Nye spektrometre øger effektiviteten af ​​røntgenanalyser betydeligt

Såkaldte Fresnel zone pladespektrometre tilbyder nye og mere effektive måder at udføre eksperimenter på ved hjælp af bløde røntgenstråler. I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Optics Express, forskere har præsenteret designet til en refleksionszoneplade, der forenkler de ekstremt komplicerede målinger på kemisk og biologisk relevante systemer, der hidtil har været vanskelige at gennemføre. En anden undersøgelse, offentliggjort i tidsskriftet Videnskabelige rapporter , præsenterer et spektrometer, der bruger en transmissionszoneplade, som kan bruges til at udføre komplekse undersøgelser af sådanne systemer i et lille antal trin. Disse undersøgelser blev udført af forskere, der arbejdede på DESY, Helmholtz Center for Materialer og Energi i Berlin, Paul Scherrer Institute i Schweiz og Göttingen Campus (Göttingen University og Max Planck Institute for Biophysical Chemistry).

At studere den elektroniske struktur af materialer kan være nyttigt inden for en række forskellige videnskabelige områder. "Vi kan bruge strukturen af ​​elektronerne eller elektronkonfigurationen af ​​et system til at udlede ting som bindingsstatus for individuelle kemiske elementer, selv i uordnede materialer, "siger DESYs Zhong Yin, der spillede en central rolle i begge undersøgelser. En metode til undersøgelse af denne struktur er kendt som resonant uelastisk røntgenspredning (eller "RIXS"), en multidimensionel metode til røntgenspektroskopi. I denne metode, elektronerne i en prøve eksiteres ved hjælp af røntgenstråler og udsender derefter til gengæld selv højenergirøntgenstråler. Hvert kemisk element producerer et karakteristisk mønster af røntgen excitationer og emissioner, med specifikke energiniveauer over tid. Dette mønster kan læses ved at variere excitationsenergien for røntgenstrålerne og derefter bruge optiske systemer til at lede røntgenfotoner, der udsendes til en detektor og adskille dem med bølgelængde.

Et problem med denne procedure er, at især lettere elementer, som spiller en vigtig rolle i biologi, udsender kun meget lidt stråling, når de er spændte. "I komplekse kemiske og biokemiske reaktioner, der forekommer inde i væsker, konventionelle RIXS -metoder kan give vigtige og detaljerede oplysninger om de eksisterende elektroniske strukturer, takket være deres spektrale opløsning. Imidlertid, prøverne skal være til stede i store mængder og det betyder, at udførelse af RIXS -målinger på biologisk relevante systemer kan være meget dyrt og kompliceret, "forklarer DESYs førende forsker Simone Techert, som er professor ved universitetet i Göttingen, og som var ansvarlig for implementeringen af ​​zonepladerne, det kemiske miljø og analysen. "De nye refleksions- og transmissionszonepladespektrometre kan kombineres med flydende stråler, eller andre hurtigt udskiftelige prøvemiljøer, at tillade betydeligt mere effektive RIXS-undersøgelser af prøver med lav koncentration i området bløde røntgenstråler, som kan bruges til at undersøge prøver bestående af kulstof og nitrogen. "

Som et optisk værktøj, refleksionszoneplader er allroundere:de kan reflektere optisk lys eller røntgenstråler og samtidig fokusere det. Når det er passende belyst, de kan samtidigt adskille de enkelte bølgelængder rumligt, så disse kan måles forskellige steder på en detektor. "Refleksionszoneplader er slags det næste logiske trin i røntgenoptik, "siger Jens Rehanek fra Paul Scherrer Institute. Sammen med Zhong Yin, han designede eksperimenterne til disse nye anvendelser af zoneplader. "De ligner meget konventionelle røntgenspektrometre med hensyn til deres måde at arbejde på, men de kan fokusere lyset ikke kun på en linje, men på et enkelt punkt. "Da zoneplader derudover er placeret tættere på prøven, svage signaler kan måles meget mere effektivt. Forskerne brugte et trick til at komme uden om en af ​​ulemperne ved zoneplader:det snævrere energiområde, de kan bruges til at måle. De placerede zonepladen lidt længere fra prøven end normalt, giver dem mulighed for at måle et bredere spektrum af energier med en lignende høj opløsning som konventionelle spektrometre. "Spektrometeret, vi byggede ved hjælp af reflektionszonepladen, tilbyder høj effektivitet og en god opløsning med høj båndbredde og kan bruges til små prøver, "understreger Rehanek. Både teorien og teknologien til refleksionszoneplader blev udviklet på Institute for Nanometer Optics and Technology ved Berlin Helmholtz Center for Materials and Energy (HZB) siden 2008 af et team under ledelse af Alexei Erko, og bruges inden for forskellige områder til synkrotron- og FEL-eksperimenter samt røntgenlab-applikationer.

I en anden undersøgelse, forskerne udviklede et spektrometer baseret på et lignende optisk system, der også kan bruges til at undersøge komplekse kemiske og biokemiske reaktioner. Fresnelzoneplader kan ikke kun bruges til at reflektere røntgenstråler; som transmissionszoneplader, de fokuserer også de udsendte røntgenstråler og adskiller dem i forskellige bølgelængder. Transmissionszonepladerne fremstillet ved Paul Scherrer Institute (PSI) i Schweiz består af en tynd membran, der er gennemsigtig for røntgenstråler, og de fungerer meget som linser med synligt lys. Forskningsgruppen brugte disse zoneplader til at demonstrere, at deres særlige egenskaber kan bruges til at måle strålespektre særligt effektivt.

Også her, forskerne brugte det faktum, at zonepladen er i stand til at fokusere lys i to retninger, gør det muligt at udføre røntgenbillede metoder ved hjælp af spektral information og at optage en enkelt, multidimensionalt røntgenspektrum, et såkaldt "RIXS-kort", samtidigt for flere forskellige hændelsesenergier. Dette betyder, at transmissionszoneplader kan bruges til at studere rumlige forskelle i et udsendt spektrum meget hurtigt, og endda skabe et billede af prøveoverfladen. "I princippet, dette er også muligt ved hjælp af et konventionelt RIXS -spektrometer, "siger Christian David, direktøren for Institute for Nanooptics på PSI, der var ansvarlig for design og fremstilling af zonepladen, "men takket være transmissionszonepladernes særlige billeddannelsesegenskaber, vi var i stand til at udføre disse målinger parallelt (snarere end punkt for punkt), hvilket fremskynder proceduren med en faktor hundrede. "

Begge disse nye udviklinger tilbyder et alternativ til eksisterende røntgenspektrometre. Eksperimenter, der ser på forløbet af kemiske og biokemiske reaktioner over tid, kan især drage fordel af deres høje effektivitet. "Da spektrometrene kun bruger et enkelt optisk system, de er meget kompakte og derfor meget fleksible i måderne de kan bruges på, "siger Felix Marschall fra PSI, den første forfatter til undersøgelsen i Videnskabelige rapporter . Imidlertid, de nye metoder er stadig i de tidlige udviklingsstadier, og potentialet fra zoneplader er endnu ikke fuldt ud udnyttet:"Vi arbejder allerede på andre undersøgelser, som yderligere vil forbedre opsætningen og teste yderligere anvendelser til zonepladerne, "siger DESYs Jens Viefhaus, der overvågede testmålingerne ved hjælp af de nye spektrometre ved DESYs røntgenkilde PETRA III.