X-ray mempunyai beberapa sifat unik sebagai sinaran yang melampaui panjang gelombangnya yang sangat pendek. Salah satu sifat penting mereka untuk sains ialah pemilihan unsur. Dengan memilih dan memeriksa spektrum unsur individu yang terletak di tempat unik dalam molekul kompleks, kami mempunyai "penderia atom" setempat. Dengan memeriksa atom-atom ini pada masa yang berbeza selepas pengujaan struktur oleh cahaya, kita boleh mengesan perkembangan perubahan elektronik dan struktur walaupun dalam sistem yang sangat kompleks, atau, dengan kata lain, kita boleh mengikuti elektron melalui molekul dan melalui antara muka.
Sejarah
Pencipta radiografi ialah Wilhelm Conrad Röntgen. Suatu ketika, apabila seorang saintis sedang menyiasat keupayaan pelbagai bahan untuk menghentikan sinar, dia meletakkan sekeping kecil plumbum pada kedudukan semasa pelepasan sedang berlaku. JadiOleh itu, Roentgen melihat imej x-ray pertama, rangka hantunya yang berkilauan pada skrin barium platinocyanide. Dia kemudian melaporkan bahawa pada ketika inilah dia memutuskan untuk meneruskan eksperimennya secara rahsia kerana dia takut reputasi profesionalnya jika pemerhatiannya adalah salah. Saintis Jerman itu telah dianugerahkan Hadiah Nobel pertama dalam Fizik pada tahun 1901 untuk penemuan sinar-X pada tahun 1895. Menurut Makmal Pemecut Kebangsaan SLAC, teknologi baharunya telah diterima pakai dengan cepat oleh saintis dan doktor lain.
Charles Barkla, seorang ahli fizik British, menjalankan penyelidikan antara 1906 dan 1908 yang membawa kepada penemuannya bahawa sinar-X boleh menjadi ciri bahan tertentu. Hasil kerjanya juga memberikannya Hadiah Nobel dalam Fizik, tetapi hanya pada tahun 1917.
Penggunaan spektroskopi sinar-X sebenarnya bermula sedikit lebih awal, pada tahun 1912, bermula dengan kerjasama antara bapa dan anak ahli fizik British, William Henry Bragg dan William Lawrence Bragg. Mereka menggunakan spektroskopi untuk mengkaji interaksi sinar-X dengan atom di dalam kristal. Teknik mereka, yang dipanggil kristalografi sinar-X, menjadi standard dalam bidang ini menjelang tahun berikutnya, dan mereka menerima Hadiah Nobel dalam Fizik pada tahun 1915.
Dalam tindakan
Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, spektrometri sinar-X telah digunakan dalam pelbagai cara baharu dan menarik. Di permukaan Marikh terdapat spektrometer sinar-X yang mengumpulmaklumat tentang unsur-unsur yang membentuk tanah. Kuasa rasuk digunakan untuk mengesan cat plumbum pada mainan, yang mengurangkan risiko keracunan plumbum. Perkongsian antara sains dan seni dapat dilihat dalam penggunaan radiografi apabila digunakan di muzium untuk mengenal pasti unsur-unsur yang boleh merosakkan koleksi.
Prinsip kerja
Apabila atom tidak stabil atau dihujani oleh zarah tenaga tinggi, elektronnya melompat antara tahap tenaga. Apabila elektron melaraskan, unsur tersebut menyerap dan memancarkan foton sinar-X bertenaga tinggi mengikut cara ciri atom yang membentuk unsur kimia tertentu itu. Dengan spektroskopi sinar-X, turun naik tenaga boleh ditentukan. Ini membolehkan anda mengenal pasti zarah dan melihat interaksi atom dalam pelbagai persekitaran.
Terdapat dua kaedah utama spektroskopi sinar-X: penyebaran panjang gelombang (WDXS) dan penyebaran tenaga (EDXS). WDXS mengukur sinar-X panjang gelombang tunggal yang difraksi pada kristal. EDXS mengukur sinar-X yang dipancarkan oleh elektron yang dirangsang oleh sumber tenaga tinggi zarah bercas.
