Analiza dyfrakcji rentgenowskiej - co to jest?

Rok 1895 okazał się niezwykle ważny dla nauki, a wkrótce dla całego świata - po raz pierwszy odkryto zdjęcia rentgenowskie, bez których nasze życie trudno dziś sobie wyobrazić. Słowo jest okropne, wszyscy się go boją: to jest nauka, która zabija! A po katastrofach w elektrowni jądrowej krew w żyłach jest zimna. Jednak wszyscy słyszeli o tragediach, ale niewiele osób wie o korzyściach, jakie to odkrycie dało ludziom. I mówimy nie tylko o specjalnych obrazach - nie jest to jedyna skuteczna metoda identyfikacji wielu patologii. Kolejny obszar zastosowania promieni - analiza rentgenowska metali, białek i innych związków.

O czym mówimy

Promienie X - oscylacje elektromagnetyczne. Charakterystyczną cechą jest niewielka długość porównywalna z wymiarami atomowymi. Źródłem promieniowania są szybkie elektrony wpływające na strukturę atomową. Obecnie promieniowanie znalazło zastosowanie w sektorze naukowym i technicznym.

Cechy promieni zostały ujawnione w 1912 r. Podczas testów przeprowadzonych przez niemieckich naukowców Knippinga, Friedricha i Laue. Badanie sieci atomowej ujawniło fakt dyfrakcji. Jeśli utworzysz wąską wiązkę promieniowania i skierujesz ją do kryształu, upewniając się, że jest nieruchomy, możesz uzyskać ułamek obrazu na płycie fotograficznej znajdującej się za kryształem. Tak uzyskane odbicie było uporządkowanym układem plam, z których każdy był śladem szczególnego promienia rozproszonego przez wpływ kryształu. Postanowiono nazwać zdjęcie Lauegramem. Stanowiło to podstawę rentgenowskiej analizy strukturalnej kryształów, rozwijającej się i ulepszającej w czasach współczesnych.

Secrets vs. nauka

Zastosowana w biologii rentgenowska analiza strukturalna pozwoliła przeniknąć do sekretnej istoty życia. Warto jednak zauważyć, że podstawą wszystkiego jest fizyka kwantowa - to ona dostarcza racjonalnych przesłanek zjawisk, o których teraz wiemy za pomocą promieni Roentgena. Wiadomo, że otaczająca przestrzeń, ciała, przedmioty są tworzone przez cząsteczki, atomy, złożone w różne usystematyzowane, uporządkowane struktury. Identyfikacja cech danej substancji może być przeprowadzona jedynie eksperymentalnie. W dzisiejszych czasach wykorzystanie analizy rentgenowskiej jest skuteczną, dokładną, nowoczesną metodą określania struktury atomowej.

Aby uzyskać przydatne informacje, konieczne jest korzystanie z obiektów eksperymentalnych, w których fale "pracują", których długość wynosi dziesięć do minus dziesiątego stopnia (!) Metrów. Taka jest skala odległości na poziomie atomowym. Dla przeciętnego człowieka, z dala od fizyki, nawet nie można sobie wyobrazić takich małych wartości - ale naukowcy nie tylko mogli je zobaczyć, ale także przeanalizować, zmusić do pracy i uzyskać jeszcze więcej informacji niezbędnych ludzkości do zrozumienia świata i jego praw.

Struktury i techniki

Eksperymenty z 1912 r. Umożliwiły sformułowanie podstawowych zasad analizy strukturalnej promieni X, ponieważ naukowcy uzyskali skuteczną metodę identyfikacji położenia cząsteczek, atomów wewnątrz kryształu. Z biegiem czasu udało nam się również zebrać informacje na temat wewnętrznej struktury cząsteczek. Nowe informacje szybko przyciągnęły uwagę najwybitniejszych umysłów tamtych czasów, a dwaj brytyjscy naukowcy, ojciec i syn Bragg, podjęli pracę nad wciąż rozwijającą się analizą strukturalną rentgenowską. Stworzyli metodę, dzięki której ludzkość była w stanie bardzo dokładnie określić strukturę molekularną, mineralną.

