Analiza rentgenske difrakcije - kaj je to?

Leto 1895 se je izkazalo za izjemno pomembno za znanost in kmalu za ves svet - to je bilo prvič, ko so odkrili rentgenske žarke, brez katerih si je danes težko predstavljati naše življenje. Beseda je grozna, vsi se ga bojijo: to je študija, ki ubija! Po nesrečah v jedrski elektrarni se kri v venah ohladi. Vendar pa so vsi slišali za tragedije, vendar le malo ljudi ve o koristih, ki jih je to odkritje dalo ljudem. In ne govorimo le o posebnih slikah - komajda edina učinkovita metoda za identifikacijo številnih patologij. Drugo področje uporabe žarkov - rentgenska analiza kovin, beljakovin in drugih spojin.

O čem govorimo

Rentgenski žarki - elektromagnetna nihanja. Posebnost je majhna dolžina, primerljiva z atomskimi dimenzijami. Vir sevanja so hitri elektroni, ki vplivajo na atomsko strukturo. Trenutno je sevanje našlo uporabo v znanstvenem in tehničnem sektorju.

Značilnosti žarkov so bile odkrite leta 1912 med testi, ki so jih izvedli nemški znanstveniki Knipping, Friedrich in Laue. Pregled atomske mreže je razkril dejstvo difrakcije. Če tvorite ozek žarek sevanja in ga usmerite na kristal, zagotovite, da je še vedno, lahko dobite delno sliko na fotografski plošči, ki se nahaja za kristalom. Tako dobljeni odsev je bil urejen sistem madežev, od katerih je vsak sledil določenemu žarku, ki ga je razpršil vpliv kristala. Odločili smo se, da sliko imenujemo Lauegram. To je bila osnova za rentgensko strukturno analizo kristalov, ki se razvija in izboljšuje v sodobnem času.

Skrivnosti nasproti znanosti

Rentgenska strukturna analiza, uporabljena v biologiji, je omogočila prodreti v skrivno bistvo življenja. Vendar pa je vredno omeniti, da je bila kvantna fizika temelj za vse - ona je tista, ki daje utemeljitev za pojave, ki jih spoznavamo s pomočjo rentgenskih žarkov. Znano je, da so okoliški prostor, telesa, predmeti oblikovani z molekulami, atomi, zloženimi v različne sistematizirane, urejene strukture. Prepoznavanje lastnosti določene snovi se lahko izvede le eksperimentalno. Danes je uporaba rentgenske analize učinkovita, natančna, sodobna metoda za določanje atomske strukture.

Za pridobitev koristnih informacij je potrebno uporabiti eksperimentalne objekte, kjer valovi „delujejo“, katerih dolžina je deset na minus desetine (!) Metrov. To je lestvica razdalj na atomski ravni. Za povprečnega človeka, daleč od fizike, ni mogoče niti zamisliti takšnih majhnih vrednot - vendar jih znanstveniki ne le vidijo, ampak tudi analizirajo, prisiljeni delati in proizvajajo še več informacij, ki jih človeštvo potrebuje za razumevanje sveta in njegovih zakonov.

Strukture in tehnike

Poskusi iz leta 1912 so omogočili oblikovanje osnovnih načel rentgenske strukturne analize, saj so znanstveniki dobili učinkovito metodo za identifikacijo položaja molekul, atomov znotraj kristala. Sčasoma smo uspeli zbrati tudi informacije o notranji strukturi molekul. Nove informacije so hitro pritegnile pozornost najsvetlejših možkov tega časa, dva britanska znanstvenika, oče in sin Bragg, pa sta se lotila dela, ki še vedno razvija rentgensko strukturno analizo. Ustvarili so metodo, s katero je človeštvo lahko zelo natančno določilo molekularno, mineralno strukturo.