Analisis spektroskopi sinar-X dalam kedua-dua kaedah pengagihan sinaran menunjukkan struktur atom bahan dan, oleh itu, unsur-unsur dalam objek yang dianalisis.
Teknik radiografi
Terdapat beberapa kaedah sinar-X dan spektroskopi optik spektrum elektronik yang berbeza, yang digunakan dalam banyak bidang sains dan teknologi,termasuk arkeologi, astronomi dan kejuruteraan. Kaedah ini boleh digunakan secara berasingan atau bersama-sama untuk mencipta gambaran yang lebih lengkap tentang bahan atau objek yang dianalisis.
WDXS
spektroskopi fotoelektron sinar-X (WDXS) ialah kaedah spektroskopi kuantitatif sensitif permukaan yang mengukur komposisi unsur dalam julat bahagian pada permukaan bahan yang dikaji, dan juga menentukan formula empirik, keadaan kimia dan keadaan elektronik unsur yang wujud dalam bahan. Ringkasnya, WDXS ialah kaedah pengukuran yang berguna kerana ia menunjukkan bukan sahaja ciri yang terdapat di dalam filem, tetapi juga ciri yang terbentuk selepas pemprosesan.
Spektra sinar-X diperoleh dengan menyinari bahan dengan pancaran sinar-X sambil secara serentak mengukur tenaga kinetik dan bilangan elektron yang muncul dari 0-10 nm atas bahan yang dianalisis. WDXS memerlukan keadaan vakum tinggi (P ~ 10-8 milibar) atau vakum ultra tinggi (UHV; P <10-9 milibar). Walaupun WDXS pada tekanan atmosfera sedang dibangunkan, di mana sampel dianalisis pada tekanan beberapa puluh milibar.
ESCA (X-ray Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) ialah akronim yang dicipta oleh pasukan penyelidik Kai Siegbahn untuk menekankan maklumat kimia (bukan sekadar unsur) yang disediakan oleh teknik tersebut. Dalam amalan, menggunakan sumber makmal biasaX-ray, XPS mengesan semua unsur dengan nombor atom (Z) 3 (lithium) dan lebih tinggi. Ia tidak dapat dengan mudah mengesan hidrogen (Z=1) atau helium (Z=2).
EDXS
Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDXS) ialah teknik analisis mikro kimia yang digunakan bersama-sama dengan mikroskop elektron pengimbasan (SEM). Kaedah EDXS mengesan sinar-X yang dipancarkan oleh sampel apabila dihujani dengan pancaran elektron untuk mencirikan komposisi unsur isipadu yang dianalisis. Unsur atau fasa sekecil 1 µm boleh dianalisis.
Apabila sampel dihujani dengan pancaran elektron SEM, elektron dikeluarkan daripada atom yang membentuk permukaan sampel. Lompang elektron yang terhasil diisi dengan elektron dari keadaan yang lebih tinggi, dan sinar-X dipancarkan untuk mengimbangi perbezaan tenaga antara keadaan dua elektron. Tenaga sinar-X ialah ciri unsur dari mana ia dipancarkan.
Pengesan x-ray EDXS mengukur jumlah relatif sinaran yang dipancarkan bergantung pada tenaganya. Pengesan biasanya peranti keadaan pepejal litium drift silikon. Apabila pancaran sinar-X insiden terkena pengesan, ia menghasilkan nadi cas yang berkadar dengan tenaga sinar-X. Nadi cas ditukar kepada nadi voltan (yang kekal berkadar dengan tenaga sinar-X) melalui prapenguat sensitif cas. Isyarat kemudian dihantar ke penganalisis berbilang saluran di mana denyutan diisih mengikut voltan. Tenaga yang ditentukan daripada pengukuran voltan untuk setiap X-ray insiden dihantar ke komputer untuk paparan dan penilaian selanjutnya data. Spektrum tenaga sinar-X berbanding kiraan dianggarkan untuk menentukan komposisi unsur saiz sampel.
