Tia X có một số đặc tính độc đáo là bức xạ vượt ra ngoài bước sóng rất ngắn của chúng. Một trong những đặc tính quan trọng của chúng đối với khoa học là tính chọn lọc nguyên tố. Bằng cách chọn và kiểm tra quang phổ của các nguyên tố riêng lẻ nằm ở những vị trí độc nhất trong các phân tử phức tạp, chúng ta có một "cảm biến nguyên tử" được bản địa hóa. Bằng cách kiểm tra các nguyên tử này tại các thời điểm khác nhau sau khi kích thích cấu trúc bằng ánh sáng, chúng ta có thể theo dõi sự phát triển của các thay đổi cấu trúc và điện tử ngay cả trong các hệ thống rất phức tạp, hay nói cách khác, chúng ta có thể theo dõi electron qua phân tử và qua các giao diện.
Lịch sử
Người phát minh ra phương pháp chụp X quang là Wilhelm Conrad Röntgen. Một lần, khi một nhà khoa học đang nghiên cứu khả năng ngăn tia của các vật liệu khác nhau, ông ta đã đặt một mẩu chì nhỏ vào vị trí trong khi phóng điện đang diễn ra. Cho nênVì vậy, Roentgen đã nhìn thấy hình ảnh tia X đầu tiên, bộ xương ma quái lung linh của chính mình trên màn hình bari platinocyanide. Sau đó, ông báo cáo rằng đó là thời điểm mà ông quyết định tiếp tục các thí nghiệm của mình trong bí mật vì ông sợ danh tiếng nghề nghiệp của mình nếu các quan sát của ông có sai sót. Nhà khoa học người Đức đã được trao giải Nobel Vật lý đầu tiên vào năm 1901 cho việc phát hiện ra tia X vào năm 1895. Theo Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC, công nghệ mới của ông đã nhanh chóng được các nhà khoa học và bác sĩ khác áp dụng.
Charles Barkla, một nhà vật lý người Anh, đã tiến hành nghiên cứu từ năm 1906 đến năm 1908 dẫn đến việc ông phát hiện ra rằng tia X có thể là đặc trưng của một số chất nhất định. Công trình của ông cũng mang về cho ông giải Nobel Vật lý, nhưng chỉ vào năm 1917.
Việc sử dụng quang phổ tia X thực sự đã bắt đầu sớm hơn một chút, vào năm 1912, bắt đầu với sự hợp tác giữa cha và con trai của các nhà vật lý người Anh, William Henry Bragg và William Lawrence Bragg. Họ đã sử dụng quang phổ học để nghiên cứu sự tương tác của tia X với các nguyên tử bên trong tinh thể. Kỹ thuật của họ, được gọi là tinh thể học tia X, đã trở thành tiêu chuẩn trong lĩnh vực này vào năm sau, và họ đã nhận được giải Nobel Vật lý năm 1915.
Đang hành động
Trong những năm gần đây, phép đo phổ tia X đã được sử dụng theo nhiều cách mới và thú vị. Trên bề mặt sao Hỏa có một máy quang phổ tia X thuthông tin về các yếu tố tạo nên đất. Sức mạnh của chùm tia được sử dụng để phát hiện sơn chì trên đồ chơi, làm giảm nguy cơ nhiễm độc chì. Có thể thấy sự hợp tác giữa khoa học và nghệ thuật trong việc sử dụng phương pháp chụp X quang khi được sử dụng trong các bảo tàng để xác định các yếu tố có thể làm hỏng các bộ sưu tập.
Nguyên tắc làm việc
Khi một nguyên tử không ổn định hoặc bị bắn phá bởi các hạt năng lượng cao, các electron của nó sẽ nhảy giữa các mức năng lượng. Khi các điện tử điều chỉnh, nguyên tố sẽ hấp thụ và phát ra các photon tia X năng lượng cao theo cách đặc trưng của các nguyên tử tạo nên nguyên tố hóa học cụ thể đó. Với quang phổ tia X, các dao động của năng lượng có thể được xác định. Điều này cho phép bạn xác định các hạt và xem sự tương tác của các nguyên tử trong các môi trường khác nhau.
