Ang X-ray ay may ilang natatanging katangian bilang radiation na lumalampas sa napakaikling wavelength ng mga ito. Ang isa sa kanilang mahalagang katangian para sa agham ay elemental selectivity. Sa pamamagitan ng pagpili at pagsusuri sa spectra ng mga indibidwal na elemento na matatagpuan sa mga natatanging lugar sa mga kumplikadong molekula, mayroon tayong lokal na "atomic sensor". Sa pamamagitan ng pagsusuri sa mga atomo na ito sa iba't ibang oras pagkatapos ng paggulo ng istraktura sa pamamagitan ng liwanag, maaari nating masubaybayan ang pag-unlad ng mga pagbabago sa elektroniko at istruktura kahit sa napakakomplikadong mga sistema, o, sa madaling salita, maaari nating sundin ang elektron sa pamamagitan ng molekula at sa pamamagitan ng mga interface.
Kasaysayan
Ang imbentor ng radiography ay si Wilhelm Conrad Röntgen. Minsan, noong sinisiyasat ng isang siyentipiko ang kakayahan ng iba't ibang materyales na huminto sa mga sinag, inilagay niya ang isang maliit na piraso ng tingga sa posisyon habang nagaganap ang paglabas. KayaKaya, nakita ni Roentgen ang unang x-ray na imahe, ang kanyang sariling kumikinang na multo na balangkas sa isang screen ng barium platinocyanide. Kalaunan ay iniulat niya na sa puntong ito ay nagpasya siyang ipagpatuloy ang kanyang mga eksperimento nang palihim dahil natatakot siya sa kanyang propesyonal na reputasyon kung ang kanyang mga obserbasyon ay mali. Ang Aleman na siyentipiko ay ginawaran ng unang Nobel Prize sa Physics noong 1901 para sa pagtuklas ng X-ray noong 1895. Ayon sa SLAC National Accelerator Laboratory, ang kanyang bagong teknolohiya ay mabilis na pinagtibay ng ibang mga siyentipiko at doktor.
Charles Barkla, isang British physicist, ay nagsagawa ng pananaliksik sa pagitan ng 1906 at 1908 na humantong sa kanyang pagkatuklas na ang X-ray ay maaaring katangian ng ilang mga substance. Ang kanyang trabaho ay nagkamit din sa kanya ng Nobel Prize sa Physics, ngunit noong 1917 lamang.
Ang paggamit ng X-ray spectroscopy ay nagsimula nang mas maaga, noong 1912, simula sa pagtutulungan ng ama at anak ng mga British physicist, William Henry Bragg at William Lawrence Bragg. Gumamit sila ng spectroscopy upang pag-aralan ang pakikipag-ugnayan ng X-ray sa mga atomo sa loob ng mga kristal. Ang kanilang pamamaraan, na tinatawag na X-ray crystallography, ay naging pamantayan sa larangan noong sumunod na taon, at natanggap nila ang Nobel Prize sa Physics noong 1915.
In action
Sa mga nakaraang taon, ginamit ang X-ray spectrometry sa iba't ibang bago at kapana-panabik na paraan. Sa ibabaw ng Mars mayroong isang X-ray spectrometer na nangongolektaimpormasyon tungkol sa mga elementong bumubuo sa lupa. Ang kapangyarihan ng mga beam ay ginamit upang makita ang pintura ng lead sa mga laruan, na nagpababa ng panganib ng pagkalason sa lead. Ang pakikipagtulungan sa pagitan ng agham at sining ay makikita sa paggamit ng radiography kapag ginamit sa mga museo upang matukoy ang mga elementong maaaring makasira sa mga koleksyon.
Mga prinsipyo sa paggawa
Kapag ang isang atom ay hindi matatag o binomba ng mga particle ng mataas na enerhiya, ang mga electron nito ay tumatalon sa pagitan ng mga antas ng enerhiya. Habang nag-aayos ang mga electron, ang elemento ay sumisipsip at naglalabas ng mataas na enerhiya na X-ray photon sa paraang katangian ng mga atomo na bumubuo sa partikular na kemikal na elementong iyon. Sa X-ray spectroscopy, maaaring matukoy ang mga pagbabago sa enerhiya. Nagbibigay-daan ito sa iyong matukoy ang mga particle at makita ang interaksyon ng mga atom sa iba't ibang kapaligiran.
