Röntgenstrahlen haben als Strahlung eine Reihe einzigartiger Eigenschaften, die über ihre sehr kurze Wellenlänge hinausgehen. Eine ihrer wichtigen Eigenschaften für die Wissenschaft ist die Elementselektivität. Durch die Auswahl und Untersuchung der Spektren einzelner Elemente, die sich an einzigartigen Orten in komplexen Molekülen befinden, haben wir einen lokalisierten „Atomsensor“. Indem wir diese Atome zu unterschiedlichen Zeitpunkten nach der Anregung der Struktur durch Licht untersuchen, können wir die Entwicklung elektronischer und struktureller Änderungen auch in sehr komplexen Systemen verfolgen, oder anders gesagt, wir können das Elektron durch das Molekül und durch die Grenzflächen verfolgen.
Verlauf
Der Erfinder der Radiographie war Wilhelm Conrad Röntgen. Als ein Wissenschaftler einmal die Fähigkeit verschiedener Materialien untersuchte, Strahlen zu stoppen, platzierte er ein kleines Stück Blei in Position, während eine Entladung stattfand. SoSo sah Röntgen das erste Röntgenbild, sein eigenes gespenstisch schimmerndes Skelett auf einem Schirm aus Bariumplatinocyanid. Später berichtete er, dass er zu diesem Zeitpunkt beschloss, seine Experimente im Geheimen fortzusetzen, weil er um seinen beruflichen Ruf fürchtete, wenn seine Beobachtungen falsch waren. Der deutsche Wissenschaftler erhielt 1901 den ersten Nobelpreis für Physik für die Entdeckung der Röntgenstrahlen im Jahr 1895. Laut dem SLAC National Accelerator Laboratory wurde seine neue Technologie schnell von anderen Wissenschaftlern und Ärzten übernommen.
Charles Barkla, ein britischer Physiker, führte zwischen 1906 und 1908 Forschungen durch, die zu seiner Entdeckung führten, dass Röntgenstrahlen charakteristisch für bestimmte Substanzen sein könnten. Seine Arbeit brachte ihm auch den Nobelpreis für Physik ein, allerdings erst 1917.
Die Verwendung der Röntgenspektroskopie begann tatsächlich etwas früher, im Jahr 1912, beginnend mit der Zusammenarbeit zwischen Vater und Sohn der britischen Physiker William Henry Bragg und William Lawrence Bragg. Sie verwendeten Spektroskopie, um die Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Atomen im Inneren von Kristallen zu untersuchen. Ihre als Röntgenkristallographie bezeichnete Technik wurde im folgenden Jahr zum Standard auf diesem Gebiet, und sie erhielten 1915 den Nobelpreis für Physik.
Im Einsatz
In den letzten Jahren wurde die Röntgenspektrometrie auf vielfältige neue und aufregende Weise eingesetzt. Auf der Marsoberfläche befindet sich ein Röntgenspektrometer, das sammeltInformationen über die Elemente, aus denen der Boden besteht. Die Kraft der Strahlen wurde verwendet, um Bleifarbe auf Spielzeug zu erkennen, wodurch das Risiko einer Bleivergiftung verringert wurde. Die Partnerschaft zwischen Wissenschaft und Kunst zeigt sich in der Verwendung von Radiographie, wenn sie in Museen verwendet wird, um Elemente zu identifizieren, die Sammlungen beschädigen könnten.
Arbeitsprinzipien
Wenn ein Atom instabil ist oder von hochenergetischen Teilchen bombardiert wird, springen seine Elektronen zwischen Energieniveaus hin und her. Während sich die Elektronen anpassen, absorbiert und emittiert das Element hochenergetische Röntgenphotonen in einer Weise, die für die Atome charakteristisch ist, aus denen dieses bestimmte chemische Element besteht. Mit der Röntgenspektroskopie lassen sich Energieschwankungen bestimmen. Auf diese Weise können Sie Partikel identifizieren und die Wechselwirkung von Atomen in verschiedenen Umgebungen sehen.
Es gibt zwei Hauptmethoden der Röntgenspektroskopie: wellenlängendispersiv (WDXS) und energiedispersiv (EDXS). WDXS misst Röntgenstrahlen mit einer einzigen Wellenlänge, die an einem Kristall gebeugt werden. EDXS misst Röntgenstrahlen, die von Elektronen emittiert werden, die von einer hochenergetischen Quelle geladener Teilchen angeregt werden.
