Ενόργανη Ανάλυση II Φασματοσκοπία Ακτίνων Χ Όρκουλα Μαλβίνα, Επίκουρη Καθηγήτρια Τμήμα Φαρμακευτικής

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Αναφορά-Μη-Εμπορική Χρήση-Παρόμοια Διανομή

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Πατρών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

Σκοπός ενότητας  Θεμελιώδεις αρχές και εφαρμογές της ατομικής φασματοσκοπία ακτίνων Χ.

Περιεχόμενα ενότητας  Τί είναι ακτίνες – Χ;  Εκπομπή Ακτίνων – Χ  Παραγωγή ακτίνων Χ  Συνεχές φάσμα Ακτίνων – Χ  Φάσμα Ακτίνων-Χ της Ανόδου  Απορρόφηση Ακτίνων – Χ  Διαδικασία απορρόφησης  Που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την απορρόφηση των ακτίνων – Χ;  Περίθλαση Ακτίνων – Χ (X-RAY DIFFRACTION)  Συνθήκη του Bragg για τη θέση των μεγίστων περίθλασης  Νόμος του Bragg για την περίθλαση  Τι λέει η συνθήκη του Bragg;  Φάσμα Περίθλασης Ακτίνων-Χ κόνεως  Φθορισμός Ακτίνων-Χ (X-ray Fluorescence)  Φθορισμός Ακτίνων-Χ – Αναλυτικές εφαρμογές  Φαινόμενο Auger  Ποσοτική ανάλυση – Επίδραση μητρικού περιβάλλοντος  Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του XRF  Φθορισμός Ακτίνων-Χ – Ολική Ανάκλαση  Φθορισμός των Ακτίνων - Χ- Παραδείγματα εφαρμογής

Τί είναι ακτίνες – Χ;  Είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος (από Å έως 100 Å). Στην πράξη από 0.1 Å έως 25 Å.

Φασματοσκοπία Ακτίνων-Χ Εκπομπής Απορρόφησης Περίθλασης Φθορισμού

Εκπομπή Ακτίνων - Χ  Πώς παράγονται οι ακτίνες – Χ? Παράγονται από την πρόσκρουση ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας πάνω σε ένα στόχο.

Δύο διαδικασίες: 1.Από την επιβράδυνση των προσπιπτόντων ηλεκτρονίων λόγω αλληλεπίδρασης με το ηλεκτρικό πεδίο του πυρήνα και των ηλεκτρονίων του ατόμου του στόχου. Η ενέργεια που χάνεται εκπέμπεται σαν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με εύρος μηκών κύματος. Δεν είναι χαρακτηριστική του ατόμου που εκπέμπει. (λευκή ακτινοβολία, ακτινοβολία επιβράδυνσης, συνεχές φάσμα ακτίνων-Χ, white radiation, bremsstrahlung, braking radiation) Παραγωγή ακτίνων Χ

Συνεχές φάσμα Ακτίνων - Χ

2.Το προσπίπτον ηλεκτρόνιο εκτοξεύει ένα ηλεκτρόνιο από την εσωτερική στοιβάδα του ατόμου δημιουργώντας μια «οπή». Σύντομα, ηλεκτρόνιο από εξώτερη στοιβάδα του ατόμου θα μεταπέσει στην οπή.  Η διαφορά ενέργειας μεταξύ των δύο ηλεκτρονιακών σταθμών εκπέμπεται σαν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία χαρακτηριστική του ατόμου που εκπέμπει και είναι στην περιοχή των ακτίνων-Χ.

Εκπομπή Ακτίνων - Χ

Φάσμα Ακτίνων-Χ της Ανόδου

 Αν προκύψει μια ακτίνα – Χ δεν μπορούμε να ξεχωρίσουμε από ποια διεργασία έχει προέλθει (λευκή ακτινοβολία ή ιονισμός εσωτερικής στοιβάδας).  Αυξανομένου του ατομικού αριθμού του ατόμου του στόχου αυξάνεται η λευκή ακτινοβολία γιατί το ηλεκτρικό πεδίο του ατόμου είναι πιο ισχυρό. Οι Κ-γραμμές προκύπτουν από μετάβαση στην Κ-στοιβάδα Οι L-γραμμές προκύπτουν από μετάβαση στην L-στοιβάδα. Το α σημαίνει μετάβαση από την L-στοιβάδα στην Κ. Το β σημαίνει μετάβαση από την Μ στην Κ-στοιβάδα.