Mayroong dalawang pangunahing paraan ng X-ray spectroscopy: wavelength dispersive (WDXS) at energy dispersive (EDXS). Sinusukat ng WDXS ang mga single wavelength na X-ray na nadidiffracte sa isang kristal. Sinusukat ng EDXS ang mga X-ray na ibinubuga ng mga electron na pinasigla ng isang mapagkukunan ng mataas na enerhiya ng mga naka-charge na particle.
Ang pagsusuri ng X-ray spectroscopy sa parehong paraan ng pamamahagi ng radiation ay nagpapahiwatig ng atomic na istraktura ng materyal at, samakatuwid, ang mga elemento sa loob ng nasuri na bagay.
Radiographic technique
May ilang iba't ibang paraan ng X-ray at optical spectroscopy ng electronic spectrum, na ginagamit sa maraming larangan ng agham at teknolohiya,kabilang ang archaeology, astronomy at engineering. Ang mga paraang ito ay maaaring gamitin nang independyente o magkasama upang lumikha ng isang mas kumpletong larawan ng sinuri na materyal o bagay.
WDXS
Ang X-ray photoelectron spectroscopy (WDXS) ay isang surface-sensitive quantitative spectroscopic na pamamaraan na sumusukat sa elemental na komposisyon sa hanay ng mga bahagi sa ibabaw ng materyal na pinag-aaralan, at tinutukoy din ang empirical formula, chemical state at elektronikong estado ng mga elemento na umiiral sa materyal. Sa madaling salita, ang WDXS ay isang kapaki-pakinabang na paraan ng pagsukat dahil ipinapakita nito hindi lamang kung anong mga feature ang nasa loob ng pelikula, kundi pati na rin kung anong mga feature ang nabuo pagkatapos ng pagproseso.
Nakukuha ang X-ray spectra sa pamamagitan ng pag-irradiate ng materyal na may X-ray beam habang sabay na sinusukat ang kinetic energy at ang bilang ng mga electron na lumalabas mula sa itaas na 0-10 nm ng nasuri na materyal. Ang WDXS ay nangangailangan ng mataas na vacuum (P ~ 10-8 millibars) o ultra-high vacuum (UHV; P <10-9 millibars) na mga kondisyon. Bagama't kasalukuyang ginagawa ang WDXS sa atmospheric pressure, kung saan sinusuri ang mga sample sa pressure na ilang sampu-sampung millibars.
Ang ESCA (X-ray Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) ay isang acronym na likha ng research team ng Kai Siegbahn upang bigyang-diin ang kemikal (hindi lamang elemental) na impormasyon na ibinibigay ng technique. Sa pagsasagawa, gamit ang karaniwang mga pinagmumulan ng laboratoryoX-ray, nakikita ng XPS ang lahat ng elemento na may atomic number (Z) na 3 (lithium) at mas mataas. Hindi ito madaling makakita ng hydrogen (Z=1) o helium (Z=2).
EDXS
Ang Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDXS) ay isang kemikal na microanalysis technique na ginagamit kasabay ng pag-scan ng electron microscopy (SEM). Ang paraan ng EDXS ay nakakakita ng mga X-ray na ibinubuga ng isang sample kapag binomba ng isang electron beam upang makilala ang elemental na komposisyon ng nasuri na volume. Maaaring suriin ang mga elemento o phase na kasing liit ng 1 µm.
Kapag ang isang sample ay binomba ng isang SEM electron beam, ang mga electron ay inilalabas mula sa mga atom na bumubuo sa ibabaw ng sample. Ang mga nagresultang electron voids ay napuno ng mga electron mula sa isang mas mataas na estado, at ang mga X-ray ay ibinubuga upang balansehin ang pagkakaiba ng enerhiya sa pagitan ng mga estado ng dalawang electron. Ang enerhiya ng X-ray ay katangian ng elemento kung saan ito ibinubuga.
Ang EDXS x-ray detector ay sumusukat sa relatibong dami ng mga ibinubuga na ray depende sa kanilang enerhiya. Ang detektor ay karaniwang isang silicon drift lithium solid state device. Kapag ang isang insidente na X-ray beam ay tumama sa isang detector, lumilikha ito ng pulso ng singil na proporsyonal sa enerhiya ng X-ray. Ang charge pulse ay na-convert sa isang boltahe pulse (na nananatiling proporsyonal sa X-ray na enerhiya) sa pamamagitan ng isang charge-sensitive preamplifier. Ang signal ay ipinadala sa isang multichannel analyzer kung saan ang mga pulso ay pinagsunod-sunod ayon sa boltahe. Ang enerhiya na tinutukoy mula sa pagsukat ng boltahe para sa bawat insidente X-ray ay ipinapadala sa isang computer para sa pagpapakita at karagdagang pagsusuri ng data. Ang X-ray energy spectrum versus count ay tinatantya upang matukoy ang elemental na komposisyon ng sample size.
