Рентгеновское излучение, индуцированное частицами
Рентгеновская эмиссия, индуцированная частицами , или рентгеновская эмиссия, индуцированная протонами ( PIXE ), — это метод, используемый для определения элементного состава материала или образца . Когда материал подвергается воздействию ионного пучка, происходят атомные взаимодействия, которые испускают ЭМ-излучение с длинами волн в рентгеновской части электромагнитного спектра, специфичных для элемента. PIXE — это мощный, но неразрушающий метод элементного анализа, который в настоящее время регулярно используется геологами, археологами, реставраторами произведений искусства и другими людьми, чтобы помочь ответить на вопросы о происхождении, датировке и аутентичности .
Этот метод был впервые предложен в 1970 году Свеном Йоханссоном из Лундского университета ( Швеция ) и развивался в течение следующих нескольких лет вместе с его коллегами Роландом Аксельссоном и Томасом Б. Йоханссоном. [1]
Недавнее расширение PIXE с использованием узкофокусированных лучей (до 1 мкм) дает дополнительные возможности микроскопического анализа. Этот метод, получивший название microPIXE , можно использовать для определения распределения микроэлементов в широком диапазоне образцов. Сопутствующий метод — гамма-излучение, индуцированное частицами (PIGE), — может использоваться для обнаружения некоторых легких элементов.
Теория
[ редактировать ]В ходе эксперимента PIXE можно получить три типа спектров:
- Спектр рентгеновского излучения.
- резерфордовского обратного рассеяния . Спектр
- Спектр пропускания протона.
Рентгеновское излучение
[ редактировать ]Квантовая теория утверждает, что вращающиеся по орбите электроны атома должны занимать дискретные энергетические уровни, чтобы быть стабильными. Бомбардировка ионами достаточной энергии (обычно протонами МэВ), создаваемыми ионным ускорителем, вызовет ионизацию внутренней оболочки атомов в образце. Электроны внешней оболочки падают вниз, чтобы заменить вакансии внутренней оболочки, однако разрешены только определенные переходы. Испускаются рентгеновские лучи характеристической энергии элемента. Для регистрации и измерения этих рентгеновских лучей используется энергодисперсионный детектор.
Могут быть обнаружены только элементы тяжелее фтора. Нижний предел обнаружения для луча PIXE определяется способностью рентгеновских лучей проходить через окно между камерой и детектором рентгеновского излучения. Верхний предел определяется сечением ионизации, вероятностью электронной оболочки ионизации K , она максимальна, когда скорость протона соответствует скорости электрона (10% скорости света ), поэтому пучки протонов 3 МэВ являются оптимальными.
Обратное рассеяние протонов
[ редактировать ]Протоны также могут взаимодействовать с ядрами атомов образца посредством упругих столкновений, резерфордовского обратного рассеяния , часто отталкивая протон под углами, близкими к 180 градусам. Обратное рассеяние дает информацию о толщине и составе образца. Свойства объемного образца позволяют корректировать потерю рентгеновских фотонов внутри образца.
Передача протона
[ редактировать ]Прохождение протонов через образец также можно использовать для получения информации о образце. Каналирование — один из процессов, который можно использовать для изучения кристаллов.
Анализ белка
[ редактировать ]Анализ белков с помощью microPIXE позволяет определить элементный состав жидких и кристаллических белков. microPIXE может количественно определять содержание металлов в молекулах белка с относительной точностью от 10% до 20%. [2]
Преимущество microPIXE заключается в том, что при наличии белка с известной последовательностью рентгеновское излучение серы можно использовать в качестве внутреннего стандарта для расчета количества атомов металла на мономер белка. Поскольку рассчитываются только относительные концентрации, систематические ошибки минимальны, а результаты полностью внутренне непротиворечивы.
Относительные концентрации ДНК к белку (и металлам) также можно измерить, используя в качестве фосфатные группы оснований внутренней калибровки.