Die Analyse der Röntgenspektroskopie bei beiden Methoden der Strahlungsverteilung zeigt die atomare Struktur des Materials und damit die Elemente innerhalb des analysierten Objekts.
Röntgentechniken
Es gibt verschiedene Methoden der Röntgen- und optischen Spektroskopie des elektronischen Spektrums, die in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik eingesetzt werden,einschließlich Archäologie, Astronomie und Ingenieurwesen. Diese Methoden können einzeln oder zusammen verwendet werden, um ein vollständigeres Bild des analysierten Materials oder Objekts zu erstellen.
WDXS
Röntgenphotoelektronenspektroskopie (WDXS) ist eine oberflächenempfindliche quantitative spektroskopische Methode, die die Elementzusammensetzung in einer Reihe von Teilen auf der Oberfläche des zu untersuchenden Materials misst und auch die Summenformel, den chemischen Zustand und bestimmt elektronischer Zustand der im Material vorhandenen Elemente. Einfach ausgedrückt ist WDXS eine nützliche Messmethode, da es nicht nur zeigt, welche Merkmale sich im Inneren der Folie befinden, sondern auch, welche Merkmale nach der Verarbeitung gebildet werden.
Röntgenspektren werden erh alten, indem ein Material mit einem Röntgenstrahl bestrahlt wird, während gleichzeitig die kinetische Energie und die Anzahl der Elektronen gemessen werden, die aus den oberen 0-10 nm des analysierten Materials austreten. WDXS erfordert Hochvakuum- (P ~ 10-8 Millibar) oder Ultrahochvakuum- (UHV; P <10-9 Millibar) Bedingungen. Obwohl derzeit das WDXS bei atmosphärischem Druck entwickelt wird, bei dem Proben bei Drücken von mehreren zehn Millibar analysiert werden.
ESCA (X-ray Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) ist ein Akronym, das von Kai Siegbahns Forschungsteam geprägt wurde, um die chemischen (nicht nur elementaren) Informationen hervorzuheben, die die Technik liefert. In der Praxis mit typischen LaborquellenRöntgenstrahlen erkennt XPS alle Elemente mit einer Ordnungszahl (Z) von 3 (Lithium) und höher. Es kann Wasserstoff (Z=1) oder Helium (Z=2) nicht leicht erkennen.
EDXS
Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDXS) ist eine chemische Mikroanalysetechnik, die in Verbindung mit der Rasterelektronenmikroskopie (SEM) verwendet wird. Das EDXS-Verfahren erfasst Röntgenstrahlen, die von einer Probe emittiert werden, wenn sie mit einem Elektronenstrahl beschossen wird, um die elementare Zusammensetzung des analysierten Volumens zu charakterisieren. Es können Elemente oder Phasen bis zu einer Größe von 1 µm analysiert werden.
Wenn eine Probe mit einem SEM-Elektronenstrahl beschossen wird, werden Elektronen aus den Atomen ausgestoßen, aus denen die Oberfläche der Probe besteht. Die resultierenden Elektronenhohlräume werden mit Elektronen aus einem höheren Zustand gefüllt, und Röntgenstrahlen werden emittiert, um die Energiedifferenz zwischen den Zuständen der beiden Elektronen auszugleichen. Röntgenenergie ist charakteristisch für das Element, von dem sie emittiert wurde.
Der EDXS-Röntgendetektor misst die relative Menge der emittierten Strahlen in Abhängigkeit von ihrer Energie. Der Detektor ist normalerweise ein Silizium-Drift-Lithium-Festkörpergerät. Wenn ein einfallender Röntgenstrahl auf einen Detektor trifft, erzeugt er einen Ladungsimpuls, der proportional zur Energie des Röntgenstrahls ist. Der Ladungspuls wird mittels eines ladungsempfindlichen Vorverstärkers in einen Spannungspuls umgewandelt (der proportional zur Röntgenenergie bleibt). Das Signal wird dann an einen Mehrkanalanalysator gesendet, wo die Impulse nach Spannung sortiert werden. Die aus der Spannungsmessung für jeden einfallenden Röntgenstrahl ermittelte Energie wird zur Anzeige und weiteren Auswertung der Daten an einen Computer gesendet. Das Röntgenenergiespektrum gegenüber der Zählung wird geschätzt, um die elementare Zusammensetzung der Probengröße zu bestimmen.
