รังสีเอกซ์มีคุณสมบัติพิเศษหลายประการเนื่องจากรังสีที่มีความยาวคลื่นเกินสั้นมาก คุณสมบัติที่สำคัญประการหนึ่งของวิทยาศาสตร์คือการคัดเลือกธาตุ โดยการเลือกและตรวจสอบสเปกตรัมขององค์ประกอบแต่ละส่วนที่อยู่ในตำแหน่งที่ไม่ซ้ำกันในโมเลกุลที่ซับซ้อน เรามี "เซ็นเซอร์อะตอม" ที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่น การตรวจสอบอะตอมเหล่านี้ในช่วงเวลาต่างๆ หลังจากการกระตุ้นโครงสร้างด้วยแสง เราสามารถติดตามการพัฒนาของการเปลี่ยนแปลงทางอิเล็กทรอนิกส์และโครงสร้างได้ แม้ในระบบที่ซับซ้อนมาก หรือกล่าวอีกนัยหนึ่ง เราสามารถติดตามอิเล็กตรอนผ่านโมเลกุลและผ่านส่วนต่อประสาน
ประวัติศาสตร์
ผู้ประดิษฐ์การถ่ายภาพรังสีคือวิลเฮล์ม คอนราด เรินต์เกน ครั้งหนึ่ง เมื่อนักวิทยาศาสตร์กำลังตรวจสอบความสามารถของวัสดุต่างๆ ในการหยุดรังสี เขาได้วางตะกั่วชิ้นเล็กๆ ไว้ในตำแหน่งในขณะที่มีการปลดปล่อยออกมา ดังนั้นดังนั้น เรินต์เกนจึงเห็นภาพเอ็กซ์เรย์ภาพแรก ซึ่งเป็นโครงกระดูกผีที่ส่องแสงระยิบระยับของตัวเองบนหน้าจอของแบเรียมพลาติโนไซยาไนด์ ในเวลาต่อมาเขารายงานว่า ณ จุดนี้เองที่เขาตัดสินใจทำการทดลองต่อไปอย่างลับๆ เพราะเขากลัวชื่อเสียงในสายอาชีพหากการสังเกตของเขาผิดพลาด นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ครั้งแรกในปี พ.ศ. 2444 จากการค้นพบรังสีเอกซ์ในปี พ.ศ. 2438 จากข้อมูลของ SLAC National Accelerator Laboratory เทคโนโลยีใหม่ของเขาได้รับการยอมรับอย่างรวดเร็วจากนักวิทยาศาสตร์และแพทย์คนอื่นๆ
ชาร์ลส์ บาร์คลา นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ได้ทำการวิจัยระหว่างปี 2449 ถึง 2451 ซึ่งนำไปสู่การค้นพบของเขาว่ารังสีเอกซ์อาจเป็นลักษณะเฉพาะของสารบางชนิด ผลงานของเขาทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ แต่ในปี 1917 เท่านั้น
การใช้เอ็กซ์เรย์สเปกโทรสโกปีจริง ๆ แล้วเริ่มเร็วขึ้นเล็กน้อยในปี 2455 โดยเริ่มจากความร่วมมือระหว่างพ่อและลูกชายของนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ วิลเลียม เฮนรี แบร็กก์ และวิลเลียม ลอว์เรนซ์ แบร็กก์ พวกเขาใช้สเปกโทรสโกปีเพื่อศึกษาปฏิสัมพันธ์ของรังสีเอกซ์กับอะตอมภายในผลึก เทคนิคของพวกเขาที่เรียกว่า X-ray crystallography ได้กลายเป็นมาตรฐานในสาขานี้ในปีต่อไป และพวกเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1915
กำลังดำเนินการ