Анализ данных
[ редактировать ]Анализ собранных данных можно выполнить программами Dan32, [3] передняя часть для gupix. [4] [5]
Ограничения
[ редактировать ]Чтобы получить значимый сигнал серы в результате анализа, буфер не должен содержать серу (т.е. не должно быть BES, DDT , HEPES , MES , MOPS O или PIPES соединений ). Также следует избегать чрезмерного количества хлора в буфере, поскольку это будет перекрываться с пиком серы; KBr и NaBr Подходящими альтернативами являются .
Преимущества
[ редактировать ]Использование протонного пучка имеет множество преимуществ перед электронным. излучения меньше Зарядка кристалла от тормозного , хотя некоторая часть есть от испускания оже-электронов , и значительно меньше, чем если бы первичный луч сам был электронным лучом.
Из-за большей массы протонов по сравнению с электронами боковое отклонение луча меньше; это важно для записи протонным пучком приложений .
Сканирование
[ редактировать ]Двумерные карты элементного состава можно создать путем сканирования луча microPIXE по мишени.
Анализ клеток и тканей
[ редактировать ]Анализ целых клеток и тканей возможен с использованием луча microPIXE, этот метод также называется ядерной микроскопией . [6]
Анализ артефактов
[ редактировать ]MicroPIXE — полезный метод неразрушающего анализа картин и антиквариата. Хотя он обеспечивает только элементный анализ, его можно использовать для различения и измерения слоев по толщине артефакта. [7] Этот метод сопоставим с деструктивными методами, такими как ICP . анализы семейства [8]
Запись протонного луча
[ редактировать ]Протонные лучи можно использовать для письма ( письмо протонными лучами ) либо за счет отверждения полимера ( путем сшивания, индуцированного протонами ), либо за счет разрушения чувствительного к протонам материала. Это может иметь важные последствия в области нанотехнологий .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Мини-резюме Роланда Аксельссона - по состоянию на 29 января 2008 г.
- ^ Гарман, ЭФ; Грайм, GW (2005). «Элементный анализ белков с помощью microPIXE». Прогресс биофизики и молекулярной биологии . 89 (2): 173–205. doi : 10.1016/j.pbiomolbio.2004.09.005 . ПМИД 15910917 .
- ^ Джеффри В. Грайм Dan32: последние разработки в интерфейсе Windows для gupix. Десятая международная конференция по рентгеновскому излучению, индуцированному частицами, Порторож, Словения, 2004 г.
- ^ Максвелл, Дж; Тисдейл, Вт; Кэмпбелл, Дж (1995). «Пакет программного обеспечения Guelph PIXE II». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция Б. 95 (3): 407. Бибкод : 1995НИМПБ..95..407М . дои : 10.1016/0168-583X(94)00540-0 .
- ^ Кэмпбелл, Дж (2000). «Пакет программного обеспечения Guelph PIXE III: Альтернативная база данных протонов». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция Б. 170 (1–2): 193. Бибкод : 2000NIMPB.170..193C . дои : 10.1016/S0168-583X(00)00156-7 .
- ^ Гарман, Элспет; Грайм, Джеффри (октябрь 2005 г.). «Элементный анализ белков методом microPIXE» . Прогресс биофизики и молекулярной биологии . 89 (2): 173–205. doi : 10.1016/j.pbiomolbio.2004.09.005 . ПМИД 15910917 . Проверено 25 июня 2023 г.
- ^ Грасси, Н. и др. Дифференциальные измерения PIXE для стратиграфического анализа картины «Мадонна деи Фузи». 10-я международная конференция PIXE (2004 г.) - по состоянию на 29 января 2008 г. Архивировано 8 сентября 2007 г., в Wayback Machine.
- ^ Людовик Белло-Гурле и др. [doi:10.1016/j.nimb.2005.06.216] «Исследования происхождения обсидиана в археологии: сравнение PIXE, ICP-AES и ICP-MS», Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях B 240 (2005) 583–588, по состоянию на 20 июня 2021 г.