Les rayons X ont un certain nombre de propriétés uniques en tant que rayonnement qui vont au-delà de leur très courte longueur d'onde. L'une de leurs propriétés importantes pour la science est la sélectivité élémentaire. En sélectionnant et en examinant les spectres d'éléments individuels situés à des endroits uniques dans des molécules complexes, nous disposons d'un "capteur atomique" localisé. En examinant ces atomes à différents moments après excitation de la structure par la lumière, nous pouvons suivre l'évolution des changements électroniques et structurels même dans des systèmes très complexes, ou, en d'autres termes, nous pouvons suivre l'électron à travers la molécule et à travers les interfaces.
Histoire
L'inventeur de la radiographie était Wilhelm Conrad Röntgen. Une fois, alors qu'un scientifique étudiait la capacité de divers matériaux à arrêter les rayons, il plaça un petit morceau de plomb en place pendant qu'une décharge se produisait. AlorsAinsi, Roentgen a vu la première image radiographique, son propre squelette fantomatique scintillant sur un écran de platinocyanure de baryum. Il a rapporté plus tard que c'était à ce moment qu'il avait décidé de poursuivre ses expériences en secret car il craignait pour sa réputation professionnelle si ses observations étaient erronées. Le scientifique allemand a reçu le premier prix Nobel de physique en 1901 pour la découverte des rayons X en 1895. Selon le SLAC National Accelerator Laboratory, sa nouvelle technologie a été rapidement adoptée par d'autres scientifiques et médecins.
Charles Barkla, un physicien britannique, a mené des recherches entre 1906 et 1908 qui l'ont conduit à découvrir que les rayons X pouvaient être caractéristiques de certaines substances. Ses travaux lui ont également valu le prix Nobel de physique, mais seulement en 1917.
L'utilisation de la spectroscopie à rayons X a en fait commencé un peu plus tôt, en 1912, à partir de la collaboration entre le père et le fils de physiciens britanniques, William Henry Bragg et William Lawrence Bragg. Ils ont utilisé la spectroscopie pour étudier l'interaction des rayons X avec les atomes à l'intérieur des cristaux. Leur technique, appelée cristallographie aux rayons X, est devenue la norme dans le domaine l'année suivante, et ils ont reçu le prix Nobel de physique en 1915.
En action
Ces dernières années, la spectrométrie à rayons X a été utilisée de diverses manières nouvelles et passionnantes. À la surface de Mars, il y a un spectromètre à rayons X qui recueilleinformations sur les éléments qui composent le sol. La puissance des faisceaux a été utilisée pour détecter la peinture au plomb sur les jouets, ce qui a réduit le risque d'empoisonnement au plomb. Le partenariat entre la science et l'art se manifeste dans l'utilisation de la radiographie lorsqu'elle est utilisée dans les musées pour identifier les éléments susceptibles d'endommager les collections.
Principes de travail
Lorsqu'un atome est instable ou bombardé par des particules de haute énergie, ses électrons sautent entre les niveaux d'énergie. Au fur et à mesure que les électrons s'ajustent, l'élément absorbe et émet des photons X à haute énergie d'une manière caractéristique des atomes qui composent cet élément chimique particulier. Avec la spectroscopie à rayons X, les fluctuations d'énergie peuvent être déterminées. Cela vous permet d'identifier les particules et de voir l'interaction des atomes dans divers environnements.
Il existe deux principales méthodes de spectroscopie X: la dispersion de longueur d'onde (WDXS) et la dispersion d'énergie (EDXS). Le WDXS mesure les rayons X à une seule longueur d'onde qui sont diffractés sur un cristal. L'EDXS mesure les rayons X émis par les électrons stimulés par une source de haute énergie de particules chargées.
L'analyse de la spectroscopie des rayons X dans les deux méthodes de distribution de rayonnement indique la structure atomique du matériau et, par conséquent, les éléments à l'intérieur de l'objet analysé.
Techniques radiographiques
Il existe plusieurs méthodes différentes de spectroscopie de rayons X et optique du spectre électronique, qui sont utilisées dans de nombreux domaines de la science et de la technologie,y compris l'archéologie, l'astronomie et l'ingénierie. Ces méthodes peuvent être utilisées indépendamment ou ensemble pour créer une image plus complète du matériau ou de l'objet analysé.
WDXS
La spectroscopie photoélectronique à rayons X (WDXS) est une méthode spectroscopique quantitative sensible à la surface qui mesure la composition élémentaire dans une gamme de parties à la surface du matériau à l'étude, et détermine également la formule empirique, l'état chimique et état électronique des éléments qui existent dans le matériau. En termes simples, WDXS est une méthode de mesure utile car elle montre non seulement quelles caractéristiques se trouvent à l'intérieur du film, mais également quelles caractéristiques sont formées après le traitement.