XRF
Röntgenfluoreszenzspektroskopie (XRF) wird für routinemäßige, relativ zerstörungsfreie chemische Analysen von Gesteinen, Mineralien, Sedimenten und Flüssigkeiten verwendet. Allerdings kann XRF normalerweise nicht bei kleinen Punktgrößen (2-5 Mikrometer) analysieren, daher wird es normalerweise für die Massenanalyse großer Fraktionen geologischer Materialien verwendet. Die relativ einfache und kostengünstige Probenvorbereitung sowie die Stabilität und Benutzerfreundlichkeit von Röntgenspektrometern machen diese Methode zu einer der am weitesten verbreiteten für die Analyse wichtiger Spurenelemente in Gesteinen, Mineralien und Sedimenten.
Die Physik von XRF XRF hängt von grundlegenden Prinzipien ab, die mehreren anderen instrumentellen Techniken gemeinsam sind, die Wechselwirkungen zwischen Elektronenstrahlen und Röntgenstrahlen auf Proben beinh alten, einschließlich Radiographietechniken wie SEM-EDS, Beugung (XRD) und Wellenlänge dispersive Radiographie (Mikrosonde WDS).
Die Analyse der wichtigsten Spurenelemente in geologischen Materialien durch XRF ist aufgrund des Verh altens von Atomen bei der Wechselwirkung mit Strahlung möglich. Wenn MaterialienAngeregt durch energiereiche kurzwellige Strahlung (z. B. Röntgenstrahlen) können sie ionisiert werden. Wenn genügend Strahlungsenergie vorhanden ist, um das festgeh altene innere Elektron zu lösen, wird das Atom instabil und das äußere Elektron ersetzt das fehlende innere Elektron. Dabei wird aufgrund der geringeren Bindungsenergie des inneren Elektronenorbitals im Vergleich zum äußeren Energie freigesetzt. Die Strahlung hat eine geringere Energie als die primär einfallende Röntgenstrahlung und wird als fluoreszierend bezeichnet.
Das XRF-Spektrometer funktioniert, weil, wenn eine Probe mit einem intensiven Röntgenstrahl beleuchtet wird, der als einfallender Strahl bezeichnet wird, ein Teil der Energie gestreut, aber ein Teil auch in der Probe absorbiert wird, was von ihrer Chemikalie abhängt Zusammensetzung.
XAS
Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) ist die Messung von Übergängen von den elektronischen Grundzuständen eines Metalls zu angeregten elektronischen Zuständen (LUMO) und Kontinuum; Ersteres ist als X-ray Absorption Near Structure (XANES) und letzteres als X-ray Extended Absorption Fine Structure (EXAFS) bekannt, das die Feinstruktur der Absorption bei Energien oberhalb der Elektronenfreisetzungsschwelle untersucht. Diese beiden Methoden liefern zusätzliche Strukturinformationen, XANES-Spektren, die die elektronische Struktur und Symmetrie der Metallstelle angeben, und EXAFS, die Zahlen, Typen und Abstände zu Liganden und Nachbaratomen vom absorbierenden Element ausgibt.
XAS ermöglicht es uns, die lokale Struktur eines interessierenden Elements zu untersuchen, ohne durch die Absorption durch eine Proteinmatrix, Wasser oder Luft gestört zu werden. Die Röntgenspektroskopie von Metalloenzymen war jedoch aufgrund der geringen relativen Konzentration des interessierenden Elements in der Probe eine Herausforderung. In einem solchen Fall bestand der Standardansatz darin, Röntgenfluoreszenz zu verwenden, um Absorptionsspektren zu erfassen, anstatt den Transmissionserfassungsmodus zu verwenden. Die Entwicklung intensiver Röntgenquellen der dritten Generation für Synchrotronstrahlung hat es auch ermöglicht, verdünnte Proben zu untersuchen.
