Кіріспе
Бұзылмайтын элементтік талдау әдісі – бөлшектік шақырылған рентген сәулесі немесе протондық шақырылған рентген сәулесі (PIXE) – материалдың немесе сынаманың элементтік құрамын анықтауға қолданылатын әдіс. Материал иондық сәулеге ұшырағанда атомдық өзара әрекеттесулер пайда болады, олар элементке тән электромагниттік спектрдің рентген сәулелері бөлігіндегі толқын ұзындығындағы ЭМ сәулелерін шығарады. PIXE – бұл қуатты, бірақ бұзылмайтын элементтік талдау әдісі, геологтар, археологтар, өнерді сақтаушылар және тағы басқалар оны шығу тегі, мерзімі және нақтылығы туралы сұрақтарға жауап беруге көмектесу үшін қазіргі кезде жүйелі түрде қолданады. Бұл әдісті алғаш рет 1970 жылы Швецияның Лунд университетінің профессоры Свен Йоханссон ұсынды және келесі бірнеше жылда оның әріптестері Роланд Аксельссон мен Томас Б. Йоханссонмен бірге дамытты. PIXE-тің соңғы кеңейтімдері тығыз шоғырланған сәулелерді (1 мкм-ге дейін) пайдалана отырып, микроскопиялық талдау мүмкіндігін ұсынады. Бұл әдіс микроPIXE деп аталады және оны көптеген сынамалардағы іздік элементтердің таралуын анықтау үшін қолдануға болады. Кейбір жеңіл элементтерді анықтау үшін бөлшектік шақырылған гамма сәулесі эмиссиясы (PIGE) сияқты байланысты әдіс қолданылуы мүмкін.
Particle induced X ray emission or proton induced X ray emission (PIXE) is a technique used for determining the elemental composition of a material or a sample. When a material is exposed to an ion beam, atomic interactions occur that give off EM radiation of wavelengths in the x ray part of the electromagnetic spectrum specific to an element. PIXE is a powerful, yet non destructive elemental analysis technique now used routinely by geologists, archaeologists, art conservators and others to help answer questions of provenance, dating and authenticity. The technique was first proposed in 1970 by Sven Johansson of Lund University, Sweden, and developed over the next few years with his colleagues Roland Akselsson and Thomas B Johansson. Recent extensions of PIXE using tightly focused beams (down to 1 μm) gives the additional capability of microscopic analysis. This technique, called microPIXE, can be used to determine the distribution of trace elements in a wide range of samples. A related technique, particle induced gamma ray emission (PIGE) can be used to detect some light elements.
Рентген сәулелері
Кванттық теория бойынша, атомның орбиталық электрондары тұрақты болуы үшін дискретті энергия деңгейлерін иеленуі тиіс. Иондық үдеткішпен (акселератормен) тудырылатын жеткілікті энергиялы иондармен (әдетте МэВ протондарымен) бомбалау, сынамадағы атомдардың ішкі қабығының иондануына алып келеді. Сыртқы қабықтың электрондары ішкі қабықтағы бос орындарды толтыру үшін төмендейді, бірақ тек белгілі бір өтулер ғана мүмкін. Элементке тән энергиясы бар рентген сәулелері шығарылады. Осы рентген сәулелерін тіркеу және өлшеу үшін энергияны таратушы детектор қолданылады. Фтордан ауыр элементтер ғана анықталуы мүмкін. PIXE сәулесінің ең төменгі анықтау шегі рентген сәулелерінің камера мен рентген детекторы арасындағы терезеден өту қабілетімен анықталады. Ең жоғарғы шегі иондану қимасымен анықталады, яғни K электрон қабығының иондану ықтималдығы, бұл протонның жылдамдығы электронның жылдамдығымен сәйкес келгенде (жарық жылдамдығының 10%) максималды болады, сондықтан 3 МэВ протон сәулелері ең қолайлы.