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา X-ray spectrometry ถูกนำมาใช้ในรูปแบบใหม่ที่น่าตื่นเต้นมากมาย บนพื้นผิวดาวอังคารมีเอ็กซ์เรย์สเปกโตรมิเตอร์ที่รวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับองค์ประกอบที่ประกอบเป็นดิน พลังของลำแสงถูกใช้เพื่อตรวจจับสีตะกั่วบนของเล่น ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงที่จะเกิดพิษจากตะกั่ว การทำงานร่วมกันระหว่างวิทยาศาสตร์และศิลปะสามารถเห็นได้ในการใช้การถ่ายภาพรังสีเมื่อใช้ในพิพิธภัณฑ์เพื่อระบุองค์ประกอบที่อาจสร้างความเสียหายต่อคอลเลกชัน
หลักการทำงาน
เมื่ออะตอมไม่เสถียรหรือถูกโจมตีด้วยอนุภาคพลังงานสูง อิเล็กตรอนของอะตอมจะกระโดดไปมาระหว่างระดับพลังงาน เมื่ออิเล็กตรอนปรับตัว ธาตุจะดูดซับและปล่อยโฟตอนเอ็กซ์เรย์พลังงานสูงในลักษณะของอะตอมที่ประกอบเป็นองค์ประกอบทางเคมีนั้น ด้วย X-ray spectroscopy สามารถกำหนดความผันผวนของพลังงานได้ วิธีนี้ช่วยให้คุณระบุอนุภาคและดูปฏิกิริยาของอะตอมในสภาพแวดล้อมต่างๆ ได้
X-ray spectroscopy มีสองวิธีหลัก: wavelength dispersive (WDXS) และ energy dispersive (EDXS) WDXS วัดรังสีเอกซ์ความยาวคลื่นเดี่ยวที่กระจายตัวบนผลึก EDXS วัดรังสีเอกซ์ที่ปล่อยออกมาจากอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นโดยแหล่งพลังงานสูงของอนุภาคที่มีประจุ
การวิเคราะห์เอ็กซ์เรย์สเปกโทรสโกปีในการกระจายรังสีทั้งสองวิธีระบุโครงสร้างอะตอมของวัสดุและดังนั้น องค์ประกอบภายในวัตถุที่วิเคราะห์
เทคนิคการถ่ายภาพรังสี
เอ็กซ์เรย์และออปติคัลสเปกโทรสโกปีของสเปกตรัมอิเล็กทรอนิกส์มีหลายวิธี ซึ่งใช้ในหลายสาขาของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีรวมทั้งโบราณคดี ดาราศาสตร์ และวิศวกรรมศาสตร์ สามารถใช้วิธีการเหล่านี้แยกกันหรือร่วมกันเพื่อสร้างภาพที่สมบูรณ์มากขึ้นของวัสดุหรือวัตถุที่วิเคราะห์
WDXS
เอ็กซ์เรย์โฟโตอิเล็กตรอนสเปกโทรสโกปี (WDXS) เป็นวิธีการสเปกโตรสโกปีเชิงปริมาณที่ไวต่อพื้นผิวซึ่งวัดองค์ประกอบองค์ประกอบในช่วงของชิ้นส่วนบนพื้นผิวของวัสดุภายใต้การศึกษา และยังกำหนดสูตรเชิงประจักษ์ สถานะทางเคมีและ สถานะอิเล็กทรอนิกส์ขององค์ประกอบที่มีอยู่ในวัสดุ พูดง่ายๆ ก็คือ WDXS เป็นวิธีการวัดที่มีประโยชน์เพราะมันไม่ได้แสดงเฉพาะฟีเจอร์ที่อยู่ในภาพยนตร์เท่านั้น แต่ยังแสดงคุณสมบัติที่เกิดขึ้นหลังจากการประมวลผลด้วย