XRF
Ang X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) ay ginagamit para sa nakagawiang, medyo hindi mapanirang pagsusuri ng kemikal ng mga bato, mineral, sediment at likido. Gayunpaman, ang XRF ay karaniwang hindi makakapag-analisa sa maliliit na laki ng lugar (2-5 microns), kaya kadalasang ginagamit ito para sa maramihang pagsusuri ng malalaking bahagi ng mga geological na materyales. Ang relatibong kadalian at mababang halaga ng paghahanda ng sample, pati na rin ang katatagan at kadalian ng paggamit ng mga X-ray spectrometer, ay ginagawang isa ang pamamaraang ito sa pinaka malawak na ginagamit para sa pagsusuri ng mga pangunahing elemento ng bakas sa mga bato, mineral at sediment.
Ang physics ng XRF XRF ay nakadepende sa mga pangunahing prinsipyo na karaniwan sa ilang iba pang instrumental na pamamaraan na kinasasangkutan ng mga interaksyon sa pagitan ng mga electron beam at X-ray sa mga sample, kabilang ang mga diskarte sa radiography gaya ng SEM-EDS, diffraction (XRD), at wavelength dispersive radiography (microprobe WDS).
Ang pagsusuri ng mga pangunahing elemento ng bakas sa mga geological na materyales sa pamamagitan ng XRF ay posible dahil sa pag-uugali ng mga atom kapag nakikipag-ugnayan sila sa radiation. Kapag materyalesNasasabik sa high-energy short-wavelength radiation (tulad ng X-ray), maaari silang maging ionized. Kung mayroong sapat na enerhiya ng radiation upang alisin ang mahigpit na hawak na panloob na elektron, ang atom ay nagiging hindi matatag at ang panlabas na elektron ay papalitan ang nawawalang panloob. Kapag nangyari ito, ang enerhiya ay inilabas dahil sa nabawasan na nagbubuklod na enerhiya ng panloob na electron orbital kumpara sa panlabas. Ang radiation ay may mas mababang enerhiya kaysa sa pangunahing insidente na X-ray at tinatawag itong fluorescent.
Gumagana ang XRF spectrometer dahil kung ang isang sample ay iluminado ng isang matinding X-ray beam, na kilala bilang isang incident beam, ang ilan sa enerhiya ay nakakalat, ngunit ang ilan ay naa-absorb din sa sample, na depende sa kemikal nito komposisyon.
XAS
Ang X-ray absorption spectroscopy (XAS) ay ang pagsukat ng mga transition mula sa ground electronic states ng isang metal tungo sa excited electronic states (LUMO) at continuum; ang una ay kilala bilang X-ray Absorption Near Structure (XANES) at ang huli bilang X-ray Extended Absorption Fine Structure (EXAFS), na nag-aaral sa pinong istraktura ng absorption sa mga energies na nasa itaas ng electron release threshold. Ang dalawang pamamaraang ito ay nagbibigay ng karagdagang impormasyon sa istruktura, ang XANES spectra na nag-uulat ng electronic na istraktura at simetrya ng metal site, at ang mga numero, mga uri at distansya ng pag-uulat ng EXAFS sa mga ligand at kalapit na atom mula sa sumisipsip na elemento.
Binibigyang-daan kami ng XAS na pag-aralan ang lokal na istruktura ng isang elemento ng interes nang walang interference mula sa pagsipsip ng isang matrix ng protina, tubig o hangin. Gayunpaman, ang X-ray spectroscopy ng metalloenzymes ay naging isang hamon dahil sa maliit na kamag-anak na konsentrasyon ng elemento ng interes sa sample. Sa ganoong kaso, ang karaniwang diskarte ay ang paggamit ng X-ray fluorescence para makita ang absorption spectra sa halip na gamitin ang transmission detection mode. Ang pagbuo ng mga third-generation na matinding X-ray na pinagmumulan ng synchrotron radiation ay naging posible rin na pag-aralan ang mga dilute na sample.
Ang mga metal complex, bilang mga modelong may mga kilalang istruktura, ay mahalaga para maunawaan ang XAS ng mga metalloprotein. Ang mga complex na ito ay nagbibigay ng batayan para sa pagsusuri ng impluwensya ng medium ng koordinasyon (singil sa koordinasyon) sa enerhiya ng gilid ng pagsipsip. Ang pag-aaral ng structurally well-characterized model complexes ay nagbibigay din ng benchmark para sa pag-unawa sa EXAFS mula sa mga metal na sistema ng hindi kilalang istraktura.
