Sinar-X memiliki sejumlah sifat unik sebagai radiasi yang melampaui panjang gelombang yang sangat pendek. Salah satu sifat penting mereka untuk sains adalah selektivitas unsur. Dengan memilih dan memeriksa spektrum elemen individu yang terletak di tempat unik dalam molekul kompleks, kami memiliki "sensor atom" lokal. Dengan memeriksa atom-atom ini pada waktu yang berbeda setelah eksitasi struktur dengan cahaya, kita dapat melacak perkembangan perubahan elektronik dan struktural bahkan dalam sistem yang sangat kompleks, atau, dengan kata lain, kita dapat mengikuti elektron melalui molekul dan melalui antarmuka.
Sejarah
Penemu radiografi adalah Wilhelm Conrad Röntgen. Suatu ketika, ketika seorang ilmuwan sedang menyelidiki kemampuan berbagai bahan untuk menghentikan sinar, ia menempatkan sepotong kecil timah pada posisinya saat pelepasan sedang berlangsung. JadiJadi, Roentgen melihat gambar sinar-x pertama, kerangka hantunya sendiri yang berkilauan di layar barium platinocyanide. Dia kemudian melaporkan bahwa pada titik inilah dia memutuskan untuk melanjutkan eksperimennya secara rahasia karena dia takut akan reputasi profesionalnya jika pengamatannya salah. Ilmuwan Jerman dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pertama pada tahun 1901 untuk penemuan sinar-X pada tahun 1895. Menurut Laboratorium Akselerator Nasional SLAC, teknologi barunya dengan cepat diadopsi oleh ilmuwan dan dokter lain.
Charles Barkla, seorang fisikawan Inggris, melakukan penelitian antara tahun 1906 dan 1908 yang mengarah pada penemuannya bahwa sinar-X dapat menjadi karakteristik zat tertentu. Karyanya juga membuatnya mendapatkan Hadiah Nobel dalam Fisika, tetapi hanya pada tahun 1917.
Penggunaan spektroskopi sinar-X sebenarnya dimulai sedikit lebih awal, pada tahun 1912, dimulai dengan kolaborasi antara ayah dan anak fisikawan Inggris, William Henry Bragg dan William Lawrence Bragg. Mereka menggunakan spektroskopi untuk mempelajari interaksi sinar-X dengan atom di dalam kristal. Teknik mereka, yang disebut kristalografi sinar-X, menjadi standar di lapangan pada tahun berikutnya, dan mereka menerima Hadiah Nobel dalam Fisika pada tahun 1915.
Beraksi
Dalam beberapa tahun terakhir, spektrometri sinar-X telah digunakan dalam berbagai cara baru dan menarik. Di permukaan Mars ada spektrometer sinar-X yang mengumpulkaninformasi tentang unsur-unsur penyusun tanah. Kekuatan balok digunakan untuk mendeteksi cat timbal pada mainan, yang mengurangi risiko keracunan timbal. Kemitraan antara sains dan seni dapat dilihat dalam penggunaan radiografi ketika digunakan di museum untuk mengidentifikasi elemen-elemen yang dapat merusak koleksi.
Prinsip kerja
Ketika sebuah atom tidak stabil atau dibombardir oleh partikel energi tinggi, elektronnya melompat di antara tingkat energi. Saat elektron menyesuaikan, elemen menyerap dan memancarkan foton sinar-X berenergi tinggi dengan cara yang khas dari atom yang membentuk elemen kimia tertentu. Dengan spektroskopi sinar-X, fluktuasi energi dapat ditentukan. Ini memungkinkan Anda untuk mengidentifikasi partikel dan melihat interaksi atom di berbagai lingkungan.
Ada dua metode utama spektroskopi sinar-X: dispersi panjang gelombang (WDXS) dan dispersi energi (EDXS). WDXS mengukur sinar-X dengan panjang gelombang tunggal yang didifraksikan pada kristal. EDXS mengukur sinar-X yang dipancarkan oleh elektron yang distimulasi oleh sumber partikel bermuatan energi tinggi.