Les spectres de rayons X sont obtenus en irradiant un matériau avec un faisceau de rayons X tout en mesurant simultanément l'énergie cinétique et le nombre d'électrons qui émergent des 0-10 nm supérieurs du matériau analysé. Le WDXS nécessite des conditions de vide poussé (P ~ 10-8 millibars) ou d'ultra-vide poussé (UHV; P <10-9 millibars). Bien que le WDXS à pression atmosphérique soit actuellement en cours de développement, dans lequel des échantillons sont analysés à des pressions de plusieurs dizaines de millibars.
ESCA (X-ray Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) est un acronyme inventé par l'équipe de recherche de Kai Siegbahn pour souligner les informations chimiques (pas seulement élémentaires) fournies par la technique. En pratique, en utilisant des sources de laboratoire typiquesRayons X, XPS détecte tous les éléments avec un numéro atomique (Z) de 3 (lithium) et plus. Il ne détecte pas facilement l'hydrogène (Z=1) ou l'hélium (Z=2).
EDXS
La spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDXS) est une technique de microanalyse chimique utilisée conjointement avec la microscopie électronique à balayage (MEB). La méthode EDXS détecte les rayons X émis par un échantillon lorsqu'il est bombardé par un faisceau d'électrons pour caractériser la composition élémentaire du volume analysé. Des éléments ou phases aussi petits que 1 µm peuvent être analysés.
Lorsqu'un échantillon est bombardé avec un faisceau d'électrons SEM, des électrons sont éjectés des atomes qui composent la surface de l'échantillon. Les vides d'électrons résultants sont remplis d'électrons d'un état supérieur et des rayons X sont émis pour équilibrer la différence d'énergie entre les états des deux électrons. L'énergie des rayons X est caractéristique de l'élément à partir duquel elle a été émise.
Le détecteur de rayons X EDXS mesure la quantité relative de rayons émis en fonction de leur énergie. Le détecteur est généralement un dispositif à semi-conducteurs au lithium à dérive de silicium. Lorsqu'un faisceau de rayons X incident frappe un détecteur, il crée une impulsion de charge proportionnelle à l'énergie du rayon X. L'impulsion de charge est convertie en une impulsion de tension (qui reste proportionnelle à l'énergie des rayons X) au moyen d'un préamplificateur sensible à la charge. Le signal est ensuite envoyé à un analyseur multicanal où les impulsions sont triées par tension. L'énergie déterminée à partir de la mesure de tension pour chaque rayon X incident est envoyée à un ordinateur pour affichage et évaluation ultérieure des données. Le spectre d'énergie des rayons X par rapport au nombre est estimé pour déterminer la composition élémentaire de la taille de l'échantillon.
XRF
La spectroscopie de fluorescence X (XRF) est utilisée pour l'analyse chimique de routine relativement non destructive des roches, des minéraux, des sédiments et des fluides. Cependant, XRF ne peut généralement pas analyser à de petites tailles de points (2 à 5 microns), il est donc généralement utilisé pour l'analyse en vrac de grandes fractions de matériaux géologiques. La facilité relative et le faible coût de préparation des échantillons, ainsi que la stabilité et la facilité d'utilisation des spectromètres à rayons X, font de cette méthode l'une des plus largement utilisées pour l'analyse des principaux éléments traces dans les roches, les minéraux et les sédiments.
La physique de la XRF XRF dépend de principes fondamentaux communs à plusieurs autres techniques instrumentales impliquant des interactions entre les faisceaux d'électrons et les rayons X sur les échantillons, y compris les techniques de radiographie telles que SEM-EDS, la diffraction (XRD) et la longueur d'onde radiographie dispersive (microsonde WDS).
L'analyse des principaux éléments traces dans les matériaux géologiques par XRF est possible grâce au comportement des atomes lorsqu'ils interagissent avec le rayonnement. Lorsque les matériauxExcités par des rayonnements de courte longueur d'onde à haute énergie (comme les rayons X), ils peuvent devenir ionisés. S'il y a suffisamment d'énergie de rayonnement pour déloger l'électron interne étroitement retenu, l'atome devient instable et l'électron externe remplace l'électron interne manquant. Lorsque cela se produit, de l'énergie est libérée en raison de l'énergie de liaison réduite de l'orbite électronique interne par rapport à celle externe. Le rayonnement a une énergie inférieure à celle du rayon X incident primaire et est appelé fluorescent.
Le spectromètre XRF fonctionne parce que si un échantillon est éclairé par un faisceau de rayons X intense, appelé faisceau incident, une partie de l'énergie est diffusée, mais une partie est également absorbée dans l'échantillon, ce qui dépend de sa composition chimique composition.
XAS
La spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) est la mesure des transitions entre les états électroniques fondamentaux d'un métal et les états électroniques excités (LUMO) et le continuum; la première est connue sous le nom de X-ray Absorption Near Structure (XANES) et la seconde sous le nom de X-ray Extended Absorption Fine Structure (EXAFS), qui étudie la structure fine de l'absorption à des énergies supérieures au seuil de libération d'électrons. Ces deux méthodes fournissent des informations structurelles supplémentaires, les spectres XANES signalant la structure électronique et la symétrie du site métallique, et EXAFS signalant les nombres, les types et les distances aux ligands et aux atomes voisins de l'élément absorbant.
