Partikkelindusert røntgenemisjon - Particle-induced X-ray emission
Partikkelindusert røntgenemisjon eller protonindusert røntgenemisjon ( PIXE ) er en teknikk som brukes for å bestemme den elementære sammensetningen av et materiale eller en prøve. Når et materiale utsettes for en ionestråle , oppstår atominteraksjoner som avgir EM-stråling av bølgelengder i røntgendelen av det elektromagnetiske spekteret som er spesifikt for et element. PIXE er en kraftig, men ikke destruktiv, elementæranalyseteknikk som nå brukes rutinemessig av geologer, arkeologer, kunstkonservatorer og andre for å svare på spørsmål om herkomst, datering og ekthet .
Teknikken ble først foreslått i 1970 av Sven Johansson fra Lund University , Sverige, og utviklet de neste årene sammen med kollegene Roland Akselsson og Thomas B Johansson.
Nylige utvidelser av PIXE ved bruk av tett fokuserte bjelker (ned til 1 mikrometer) gir den ekstra muligheten for mikroskopisk analyse. Denne teknikken, kalt microPIXE , kan brukes til å bestemme fordelingen av sporelementer i et bredt spekter av prøver. En relatert teknikk, partikkelindusert gammastråleemisjon (PIGE) kan brukes til å oppdage noen lyselementer.
Teori
Tre typer spektra kan samles fra et PIXE-eksperiment:
- Røntgenutslippsspektrum .
- Rutherford tilbakespredningsspektrum .
- Proton overføringsspekter.
Røntgenemisjon
Kvanteteori sier at kretsende elektroner i et atom må oppta diskrete energinivåer for å være stabil. Bombardement med ioner med tilstrekkelig energi (vanligvis MeV-protoner) produsert av en ioneakselerator, vil forårsake indre skallionisering av atomer i en prøve. Ytre skallelektroner faller ned for å erstatte ledige stillinger i indre skall, men bare visse overganger er tillatt. Røntgenbilder av en karakteristisk energi av elementet sendes ut. En energidispersiv detektor brukes til å registrere og måle disse røntgenstrålene.
Bare grunnstoffer som er tyngre enn fluor kan oppdages. Den nedre deteksjonsgrensen for en PIXE-stråle er gitt av røntgenstrålenes mulighet til å passere gjennom vinduet mellom kammeret og røntgendetektoren. Den øvre grense er gitt ved den ioniseringsstrøm tverrsnitt, er sannsynligheten for K elektronskall ionisering , er dette maksimale når hastigheten til protonet stemmer overens med hastigheten av den elektron (10% av lyshastigheten ), derfor 3 MeV protonstråler er optimale.
Proton tilbakespredning
Protoner kan også samhandle med atomkjernen i prøven gjennom elastiske kollisjoner, Rutherford tilbakespredning , ofte frastøter protonen i vinkler nær 180 grader. Backscatteren gir informasjon om prøvetykkelse og sammensetning. Hovedprøveegenskapene tillater korreksjon av røntgenfotontap i prøven.
Protonoverføring
Overføring av protoner gjennom en prøve kan også brukes til å få informasjon om prøven. Kanalisering er en av prosesser som kan brukes til å studere krystaller.
Proteinanalyse
Proteinanalyse ved bruk av microPIXE muliggjør bestemmelse av den grunnleggende sammensetningen av flytende og krystallinske proteiner. microPIXE kan kvantifisere metallinnholdet i proteinmolekyler med en relativ nøyaktighet på mellom 10% og 20%.
Fordelen med microPIXE er at gitt et protein med kjent sekvens, kan røntgenemisjon fra svovel brukes som en intern standard for å beregne antall metallatomer per proteinmonomer. Fordi bare relative konsentrasjoner beregnes, er det bare minimale systematiske feil, og resultatene er helt internt konsistente.
De relative konsentrasjonene av DNA til protein (og metaller) kan også måles ved hjelp av fosfatgruppene i basene som en intern kalibrering.
Dataanalyse
Analyse av dataene som samles inn, kan utføres av programmene Dan32, frontend til gupix.
Begrensninger
For å få et meningsfylt svovelsignal fra analysen, bør bufferen ikke inneholde svovel (dvs. ingen BES-, DDT- , HEPES- , MES- , MOPS O- eller PIPES- forbindelser). Overdrevne mengder klor i bufferen bør også unngås, siden dette vil overlappe svoveltoppen; KBr og NaBr er passende alternativer.
Fordeler
Det er mange fordeler med å bruke en protonstråle fremfor en elektronstråle. Det er mindre krystallladning fra Bremsstrahlung- stråling, selv om det er noe fra utslipp av Auger-elektroner , og det er betydelig mindre enn om primærstrålen i seg selv var en elektronstråle.
På grunn av den høyere massen av protoner i forhold til elektroner, er det mindre lateral avbøyning av strålen; Dette er viktig for protonstråleskrivingsapplikasjoner .
Skanning
To-dimensjonale kart over elementære komposisjoner kan genereres ved å skanne microPIXE-strålen over målet.
Celle- og vevsanalyse
Hele celler og vev analyse er mulig ved hjelp av en microPIXE bjelke, er denne metoden også referert til som atommikroskopi .
Artefaktanalyse
MicroPIXE er en nyttig teknikk for ikke-destruktiv analyse av malerier og antikviteter. Selv om det bare gir en elementanalyse, kan den brukes til å skille og måle lag innenfor tykkelsen på en gjenstand. Teknikken er sammenlignbar med destruktive teknikker som ICP- analysefamilien.
Protonstråleskriving
Protonstråler kan brukes til å skrive ( protonstråleskriving ) gjennom herding av en polymer (ved protonindusert tverrbinding ), eller gjennom nedbrytning av et protonsensitivt materiale. Dette kan ha viktige effekter innen nanoteknologi .