Протонның кері шашырауы
Протондар сонымен қатар үлгідегі атомдардың ядросымен эластикалық соқтығысулар арқылы да өзара әрекеттесе алады, бұл Ратфорд кері шашырауы деп аталады, көбінесе протонды 180 градусқа жуық бұрышпен кері шашыратады. Кері шашырау үлгінің қалыңдығы және құрамы туралы ақпарат береді. Үлгінің көлемдік қасиеттері үлгі ішіндегі рентген фотондарының жоғалуын түзетуге мүмкіндік береді.
Протонды беру
Протонның үлгі арқылы өтуі үлгі туралы ақпарат алуға да мүмкіндік береді. Каналдану кристалдарды зерттеуге қолданылатын процестердің бірі.
Белоктарды талдау
Протеиндерді microPIXE арқылы талдау сұйық және кристалды ақуыздардың элементтік құрамын анықтауға мүмкіндік береді. MicroPIXE ақуыз молекулаларының металл мөлшерін 10%-дан 20%-ға дейінгі салыстырмалы дәлдікпен анықтауға болады. MicroPIXE-нің артықшылығы – белгілі аминқышқылдық тізбегі бар ақуыз үшін күкірттен шығатын рентген сәулелерін ішкі стандарт ретінде пайдаланып, бір ақуыз мономерындегі металл атомдарының санын есептеуге болады. Ғана салыстырмалы концентрациялар есептелетіндіктен, жүйелік қателер минималды болады және нәтижелер толыққанды ішкі сәйкестікті көрсетеді. ДНК мен ақуыздың (және металдардың) салыстырмалы концентрацияларын негіздердің фосфат топтарын ішкі калибрлеу ретінде қолдану арқылы өлшеуге болады.
Деректерді талдау
Жиналған деректерді Dan32 бағдарламасы және gupix интерфейсі арқылы талдауға болады.
Шектеулер
Талдаудан мағыналы күкірт сигналын алу үшін буферде күкірт болмауы тиіс (яғни, BES, DDT, HEPES, MES, MOPSO немесе PIPES қосылыстары болмауы керек). Буфердегі хлордың артық мөлшерінен де аулақ болу керек, себебі ол күкірт шыңымен қабаттасып кетеді; KBr және NaBr сәйкес баламалар болып табылады.
Артықшылықтар
Протондық сәулені электрондық сәуледен пайдаланудың көптеген артықшылықтары бар. Бремсстрахлинг сәулеленуінен кристаллдың зарядталуы азырақ, бірақ Аугер электрондарының шығарылуынан да кейбір зарядталу болады, бірақ егер бастапқы сәуле өзі электрондық сәуле болғанда, одан әлдеқайда аз болар еді. Протонның электрондарға қарағанда массасы жоғары болғандықтан, сәуленің бүйінен бұрылуы азырақ; бұл протондық сәулемен жазу қолданулары үшін маңызды.
Сканерлеу
Элементтік құрамының екі өлшемді карталарын нысана бойынша microPIXE сәулесін жылжыту арқылы жасауға болады.
Ұяшық және тіндер талдауы
Тұтас жасушалар мен тіндерді талдау microPIXE сәулесі арқылы жүзеге асыруға болады, бұл әдіс ядролық микроскопия деп те аталады.
Артефактілерді талдау
MicroPIXE – картиналар мен антиквариаттарды бұзбай талдауға арналған пайдалы техника. Ол тек элементтік талдауды ұсынатын болса да, артефакттың қалыңдығындағы қабаттарды ажыратуға және өлшеуге қолданылуы мүмкін. Бұл техника ICP талдауларының отбасысы сияқты бұзушы талдау әдістерімен салыстыруға болады.
Протондық сәуле жазуы
Протондық сәулелер полимерді қатайту (протондық әсермен байланыс құру арқылы) немесе протонға сезімтал материалды бұзу арқылы жазу (протондық сәулемен жазу) үшін қолданылуы мүмкін. Бұл нанотехнология саласында маңызды рөл атқаруы мүмкін.