscòpia de fluorescència de raigs X (XRF) s'utilitza per a anàlisis químiques rutinàries i relativament no destructives de roques, minerals, sediments i fluids. No obstant això, l'XRF normalment no pot analitzar a mides petites (2-5 micres), de manera que s'utilitza normalment per a l'anàlisi a granel de grans fraccions de materials geològics. La relativa facilitat i el baix cost de preparació de la mostra, així com l'estabilitat i la facilitat d'ús dels espectròmetres de raigs X, fan d'aquest mètode un dels més utilitzats per a l'anàlisi dels principals oligoelements en roques, minerals i sediments.
La física de XRF XRF depèn de principis fonamentals que són comuns a diverses altres tècniques instrumentals que impliquen interaccions entre feixos d'electrons i raigs X en mostres, incloses tècniques de radiografia com SEM-EDS, difracció (XRD) i longitud d'ona radiografia dispersiva (microsonda WDS).
L'anàlisi dels principals oligoelements en materials geològics mitjançant XRF és possible a causa del comportament dels àtoms quan interactuen amb la radiació. Quan els materialsEmocionats per radiacions de longitud d'ona curta d' alta energia (com els raigs X), poden ionitzar-se. Si hi ha prou energia de radiació per desallotjar l'electró intern tancat, l'àtom es torna inestable i l'electró exterior substitueix l'electró intern que f alta. Quan això succeeix, l'energia s'allibera a causa de l'energia d'unió reduïda de l'orbital d'electrons interior en comparació amb l'exterior. La radiació té una energia inferior a la dels raigs X incident primari i s'anomena fluorescent.
L'espectròmetre XRF funciona perquè si una mostra s'il·lumina amb un feix de raigs X intens, conegut com a feix incident, part de l'energia es dispersa, però una part també s'absorbeix a la mostra, que depèn de la seva química. composició.
XAS
L'espectroscòpia d'absorció de raigs X (XAS) és la mesura de les transicions des dels estats electrònics fonamentals d'un metall als estats electrònics excitats (LUMO) i el continu; el primer es coneix com X-ray Absorption Near Structure (XANES) i el segon com a X-ray Extended Absorption Fine Structure (EXAFS), que estudia l'estructura fina de l'absorció a energies per sobre del llindar d'alliberament d'electrons. Aquests dos mètodes proporcionen informació estructural addicional, els espectres XANES que informen de l'estructura electrònica i la simetria del lloc metàl·lic i EXAFS que informen de nombres, tipus i distàncies als lligands i àtoms veïns de l'element absorbent.
XAS ens permet estudiar l'estructura local d'un element d'interès sense interferències per absorció per part d'una matriu proteica, aigua o aire. Tanmateix, l'espectroscòpia de raigs X de metaloenzims ha estat un repte a causa de la petita concentració relativa de l'element d'interès a la mostra. En aquest cas, l'enfocament estàndard era utilitzar la fluorescència de raigs X per detectar espectres d'absorció en lloc d'utilitzar el mode de detecció de transmissió. El desenvolupament de fonts intenses de raigs X de radiació de sincrotró de tercera generació també ha permès estudiar mostres diluïdes.
Els complexos metàl·lics, com a models amb estructures conegudes, eren essencials per entendre el XAS de les metaloproteïnes. Aquests complexos proporcionen la base per avaluar la influència del medi de coordinació (càrrega de coordinació) sobre l'energia de la vora d'absorció. L'estudi de complexos de models estructuralment ben caracteritzats també proporciona un punt de referència per entendre EXAFS a partir de sistemes metàl·lics d'estructura desconeguda.
Un avantatge important de XAS respecte a la cristal·lografia de raigs X és que la informació estructural local al voltant d'un element d'interès es pot obtenir fins i tot a partir de mostres desordenades, com ara pols i solució. Tanmateix, les mostres ordenades com les membranes i els cristalls senzills sovint augmenten la informació obtinguda de XAS. Per a cristalls simples orientats o membranes ordenades, les orientacions del vector interatòmic es poden inferir a partir de mesures de dicroisme. Aquests mètodes són especialment útils per determinar estructures de clústers.metalls polinuclears com el cúmul Mn4Ca associat a l'oxidació de l'aigua en el complex fotosintètic que allibera oxigen. A més, amb XAS es poden detectar fàcilment canvis més aviat petits en la geometria/estructura associats a transicions entre estats intermedis, coneguts com a estats S, en el cicle de reacció d'oxidació de l'aigua.
Aplicacions
Les tècniques d'espectroscòpia de raigs X s'utilitzen en molts camps de la ciència, com ara l'arqueologia, l'antropologia, l'astronomia, la química, la geologia, l'enginyeria i la salut pública. Amb la seva ajuda, podeu descobrir informació oculta sobre artefactes i restes antics. Per exemple, Lee Sharp, professor associat de química al Grinnell College d'Iowa, i els seus col·legues van utilitzar XRF per rastrejar l'origen de les puntes de fletxa d'obsidiana fetes per persones prehistòriques al sud-oest d'Amèrica del Nord..
Els astrofísics, gràcies a l'espectroscòpia de raigs X, aprendran més sobre com funcionen els objectes a l'espai. Per exemple, els investigadors de la Universitat de Washington a St. Louis tenen previst observar els raigs X d'objectes còsmics com els forats negres per aprendre més sobre les seves característiques. Un equip dirigit per Henryk Kravczynski, un astrofísic experimental i teòric, té previst llançar un espectròmetre de raigs X anomenat polarímetre de raigs X. A partir del desembre de 2018, l'instrument va estar suspès a l'atmosfera terrestre amb un globus ple d'heli durant molt de temps.
Yuri Gogotsi, químic i enginyer,La Universitat Drexel de Pennsilvània crea antenes i membranes per a la dessalinització a partir de materials analitzats per espectroscòpia de raigs X.
Les antenes invisibles de pols escampades només tenen unes quantes desenes de nanòmetres de gruix, però són capaços de transmetre i dirigir ones de ràdio. La tècnica XAS ajuda a garantir que la composició del material increïblement prim és correcta i ajuda a determinar la conductivitat. "Les antenes requereixen una alta conductivitat metàl·lica per funcionar bé, així que hem de vigilar de prop el material", va dir Gogotsi.
Gogotzi i els seus col·legues també estan utilitzant l'espectroscòpia per analitzar la química superficial de membranes complexes que dessalineixen l'aigua filtrant ions específics com el sodi.
En medicina
L'espectroscòpia de fotoelectrons de raigs X troba aplicació en diverses àrees de la investigació mèdica anatòmica i a la pràctica, per exemple, en màquines d'exploració de TC modernes. La recollida d'espectres d'absorció de raigs X durant una TC (utilitzant el recompte de fotons o un escàner espectral) pot proporcionar informació més detallada i determinar què passa a l'interior del cos, amb dosis de radiació més baixes i amb menys o cap necessitat de materials de contrast (colorants).