XRF
spektroskopi pendarfluor sinar-X (XRF) digunakan untuk analisis kimia secara rutin dan tidak merosakkan batu, mineral, sedimen dan cecair. Walau bagaimanapun, XRF lazimnya tidak boleh menganalisis pada saiz titik kecil (2-5 mikron), jadi ia biasanya digunakan untuk analisis pukal bagi pecahan besar bahan geologi. Kemudahan relatif dan kos penyediaan sampel yang rendah, serta kestabilan dan kemudahan penggunaan spektrometer sinar-X, menjadikan kaedah ini salah satu kaedah yang paling banyak digunakan untuk analisis unsur surih utama dalam batuan, mineral dan sedimen.
Fizik XRF XRF bergantung pada prinsip asas yang biasa kepada beberapa teknik instrumental lain yang melibatkan interaksi antara pancaran elektron dan sinar-X pada sampel, termasuk teknik radiografi seperti SEM-EDS, pembelauan (XRD) dan panjang gelombang radiografi penyebaran (mikrob WDS).
Analisis unsur surih utama dalam bahan geologi oleh XRF adalah mungkin disebabkan oleh kelakuan atom apabila ia berinteraksi dengan sinaran. Apabila bahanTeruja oleh sinaran panjang gelombang pendek bertenaga tinggi (seperti sinar-X), ia boleh menjadi terion. Jika terdapat tenaga sinaran yang mencukupi untuk melepaskan elektron dalam yang tergenggam rapat, atom menjadi tidak stabil dan elektron luar menggantikan elektron dalam yang hilang. Apabila ini berlaku, tenaga dibebaskan kerana tenaga pengikatan berkurangan orbital elektron dalam berbanding dengan orbital luar. Sinaran mempunyai tenaga yang lebih rendah daripada sinar-X kejadian utama dan dipanggil pendarfluor.
Spektrometer XRF berfungsi kerana jika sampel disinari dengan pancaran sinar-X yang kuat, yang dikenali sebagai pancaran kejadian, sebahagian daripada tenaga diserakkan, tetapi sebahagiannya turut diserap dalam sampel, yang bergantung kepada bahan kimianya. gubahan.
XAS
Spektroskopi serapan sinar-X (XAS) ialah pengukuran peralihan daripada keadaan elektronik tanah bagi suatu logam kepada keadaan elektronik teruja (LUMO) dan kontinum; yang pertama dikenali sebagai X-ray Absorption Near Structure (XANES) dan yang kedua sebagai X-ray Extended Absorption Fine Structure (EXAFS), yang mengkaji struktur halus penyerapan pada tenaga di atas ambang pelepasan elektron. Kedua-dua kaedah ini memberikan maklumat struktur tambahan, spektrum XANES melaporkan struktur elektronik dan simetri tapak logam, dan EXAFS melaporkan nombor, jenis dan jarak kepada ligan dan atom jiran daripada unsur penyerap.
XAS membolehkan kita mengkaji struktur setempat sesuatu unsur yang menarik tanpa gangguan daripada penyerapan oleh matriks protein, air atau udara. Walau bagaimanapun, spektroskopi sinar-X metalloenzim telah menjadi satu cabaran kerana kepekatan relatif kecil unsur kepentingan dalam sampel. Dalam kes sedemikian, pendekatan standard adalah menggunakan pendarfluor sinar-X untuk mengesan spektrum penyerapan dan bukannya menggunakan mod pengesanan penghantaran. Pembangunan sumber sinar-X intens generasi ketiga sinaran sinkrotron juga telah memungkinkan untuk mengkaji sampel cair.
Kompleks logam, sebagai model dengan struktur yang diketahui, adalah penting untuk memahami XAS metaloprotein. Kompleks ini menyediakan asas untuk menilai pengaruh medium penyelarasan (cas koordinasi) pada tenaga tepi penyerapan. Kajian tentang kompleks model yang dicirikan dengan baik dari segi struktur juga menyediakan penanda aras untuk memahami EXAFS daripada sistem logam struktur yang tidak diketahui.