Sčasoma se je pozornost znanstvenikov izkazala za vse bolj kompleksne objekte, vendar se je rentgenska difrakcijska analiza izkazala za presenetljivo univerzalno. Postopoma je čakalna vrsta dosegla žive molekule. Težko si je predstavljati, kako pomembna je metoda rentgenske difrakcijske analize v biologiji. Skoraj takoj, znanstveniki so bili soočeni s številnimi težavami, in na prvem mestu - problem izolacije kristalov. Ena molekula je več deset tisoč atomov, zaradi česar je bila slika tako zapletena v sliko, da je bilo nemogoče obnoviti koordinate. Toda to je šele začetek: pretekla so leta, metoda se je izboljšala, zdaj je ta problem že rešen.

Rentgenska analiza proteinov

Najpomembnejše raziskave, povezane s to temo, so bile organizirane v laboratoriju Cavendish. Vodila jih je omenjena Britanka Bragg. Kot tehnična naloga je bila oblikovana naloga identifikacije prostorske strukture beljakovin. Takšen cilj je bil logičen: sredi prejšnjega stoletja je obstajalo mnenje, da je najpomembnejša molekula živega sveta beljakovina. Da bi razložili idejo, je bil argument dejstvo, da so kemične reakcije sprožene v celičnih encimih, ki jih spodbujajo, obstajajo samo proteini. Iz tega so znanstveniki naredili logičen zaključek, da so beljakovine glavni gradbeni material žive celice in da bi obvladovanje vseh značilnosti njegove strukture dalo odgovor na vsa vprašanja, povezana z življenjskim dejstvom. In za preučevanje strukture je pomagala metoda rentgenske analize.

Torej je poudarek na kompleksnem polimeru - proteinu, katerega povezave so monomeri, aminokislinski ostanki. Študije so pokazale, da so vedno linearne, struktura pa je konstantna z naraščajočimi temperaturami, celo do točke, ko je biološka aktivnost popolnoma zavrta. Na podlagi prejetih informacij je postalo jasno, da samo aminokislinski ostanki v pravilnem zaporedju še vedno ne morejo zagotoviti možnosti življenja, prav tako potrebujemo pravilno razporeditev skupin v prostoru.

Uspeh je pri roki

V laboratorijskih pogojih je rentgenska analiza pomagala rešiti problem, ki so ga postavili znanstveniki. Uspeh je prišel sredi petdesetih let, in odkriti so bili Perutz, Kendrew. Zahvaljujoč njim svet zdaj ve, da ima protein tridimenzionalno strukturo. Enako pomembne so tudi druge informacije, ki jih različni znanstveniki pridobijo pri raziskovanju in testiranju, da bi dosegli cilj. Veliko takrat pridobljenih podatkov je v prihodnosti pomagalo preprečiti napake in narediti analizo celic rentgenskih žarkov enostavnejšo.

Zdaj, z uporabo razvite tehnologije, je mogoče preučiti atom katerekoli snovi in ​​določiti vse specifične lastnosti celice, vključno z lokacijo v prostoru, obliki in dimenzijah. Analiza rentgenske difrakcije razkriva skupino kristalne simetrije. Danes je ta metoda določanja strukture snovi bolj razširjena kot katera koli druga zaradi njene razmeroma nizke cene, enostavnosti izvajanja.

Rentgenski spektri

Ta koncept je eden ključnih za teorijo rentgenske analize. Običajno je govoriti o dveh vrstah: značilnost, bremsstrahlung. Zaviranje zaradi ustreznega gibanja elektronov. Ta pojav se lahko sproži v laboratorijskih pogojih z aktiviranjem anti-katode naprave. Znanstvenik dobi dostop do omejenega širokega razpona. Kako bo meja postavljena, ni odvisna od snovi, kar je v celoti posledica energetskih zalog usmerjenih elektronov. Zavorni spekter postane intenzivnejši, če so usmerjeni delci lažji in vzbujanje elektronov omogoča doseganje zelo visokih vrednosti.

Značilno sevanje, ki se uporablja pri metodi rentgenske analize, spremlja gibanje elektronov. Delci, ki se nahajajo na notranji atomski plasti, so izklopljeni, nabiti delec prehaja iz zunanje plasti v notranjost, celoten proces spremlja določena značilnost - specifičen spekter, ki je v mnogih pogledih podoben lastnim plinastim snovem. Glavna razlika med temi spektri je v odvisnosti (ali njeni odsotnosti v primeru rentgenskega pregleda) na elementu, ki povzroča nastanek pojava.

