Los rayos X tienen una serie de propiedades únicas como radiación que van más allá de su muy corta longitud de onda. Una de sus propiedades importantes para la ciencia es la selectividad elemental. Seleccionando y examinando los espectros de elementos individuales que están ubicados en lugares únicos en moléculas complejas, tenemos un "sensor atómico" localizado. Al examinar estos átomos en diferentes momentos después de la excitación de la estructura por la luz, podemos rastrear el desarrollo de cambios electrónicos y estructurales incluso en sistemas muy complejos o, en otras palabras, podemos seguir el electrón a través de la molécula y las interfaces.
Historia
El inventor de la radiografía fue Wilhelm Conrad Röntgen. Una vez, cuando un científico estaba investigando la capacidad de varios materiales para detener los rayos, colocó un pequeño trozo de plomo en posición mientras se producía una descarga. Asi queAsí, Roentgen vio la primera imagen de rayos X, su propio esqueleto fantasmal reluciente en una pantalla de platinocianuro de bario. Más tarde informó que fue en este punto que decidió continuar con sus experimentos en secreto porque temía por su reputación profesional si sus observaciones eran erróneas. El científico alemán recibió el primer Premio Nobel de Física en 1901 por el descubrimiento de los rayos X en 1895. Según el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, su nueva tecnología fue adoptada rápidamente por otros científicos y médicos.
Charles Barkla, físico británico, realizó una investigación entre 1906 y 1908 que lo llevó a descubrir que los rayos X podrían ser característicos de ciertas sustancias. Su trabajo también le valió el Premio Nobel de Física, pero recién en 1917.
El uso de la espectroscopia de rayos X en realidad comenzó un poco antes, en 1912, a partir de la colaboración entre padre e hijo de los físicos británicos William Henry Bragg y William Lawrence Bragg. Usaron la espectroscopia para estudiar la interacción de los rayos X con los átomos dentro de los cristales. Su técnica, llamada cristalografía de rayos X, se convirtió en el estándar en el campo al año siguiente y recibieron el Premio Nobel de Física en 1915.
En acción
En los últimos años, la espectrometría de rayos X se ha utilizado en una variedad de formas nuevas y emocionantes. En la superficie de Marte hay un espectrómetro de rayos X que recogeinformación sobre los elementos que componen el suelo. El poder de los rayos se utilizó para detectar pintura con plomo en los juguetes, lo que redujo el riesgo de envenenamiento por plomo. La asociación entre la ciencia y el arte se puede ver en el uso de la radiografía cuando se usa en museos para identificar elementos que podrían dañar las colecciones.
Principios de funcionamiento
Cuando un átomo es inestable o es bombardeado por partículas de alta energía, sus electrones s altan entre niveles de energía. A medida que los electrones se ajustan, el elemento absorbe y emite fotones de rayos X de alta energía de una manera característica de los átomos que componen ese elemento químico en particular. Con la espectroscopia de rayos X, se pueden determinar las fluctuaciones de energía. Esto le permite identificar partículas y ver la interacción de los átomos en varios entornos.
Hay dos métodos principales de espectroscopia de rayos X: dispersión de longitud de onda (WDXS) y dispersión de energía (EDXS). WDXS mide rayos X de una sola longitud de onda que se difractan en un cristal. EDXS mide los rayos X emitidos por electrones estimulados por una fuente de alta energía de partículas cargadas.
El análisis de la espectroscopia de rayos X en ambos métodos de distribución de radiación indica la estructura atómica del material y, por lo tanto, los elementos dentro del objeto analizado.
Técnicas radiográficas
Hay varios métodos diferentes de rayos X y espectroscopia óptica del espectro electrónico, que se utilizan en muchos campos de la ciencia y la tecnología,incluyendo arqueología, astronomía e ingeniería. Estos métodos se pueden usar de forma independiente o en conjunto para crear una imagen más completa del material u objeto analizado.
WDXS
La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (WDXS) es un método espectroscópico cuantitativo sensible a la superficie que mide la composición elemental en un rango de partes en la superficie del material bajo estudio, y también determina la fórmula empírica, el estado químico y estado electrónico de los elementos que existen en el material. En pocas palabras, WDXS es un método de medición útil porque muestra no solo qué características hay dentro de la película, sino también qué características se forman después del procesamiento.