 Οι γραμμές Κ εμφανίζονται σε μικρότερα μήκη κύματος σε σχέση με τις L. (Η ενεργειακή διαφορά μεταξύ Κ και L είναι μεγαλύτερη από ότι μεταξύ M και L)  Οι γραμμές β εμφανίζονται σε μικρότερα μήκη κύματος σε σχέση με τις α. (Η ενεργειακή διαφορά μεταξύ Κ και Μ είναι μεγαλύτερη από ότι μεταξύ Κ και L)  Αυξανομένου του ατομικού αριθμού του ατόμου του στόχου οι γραμμές Κ μετατοπίζονται σε μικρότερα μήκη κύματος. (Η ενεργειακή διαφορά μεταξύ Κ και L είναι μεγαλύτερη).  Τα μήκη κύματος των χαρακτηριστικών ακτίνων-Χ είναι ανεξάρτητα από τη φυσική και χημική κατάσταση του ατόμου του στόχου. (Αφορούν ηλεκτρόνια εσωτερικών στοιβάδων που δεν λαμβάνουν μέρος σε δεσμούς)

Απορρόφηση Ακτίνων - Χ  Όταν μια δέσμη ακτίνων – Χ περνά μέσα από υλικό, η ένταση της μειώνεται σαν αποτέλεσμα δύο διεργασιών: α) της απορρόφησης και β) της σκέδασης. Για την απορρόφηση ισχύει: Ι η ένταση x το πάχος του υλικού μ ο συντελεστής γραμμικής απορρόφησης (linear absorption coefficient) ρ η πυκνότητα του υλικού μ Μ ο συντελεστής απορρόφησης μάζας (mass absorption coefficient) ανεξάρτητος της φυσικής και χημικής κατάστασης του υλικού μ Μ =w Α μ Α + w Β μ Β + w C μ C + … Για υλικό που αποτελείται από πολλά στοιχεία:

Ασυνέχεια (adsorption edge – αιχμή απορρόφησης): Η ακτίνα-Χ εκτοξεύει ηλεκτρόνιο εσωτερικής στοιβάδας το οποίο φεύγει με μηδενική κινητική ενέργεια. Μετά την ασυνέχεια: Η ενέργεια της ακτίνας-Χ δεν είναι αρκετή για να διώξει ηλεκτρόνιο και η απορρόφηση μειώνεται απότομα. Πριν την ασυνέχεια: Ηλεκτρόνιο εκτοξεύεται με κινητική ενέργεια (διαφορά ενέργειας). Διαδικασία απορρόφησης

 Οι αιχμές απορρόφησης που αντιστοιχούν σε L ηλεκτρόνιο βρίσκονται σε μεγαλύτερα μήκη κύματος.  Αυξανομένου του ατομικού αριθμού του ατόμου που απορροφά οι Κ αιχμές απορρόφησης μετατοπίζονται σε μικρότερα μήκη κύματος.

Που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την απορρόφηση των ακτίνων – Χ;  Για να κάνουμε τις ακτίνες – Χ μονοχρωματικές. Ζ φίλτρου = Ζ στόχου -1 ή -2

Περίθλαση Ακτίνων – Χ (X-RAY DIFFRACTION) Περίθλαση ακτινοβολίας (γενικά)  Η περίθλαση είναι μια διαδικασία κατά την οποία μια δέσμη παραλλήλων ακτίνων «κάμπτεται» καθώς διέρχεται διαμέσου ενός λεπτού εμποδίου ή μιας μικρής σχισμής. Το αρχικά ευθύγραμμο μέτωπο του κύματος παίρνει τη μορφή τόξου. Η σχισμή συμπεριφέρεται σαν μια πηγή κυμάτων.

