Hispanopedia WikiLa emisión de rayos X inducida por partículas o 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 electromagnética con longitudes de onda en la región de rayos X del espectro electromagnético, específicas de cada elemento. PIXE es una técnica de análisis elemental potente y no destructiva que utilizan habitualmente geólogos, arqueólogos, conservadores de arte y otros profesionales para ayudar a responder preguntas sobre 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. [ 1 ]
Las recientes extensiones de PIXE, que utilizan haces altamente focalizados (hasta 1 μm), ofrecen la capacidad adicional de realizar análisis microscópicos . Esta técnica, denominada microPIXE , permite determinar la distribución de oligoelementos en una amplia gama de muestras. Una técnica relacionada, la emisión de rayos gamma inducida por partículas (PIGE), puede utilizarse para detectar algunos elementos ligeros.
Además, existe un instrumento multiplexado que combina PIXE con espectrometría de masas de moléculas: PDI-PIXE-MS o PIXE-MS.
Teoría
En un experimento PIXE se pueden obtener tres tipos de espectros:
- 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 que orbitan un átomo deben ocupar niveles de energía discretos para ser estables. El bombardeo con iones de energía suficiente (generalmente protones de MeV ), producidos por un acelerador de iones, provoca la ionización de las capas internas de los átomos en una muestra. Los electrones de las capas externas descienden para reemplazar las vacantes de las capas internas; sin embargo, solo se permiten ciertas transiciones. Se emiten rayos X con una energía característica del elemento. Un detector de energía dispersiva se utiliza para registrar y medir estos rayos X.
Solo se pueden detectar elementos más pesados que el flúor . El límite inferior de detección para un haz PIXE viene dado por la capacidad de los rayos X para atravesar la ventana entre la cámara y el detector de rayos X. El límite superior viene dado por la sección transversal de ionización , la probabilidad de ionización de la capa electrónica K, que es máxima cuando la velocidad del protón coincide con la velocidad del electrón (10 % de la velocidad de la luz ); por lo tanto, los haces de protones de 3 MeV son óptimos. [ 2 ]
retrodispersión de protones
Los protones también pueden interactuar con el núcleo de los átomos de la muestra mediante colisiones elásticas ( retrodispersión de Rutherford) , repeliendo a menudo el protón en ángulos cercanos a los 180 grados. La retrodispersión proporciona información sobre el espesor y la composición de la muestra. Las propiedades de la muestra en su conjunto permiten corregir la pérdida de fotones de rayos X dentro de la misma.
transmisión de protones
La transmisión de protones a través de una muestra también puede utilizarse para obtener información sobre ella. La canalización es uno de los procesos que pueden emplearse para estudiar cristales.
Aplicaciones
Análisis de artefactos
MicroPIXE es una técnica útil para el análisis no destructivo de pinturas y antigüedades. Aunque solo proporciona un análisis elemental, puede utilizarse para distinguir y medir capas dentro del espesor de un objeto. [ 3 ] La técnica es comparable con técnicas destructivas como la familia de análisis de plasma acoplado inductivamente (ICP). [ 4 ]
Análisis de células y tejidos
El análisis de células y tejidos completos es posible mediante un haz microPIXE. Este método también se conoce como microscopía nuclear . [ 5 ]
Análisis de proteínas
El análisis de proteínas mediante microPIXE permite determinar la composición elemental de proteínas líquidas y cristalinas . microPIXE puede cuantificar el contenido de metales en moléculas de proteínas con una precisión relativa de entre el 10 % y el 20 %. [ 6 ]
La ventaja de microPIXE radica en que, a partir de una proteína de secuencia conocida, la emisión de rayos X del azufre puede utilizarse como patrón interno para calcular el número de átomos metálicos por monómero proteico. Dado que solo se calculan concentraciones relativas, los errores sistemáticos son mínimos y los resultados son totalmente consistentes internamente.
Las concentraciones relativas de ADN con respecto a las proteínas (y los metales) también pueden medirse utilizando los grupos fosfato de las bases como calibración interna.
Escritura con haz de protones
Los haces de protones pueden utilizarse para la escritura ( escritura con haz de protones ) mediante el endurecimiento de un polímero (por reticulación inducida por protones ) o mediante la degradación de un material sensible a los protones. Esto puede tener importantes repercusiones en el campo de la nanotecnología .
Exploración
Mediante el escaneo del haz microPIXE a través del objetivo, se pueden generar mapas bidimensionales de la composición elemental.