Los espectros de rayos X se obtienen irradiando un material con un haz de rayos X mientras se mide simultáneamente la energía cinética y el número de electrones que emergen de los 0-10 nm superiores del material analizado. WDXS requiere condiciones de alto vacío (P ~ 10-8 milibares) o ultra alto vacío (UHV; P <10-9 milibares). Aunque actualmente se está desarrollando el WDXS a presión atmosférica, en el que las muestras se analizan a presiones de varias decenas de milibares.
ESCA (espectroscopía electrónica de rayos X para análisis químico) es un acrónimo acuñado por el equipo de investigación de Kai Siegbahn para enfatizar la información química (no solo elemental) que proporciona la técnica. En la práctica, utilizando fuentes típicas de laboratorioRayos X, XPS detecta todos los elementos con un número atómico (Z) de 3 (litio) y superior. No puede detectar fácilmente hidrógeno (Z=1) o helio (Z=2).
EDXS
La espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDXS) es una técnica de microanálisis químico que se utiliza junto con la microscopía electrónica de barrido (SEM). El método EDXS detecta los rayos X emitidos por una muestra cuando es bombardeada con un haz de electrones para caracterizar la composición elemental del volumen analizado. Se pueden analizar elementos o fases tan pequeños como 1 µm.
Cuando se bombardea una muestra con un haz de electrones SEM, los átomos que forman la superficie de la muestra expulsan electrones. Los vacíos de electrones resultantes se llenan con electrones de un estado superior y se emiten rayos X para equilibrar la diferencia de energía entre los estados de los dos electrones. La energía de rayos X es característica del elemento desde el que se emitió.
El detector de rayos X EDXS mide la cantidad relativa de rayos emitidos en función de su energía. El detector suele ser un dispositivo de estado sólido de litio derivado de silicio. Cuando un haz de rayos X incidente golpea un detector, crea un pulso de carga que es proporcional a la energía de los rayos X. El pulso de carga se convierte en un pulso de voltaje (que permanece proporcional a la energía de rayos X) por medio de un preamplificador sensible a la carga. Luego, la señal se envía a un analizador multicanal donde los pulsos se clasifican por voltaje. La energía determinada a partir de la medición de voltaje para cada rayo X incidente se envía a una computadora para su visualización y posterior evaluación de los datos. Se estima el espectro de energía de rayos X versus el conteo para determinar la composición elemental del tamaño de la muestra.
XRF
La espectroscopia de fluorescencia de rayos X (XRF) se utiliza para el análisis químico de rutina relativamente no destructivo de rocas, minerales, sedimentos y fluidos. Sin embargo, XRF generalmente no puede analizar en tamaños de puntos pequeños (2-5 micrones), por lo que generalmente se usa para análisis masivos de grandes fracciones de materiales geológicos. La relativa facilidad y bajo costo de preparación de muestras, así como la estabilidad y facilidad de uso de los espectrómetros de rayos X, hacen de este método uno de los más utilizados para el análisis de los principales elementos traza en rocas, minerales y sedimentos.
La física de XRF XRF depende de principios fundamentales que son comunes a varias otras técnicas instrumentales que involucran interacciones entre haces de electrones y rayos X en muestras, incluidas técnicas de radiografía como SEM-EDS, difracción (XRD) y longitud de onda radiografía dispersiva (microsonda WDS).
El análisis de los principales elementos traza en materiales geológicos por XRF es posible debido al comportamiento de los átomos cuando interactúan con la radiación. Cuando los materialesExcitados por la radiación de longitud de onda corta de alta energía (como los rayos X), pueden ionizarse. Si hay suficiente energía de radiación para desalojar el electrón interior fuertemente retenido, el átomo se vuelve inestable y el electrón exterior reemplaza al interior que f alta. Cuando esto sucede, se libera energía debido a la energía de enlace reducida del orbital electrónico interno en comparación con el externo. La radiación tiene una energía más baja que los rayos X incidentes primarios y se llama fluorescente.
El espectrómetro XRF funciona porque si una muestra se ilumina con un haz de rayos X intenso, conocido como haz incidente, parte de la energía se dispersa, pero parte también se absorbe en la muestra, lo que depende de su composición química composición.
XAS
La espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) es la medida de las transiciones de los estados electrónicos básicos de un metal a los estados electrónicos excitados (LUMO) y continuos; el primero se conoce como estructura cercana de absorción de rayos X (XANES) y el segundo como estructura fina de absorción extendida de rayos X (EXAFS), que estudia la estructura fina de absorción a energías por encima del umbral de liberación de electrones. Estos dos métodos proporcionan información estructural adicional, los espectros XANES informan la estructura electrónica y la simetría del sitio del metal, y EXAFS informa números, tipos y distancias a los ligandos y átomos vecinos del elemento absorbente.