Z czasem uwaga naukowców okazała się coraz bardziej złożonymi obiektami, ale analiza dyfrakcji rentgenowskiej okazała się zaskakująco uniwersalna. Stopniowo kolejka dotarła do żywych cząsteczek. Trudno sobie wyobrazić, jak znacząca jest obecnie metoda analizy dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego w biologii. Niemal natychmiast naukowcy stanęli w obliczu licznych trudności, a przede wszystkim - problemu izolacji kryształów. Jedna cząsteczka składa się z kilkudziesięciu tysięcy atomów, przez co obraz jest tak zaplątany w obraz, że nie można było przywrócić współrzędnych. Ale to dopiero początek: lata minęły, metoda została ulepszona, teraz ten problem został już rozwiązany.

Analiza rentgenowska białek

Najważniejsze badania dotyczące tego tematu zostały zorganizowane w Laboratorium Cavendish. Zostali poprowadzeni przez wspomnianego wcześniej Brytyjczyka Bragga. Jako zadanie techniczne sformułowano zadanie identyfikacji struktury przestrzennej białka. Taki cel był logiczny: w połowie ubiegłego wieku istniała opinia, że ​​najważniejszą cząsteczką dla świata żywego jest białko. Aby wyjaśnić ten pomysł, argumentem był fakt reakcji chemicznych wywoływanych w komórce - enzymy, które je stymulują, są tylko białka. Na tej podstawie naukowcy doszli do logicznego wniosku, że białko jest głównym materiałem budującym żywą komórkę, a opanowanie wszystkich cech jego struktury dałoby odpowiedź na wszelkie pytania związane z faktem życia. A badanie struktury miało pomóc w analizie rentgenowskiej.

Tak więc skupiamy się na złożonym polimerze - białku, którego ogniwami są monomery, reszty aminokwasowe. Badania wykazały, że są one zawsze liniowe, a struktura jest stała wraz ze wzrostem temperatury, nawet do momentu całkowitego zahamowania aktywności biologicznej. Na podstawie uzyskanych informacji stało się jasne, że tylko reszty aminokwasowe w prawidłowej sekwencji wciąż nie mogą zapewnić możliwości życia, potrzebujemy również prawidłowego ułożenia grup w przestrzeni.

Sukces jest pod ręką

Zastosowana w warunkach laboratoryjnych analiza rentgenowska pomogła rozwiązać problem postawiony naukowcom. Sukces przyszedł w połowie lat pięćdziesiątych, a odkrywcami byli Perutz, Kendrew. Dzięki nim świat wie, że białko ma trójwymiarową strukturę. Równie ważne są inne informacje uzyskane przez różnych naukowców w trakcie badań i testów w celu osiągnięcia celu. Wiele danych uzyskanych w tym czasie w przyszłości pomogło uniknąć błędów i uprościło analizę komórek rentgenowskich.

Obecnie, przy użyciu opracowanej technologii, możliwe jest badanie atomu dowolnej substancji i określenie wszystkich specyficznych cech komórki elementarnej, w tym jej umiejscowienia w przestrzeni, kształcie i wymiarach. Analiza dyfrakcji rentgenowskiej ujawnia grupę symetrii kryształów. W dzisiejszych czasach ta metoda określania struktury substancji jest bardziej rozpowszechniona niż jakakolwiek inna, ze względu na jej stosunkowo niski koszt, łatwość wdrożenia.

Widma rentgenowskie

Ta koncepcja jest jedną z kluczowych dla teorii analizy rentgenowskiej. Zwyczajowo mówi się o dwóch typach: charakterystyczny, bremsstrahlung. Hamowanie z powodu odpowiedniego ruchu elektronów. Zjawisko to można wywołać w warunkach laboratoryjnych, uruchamiając antykatodę instalacji. Naukowiec ma dostęp do ograniczonego szerokiego zakresu. To, w jaki sposób zostanie zlokalizowana granica, nie zależy od substancji, jest to całkowicie spowodowane rezerwami energii skierowanych elektronów. Spektrum hamowania staje się bardziej intensywne, jeśli ukierunkowane cząstki są lżejsze, a wzbudzenie elektronów pozwala osiągnąć bardzo wysokie wartości.

Charakterystycznemu promieniowaniu stosowanemu w analizie rentgenowskiej towarzyszy ruch elektronów. Cząstka znajdująca się na wewnętrznej warstwie atomowej jest wybijana, naładowana cząstka przechodzi od zewnętrznej warstwy do wnętrza, procesowi temu towarzyszy pewna charakterystyka - specyficzne spektrum, które pod wieloma względami jest podobne do nieodłącznych substancji gazowych. Główna różnica między tymi widmami polega na zależności (lub jej braku w przypadku badania rentgenowskiego) na elemencie wywołującym powstawanie zjawiska.