XAS nous permet d'étudier la structure locale d'un élément d'intérêt sans interférence d'absorption par une matrice protéique, l'eau ou l'air. Cependant, la spectroscopie aux rayons X des métalloenzymes a été un défi en raison de la faible concentration relative de l'élément d'intérêt dans l'échantillon. Dans un tel cas, l'approche standard consistait à utiliser la fluorescence X pour détecter les spectres d'absorption au lieu d'utiliser le mode de détection par transmission. Le développement de sources intenses de rayons X de rayonnement synchrotron de troisième génération a également permis d'étudier des échantillons dilués.
Les complexes métalliques, en tant que modèles avec des structures connues, étaient essentiels pour comprendre le XAS des métalloprotéines. Ces complexes fournissent la base pour évaluer l'influence du milieu de coordination (charge de coordination) sur l'énergie de bord d'absorption. L'étude de complexes modèles structurellement bien caractérisés fournit également une référence pour comprendre EXAFS à partir de systèmes métalliques de structure inconnue.
Un avantage significatif de XAS par rapport à la cristallographie aux rayons X est que des informations structurelles locales autour d'un élément d'intérêt peuvent être obtenues même à partir d'échantillons désordonnés tels que des poudres et des solutions. Cependant, les échantillons ordonnés tels que les membranes et les monocristaux augmentent souvent les informations obtenues à partir de XAS. Pour les monocristaux orientés ou les membranes ordonnées, les orientations vectorielles interatomiques peuvent être déduites des mesures de dichroïsme. Ces méthodes sont particulièrement utiles pour déterminer les structures de cluster.les métaux polynucléaires tels que le cluster Mn4Ca associé à l'oxydation de l'eau dans le complexe photosynthétique libérant de l'oxygène. De plus, des modifications plutôt mineures de la géométrie/structure associées aux transitions entre les états intermédiaires, appelés états S, dans le cycle de réaction d'oxydation de l'eau peuvent être facilement détectées à l'aide de XAS.
Applications
Les techniques de spectroscopie à rayons X sont utilisées dans de nombreux domaines scientifiques, notamment l'archéologie, l'anthropologie, l'astronomie, la chimie, la géologie, l'ingénierie et la santé publique. Avec son aide, vous pouvez découvrir des informations cachées sur des artefacts et des vestiges anciens. Par exemple, Lee Sharp, professeur agrégé de chimie au Grinnell College dans l'Iowa, et ses collègues ont utilisé la XRF pour retracer l'origine des pointes de flèches en obsidienne fabriquées par les peuples préhistoriques du sud-ouest nord-américain.
Les astrophysiciens, grâce à la spectroscopie à rayons X, en apprendront davantage sur le fonctionnement des objets dans l'espace. Par exemple, des chercheurs de l'Université de Washington à Saint-Louis prévoient d'observer les rayons X d'objets cosmiques tels que les trous noirs pour en savoir plus sur leurs caractéristiques. Une équipe dirigée par Henryk Kravczynski, un astrophysicien expérimental et théorique, prévoit de sortir un spectromètre à rayons X appelé polarimètre à rayons X. À partir de décembre 2018, l'instrument a été suspendu dans l'atmosphère terrestre avec un ballon rempli d'hélium pendant une longue période.
Yuri Gogotsi, chimiste et ingénieur,L'Université Drexel de Pennsylvanie crée des antennes et des membranes pulvérisées pour le dessalement à partir de matériaux analysés par spectroscopie à rayons X.
Les antennes pulvérisées invisibles ne mesurent que quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur, mais sont capables de transmettre et de diriger des ondes radio. La technique XAS permet de s'assurer que la composition du matériau incroyablement mince est correcte et aide à déterminer la conductivité. "Les antennes nécessitent une conductivité métallique élevée pour bien fonctionner, nous devons donc surveiller de près le matériau", a déclaré Gogotsi.
Gogotzi et ses collègues utilisent également la spectroscopie pour analyser la chimie de surface de membranes complexes qui dessalent l'eau en filtrant des ions spécifiques tels que le sodium.
En médecine
La spectroscopie photoélectronique à rayons X trouve des applications dans plusieurs domaines de la recherche médicale anatomique et dans la pratique, par exemple, dans les scanners CT modernes. La collecte de spectres d'absorption des rayons X lors d'une tomodensitométrie (à l'aide du comptage de photons ou d'un scanner spectral) peut fournir des informations plus détaillées et déterminer ce qui se passe à l'intérieur du corps, avec des doses de rayonnement plus faibles et moins ou pas besoin de produits de contraste (colorants).