Analisis spektroskopi sinar-X pada kedua metode distribusi radiasi menunjukkan struktur atom bahan dan, oleh karena itu, unsur-unsur dalam objek yang dianalisis.
Teknik Radiografi
Ada beberapa metode yang berbeda dari sinar-X dan spektroskopi optik dari spektrum elektronik, yang digunakan di banyak bidang sains dan teknologi,termasuk arkeologi, astronomi dan teknik. Metode-metode ini dapat digunakan secara mandiri atau bersama-sama untuk membuat gambaran yang lebih lengkap dari bahan atau objek yang dianalisis.
WDXS
X-ray photoelectron spectroscopy (WDXS) adalah metode spektroskopi kuantitatif sensitif permukaan yang mengukur komposisi unsur dalam berbagai bagian pada permukaan material yang diteliti, dan juga menentukan rumus empiris, keadaan kimia dan keadaan elektronik dari unsur-unsur yang ada pada bahan tersebut. Sederhananya, WDXS adalah metode pengukuran yang berguna karena menunjukkan tidak hanya fitur apa yang ada di dalam film, tetapi juga fitur apa yang terbentuk setelah pemrosesan.
Spektrum sinar-X diperoleh dengan menyinari bahan dengan berkas sinar-X sekaligus mengukur energi kinetik dan jumlah elektron yang muncul dari 0-10 nm atas bahan yang dianalisis. WDXS membutuhkan kondisi vakum tinggi (P ~ 10-8 milibar) atau vakum sangat tinggi (UHV; P <10-9 milibar). Meskipun WDXS pada tekanan atmosfer saat ini sedang dikembangkan, di mana sampel dianalisis pada tekanan beberapa puluh milibar.
ESCA (Spektroskopi Elektron Sinar-X untuk Analisis Kimia) adalah akronim yang diciptakan oleh tim peneliti Kai Siegbahn untuk menekankan informasi kimia (bukan hanya unsur) yang diberikan oleh teknik tersebut. Dalam praktiknya, menggunakan sumber-sumber laboratorium yang khasSinar-X, XPS mendeteksi semua elemen dengan nomor atom (Z) 3 (lithium) dan lebih tinggi. Tidak dapat dengan mudah mendeteksi hidrogen (Z=1) atau helium (Z=2).
EDXS
Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDXS) adalah teknik mikroanalisis kimia yang digunakan bersama dengan pemindaian mikroskop elektron (SEM). Metode EDXS mendeteksi sinar-X yang dipancarkan oleh sampel ketika dibombardir dengan berkas elektron untuk mengkarakterisasi komposisi unsur dari volume yang dianalisis. Elemen atau fase sekecil 1 m dapat dianalisis.
Ketika sampel dibombardir dengan berkas elektron SEM, elektron dikeluarkan dari atom yang membentuk permukaan sampel. Kekosongan elektron yang dihasilkan diisi dengan elektron dari keadaan yang lebih tinggi, dan sinar-X dipancarkan untuk menyeimbangkan perbedaan energi antara keadaan dua elektron. Energi sinar-X adalah karakteristik dari elemen dari mana ia dipancarkan.
Detektor sinar-x EDXS mengukur jumlah relatif sinar yang dipancarkan tergantung pada energinya. Detektor biasanya perangkat lithium solid state drift silikon. Ketika berkas sinar-X mengenai detektor, itu menciptakan pulsa muatan yang sebanding dengan energi sinar-X. Pulsa muatan diubah menjadi pulsa tegangan (yang tetap sebanding dengan energi sinar-X) melalui preamplifier yang peka terhadap muatan. Sinyal kemudian dikirim ke penganalisis multichannel di mana pulsa diurutkan berdasarkan tegangan. Energi yang ditentukan dari pengukuran tegangan untuk setiap insiden sinar-X dikirim ke komputer untuk ditampilkan dan evaluasi data lebih lanjut. Spektrum energi sinar-X versus hitungan diperkirakan untuk menentukan komposisi unsur dari ukuran sampel.