เอ็กซ์เรย์สเปกตรัมได้มาจากการฉายรังสีวัสดุด้วยลำแสงเอ็กซ์เรย์ในขณะที่วัดพลังงานจลน์และจำนวนอิเล็กตรอนที่โผล่ออกมาจาก 0-10 นาโนเมตรบนของวัสดุที่วิเคราะห์ไปพร้อม ๆ กัน WDXS ต้องการสภาวะสุญญากาศสูง (P ~ 10-8 มิลลิบาร์) หรือสภาวะสุญญากาศสูงพิเศษ (UHV; P <10-9 มิลลิบาร์) แม้ว่า WDXS ที่ความดันบรรยากาศกำลังอยู่ระหว่างการพัฒนา ซึ่งตัวอย่างจะได้รับการวิเคราะห์ที่ความดันหลายสิบมิลลิบาร์
ESCA (X-ray Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) เป็นตัวย่อที่ประกาศเกียรติคุณโดยทีมวิจัยของ Kai Siegbahn เพื่อเน้นข้อมูลทางเคมี (ไม่ใช่แค่องค์ประกอบ) ที่เทคนิคนี้มีให้ ในทางปฏิบัติโดยใช้แหล่งข้อมูลห้องปฏิบัติการทั่วไปรังสีเอกซ์ XPS จะตรวจจับองค์ประกอบทั้งหมดที่มีเลขอะตอม (Z) เท่ากับ 3 (ลิเธียม) และสูงกว่า ไม่สามารถตรวจจับไฮโดรเจนได้ง่ายๆ (Z=1) หรือฮีเลียม (Z=2)
EDXS
Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDXS) เป็นเทคนิคการวิเคราะห์จุลภาคทางเคมีที่ใช้ร่วมกับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) วิธีการ EDXS จะตรวจจับรังสีเอกซ์ที่ปล่อยออกมาจากตัวอย่างเมื่อถูกทิ้งระเบิดด้วยลำอิเล็กตรอนเพื่อกำหนดลักษณะองค์ประกอบองค์ประกอบของปริมาตรที่วิเคราะห์ สามารถวิเคราะห์องค์ประกอบหรือเฟสที่มีขนาดเล็กเพียง 1 µm
เมื่อตัวอย่างถูกทิ้งระเบิดด้วยลำแสงอิเล็กตรอน SEM อิเล็กตรอนจะถูกขับออกจากอะตอมที่ประกอบขึ้นเป็นพื้นผิวของตัวอย่าง ช่องว่างของอิเล็กตรอนที่เป็นผลลัพธ์จะเต็มไปด้วยอิเล็กตรอนจากสถานะที่สูงกว่า และรังสีเอกซ์จะถูกปล่อยออกมาเพื่อสร้างสมดุลระหว่างความแตกต่างของพลังงานระหว่างสถานะของอิเล็กตรอนทั้งสอง พลังงานเอ็กซ์เรย์เป็นลักษณะของธาตุที่ปล่อยออกมา
เครื่องเอ็กซเรย์ตรวจสอบสิ่งปลอมปน EDXS วัดปริมาณรังสีสัมพัทธ์ที่ปล่อยออกมาตามพลังงานของพวกมัน เครื่องตรวจจับมักจะเป็นอุปกรณ์สถานะของแข็งลิเธียมดริฟท์ซิลิกอน เมื่อลำแสงเอ็กซ์เรย์ตกกระทบกับเครื่องตรวจจับ จะสร้างพัลส์ประจุที่เป็นสัดส่วนกับพลังงานของเอ็กซ์เรย์ พัลส์ประจุจะถูกแปลงเป็นพัลส์แรงดันไฟ (ซึ่งยังคงเป็นสัดส่วนกับพลังงานเอ็กซ์เรย์) โดยใช้พรีแอมพลิฟายเออร์ที่ไวต่อประจุจากนั้นสัญญาณจะถูกส่งไปยังเครื่องวิเคราะห์หลายช่องสัญญาณ โดยที่พัลส์จะถูกจัดเรียงตามแรงดันไฟฟ้า พลังงานที่กำหนดจากการวัดแรงดันไฟฟ้าสำหรับแต่ละเหตุการณ์ X-ray จะถูกส่งไปยังคอมพิวเตอร์เพื่อแสดงและประเมินข้อมูลต่อไป สเปกตรัมพลังงานเอ็กซ์เรย์กับการนับจะประมาณการเพื่อกำหนดองค์ประกอบองค์ประกอบของขนาดกลุ่มตัวอย่าง