Có hai phương pháp chính của quang phổ tia X: tán sắc theo bước sóng (WDXS) và phân tán năng lượng (EDXS). WDXS đo các tia X có bước sóng đơn bị nhiễu xạ trên tinh thể. EDXS đo các tia X phát ra bởi các electron được kích thích bởi nguồn năng lượng cao của các hạt mang điện.
Việc phân tích quang phổ tia X trong cả hai phương pháp phân bố bức xạ cho biết cấu trúc nguyên tử của vật liệu và do đó, các nguyên tố bên trong vật thể được phân tích.
Kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ
Có một số phương pháp quang phổ điện tử và tia X khác nhau, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ,bao gồm khảo cổ học, thiên văn học và kỹ thuật. Các phương pháp này có thể được sử dụng độc lập hoặc kết hợp với nhau để tạo ra một bức tranh hoàn chỉnh hơn về tài liệu hoặc đối tượng được phân tích.
WDXS
Quang phổ quang điện tử tia X (WDXS) là một phương pháp quang phổ định lượng nhạy bề mặt để đo thành phần nguyên tố trong một loạt các phần trên bề mặt của vật liệu được nghiên cứu, đồng thời xác định công thức thực nghiệm, trạng thái hóa học và trạng thái điện tử của các phần tử tồn tại trong vật liệu. Nói một cách đơn giản, WDXS là một phương pháp đo lường hữu ích vì nó không chỉ cho thấy những đặc điểm bên trong phim mà còn cho biết những đặc điểm nào được hình thành sau khi xử lý.
Quang phổ tia X thu được bằng cách chiếu vào vật liệu một chùm tia X đồng thời đo động năng và số electron xuất hiện từ bước sóng 0-10 nm trên của vật liệu được phân tích. WDXS yêu cầu điều kiện chân không cao (P ~ 10-8 milibar) hoặc chân không cực cao (UHV; P <10-9 milibar). Mặc dù WDXS ở áp suất khí quyển hiện đang được phát triển, trong đó các mẫu được phân tích ở áp suất vài chục milibar.
ESCA (Quang phổ điện tử tia X để phân tích hóa học) là từ viết tắt do nhóm nghiên cứu của Kai Siegbahn đặt ra để nhấn mạnh thông tin hóa học (không chỉ nguyên tố) mà kỹ thuật này cung cấp. Trong thực tế, sử dụng các nguồn điển hình của phòng thí nghiệmTia X, XPS phát hiện tất cả các nguyên tố có số hiệu nguyên tử (Z) là 3 (liti) và cao hơn. Nó không thể dễ dàng phát hiện ra hydro (Z=1) hoặc heli (Z=2).
EDXS
Quang phổ tia X tán sắc năng lượng (EDXS) là một kỹ thuật phân tích vi mô hóa học được sử dụng kết hợp với kính hiển vi điện tử quét (SEM). Phương pháp EDXS phát hiện tia X do một mẫu phát ra khi bị bắn phá bằng chùm tia điện tử để đặc trưng cho thành phần nguyên tố của thể tích được phân tích. Các phần tử hoặc pha nhỏ đến 1 µm có thể được phân tích.
Khi một mẫu bị bắn phá bằng chùm điện tử SEM, các điện tử bị đẩy ra khỏi các nguyên tử tạo nên bề mặt của mẫu. Các khoảng trống electron tạo thành được lấp đầy bởi các electron từ trạng thái cao hơn, và tia X được phát ra để cân bằng sự chênh lệch năng lượng giữa các trạng thái của hai electron. Năng lượng tia X là đặc trưng của nguyên tố mà từ đó nó được phát ra.
Máy dò tia x EDXS đo lượng tia phát ra tương đối tùy thuộc vào năng lượng của chúng. Máy dò thường là một thiết bị trạng thái rắn lithium trôi silicon. Khi một chùm tia X tới chạm vào một máy dò, nó tạo ra một xung điện tích tỷ lệ với năng lượng của tia X. Xung điện tích được chuyển đổi thành xung điện áp (vẫn tỷ lệ với năng lượng tia X) nhờ bộ tiền khuếch đại nhạy cảm với điện tích. Sau đó, tín hiệu được gửi đến một máy phân tích đa kênh, nơi các xung được sắp xếp theo điện áp. Năng lượng được xác định từ phép đo điện áp cho mỗi tia X tới được gửi đến máy tính để hiển thị và đánh giá thêm dữ liệu. Phổ năng lượng tia X so với số lượng được ước tính để xác định thành phần nguyên tố của kích thước mẫu.