XRF
X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) digunakan untuk analisis kimia batuan, mineral, sedimen, dan cairan yang rutin dan relatif tidak merusak. Namun, XRF biasanya tidak dapat menganalisis pada ukuran titik kecil (2-5 mikron), sehingga biasanya digunakan untuk analisis massal fraksi besar bahan geologi. Relatif mudah dan murahnya persiapan sampel, serta stabilitas dan kemudahan penggunaan spektrometer sinar-X, menjadikan metode ini salah satu yang paling banyak digunakan untuk analisis elemen jejak utama dalam batuan, mineral, dan sedimen.
Fisika XRF XRF bergantung pada prinsip-prinsip dasar yang umum untuk beberapa teknik instrumental lain yang melibatkan interaksi antara berkas elektron dan sinar-X pada sampel, termasuk teknik radiografi seperti SEM-EDS, difraksi (XRD), dan panjang gelombang radiografi dispersif (microprobe WDS).
Analisis elemen jejak utama dalam bahan geologi dengan XRF dimungkinkan karena perilaku atom ketika berinteraksi dengan radiasi. Ketika bahanTereksitasi oleh radiasi panjang gelombang pendek berenergi tinggi (seperti sinar-X), mereka dapat menjadi terionisasi. Jika ada energi radiasi yang cukup untuk melepaskan elektron dalam yang terikat erat, atom menjadi tidak stabil dan elektron terluar menggantikan elektron dalam yang hilang. Ketika ini terjadi, energi dilepaskan karena berkurangnya energi ikat orbital elektron dalam dibandingkan dengan orbital elektron terluar. Radiasi memiliki energi yang lebih rendah daripada sinar-X datang primer dan disebut fluoresen.
Spektrometer XRF bekerja karena jika sampel disinari dengan sinar X-ray yang intens, yang dikenal sebagai sinar datang, sebagian energi dihamburkan, tetapi sebagian juga diserap dalam sampel, yang bergantung pada kimianya komposisi.
XAS
Spektroskopi serapan sinar-X (XAS) adalah pengukuran transisi dari keadaan elektronik dasar logam ke keadaan elektronik tereksitasi (LUMO) dan kontinum; yang pertama dikenal sebagai X-ray Absorption Near Structure (XANES) dan yang terakhir sebagai X-ray Extended Absorption Fine Structure (EXAFS), yang mempelajari struktur halus penyerapan pada energi di atas ambang pelepasan elektron. Kedua metode ini memberikan informasi struktural tambahan, spektrum XANES melaporkan struktur elektronik dan simetri situs logam, dan EXAFS melaporkan nomor, jenis dan jarak ke ligan dan atom tetangga dari elemen penyerap.
XAS memungkinkan kita untuk mempelajari struktur lokal dari suatu elemen yang diinginkan tanpa gangguan dari penyerapan oleh matriks protein, air atau udara. Namun, spektroskopi sinar-X metaloenzim telah menjadi tantangan karena konsentrasi relatif kecil dari elemen yang diinginkan dalam sampel. Dalam kasus seperti itu, pendekatan standar adalah menggunakan fluoresensi sinar-X untuk mendeteksi spektrum serapan daripada menggunakan mode deteksi transmisi. Pengembangan sumber sinar-X intens generasi ketiga dari radiasi sinkrotron juga memungkinkan untuk mempelajari sampel encer.
Kompleks logam, sebagai model dengan struktur yang diketahui, sangat penting untuk memahami XAS metaloprotein. Kompleks ini memberikan dasar untuk mengevaluasi pengaruh media koordinasi (muatan koordinasi) pada energi tepi serapan. Studi tentang kompleks model yang dikarakterisasi dengan baik secara struktural juga memberikan patokan untuk memahami EXAFS dari sistem logam dengan struktur yang tidak diketahui.