Rentgen, rezultat in objekt

Kot so pokazali testi, opravljeni z uporabo različnih spojin, je rentgenska analiza do neke mere določena z značilnostmi, ki se odražajo skozi zaporedno številko Mendelejeve tabele: večja kot je ta vrednost, močnejši je premik v kratkovalovni spekter. Leta 1913 je bilo dokazano: izpisano iz vrednosti frekvence kvadratni koren linearno povezan z atomsko številko. V prihodnje je bil ta vzorec uporabljen za utemeljitev Mendelejeve mize.

Upoštevati je treba, da imajo različni elementi različen spekter. Hkrati pa ni odvisnosti od vzbujljivosti za oddajanje rentgenske luminescence v prosti obliki, ki bi se združila z drugimi kemijskimi elementi. Na podlagi podatkov je bilo mogoče izvesti rentgensko strukturno analizo, ki se je uporabljala za kompleksne strukturirane objekte. Identificirane specifikacije so postale temelj za določanje specifičnosti analitične metode, danes pa se pogosto uporabljajo.

Rentgenska analiza: teorija in praksa

Trenutno je ta metoda analize razvrščena kot kemična sekcija, ki se uporablja za analizo sestave materiala. Intenzivnost sevanja je določena s številom atomov, vključenih v proces. Vznemirjenje povzroča bombardiranje elektronov, obsevanje. V prvem primeru govorijo o neposrednem vzbujanju, ko so izpostavljeni rentgenskim žarkom - fluorescentno (sekundarno). Kvant primarnega sevanja mora imeti energijske rezerve, ki presegajo stroške iztrebljanja elektrona iz njegovega položaja. Bombardiranje postane vzrok za določen spekter in sevanje - neprekinjeno, z visoko intenzivnostjo. Če predvidevamo sekundarno vzbujanje, rezultat vsebuje linijski spekter.

Primarno vznemirljivost spremlja segrevanje snovi. Fluorescenca ne povzroča takšnega učinka. Pri primarni metodi je cev napolnjena s snovjo, kjer se ustvari visok vakuum, za fluorescentno metodologijo pa je potrebno objekt postaviti na rentgensko pot. Stanje vakuuma tukaj ni pomembno. To je zelo priročno: po pregledu enega predmeta lahko vzamete vzorec in postavite naslednjega, postopek je preprost in skoraj ne potrebuje časa. Hkrati je intenzivnost sekundarnega sevanja tisočkrat šibkejša v primerjavi s primarno metodo. Vendar pa se metoda rentgenske analize celice običajno izvede s točno sekundarno fluorescentno sevanjem, kar pomeni prisotnost hitrih elektronov.

Kaj se uporablja?

Za analizo morate imeti na voljo posebno napravo. Analizo rentgenske difrakcije s polnim profilom izvedemo z difraktometrom. Obstaja tudi fluorescenčni spektrometer. Ta naprava je sestavljena iz treh ključnih vozlišč: cev, analizator, detektor. Prvi je vir sevanja, ki vpliva na fluorescenčni spekter proučevanega materiala. Za pridobitev spektra je potreben analizator. Detektor prenaša informacije o intenzivnosti, naslednji korak je zapis rezultatov poskusa.

V praksi se pogosto uporablja tak spektrometer: sevalni vir, detektor, ki se nahaja na specializiranem krogu, osrednje mesto pa pripada kristalu, ki se lahko vrti okoli lastne osi. Dejansko os prodre v središče kroga.

Spektrometer za fokusiranje

Kot je mogoče sklepati iz informacij, ki so dostopne širokemu krogu ljudi, je trenutno težko dostopati do metod in programov rentgenske difrakcijske analize s polnim profilom, zato jih v praksi niso široko uporabljali. Opozoriti je treba, da je mnogo pomembnejša možnost metoda refleksije, ki so jo izumili Johannon, Johannson in Kapitsa. Predpostavlja se uporaba specializiranega spektrometra. Druga možnost je tehnologija, ki jo sponzorira Couch, Du Mond. Ta možnost se imenuje "ob prehodu".