XRF
Quang phổ huỳnh quang tia X (XRF) được sử dụng để phân tích hóa học thường xuyên, tương đối không phá hủy đá, khoáng chất, trầm tích và chất lỏng. Tuy nhiên, XRF thường không thể phân tích ở kích thước điểm nhỏ (2-5 micron), vì vậy nó thường được sử dụng để phân tích hàng loạt các phần lớn vật liệu địa chất. Sự dễ dàng tương đối và chi phí chuẩn bị mẫu thấp, cũng như tính ổn định và dễ sử dụng của máy quang phổ tia X, làm cho phương pháp này trở thành một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để phân tích các nguyên tố vi lượng chính trong đá, khoáng chất và trầm tích.
Vật lý của XRF XRF phụ thuộc vào các nguyên tắc cơ bản phổ biến đối với một số kỹ thuật công cụ khác liên quan đến tương tác giữa chùm điện tử và tia X trên mẫu, bao gồm các kỹ thuật chụp ảnh bức xạ như SEM-EDS, nhiễu xạ (XRD) và bước sóng chụp X quang phân tán (microrobe WDS).
Việc phân tích các nguyên tố vi lượng chính trong vật liệu địa chất bằng XRF có thể thực hiện được do hoạt động của các nguyên tử khi chúng tương tác với bức xạ. Khi vật liệuBị kích thích bởi bức xạ bước sóng ngắn năng lượng cao (chẳng hạn như tia X), chúng có thể bị ion hóa. Nếu có đủ năng lượng bức xạ để đánh bật electron bên trong được giữ chặt, nguyên tử sẽ trở nên không ổn định và electron bên ngoài thay thế electron bên trong bị thiếu. Khi điều này xảy ra, năng lượng được giải phóng do năng lượng liên kết của quỹ đạo electron bên trong giảm so với quỹ đạo bên ngoài. Bức xạ có năng lượng thấp hơn tia X tới và được gọi là tia huỳnh quang.
Máy quang phổ XRF hoạt động vì nếu một mẫu được chiếu sáng bằng chùm tia X cường độ cao, được gọi là chùm tới, một phần năng lượng bị phân tán, nhưng một phần cũng bị hấp thụ trong mẫu, điều này phụ thuộc vào hóa chất của nó. thành phần.
XAS
Quang phổ hấp thụ tia X (XAS) là phép đo sự chuyển đổi từ trạng thái điện tử cơ bản của kim loại sang trạng thái điện tử kích thích (LUMO) và liên tục; cái trước được gọi là Cấu trúc gần hấp thụ tia X (XANES) và cái sau là Cấu trúc mịn hấp thụ mở rộng tia X (EXAFS), nghiên cứu cấu trúc tốt của sự hấp thụ ở năng lượng trên ngưỡng giải phóng điện tử. Hai phương pháp này cung cấp thêm thông tin về cấu trúc, phổ XANES báo cáo cấu trúc điện tử và tính đối xứng của vị trí kim loại, số báo cáo EXAFS, loại và khoảng cách đến phối tử và các nguyên tử lân cận từ phần tử hấp thụ.
XAS cho phép chúng tôi nghiên cứu cấu trúc cục bộ của một nguyên tố quan tâm mà không bị ảnh hưởng bởi sự hấp thụ của ma trận protein, nước hoặc không khí. Tuy nhiên, quang phổ tia X của metalloenzyme là một thách thức do nồng độ tương đối nhỏ của nguyên tố quan tâm trong mẫu. Trong trường hợp như vậy, cách tiếp cận tiêu chuẩn là sử dụng huỳnh quang tia X để phát hiện phổ hấp thụ thay vì sử dụng chế độ phát hiện truyền qua. Sự phát triển của nguồn bức xạ synctron tia X cường độ cao thế hệ thứ ba cũng giúp nghiên cứu các mẫu loãng.
Phức hợp kim loại, như những mô hình có cấu trúc đã biết, rất cần thiết để hiểu XAS của metalloprotein. Các phức chất này cung cấp cơ sở để đánh giá ảnh hưởng của môi trường phối trí (điện tích phối trí) đến năng lượng cạnh hấp thụ. Việc nghiên cứu các phức hợp mô hình được đặc trưng tốt về cấu trúc cũng cung cấp một tiêu chuẩn để hiểu EXAFS từ các hệ kim loại có cấu trúc chưa biết.
