Rendgenska difrakcijska analiza - što je to?

Godina 1895. se pokazala izuzetno važnom za znanost, a uskoro i za cijeli svijet - to je bilo prvi put da su otkrivene rendgenske zrake, bez kojih je danas teško zamisliti naš život. Riječ je strašna, svi ga se boje: to je studija koja ubija! A nakon katastrofa u nuklearnoj elektrani, krv u venama prolazi hladno. Međutim, svi su čuli za tragedije, ali malo tko zna o prednostima koje je to otkriće dalo ljudima. I ne govorimo samo o posebnim slikama - teško da je to jedina učinkovita metoda za identifikaciju mnogih patologija. Još jedno područje primjene zraka - rendgenska analiza metala, proteina i drugih spojeva.

O čemu govorimo

X-zrake - elektromagnetske oscilacije. Posebnost je mala duljina usporediva s atomskim dimenzijama. Izvor zračenja su brzi elektroni koji utječu na atomsku strukturu. Trenutno je radijacija našla primjenu u znanstvenom i tehničkom sektoru.

Značajke zraka su otkrivene 1912. godine tijekom testova koje su proveli njemački znanstvenici Knipping, Friedrich i Laue. Ispitivanje atomske rešetke otkrilo je činjenicu difrakcije. Ako formirate uski snop zračenja i usmjerite ga prema kristalu, osiguravajući da je još uvijek, možete dobiti frakcijsku sliku na fotografskoj ploči koja se nalazi iza kristala. Tako dobiveni odraz bio je uređen sustav točaka, od kojih je svaki bio trag određenog zraka raštrkanog utjecajem kristala. Odlučeno je nazvati sliku kao Lauegram. To je osnova za rendgensku strukturnu analizu kristala, koja se razvija i poboljšava u modernim vremenima.

Tajne u odnosu na znanost

Rendgenska strukturna analiza primijenjena u biologiji omogućila je prodiranje u tajnu bit života. Međutim, vrijedno je napomenuti da je kvantna fizika bila temelj svega - ona je ona koja daje razloge za fenomene koje sada spoznajemo pomoću rendgenskih zraka. Poznato je da su okolni prostor, tijela, objekti formirani molekulama, atomima, presavijenim u različitim sistematiziranim, uređenim strukturama. Identificiranje svojstava određene tvari može se provesti samo eksperimentalno. Danas je X-ray analiza učinkovita, točna, moderna metoda za određivanje strukture atoma.

Da bi dobili korisne informacije, potrebno je koristiti eksperimentalne objekte, gdje valovi „rade“, čija je duljina deset na minus desetog stupnja (!) Metara. To je mjerilo udaljenosti na atomskoj razini. Za prosječnu osobu, daleko od fizike, nije moguće čak ni zamisliti takve sićušne vrijednosti - ali znanstvenici ih ne samo da mogu vidjeti, nego i analizirati, prisiljeni raditi i proizvesti još više informacija potrebnih čovječanstvu da razumije svijet i njegove zakone.

Strukture i tehnike

Eksperimenti iz 1912. omogućili su formuliranje osnovnih načela rendgenske strukturne analize, budući da su znanstvenici dobili učinkovitu metodu za identifikaciju položaja molekula, atoma unutar kristala. Tijekom vremena uspjeli smo prikupiti i informacije o unutarnjoj strukturi molekula. Nove informacije brzo su privukle pozornost najsjajnijih umova tog vremena, a dvojica britanskih znanstvenika, otac i sin Bragg, preuzeli su rad na još uvijek razvojnoj rendgenskoj strukturnoj analizi. Stvorili su metodu kojom je čovječanstvo moglo vrlo točno odrediti molekularnu, mineralnu strukturu.

Tijekom vremena, fokus pažnje znanstvenika pokazao se sve složenijim objektima, ali se rendgenska difrakcijska analiza pokazala iznenađujuće univerzalnom. Postupno je red došao do živih molekula. Teško je zamisliti koliko je danas značajna metoda rendgenske difrakcijske analize u biologiji. Gotovo odmah, znanstvenici su se suočili s brojnim poteškoćama, a na prvom mjestu - problemom izoliranja kristala. Jedna molekula je nekoliko desetaka tisuća atoma, zbog čega je slika tako zapletena u sliku da je nemoguće vratiti koordinate. Ali to je tek početak: prošle su godine, metoda je poboljšana, sada je taj problem već riješen.