Zdjęcie rentgenowskie, wynik i przedmiot

Jak pokazują testy przeprowadzone przy użyciu różnych związków, analiza rentgenowska jest w pewnym stopniu określona przez jej charakterystykę odzwierciedloną w numerze sekwencji tabeli Mendelejewa: im wyższa wartość, tym silniejsze przesunięcie do widma fal krótkich. W 1913 roku zostało to udowodnione: wydobyte z wartości częstotliwości pierwiastek kwadratowy liniowo połączony z liczbą atomową. W przyszłości wzór ten został użyty do uzasadnienia tabeli Mendelejewa.

Należy pamiętać, że różne elementy mają inne spektrum. Jednocześnie nie ma zależności od pobudliwości dla emitowania luminescencji promieniowania rentgenowskiego w postaci wolnej, łączącej się z innymi pierwiastkami chemicznymi. Na podstawie danych stało się możliwe przeprowadzenie analizy strukturalnej promieni rentgenowskich stosowanej do złożonych obiektów strukturalnych. Zidentyfikowane specyfikacje stały się podstawą do określenia specyfiki metody analitycznej, są obecnie szeroko stosowane.

Analiza rentgenowska: teoria i praktyka

Obecnie ta metoda analizy jest klasyfikowana jako sekcja chemiczna, mająca zastosowanie do analizy składu materiałowego. Natężenie promieniowania zależy od liczby atomów uczestniczących w procesie. Podniecenie jest wywoływane przez bombardowanie elektronami, napromieniowanie. W pierwszym przypadku mówią o bezpośrednim wzbudzeniu, gdy są wystawione na promieniowanie rentgenowskie - fluorescencyjne (wtórne). Kwant pierwotnego promieniowania musi mieć rezerwy energii przekraczające koszty wybicia elektronu z jego pozycji. Bombowanie staje się przyczyną określonego spektrum i promieniowania - ciągłego, o wysokiej intensywności. Jeśli założono pobudzenie wtórne, wynik zawiera spektrum liniowe.

Podstawowej pobudliwości towarzyszy ogrzewanie substancji. Fluorescencyjny nie wywołuje takiego efektu. W podstawowej metodzie, tuba jest wypełniona substancją, w której wytwarzana jest wysoka próżnia, a dla metodologii fluorescencyjnej konieczne jest umieszczenie obiektu na ścieżce rentgenowskiej. Warunek próżni tu nie ma znaczenia. Jest to całkiem wygodne: po zbadaniu jednego obiektu można usunąć próbkę i umieścić następną, procedura jest prosta i prawie nie zajmuje czasu. Jednocześnie natężenie promieniowania wtórnego jest tysiące razy słabsze w porównaniu z metodą pierwotną. Jednak metoda analizy rentgenowskiej komórki jest zwykle przeprowadzana przy użyciu dokładnie wtórnego, fluorescencyjnego promieniowania, co oznacza obecność szybkich elektronów.

Co jest używane?

Do analizy musisz mieć do dyspozycji specjalne urządzenie. Pełnoprofilową analizę metodą dyfrakcji rentgenowskiej wykonuje się za pomocą dyfraktometru. Istnieje również spektrometr fluorescencyjny. To urządzenie jest utworzone przez trzy kluczowe węzły: rurkę, analizator, detektor. Pierwszy to źródło promieniowania, które wpływa na spektrum fluorescencji badanego materiału. Do uzyskania widma potrzebny jest analizator. Detektor przesyła informacje o intensywności, kolejnym krokiem jest zapisanie wyników eksperymentu.

W praktyce taki spektrometr jest dość często stosowany: źródło promieniowania, detektor umieszczony na wyspecjalizowanym okręgu, centralne miejsce należy do kryształu zdolnego do obracania się wokół własnej osi. W rzeczywistości oś penetruje środek koła.

Skupiając spektrometr

Jak można wywnioskować z informacji dostępnych dla szerokiego grona osób, obecnie metody i programy analizy dyfrakcji rentgenowskiej o pełnym profilu są trudne do uzyskania, dlatego nie były szeroko stosowane w praktyce. Zauważono, że znacznie bardziej odpowiednią opcją jest metoda refleksji, wymyślona przez Johanna, Johannsona i Kapitsę. Zakłada się użycie wyspecjalizowanego spektrometru. Alternatywą jest technologia sponsorowana przez Couch, Du Mond. Ta opcja nazywa się "na przejściu".