 Για να συμβεί περίθλαση θα πρέπει το μέγεθος της σχισμής να είναι συγκρίσιμο με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας. Για τη μελέτη της δομής απαιτούνται αποκλειστικά Ακτίνες - Χ

Συνθήκη του Bragg για τη θέση των μεγίστων περίθλασης O Bragg θεώρησε το κρύσταλλο σαν μια ομάδα παραλλήλων και ισαπεχόντων κρυσταλλικών επιπέδων απόστασης d. Οι θεωρήσεις κατά Bragg είναι:  Οι «ανακλώμενες» από διαδοχικά επίπεδα πρέπει να συμβάλλουν εποικοδομητικά πράγμα που συμβαίνει μόνο για ορισμένες γωνίες προσπτώσεως άρα και ανακλάσεως.  Η απόσταση d μεταξύ των επιπέδων να είναι παραπλήσια του μήκους κύματος της ακτινοβολίας.  Τα άτομα να είναι περιοδικά διατεταγμένα στο χώρο.

Νόμος του Bragg για την περίθλαση n. λ = 2. d. sinθ Συνθήκη Bragg Μονοχρωματική ακτινοβολία (γνωστού μήκους κύματος) θ: Αντιστοιχεί στη θέση της κορυφής της περίθλασης d: Απόσταση μεταξύ διαδοχικών κρυσταλλικών επιπέδων (υπολογίζεται)

Τι λέει η συνθήκη του Bragg; Αν πάνω σε έναν κρύσταλλο προσπέσει ακτινοβολία μήκους κύματος λ κατά μια συγκεκριμένη διεύθυνση και υπάρχει στον κρύσταλλο ομάδα παραλλήλων κρυσταλλικών επιπέδων απόστασης μεταξύ τους d, τα οποία βρίσκονται υπό γωνία θ ως προς την προσπίπτουσα, και είναι τέτοια ώστε να υπάρχει ακέραιος n που να ικανοποιεί τη σχέση: n. λ = 2. d. sinθ τότε θα υπάρξει μέγιστο εντάσεως κατά τη διεύθυνση της ανακλώμενης πάνω σε αυτά τα επίπεδα. Τότε λέμε ότι έχουμε ανάκλαση κατά Bragg τάξεως n (n=1,2,3,…) από τα επίπεδα αυτά κατά γωνία θ. Περίθλαση Ακτίνων – Χ : ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟΤΗΤΑ

Παραδοχές που έχουμε κάνει στη μελέτη:  τα άτομα είναι σημειακοί σκεδαστές ακίνητοι στις πλεγματικές θέσεις.  οι κρύσταλλοι είναι ιδανικοί χωρίς ατέλειες, προσμείξεις κλπ.  η σκέδαση είναι ελαστική.

 Χαρακτηριστικές κορυφές (peaks) της έντασης της περιθλώμενης ακτινοβολίας συναρτήσει κάποιας γωνίας φ. Θέση κορυφήςδιαστάσεις μοναδιαίας κυψελίδας Ένταση κορυφής περιεκτικότητα Φάσμα Περίθλασης Ακτίνων-Χ κόνεως

Περίθλαση των Ακτίνων - Χ Χαρακτηριστικά: Είναι απλή, γρήγορη και εύχρηστη Απαιτεί ελάχιστη ή καθόλου προετοιμασία δείγματος Η ανάλυση γίνεται παρουσία των εκδόχων Δίνει πληροφορίες για τη στερεή κατάσταση (πολυμορφικές φάσεις, ένυδρα άλατα) Επιτρέπει ταυτόχρονο προσδιορισμό δύο ή περισσοτέρων ενεργών συστατικών Είναι μη-καταστροφική για τα δείγματα Περιορισμοί: Μόνο στερεά μπορούν να αναλυθούν Τα στερεά πρέπει να είναι κρυσταλλικά Τα όρια ανίχνευσης δεν είναι πολύ χαμηλά

Φθορισμός Ακτίνων-Χ (X-ray Fluorescence) Φθορισμός = δευτερογενής εκπομπή ακτίνων-Χ Τα μήκη κύματος του φθορισμού είναι ίδια με της εκπομπής από βομβαρδισμό ηλεκτρονίων. Η προσπίπτουσα δεν απαιτείται να είναι μονοχρωματική