PDI-PIXE-MS
La espectrometría de masas por emisión de rayos X inducida por partículas con ionización por desorción de partículas (PIXE-MS) es una técnica que combina PIXE con la espectrometría de masas de moléculas. Las determinaciones elementales se realizan mediante PIXE con un ion pesado , como el oxígeno, mientras que simultáneamente se recolectan los iones moleculares para su análisis de masas en un espectrómetro de masas cuadrupolar o un instrumento de tiempo de vuelo (TOF). [ 7 ] La ICP-MS solo determina los constituyentes elementales mediante espectrometría de masas, no la información molecular. Se puede realizar un escaneo secuencial con un haz de iones de hidrógeno y luego un haz de iones pesados para desorber e ionizar la muestra del analito . Esta técnica permite el análisis tanto de los constituyentes elementales como de los iones moleculares, o especiación molecular, presentes en una muestra, utilizando un haz de iones pesados. Esto utiliza, típicamente, un acelerador de 4 MeV con muestras preparadas en glicerol , sobre fieltro de carbono. [ 8 ]
Análisis de datos
El análisis de los datos recopilados puede realizarse mediante los programas Dan32, [ 9 ] la interfaz de gupix. [ 10 ] [ 11 ]
Limitaciones
Para obtener una señal de azufre significativa en el análisis, el tampón no debe contener azufre (es decir, no debe contener compuestos como BES, DDT , HEPES , MES , MOPS O ni PIPES ). También debe evitarse el exceso de cloro en el tampón, ya que se superpondrá con el pico de azufre; el KBr y el NaBr son alternativas adecuadas.
Debido a la baja profundidad de penetración de los protones y las partículas cargadas pesadas, la técnica PIXE se limita al análisis del micrómetro superior de una muestra determinada.
Ventajas
El uso de un haz de protones presenta muchas ventajas sobre un haz de electrones . La carga del cristal por radiación de frenado es menor , aunque existe cierta carga por la emisión de electrones Auger , y es significativamente menor que si el haz primario fuera un haz de electrones.
Debido a la mayor masa de los protones en relación con los electrones, la desviación lateral del haz es menor; esto es importante para las aplicaciones de escritura con haces de protones.
Referencias
- ↑ Mini-CV de Roland Akselsson - consultado el 29/01/2008
- ↑ Ishii, K.; Morita, S. (agosto de 1988). "Estimación teórica de los límites de detección de PIXE" . Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms . 34 (2): 209– 216. Bibcode : 1988NIMPB..34..209I . doi : 10.1016/0168-583X(88)90745-8 .
- ↑ Grassi, N., et al. Mediciones diferenciales PIXE para el análisis estratigráfico de la pintura "Madonna dei fusi" 10.ª Conferencia Internacional PIXE (2004) - consultado el 29 de enero de 2008. Archivado el 8 de septiembre de 2007 en Wayback Machine .
- ↑ Ludovic Bellot-Gurlet et al [doi:10.1016/j.nimb.2005.06.216] "Estudios de procedencia de obsidiana en arqueología: una comparación entre PIXE, ICP-AES e ICP-MS", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 240 (2005) 583–588, consultado el 20 de junio de 2021
- ↑ Garman, Elspeth; Grime, Geoffery (octubre de 2005). "Análisis elemental de proteínas mediante microPIXE" . Progress in Biophysics and Molecular Biology . 89 (2): 173–205 . doi : 10.1016/j.pbiomolbio.2004.09.005 . PMID 15910917. Consultado el 25 de junio de 2023 .
- ↑ Garman, EF; Grime, GW (2005). "Análisis elemental de proteínas mediante microPIXE". Progress in Biophysics and Molecular Biology . 89 (2): 173– 205. doi : 10.1016/j.pbiomolbio.2004.09.005 . PMID 15910917 .
- ↑ "ISBNpixems.docx" .
- ↑ "PDI-PIXE-MS: Espectrometría de masas por emisión de rayos X inducida por partículas con ionización por desorción de partículas" . ResearchGate .
- ↑ Geoffrey W Grime Dan32: Novedades recientes en la interfaz de Windows para Gupix. Décima Conferencia Internacional sobre Emisión de Rayos X Inducida por Partículas, Portorož, Eslovenia, 2004
- ↑ Maxwell, J; Teesdale, W; Campbell, J (1995). "El paquete de software Guelph PIXE II". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B . 95 (3): 407. Bibcode : 1995NIMPB..95..407M . doi : 10.1016/0168-583X(94)00540-0 .
- ↑ Campbell, J (2000). "El paquete de software Guelph PIXE III: base de datos de protones alternativa". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B . 170 ( 1– 2): 193. Bibcode : 2000NIMPB.170..193C . doi : 10.1016/S0168-583X(00)00156-7 .
Enlaces externos
- Examen de la Virgen del Hilandero de Leonardo da Vinci mediante PIXE.
- Aplicación de PIXE al estudio de la joyería de oro esmaltada de estilo renacentista.
- (PDF) PDI-PIXE-MS: Espectrometría de masas por emisión de rayos X inducida por partículas con ionización por desorción de partículas
- (PDF) PIXEMS PNNL031209 – Presentación del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico – "Espectrometría de masas por emisión de rayos X inducida por partículas con ionización por desorción de partículas" – PDI-PIXE-MS.
- (PDF) Sproch, N., Ashbaugh, MD, Morse, D., Grant, P., McIntyre Jr., LC, Antolak, A., Fernando, Q., "PD/PIXE-MS: Espectrometría de masas por emisión de rayos X inducida por partículas y desorción de partículas", Actas de la 49.ª Conferencia ASMS sobre espectrometría de masas y temas afines; Chicago, IL, 27-31 de mayo de 2001.
- Métodos de haces de iones
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