XAS nos permite estudiar la estructura local de un elemento de interés sin la interferencia de la absorción por una matriz proteica, agua o aire. Sin embargo, la espectroscopia de rayos X de metaloenzimas ha sido un desafío debido a la pequeña concentración relativa del elemento de interés en la muestra. En tal caso, el enfoque estándar era usar fluorescencia de rayos X para detectar espectros de absorción en lugar de usar el modo de detección de transmisión. El desarrollo de fuentes de radiación de sincrotrón de rayos X intensos de tercera generación también ha hecho posible el estudio de muestras diluidas.
Los complejos metálicos, como modelos con estructuras conocidas, fueron esenciales para comprender el XAS de las metaloproteínas. Estos complejos proporcionan la base para evaluar la influencia del medio de coordinación (carga de coordinación) en la energía del borde de absorción. El estudio de complejos de modelos estructuralmente bien caracterizados también proporciona un punto de referencia para comprender EXAFS a partir de sistemas metálicos de estructura desconocida.
Una ventaja significativa de XAS sobre la cristalografía de rayos X es que se puede obtener información estructural local alrededor de un elemento de interés incluso a partir de muestras desordenadas, como polvos y soluciones. Sin embargo, las muestras ordenadas, como membranas y monocristales, a menudo aumentan la información obtenida de XAS. Para monocristales orientados o membranas ordenadas, las orientaciones de vectores interatómicos se pueden inferir a partir de mediciones de dicroísmo. Estos métodos son especialmente útiles para determinar estructuras de conglomerados.metales polinucleares como el grupo Mn4Ca asociado con la oxidación del agua en el complejo fotosintético liberador de oxígeno. Además, los cambios bastante pequeños en la geometría/estructura asociados con las transiciones entre estados intermedios, conocidos como estados S, en el ciclo de reacción de oxidación del agua pueden detectarse fácilmente usando XAS.
Aplicaciones
Las técnicas de espectroscopia de rayos X se utilizan en muchos campos de la ciencia, como la arqueología, la antropología, la astronomía, la química, la geología, la ingeniería y la salud pública. Con su ayuda, puede descubrir información oculta sobre artefactos y restos antiguos. Por ejemplo, Lee Sharp, profesor asociado de química en Grinnell College en Iowa, y sus colegas usaron XRF para rastrear el origen de las puntas de flecha de obsidiana hechas por personas prehistóricas en el suroeste de América del Norte.
Los astrofísicos, gracias a la espectroscopia de rayos X, aprenderán más sobre cómo funcionan los objetos en el espacio. Por ejemplo, los investigadores de la Universidad de Washington en St. Louis planean observar los rayos X de objetos cósmicos como los agujeros negros para aprender más sobre sus características. Un equipo dirigido por Henryk Kravczynski, un astrofísico experimental y teórico, planea lanzar un espectrómetro de rayos X llamado polarímetro de rayos X. A partir de diciembre de 2018, el instrumento estuvo suspendido en la atmósfera terrestre con un globo lleno de helio durante mucho tiempo.
Yuri Gogotsi, químico e ingeniero,Drexel University of Pennsylvania crea antenas y membranas pulverizadas para la desalinización a partir de materiales analizados por espectroscopia de rayos X.
Las antenas pulverizadas invisibles tienen solo unas pocas decenas de nanómetros de espesor, pero son capaces de transmitir y dirigir ondas de radio. La técnica XAS ayuda a garantizar que la composición del material increíblemente delgado sea correcta y ayuda a determinar la conductividad. “Las antenas requieren una alta conductividad metálica para funcionar bien, por lo que debemos vigilar de cerca el material”, dijo Gogotsi.
Gogotzi y sus colegas también están utilizando la espectroscopia para analizar la química superficial de membranas complejas que desalinizan el agua al filtrar iones específicos como el sodio.
En medicina
La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X encuentra aplicación en varias áreas de la investigación médica anatómica y en la práctica, por ejemplo, en las modernas máquinas de tomografía computarizada. La recopilación de espectros de absorción de rayos X durante una tomografía computarizada (usando el conteo de fotones o un escáner espectral) puede proporcionar información más detallada y determinar lo que sucede dentro del cuerpo, con dosis de radiación más bajas y menos o ninguna necesidad de materiales de contraste (tintes).
