Emisión de rayos X inducida por partículas - Particle-induced X-ray emission
La emisión de rayos X inducida por partículas o la emisión de rayos X inducida por protones ( PIXE ) es una técnica utilizada para determinar la composición elemental de un material o una muestra. Cuando un material se expone a un haz de iones , se producen interacciones atómicas que emiten radiación EM de longitudes de onda en la parte de rayos X del espectro electromagnético específico de un elemento. PIXE es una técnica de análisis elemental poderosa pero no destructiva que ahora utilizan de forma rutinaria geólogos, arqueólogos, conservadores de arte y otros para ayudar a responder preguntas de procedencia, datación y autenticidad .
La técnica fue propuesta por primera vez en 1970 por Sven Johansson de la Universidad de Lund , Suecia, y desarrollada durante los años siguientes con sus colegas Roland Akselsson y Thomas B Johansson.
Las recientes ampliaciones de PIXE que utilizan haces muy enfocados (hasta 1 μm) brindan la capacidad adicional de análisis microscópico. Esta técnica, denominada microPIXE , se puede utilizar para determinar la distribución de oligoelementos en una amplia gama de muestras. Se puede utilizar una técnica relacionada, la emisión de rayos gamma inducida por partículas (PIGE) para detectar algunos elementos ligeros.
Teoría
Se pueden recopilar tres tipos de espectros de un experimento PIXE:
- Espectro de emisión de rayos X.
- Espectro de retrodispersión de Rutherford .
- Espectro de transmisión de protones.
Emisión de rayos X
La teoría cuántica establece que los electrones en órbita de un átomo deben ocupar niveles de energía discretos para ser estable. El bombardeo con iones de suficiente energía (generalmente protones MeV) producido por un acelerador de iones provocará la ionización de la capa interna de los átomos en una muestra. Los electrones de la capa externa caen para reemplazar las vacantes de la capa interna, sin embargo, solo se permiten ciertas transiciones. Se emiten rayos X de una energía característica del elemento. Se utiliza un detector de dispersión de energía para registrar y medir estos rayos X.
Solo se pueden detectar elementos más pesados que el flúor. El límite de detección más bajo para un haz PIXE viene dado por la capacidad de los rayos X de pasar a través de la ventana entre la cámara y el detector de rayos X. El límite superior está dado por la sección transversal de ionización, la probabilidad de ionización de la capa del electrón K , esto es máximo cuando la velocidad del protón coincide con la velocidad del electrón (10% de la velocidad de la luz ), por lo tanto, haces de protones de 3 MeV son óptimos.
Retrodispersión de protones
Los protones también pueden interactuar con el núcleo de los átomos en la muestra a través de colisiones elásticas, retrodispersión de Rutherford , que a menudo repele el protón en ángulos cercanos a 180 grados. La retrodispersión proporciona información sobre el grosor y la composición de la muestra. Las propiedades de la muestra a granel permiten la corrección de la pérdida de fotones de rayos X dentro de la muestra.
Transmisión de protones
La transmisión de protones a través de una muestra también se puede utilizar para obtener información sobre la muestra. La canalización es uno de los procesos que se pueden utilizar para estudiar cristales.
Análisis de proteínas
El análisis de proteínas con microPIXE permite determinar la composición elemental de proteínas líquidas y cristalinas. microPIXE puede cuantificar el contenido metálico de las moléculas de proteína con una precisión relativa de entre el 10% y el 20%.
La ventaja de microPIXE es que, dada una proteína de secuencia conocida, la emisión de rayos X del azufre se puede utilizar como patrón interno para calcular el número de átomos de metal por monómero de proteína. Debido a que solo se calculan las concentraciones relativas, solo hay errores sistemáticos mínimos y los resultados son totalmente coherentes internamente.
Las concentraciones relativas de ADN a proteínas (y metales) también se pueden medir utilizando los grupos fosfato de las bases como calibración interna.
Análisis de los datos
El análisis de los datos recopilados se puede realizar mediante los programas Dan32, el front-end de gupix.
Limitaciones
Para obtener una señal de azufre significativa del análisis, el tampón no debe contener azufre (es decir, no debe contener compuestos BES, DDT , HEPES , MES , MOPS O o PIPES ). También deben evitarse cantidades excesivas de cloro en el tampón, ya que esto se superpondrá con el pico de azufre; KBr y NaBr son alternativas adecuadas.
Ventajas
Hay muchas ventajas de utilizar un haz de protones sobre un haz de electrones. Hay menos carga de cristal de la radiación de Bremsstrahlung , aunque hay algo de la emisión de electrones Auger , y hay mucho menos que si el haz primario fuera en sí mismo un haz de electrones.
Debido a la mayor masa de protones en relación con los electrones, hay menos desviación lateral del haz; esto es importante para las aplicaciones de escritura de haces de protones .
Exploración
Se pueden generar mapas bidimensionales de composiciones elementales escaneando el rayo microPIXE a través del objetivo.
Análisis de células y tejidos
El análisis de células y tejidos completos es posible utilizando un haz microPIXE, este método también se conoce como microscopía nuclear .
Análisis de artefactos
MicroPIXE es una técnica útil para el análisis no destructivo de pinturas y antigüedades. Aunque solo proporciona un análisis elemental, se puede utilizar para distinguir y medir capas dentro del grosor de un artefacto. La técnica es comparable con técnicas destructivas como la familia de análisis ICP .
Escritura de haz de protones
Los haces de protones se pueden usar para escribir ( escritura con haces de protones ) ya sea mediante el endurecimiento de un polímero (por reticulación inducida por protones ) o mediante la degradación de un material sensible a protones. Esto puede tener efectos importantes en el campo de la nanotecnología .