XRF
เอ็กซ์เรย์ฟลูออเรสเซนส์สเปกโทรสโกปี (XRF) ใช้สำหรับการวิเคราะห์ทางเคมีของหิน แร่ธาตุ ตะกอน และของเหลวที่ใช้เป็นประจำและไม่ทำลาย อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้ว XRF ไม่สามารถวิเคราะห์ที่จุดขนาดเล็ก (2-5 ไมครอน) ได้ ดังนั้นจึงมักใช้สำหรับการวิเคราะห์ปริมาณเศษส่วนของวัสดุทางธรณีวิทยาจำนวนมาก ความสะดวกและต้นทุนต่ำในการเตรียมตัวอย่าง ตลอดจนความเสถียรและความสะดวกในการใช้เอ็กซ์เรย์สเปกโตรมิเตอร์ ทำให้วิธีนี้เป็นวิธีหนึ่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในการวิเคราะห์ธาตุหลักในหิน แร่ธาตุ และตะกอน
ฟิสิกส์ของ XRF XRF ขึ้นอยู่กับหลักการพื้นฐานที่พบได้ทั่วไปในเทคนิคเครื่องมืออื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาระหว่างลำอิเล็กตรอนและรังสีเอกซ์ในตัวอย่าง รวมถึงเทคนิคการถ่ายภาพรังสี เช่น SEM-EDS การเลี้ยวเบน (XRD) และความยาวคลื่น การถ่ายภาพรังสีแบบกระจาย (microprobe WDS).
การวิเคราะห์ธาตุหลักในวัสดุทางธรณีวิทยาโดย XRF เป็นไปได้เนื่องจากพฤติกรรมของอะตอมเมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับรังสี เมื่อวัสดุเมื่อถูกกระตุ้นโดยรังสีความยาวคลื่นสั้นที่มีพลังงานสูง (เช่น รังสีเอกซ์) พวกมันก็จะกลายเป็นไอออนไนซ์ได้ หากมีพลังงานรังสีเพียงพอที่จะขับอิเล็กตรอนภายในที่ยึดแน่น อะตอมจะไม่เสถียรและอิเล็กตรอนภายนอกจะแทนที่อิเล็กตรอนภายในที่ขาดหายไป เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น พลังงานจะถูกปล่อยออกมาเนื่องจากพลังงานยึดเหนี่ยวที่ลดลงของการโคจรของอิเล็กตรอนภายในเมื่อเทียบกับพลังงานภายนอก รังสีมีพลังงานต่ำกว่าการเอกซเรย์ปฐมภูมิและเรียกว่าหลอดฟลูออเรสเซนต์
สเปกโตรมิเตอร์ XRF ทำงานได้เพราะถ้าตัวอย่างได้รับแสงด้วยลำแสงเอ็กซ์เรย์ที่รุนแรงหรือที่เรียกว่าลำแสงตกกระทบ พลังงานบางส่วนจะกระจัดกระจาย แต่บางส่วนก็ถูกดูดซับในตัวอย่างด้วย ซึ่งขึ้นอยู่กับสารเคมีของมัน องค์ประกอบ
XAS
เอ็กซ์เรย์ดูดกลืนแสงสเปกโทรสโกปี (XAS) คือการวัดการเปลี่ยนแปลงจากสถานะทางอิเล็กทรอนิกส์ภาคพื้นดินของโลหะเป็นสถานะอิเล็กทรอนิกส์ที่ถูกกระตุ้น (LUMO) และความต่อเนื่อง แบบแรกเรียกว่า X-ray Absorption Near Structure (XANES) และแบบหลังในชื่อ X-ray Extended Absorption Fine Structure (EXAFS) ซึ่งศึกษาโครงสร้างการดูดกลืนแสงที่พลังงานสูงกว่าเกณฑ์การปล่อยอิเล็กตรอน ทั้งสองวิธีนี้ให้ข้อมูลโครงสร้างเพิ่มเติม สเปกตรัม XANES รายงานโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์และความสมมาตรของไซต์โลหะ และ EXAFS รายงานตัวเลข ประเภท และระยะทางไปยังลิแกนด์และอะตอมที่อยู่ใกล้เคียงจากองค์ประกอบดูดซับ