Te szeroko stosowane techniki są obecnie z jednym lub wieloma kanałami. Wielometanowe kwantyle, autrometry są skuteczną metodą wykrywania wielu elementów. Sama praca związana z analizą, zastosowanie takiej technologii jest zautomatyzowane do wysokiego poziomu. Przeważnie urządzenia wyposażone są w rurki, urządzenia, dzięki którym osiąga się zwiększony stopień stabilizacji intensywności badań. Spektrometr wykorzystuje fale z zakresu określonego przez analizator. Pewna określona odległość jest charakterystyczna dla jego płaszczyzn i niemożliwe jest odbijanie takich promieni, których długość jest dwa razy większa lub większa niż analizator międzyplanarny.

Cechy wdrożenia

Obecnie używa się różnych elementów, takich jak kryształy. Najbardziej rozpowszechniona mika, gips, kwarc. Liczniki Geigera działają jak detektory, a także wyspecjalizowane krystaliczne, proporcjonalne. Ostatnio coraz częściej stosuje się tak zwane kwantowe liczniki scyntylacyjne.

Spośród przedmiotów badanych przez różne urządzenia, dość często uwagę naukowców przyciągają ferryty bizmutowe. Wszechstronna analiza dyfrakcyjna promieniowania rentgenowskiego BiFeO3 wielokrotnie stała się głównym tematem prac naukowych z zakresu chemii, zakłada się, że niektóre aspekty nie zostały jeszcze odkryte.

Zakres

Analiza rentgenowska pozwala określić, ile związku zawiera element docelowy, który wzbudza zainteresowanie badacza. Pozwolono na badanie złożonych związków, stopów, metali. Często w ten sposób analizowane są związki ceramiczne, cementowe i plastyczne. Można również zbadać pył lub elementy ścierne. Technologia chemiczna zapewnia dostęp do szerokiej gamy różnorodnych produktów, których cechy można zbadać, wykorzystując promieniowanie rentgenowskie. Najważniejszymi obszarami zastosowania analizy są: geologia, metalurgia, w której aparat służy do identyfikacji mikroskopowych, makroskopowych składników.

Bez ograniczeń do perfekcji

Nie zawsze standardowa instalacja do analizy rentgenowskiej pozwala uzyskać niezbędne informacje o badanym obiekcie. Aby zwiększyć czułość stosowanej metody, dopuszcza się kombinację kilku podejść: radiometrię doskonale łączy się z metodami chemicznymi. Najwyższą czułość określa liczba atomowa wykrywanej substancji, a także średnia liczba próbek. Jeśli mówimy o lekkich elementach, zadanie jest uważane za całkiem proste. Dokładność - 2-5% (względna), waga - odczyty gramów, czas trwania - do dwóch godzin, ale czasami potrzeba tylko kilku minut. Ale wyzwanie jest uważane za trudne, jeśli mówimy o miękkim spektrum, małym Z.

Analiza białka: cechy

Jednym z bardzo ważnych obszarów zastosowania opisanej metody jest analiza białek. Jak wspomniano powyżej, aby uzyskać dokładne informacje o badanym obiekcie, należy go zbadać jako kryształ, ale w stanie normalnym cząsteczka białka nie ma tej formy. Transformacja jest wymagana do analizy.

Jak to działa?

Prawie każde badanie białka w ramach eksperymentu obejmuje biochemiczną metodę ekstrakcji pierwotnej substancji. Materiał biologiczny jest rozdrabniany, białko jest przekształcane w stan rozpuszczony, a potrzebny obiekt jest ekstrahowany z całej mieszaniny, która będzie dalej badana. Pod wieloma względami skuteczność zdarzenia zależy od jakości wydalania białka.

Aby móc korzystać z analizy za pomocą Promieniowanie rentgenowskie konieczne jest tworzenie kryształów. Jeśli połączenie jest trudne, przepływ pracy jest opóźniony przez dłuższy czas. Z reguły nasycony roztwór stosuje się jako wyjściową kompozycję, którą następnie poddaje się obróbce i ciecz odparowuje. Druga opcja obejmuje efekty temperaturowe. Uzyskane komponenty można zbadać w specjalnej instalacji.