Keuntungan signifikan XAS dibandingkan kristalografi sinar-X adalah bahwa informasi struktural lokal di sekitar elemen yang diinginkan dapat diperoleh bahkan dari sampel yang tidak teratur seperti bubuk dan larutan. Namun, sampel yang dipesan seperti membran dan kristal tunggal sering meningkatkan informasi yang diperoleh dari XAS. Untuk kristal tunggal yang berorientasi atau membran terurut, orientasi vektor interatomik dapat disimpulkan dari pengukuran dikroisme. Metode ini sangat berguna untuk menentukan struktur cluster.logam polinuklir seperti kluster Mn4Ca yang terkait dengan oksidasi air dalam kompleks fotosintesis yang melepaskan oksigen. Selain itu, perubahan kecil dalam geometri/struktur yang terkait dengan transisi antara keadaan antara, yang dikenal sebagai keadaan S, dalam siklus reaksi oksidasi air dapat dengan mudah dideteksi menggunakan XAS.
Aplikasi
Teknik spektroskopi sinar-X digunakan di banyak bidang ilmu pengetahuan, termasuk arkeologi, antropologi, astronomi, kimia, geologi, teknik, dan kesehatan masyarakat. Dengan bantuannya, Anda dapat menemukan informasi tersembunyi tentang artefak dan peninggalan kuno. Misalnya, Lee Sharp, profesor kimia di Grinnell College di Iowa, dan rekan-rekannya menggunakan XRF untuk melacak asal-usul mata panah obsidian yang dibuat oleh orang-orang prasejarah di Barat Daya Amerika Utara.
Astrofisikawan, berkat spektroskopi sinar-X, akan belajar lebih banyak tentang cara kerja benda-benda di luar angkasa. Misalnya, para peneliti di Universitas Washington di St. Louis berencana untuk mengamati sinar-X dari objek kosmik seperti lubang hitam untuk mempelajari lebih lanjut tentang karakteristiknya. Sebuah tim yang dipimpin oleh Henryk Kravczynski, seorang ahli astrofisika eksperimental dan teoritis, berencana untuk merilis spektrometer sinar-X yang disebut polarimeter sinar-X. Mulai Desember 2018, instrumen itu digantung di atmosfer bumi dengan balon berisi helium untuk waktu yang lama.
Yuri Gogotsi, ahli kimia dan insinyur,Drexel University of Pennsylvania membuat antena dan membran tergagap untuk desalinasi dari bahan yang dianalisis dengan spektroskopi sinar-X.
Antena sputtered yang tidak terlihat hanya setebal beberapa puluh nanometer, tetapi mampu memancarkan dan mengarahkan gelombang radio. Teknik XAS membantu memastikan bahwa komposisi bahan yang sangat tipis itu benar dan membantu menentukan konduktivitas. “Antena membutuhkan konduktivitas logam yang tinggi untuk bekerja dengan baik, jadi kita harus memperhatikan bahannya,” kata Gogotsi.
Gogotzi dan rekan juga menggunakan spektroskopi untuk menganalisis kimia permukaan membran kompleks yang menghilangkan garam air dengan menyaring ion spesifik seperti natrium.
Dalam kedokteran
Spektroskopi fotoelektron sinar-X menemukan aplikasi di beberapa bidang penelitian medis anatomi dan dalam praktik, misalnya, dalam mesin pemindaian CT modern. Mengumpulkan spektrum penyerapan sinar-X selama CT scan (menggunakan penghitungan foton atau pemindai spektral) dapat memberikan informasi yang lebih rinci dan menentukan apa yang terjadi di dalam tubuh, dengan dosis radiasi yang lebih rendah dan lebih sedikit atau tidak memerlukan bahan kontras (pewarna).