Metallkomplexe als Modelle mit bekannter Struktur waren wesentlich für das Verständnis der XAS von Metalloproteinen. Diese Komplexe bilden die Grundlage für die Bewertung des Einflusses des Koordinationsmediums (Koordinationsladung) auf die Absorptionskantenenergie. Die Untersuchung strukturell gut charakterisierter Modellkomplexe liefert auch einen Maßstab für das Verständnis von EXAFS aus metallischen Systemen unbekannter Struktur.
Ein bedeutender Vorteil von XAS gegenüber der Röntgenkristallographie besteht darin, dass lokale Strukturinformationen um ein interessierendes Element herum sogar aus ungeordneten Proben wie Pulvern und Lösungen erh alten werden können. Bestellte Proben wie Membranen und Einkristalle erhöhen jedoch häufig die aus XAS gewonnenen Informationen. Für orientierte Einkristalle oder geordnete Membranen können interatomare Vektororientierungen aus Messungen des Dichroismus abgeleitet werden. Diese Verfahren eignen sich besonders zur Bestimmung von Clusterstrukturen.mehrkernige Metalle wie der Mn4Ca-Cluster, der mit der Oxidation von Wasser im sauerstofffreisetzenden photosynthetischen Komplex verbunden ist. Darüber hinaus können ziemlich kleine Änderungen in der Geometrie/Struktur, die mit Übergängen zwischen Zwischenzuständen verbunden sind, die als S-Zustände bekannt sind, im Reaktionszyklus der Wasseroxidation leicht mit XAS nachgewiesen werden.
Bewerbungen
Röntgenspektroskopietechniken werden in vielen Bereichen der Wissenschaft eingesetzt, darunter Archäologie, Anthropologie, Astronomie, Chemie, Geologie, Ingenieurwesen und öffentliche Gesundheit. Mit seiner Hilfe können Sie versteckte Informationen über antike Artefakte und Überreste entdecken. Zum Beispiel nutzten Lee Sharp, außerordentlicher Professor für Chemie am Grinnell College in Iowa, und Kollegen XRF, um den Ursprung von Pfeilspitzen aus Obsidian zu verfolgen, die von prähistorischen Menschen im nordamerikanischen Südwesten hergestellt wurden.
Astrophysiker werden dank der Röntgenspektroskopie mehr darüber erfahren, wie Objekte im Weltraum funktionieren. So planen Forscher der Washington University in St. Louis, Röntgenstrahlen von kosmischen Objekten wie Schwarzen Löchern zu beobachten, um mehr über ihre Eigenschaften zu erfahren. Ein Team unter der Leitung von Henryk Kravczynski, einem experimentellen und theoretischen Astrophysiker, plant die Veröffentlichung eines Röntgenspektrometers namens Röntgenpolarimeter. Ab Dezember 2018 schwebte das Instrument für längere Zeit mit einem mit Helium gefüllten Ballon in der Erdatmosphäre.
Yuri Gogotsi, Chemiker und Ingenieur,Die Drexel University of Pennsylvania stellt gesputterte Antennen und Membranen zur Entsalzung aus Materialien her, die durch Röntgenspektroskopie analysiert wurden.
Unsichtbare gesputterte Antennen sind nur wenige zehn Nanometer dick, aber in der Lage, Funkwellen zu übertragen und zu lenken. Die XAS-Technik hilft sicherzustellen, dass die Zusammensetzung des unglaublich dünnen Materials korrekt ist, und hilft bei der Bestimmung der Leitfähigkeit. „Antennen benötigen eine hohe metallische Leitfähigkeit, um gut zu funktionieren, also müssen wir das Material genau im Auge beh alten“, sagte Gogotsi.
Gogotzi und Kollegen verwenden auch Spektroskopie, um die Oberflächenchemie komplexer Membranen zu analysieren, die Wasser entsalzen, indem sie bestimmte Ionen wie Natrium herausfiltern.
In der Medizin
Röntgenphotoelektronenspektroskopie findet Anwendung in mehreren Bereichen der anatomisch-medizinischen Forschung und in der Praxis, beispielsweise in modernen Computertomographen. Das Sammeln von Röntgenabsorptionsspektren während eines CT-Scans (mithilfe von Photonenzählung oder einem Spektralscanner) kann detailliertere Informationen liefern und bestimmen, was im Körper passiert, mit geringeren Strahlendosen und weniger oder keinem Bedarf an Kontrastmitteln (Farbstoffen).