Một ưu điểm đáng kể của XAS so với tinh thể học tia X là thông tin cấu trúc cục bộ xung quanh một phần tử quan tâm có thể thu được ngay cả từ các mẫu bị xáo trộn như bột và dung dịch. Tuy nhiên, các mẫu có thứ tự như màng và đơn tinh thể thường làm tăng thông tin thu được từ XAS. Đối với các đơn tinh thể có định hướng hoặc các màng có trật tự, định hướng vectơ liên nguyên tử có thể được suy ra từ các phép đo lưỡng sắc. Các phương pháp này đặc biệt hữu ích để xác định cấu trúc cụm.các kim loại đa nhân như cụm Mn4Ca liên quan đến quá trình oxy hóa nước trong phức hợp quang hợp giải phóng oxy. Hơn nữa, những thay đổi khá nhỏ về hình học / cấu trúc liên quan đến sự chuyển đổi giữa các trạng thái trung gian, được gọi là trạng thái S, trong chu trình phản ứng oxy hóa nước có thể dễ dàng phát hiện bằng cách sử dụng XAS.
Ứng dụng
Kỹ thuật quang phổ tia X được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học, bao gồm khảo cổ học, nhân chủng học, thiên văn học, hóa học, địa chất, kỹ thuật và y tế công cộng. Với sự giúp đỡ của nó, bạn có thể khám phá thông tin ẩn về các hiện vật và di tích cổ đại. Ví dụ: Lee Sharp, phó giáo sư hóa học tại Đại học Grinnell ở Iowa và các đồng nghiệp đã sử dụng XRF để truy tìm nguồn gốc của các đầu mũi tên obsidian do người tiền sử ở Tây Nam Bắc Mỹ tạo ra.
Các nhà vật lý thiên văn, nhờ vào quang phổ tia X, sẽ tìm hiểu thêm về cách thức hoạt động của các vật thể trong không gian. Ví dụ, các nhà nghiên cứu tại Đại học Washington ở St. Louis dự định quan sát tia X từ các vật thể vũ trụ như lỗ đen để tìm hiểu thêm về đặc điểm của chúng. Một nhóm do Henryk Kravczynski, một nhà vật lý thiên văn thực nghiệm và lý thuyết, dẫn đầu, có kế hoạch phát hành một máy quang phổ kế tia X được gọi là máy đo phân cực tia X. Bắt đầu từ tháng 12 năm 2018, thiết bị này đã bị treo lơ lửng trong bầu khí quyển của Trái đất bằng một quả bóng khí chứa đầy khí heli trong một thời gian dài.
Yuri Gogotsi, nhà hóa học và kỹ sư,Đại học Drexel của Pennsylvania tạo ra các ăng-ten và màng rải rác để khử muối từ các vật liệu được phân tích bằng phương pháp quang phổ tia X.
Ăng-ten vô hình chỉ dày vài chục nanomet, nhưng có khả năng truyền và định hướng sóng vô tuyến. Kỹ thuật XAS giúp đảm bảo rằng thành phần của vật liệu cực kỳ mỏng là chính xác và giúp xác định độ dẫn điện. “Ăng-ten đòi hỏi độ dẫn kim loại cao để hoạt động tốt, vì vậy chúng tôi phải theo dõi chặt chẽ vật liệu,” Gogotsi nói.
Gogotzi và các đồng nghiệp cũng đang sử dụng phương pháp quang phổ để phân tích hóa học bề mặt của các màng phức hợp khử muối trong nước bằng cách lọc ra các ion cụ thể như natri.
Trong y học
Quang phổ quang điện tử tia X được ứng dụng trong một số lĩnh vực nghiên cứu y học giải phẫu và trong thực tế, chẳng hạn như trong các máy quét CT hiện đại. Thu thập phổ hấp thụ tia X trong quá trình chụp CT (sử dụng đếm photon hoặc máy quét quang phổ) có thể cung cấp thông tin chi tiết hơn và xác định những gì đang xảy ra bên trong cơ thể, với liều bức xạ thấp hơn và ít hoặc không cần chất cản quang (thuốc nhuộm).