Kelebihan ketara XAS berbanding kristalografi sinar-X ialah maklumat struktur tempatan di sekeliling unsur yang menarik boleh diperolehi walaupun daripada sampel bercelaru seperti serbuk dan larutan. Walau bagaimanapun, sampel yang dipesan seperti membran dan kristal tunggal sering meningkatkan maklumat yang diperoleh daripada XAS. Untuk kristal tunggal berorientasikan atau membran tersusun, orientasi vektor interatomik boleh disimpulkan daripada pengukuran dichroism. Kaedah ini amat berguna untuk menentukan struktur kelompok.logam polinuklear seperti gugusan Mn4Ca yang dikaitkan dengan pengoksidaan air dalam kompleks fotosintesis yang membebaskan oksigen. Selain itu, perubahan kecil dalam geometri/struktur yang dikaitkan dengan peralihan antara keadaan perantaraan, yang dikenali sebagai keadaan-S, dalam kitaran tindak balas pengoksidaan air boleh dikesan dengan mudah menggunakan XAS.
Aplikasi
Teknik spektroskopi sinar-X digunakan dalam banyak bidang sains, termasuk arkeologi, antropologi, astronomi, kimia, geologi, kejuruteraan dan kesihatan awam. Dengan bantuannya, anda boleh menemui maklumat tersembunyi tentang artifak dan tinggalan purba. Contohnya, Lee Sharp, profesor kimia bersekutu di Kolej Grinnell di Iowa, dan rakan sekerja menggunakan XRF untuk mengesan asal usul anak panah obsidian yang dibuat oleh orang prasejarah di Barat Daya Amerika Utara.
Ahli astrofizik, terima kasih kepada spektroskopi sinar-X, akan mengetahui lebih lanjut tentang cara objek dalam angkasa berfungsi. Sebagai contoh, penyelidik di Universiti Washington di St. Louis merancang untuk memerhati sinar-X dari objek kosmik seperti lubang hitam untuk mengetahui lebih lanjut tentang ciri-ciri mereka. Pasukan yang diketuai oleh Henryk Kravczynski, ahli astrofizik eksperimen dan teori, merancang untuk mengeluarkan spektrometer sinar-X yang dipanggil polarimeter sinar-X. Bermula pada Disember 2018, instrumen itu digantung di atmosfera Bumi dengan belon berisi helium untuk jangka masa yang lama.
Yuri Gogotsi, ahli kimia dan jurutera,Drexel University of Pennsylvania mencipta antena dan membran yang terbantut untuk penyahgaraman daripada bahan yang dianalisis oleh spektroskopi sinar-X.
Antena terpercik yang tidak kelihatan hanya tebal beberapa puluh nanometer, tetapi mampu menghantar dan mengarahkan gelombang radio. Teknik XAS membantu memastikan komposisi bahan yang sangat nipis adalah betul dan membantu menentukan kekonduksian. "Antena memerlukan kekonduksian logam yang tinggi untuk berfungsi dengan baik, jadi kami perlu memerhatikan bahan dengan teliti," kata Gogotsi.
Gogotzi dan rakan sekerja juga menggunakan spektroskopi untuk menganalisis kimia permukaan membran kompleks yang menyahsinasi air dengan menapis ion tertentu seperti natrium.
Dalam perubatan
spektroskopi fotoelektron sinar-X menemui aplikasi dalam beberapa bidang penyelidikan perubatan anatomi dan dalam amalan, contohnya, dalam mesin pengimbasan CT moden. Mengumpul spektrum serapan sinar-X semasa imbasan CT (menggunakan pengiraan foton atau pengimbas spektrum) boleh memberikan maklumat yang lebih terperinci dan menentukan perkara yang berlaku di dalam badan, dengan dos sinaran yang lebih rendah dan kurang atau tidak memerlukan bahan kontras (pewarna).