Ang isang makabuluhang bentahe ng XAS sa X-ray crystallography ay ang lokal na impormasyon sa istruktura sa paligid ng isang elemento ng interes ay maaaring makuha kahit na mula sa mga hindi maayos na sample gaya ng mga pulbos at solusyon. Gayunpaman, ang mga iniutos na sample gaya ng mga lamad at nag-iisang kristal ay kadalasang nagpapataas ng impormasyong nakuha mula sa XAS. Para sa mga nag-iisang kristal o nakaayos na lamad, maaaring mahinuha ang mga interatomic vector orientation mula sa mga sukat ng dichroism. Ang mga pamamaraang ito ay lalong kapaki-pakinabang para sa pagtukoy ng mga istruktura ng kumpol.polynuclear metal tulad ng Mn4Ca cluster na nauugnay sa oksihenasyon ng tubig sa oxygen-releasing photosynthetic complex. Bukod dito, ang maliliit na pagbabago sa geometry/istruktura na nauugnay sa mga transition sa pagitan ng mga intermediate na estado, na kilala bilang S-state, sa water oxidation reaction cycle ay madaling matukoy gamit ang XAS.
Application
X-ray spectroscopy techniques ay ginagamit sa maraming larangan ng agham, kabilang ang archeology, anthropology, astronomy, chemistry, geology, engineering, at pampublikong kalusugan. Sa tulong nito, matutuklasan mo ang nakatagong impormasyon tungkol sa mga sinaunang artifact at labi. Halimbawa, ginamit ni Lee Sharp, associate professor of chemistry sa Grinnell College sa Iowa, at mga kasamahan ang XRF para subaybayan ang pinagmulan ng mga obsidian na arrowhead na ginawa ng mga prehistoric na tao sa North American Southwest.
Astrophysicist, salamat sa X-ray spectroscopy, ay matututo pa tungkol sa kung paano gumagana ang mga bagay sa kalawakan. Halimbawa, plano ng mga mananaliksik sa Washington University sa St. Louis na mag-obserba ng mga X-ray mula sa mga cosmic na bagay tulad ng mga black hole upang matuto nang higit pa tungkol sa kanilang mga katangian. Isang pangkat na pinamumunuan ni Henryk Kravczynski, isang eksperimental at teoretikal na astrophysicist, ang nagpaplanong maglabas ng X-ray spectrometer na tinatawag na X-ray polarimeter. Simula noong Disyembre 2018, nasuspinde ang instrumento sa kapaligiran ng Earth gamit ang isang balloon na puno ng helium sa mahabang panahon.
Yuri Gogotsi, chemist at engineer,Gumagawa ang Drexel University of Pennsylvania ng mga sputtered antenna at membrane para sa desalination mula sa mga materyales na sinuri ng X-ray spectroscopy.
Invisible sputtered antennas ay ilang sampu lang ng nanometer ang kapal, ngunit may kakayahang mag-transmit at magdirekta ng mga radio wave. Nakakatulong ang XAS technique na matiyak na tama ang komposisyon ng hindi kapani-paniwalang manipis na materyal at nakakatulong na matukoy ang conductivity. "Ang mga antena ay nangangailangan ng mataas na metallic conductivity upang gumana nang maayos, kaya kailangan nating bantayang mabuti ang materyal," sabi ni Gogotsi.
Gogotzi at mga kasamahan ay gumagamit din ng spectroscopy upang suriin ang kimika sa ibabaw ng mga kumplikadong lamad na nagde-desalinate ng tubig sa pamamagitan ng pag-filter ng mga partikular na ion gaya ng sodium.
Sa gamot
Ang X-ray photoelectron spectroscopy ay nakakahanap ng aplikasyon sa ilang mga lugar ng anatomical na medikal na pananaliksik at sa pagsasanay, halimbawa, sa mga modernong CT scanning machine. Ang pagkolekta ng X-ray absorption spectra sa panahon ng CT scan (gamit ang photon counting o isang spectral scanner) ay maaaring magbigay ng mas detalyadong impormasyon at matukoy kung ano ang nangyayari sa loob ng katawan, na may mas mababang dosis ng radiation at mas kaunti o hindi nangangailangan ng mga contrast na materyales (mga tina).