XAS ช่วยให้เราศึกษาโครงสร้างในท้องถิ่นขององค์ประกอบที่น่าสนใจได้โดยไม่ถูกรบกวนจากการดูดซับโดยเมทริกซ์โปรตีน น้ำ หรืออากาศ อย่างไรก็ตาม X-ray spectroscopy ของ metalloenzymes เป็นสิ่งที่ท้าทายเนื่องจากมีความเข้มข้นสัมพัทธ์เพียงเล็กน้อยขององค์ประกอบที่น่าสนใจในตัวอย่าง ในกรณีเช่นนี้ แนวทางมาตรฐานคือการใช้เอ็กซ์เรย์ฟลูออเรสเซนส์เพื่อตรวจจับสเปกตรัมการดูดกลืนแสงแทนการใช้โหมดการตรวจจับการส่งสัญญาณ การพัฒนาแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ที่รุนแรงรุ่นที่สามของรังสีซินโครตรอนยังช่วยให้ศึกษาตัวอย่างเจือจางได้อีกด้วย
โลหะเชิงซ้อน ซึ่งเป็นแบบจำลองที่มีโครงสร้างที่รู้จัก มีความจำเป็นสำหรับการทำความเข้าใจ XAS ของโลหะโลโปรตีน สารเชิงซ้อนเหล่านี้เป็นพื้นฐานสำหรับการประเมินอิทธิพลของสื่อประสานงาน (ประจุประสาน) ต่อพลังงานขอบดูดกลืน การศึกษาคอมเพล็กซ์แบบจำลองที่มีโครงสร้างชัดเจนยังให้เกณฑ์มาตรฐานสำหรับการทำความเข้าใจ EXAFS จากระบบโลหะของโครงสร้างที่ไม่รู้จัก
ข้อได้เปรียบที่สำคัญของ XAS เหนือผลึกศาสตร์เอ็กซ์เรย์คือสามารถรับข้อมูลโครงสร้างในท้องถิ่นรอบองค์ประกอบที่น่าสนใจได้แม้จากตัวอย่างที่ไม่เป็นระเบียบ เช่น ผงและสารละลาย อย่างไรก็ตาม ตัวอย่างที่สั่งซื้อ เช่น เมมเบรนและผลึกเดี่ยว มักจะเพิ่มข้อมูลที่ได้รับจาก XAS สำหรับผลึกเดี่ยวที่จัดแนวหรือเยื่อที่สั่งการ การวางแนวเวกเตอร์ระหว่างอะตอมสามารถอนุมานได้จากการวัดไดโครอิซึม วิธีการเหล่านี้มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการกำหนดโครงสร้างคลัสเตอร์โลหะโพลีนิวเคลียร์ เช่น กระจุก Mn4Ca ที่เกี่ยวข้องกับการเกิดออกซิเดชันของน้ำในคอมเพล็กซ์สังเคราะห์แสงที่ปล่อยออกซิเจน นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงทางเรขาคณิต/โครงสร้างที่ค่อนข้างเล็กที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนสถานะระหว่างสถานะขั้นกลาง หรือที่เรียกว่าสถานะ S ในวัฏจักรปฏิกิริยาออกซิเดชันในน้ำสามารถตรวจพบได้ง่ายโดยใช้ XAS
แอพพลิเคชั่น