Te široko uporabljene tehnike so trenutno z enim ali večimi kanali. Večkanalni kvantometri, avtrometri so učinkovita metoda za odkrivanje več elementov. Delo, ki je povezano z analizo, je uporaba takšne tehnologije avtomatizirana na visoki ravni. Večinoma so naprave opremljene s cevmi, napravami, zaradi katerih postane dosegljiva povečana stopnja stabilnosti študija. Spektrometer uporablja valove iz območja, ki ga določa analizator. Za njegove ravnine je značilna določena posebna razdalja in takih žarkov je nemogoče odsevati, katerih dolžina je dvakrat ali večja od medplanarnega analizatorja.

Značilnosti izvajanja

Trenutno uporabljajo različne elemente kot kristale. Najbolj razširjena sljuda, sadra, kremen. Geigerovi števci delujejo kot detektorji, kot tudi specializirani kristalni, proporcionalni. V zadnjem času se vse pogosteje uporabljajo ti kvantni scintilacijski števci.

Med predmeti, ki jih raziskujejo različne naprave, je zelo pogosto pozornost raziskovalcev privlačna za bizmutove ferite. Analiza rentgenske difrakcije BiFeO3 s polnim profilom je večkrat postala glavna tema znanstvenega dela na področju kemije. Predpostavlja se, da je treba nekatere vidike še odkriti.

Področje uporabe

Rentgenska analiza vam omogoča, da ugotovite, koliko sestavina vsebuje ciljni element, ki vzbudi zanimanje raziskovalca. Dovoljeno je raziskovanje kompleksnih spojin, zlitin, kovin. Pogosto se na ta način analizirajo keramične, cementne in plastične zmesi. Raziskati je mogoče tudi prah ali abrazivne sestavine. Kemijska tehnologija omogoča dostop do široke palete različnih izdelkov, katerih značilnosti je mogoče raziskati z uporabo rentgenskih žarkov. Najpomembnejša področja uporabe analize so geologija, metalurgija, kjer se aparat uporablja za identifikacijo mikroskopskih, makroskopskih komponent.

Ni meja popolnosti

Ni vedno standardna namestitev za rentgensko analizo omogoča pridobitev potrebnih informacij o predmetu, ki ga proučujemo. Za povečanje občutljivosti uporabljene metode je dovoljena kombinacija več pristopov: radiometrija se odlično kombinira s kemičnimi metodami. Najvišja občutljivost je določena z atomskim številom zaznane snovi in ​​s povprečno številko vzorca. Če govorimo o svetlobnih elementih, je naloga zelo preprosta. Natančnost - 2-5% (relativna), gramatika za branje teže, trajanje - do dve uri, včasih pa je potrebnih le nekaj minut. Izziv pa je težaven, če govorimo o mehkem spektru, majhnem Z.

Analiza beljakovin: značilnosti

Eno od zelo pomembnih področij uporabe opisane metode je beljakovinska analiza. Kot smo že omenili, je treba za pridobitev natančnih informacij o predmetu, ki ga proučujemo, raziskati kot kristal, toda v normalnem stanju beljakovinska molekula nima te oblike. Transformacija je potrebna za analizo.

Kako se to dogaja?

Skoraj vsaka študija beljakovin v okviru poskusa vključuje biokemično metodo za ekstrakcijo prvotne snovi. Biološki material se zdrobi, beljakovina se pretvori v raztopljeno stanje in potreben predmet izoliramo iz celotne zmesi, kar bomo nadalje raziskali. Na veliko načinov je učinkovitost dogodka odvisna od kakovosti izločanja beljakovin.

Da bi lahko uporabili analizo Rentgensko sevanje potrebno je oblikovati kristale. Če je povezava težavna, je potek dela dolgotrajen. Kot začetni sestavek praviloma uporabimo nasičeno raztopino, ki jo nato obdelamo in tekočino uparimo. Druga možnost vključuje učinke temperature. Nastale komponente je mogoče raziskati v posebni napravi.