Φθορισμός Ακτίνων-Χ – Αναλυτικές εφαρμογές Βρίσκει εφαρμογή στη στοιχειακή ανάλυση (ατομικός αριθμός > 8) Πλεονεκτήματα έναντι άλλων τεχνικών για στοιχειακή ανάλυση: Μη-καταστροφική για το δείγμα Ανιχνεύονται όλα τα στοιχεία ταυτόχρονα Το δείγμα μπορεί να είναι είτε στερεό είτε υγρό  Προσοχή: Διαφοροποίηση με την περίθλαση των ακτίνων-Χ

Φαινόμενο Auger Μη ακτινοβόλος διεργασία (non-radiative process) Ανταγωνιστική διεργασία του Φθορισμού (για ελαφρά άτομα)

Ποσοτική ανάλυση – Επίδραση μητρικού περιβάλλοντος  Η προσπίπτουσα αλλά και η φθορίζουσα μπορεί να απορροφηθούν από τα υπόλοιπα στοιχεία του δείγματος.  Κάποιο άλλο στοιχείο του δείγματος να φθορίσει και αυτή η φθορίζουσα να γίνει προσπίπτουσα για το στοιχείο που μας ενδιαφέρει.

Πλεονεκτήματα: Είναι απλή, γρήγορη και εύκολη τεχνική Είναι κατάλληλη για στοιχειακή ανάλυση Μπορεί να γίνει ανάλυση τόσο στερεών όσο και υγρών δειγμάτων Είναι μη-καταστροφική Περιορισμοί: Δεν μπορούν να αναλυθούν στοιχεία με μικρό ατομικό αριθμό Στην ποσοτική ανάλυση υπάρχει επίδραση του μητρικού περιβάλλοντος Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του XRF

Φθορισμός Ακτίνων-Χ – Ολική Ανάκλαση Διαφορές στη γεωμετρία της διάταξης:  Πρόσπτωση ακτίνων-Χ υπό χαμηλή γωνία (<0.1°)  Ο ανιχνευτής έχει τοποθετηθεί πολύ κοντά στο δείγμα

Σύγκριση με συμβατικό XRF Πολύ καλή ποσοτική ανάλυση (εξάλειψη επίδρασης μητρικού περιβάλλοντος) Πολύ χαμηλά όρια ανίχνευσης (ppb) Μικρή ποσότητα δείγματος Πολύ μικρή ποσότητα δείγματος «Μερικώς» μη-καταστροφικό Σύγκριση με Ατομική Απορρόφηση Δεν απαιτείται πλήρης διάλυση δείγματος (αιώρημα ή λεπτό στρώμα) Δείγματα που μπορούν να αναλυθούν: Υγρά, στερεά, αιωρήματα, λεπτό στρώμα ιστού

Φθορισμός των Ακτίνων - Χ- Παραδείγματα εφαρμογής In-vitro:  Hg σε αίμα, ούρα In-vivo:  Cd στους νεφρούς  U στα κόκαλα  Pb στα δόντια  Ι στο θυρεοειδή αδένα

In-vivo παρακολούθηση της συγκέντρωσης φαρμάκων σε καρκινικούς και υγιείς ιστούς  Βελτιστοποίηση σχέσης δοσολογίας-απόκρισης  Μεγιστοποίηση θεραπευτικού αποτελέσματος  Ελαχιστοποίηση τοξικής δράσης σε υγιείς ιστούς Απαραίτητη για:

In-vivo παρακολούθηση της συγκέντρωσης φαρμάκου στον ανθρώπινο οργανισμό

Πλεονεκτήματα της μεθόδου Γρήγορη και ανώδυνη Δεν εκθέτει όλο το σώμα σε ακτινοβολία Επιλεκτική Μη-επεμβατική

Βιβλιογραφία  Το υλικό της παρουσίασης προέρχεται από το εξής σύγγραμμα: >, Sixth Edition, authors: Douglas A. Skoog, F. James Holler, and Stanley R. Crouch

Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Πατρών, Όρκουλα Μαλβίνα «Φασματοσκοπία Ακτίνων Χ». Έκδοση: 1.0. Πάτρα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση:

Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί

Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει:  το Σημείωμα Αναφοράς  το Σημείωμα Αδειοδότησης  τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων  το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους.

Τέλος Ενότητας