เทคนิคเอ็กซ์เรย์สเปกโทรสโกปีถูกนำมาใช้ในหลายสาขาของวิทยาศาสตร์ รวมถึงโบราณคดี มานุษยวิทยา ดาราศาสตร์ เคมี ธรณีวิทยา วิศวกรรมศาสตร์ และสาธารณสุข ด้วยความช่วยเหลือของมัน คุณสามารถค้นพบข้อมูลที่ซ่อนอยู่เกี่ยวกับโบราณวัตถุและซากโบราณสถาน ตัวอย่างเช่น Lee Sharp รองศาสตราจารย์วิชาเคมีที่ Grinnell College ใน Iowa และเพื่อนร่วมงานใช้ XRF เพื่อติดตามที่มาของหัวลูกศร obsidian ที่สร้างขึ้นโดยคนก่อนประวัติศาสตร์ในอเมริกาเหนือตะวันตกเฉียงใต้
นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ต้องขอบคุณ X-ray spectroscopy จะได้เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการทำงานของวัตถุในอวกาศ ตัวอย่างเช่น นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยวอชิงตันในเซนต์หลุยส์วางแผนที่จะสังเกตรังสีเอกซ์จากวัตถุในจักรวาล เช่น หลุมดำ เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับลักษณะของพวกมัน ทีมที่นำโดย Henryk Kravczynski นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์เชิงทดลองและทฤษฎี วางแผนที่จะปล่อยเอ็กซ์เรย์สเปกโตรมิเตอร์ที่เรียกว่าโพลาริมิเตอร์เอ็กซ์เรย์ เริ่มตั้งแต่เดือนธันวาคม 2018 เครื่องดนตรีถูกแขวนไว้ในชั้นบรรยากาศของโลกด้วยบอลลูนที่เติมฮีเลียมเป็นเวลานาน
ยูริ โกกอตซี นักเคมีและวิศวกรDrexel University of Pennsylvania สร้างเสาอากาศและเมมเบรนแบบสปัตเตอร์สำหรับการแยกเกลือออกจากวัสดุที่วิเคราะห์โดยเอ็กซ์เรย์สเปกโทรสโกปี
เสาอากาศสปัตเตอร์ที่มองไม่เห็นนั้นมีความหนาเพียงไม่กี่สิบนาโนเมตร แต่สามารถส่งและควบคุมคลื่นวิทยุได้ เทคนิค XAS ช่วยให้แน่ใจว่าองค์ประกอบของวัสดุที่บางอย่างไม่น่าเชื่อนั้นถูกต้องและช่วยกำหนดค่าการนำไฟฟ้า “เสาอากาศต้องการการนำโลหะสูงจึงจะทำงานได้ดี ดังนั้นเราจึงต้องจับตาดูวัสดุอย่างใกล้ชิด” Gogotsi กล่าว
Gogotzi และเพื่อนร่วมงานยังใช้สเปกโตรสโคปีเพื่อวิเคราะห์เคมีพื้นผิวของเยื่อหุ้มที่ซับซ้อนซึ่งแยกน้ำออกจากน้ำโดยการกรองไอออนจำเพาะ เช่น โซเดียม
ในยา
เอ็กซ์เรย์โฟโตอิเล็กตรอนสเปกโทรสโกปีพบการประยุกต์ใช้ในหลายพื้นที่ของการวิจัยทางการแพทย์ทางกายวิภาคและในทางปฏิบัติ ตัวอย่างเช่น ในเครื่องสแกนซีทีสแกนสมัยใหม่ การรวบรวมสเปกตรัมการดูดกลืนรังสีเอกซ์ระหว่างการสแกน CT scan (โดยใช้การนับโฟตอนหรือเครื่องสแกนสเปกตรัม) สามารถให้ข้อมูลรายละเอียดเพิ่มเติมและระบุสิ่งที่เกิดขึ้นภายในร่างกายด้วยปริมาณรังสีที่ต่ำกว่าและความต้องการวัสดุคอนทราสต์ (สีย้อม) น้อยลงหรือไม่จำเป็น