Rendgenska analiza proteina

Najznačajnija istraživanja vezana za ovu temu organizirana su u Laboratoriju Cavendish. Njih je vodio spomenuti Briton Bragg. Kao tehnički zadatak formuliran je zadatak identifikacije prostorne strukture proteina. Takav cilj bio je logičan: sredinom prošlog stoljeća postojalo je mišljenje da je najvažnija molekula živog svijeta protein. Da bi objasnili tu ideju, argument je bio činjenica da su kemijske reakcije izazvane u stanicama - enzimi koji ih stimuliraju, postoje samo proteini. Iz toga su znanstvenici napravili logičan zaključak da je protein glavni građevni materijal žive stanice, a ovladavanje svim obilježjima njegove strukture dalo bi odgovor na sva pitanja vezana uz životnu činjenicu. A da bi se proučila struktura, pomogla je metoda rendgenske analize.

Dakle, fokus je na složenom polimeru - proteinu, čije su veze monomeri, aminokiselinski ostaci. Istraživanja su pokazala da su uvijek linearna, a struktura je konstantna s porastom temperature, čak i do točke gdje je biološka aktivnost potpuno inhibirana. Na temelju dobivenih informacija postalo je jasno da samo aminokiselinski ostaci u ispravnom slijedu još uvijek ne mogu pružiti mogućnost života, također nam je potreban ispravan raspored skupina u prostoru.

Uspjeh je pri ruci

Primijenjena u laboratorijskim uvjetima, rendgenska analiza pomogla je riješiti problem postavljen znanstvenicima. Uspjeh je došao sredinom pedesetih godina, a otkrivači su bili Perutz, Kendrew. Zahvaljujući njima, svijet sada zna da protein ima trodimenzionalnu strukturu. Jednako su važne i druge informacije dobivene od različitih znanstvenika tijekom istraživanja i testiranja u pokušaju postizanja cilja. Mnogi podaci dobiveni u to vrijeme, ubuduće, pomogli su izbjeći pogreške i pojednostavili analizu stanica.

Trenutno, koristeći razvijenu tehnologiju, moguće je proučiti atom bilo koje tvari i odrediti sve specifičnosti jedinične ćelije, uključujući njezino mjesto u prostoru, obliku i dimenzijama. Analiza difrakcije X-zraka otkriva skupinu kristalnih simetrija. Danas je ova metoda određivanja strukture tvari raširenija od bilo koje druge, zbog njezine relativno niske cijene, jednostavnosti implementacije.

Rendgenski spektri

Ovaj koncept je jedan od ključnih za teoriju rendgenske analize. Uobičajeno je govoriti o dva tipa: karakterističnim, bremsstrahlung. Kočenje zbog odgovarajućeg kretanja elektrona. Ovaj fenomen može se izazvati u laboratorijskim uvjetima aktiviranjem anti-katode instalacije. Znanstvenik dobiva pristup ograničenom širokom rasponu. Kako će se granica nalaziti ne ovisi o tvari, već je to u potpunosti zbog energetskih zaliha usmjerenih elektrona. Spektar kočenja postaje intenzivniji ako su usmjerene čestice lakše, a pobuda elektrona omogućuje postizanje vrlo visokih vrijednosti.

Karakteristično zračenje koje se koristi u metodi rendgenske analize prati kretanje elektrona. Izbijena je čestica smještena na unutarnjem atomskom sloju, napunjena čestica prolazi iz vanjskog sloja, cijeli proces je popraćen određenom karakteristikom - specifičnim spektrom, koji je na mnogo načina sličan prirodnim plinovitim tvarima. Glavna razlika između tih spektara je u ovisnosti (ili o njezinoj odsutnosti u slučaju rendgenskog pregleda) na elementu koji izaziva nastanak fenomena.

X-zraka, rezultat i objekt

Kao što su pokazali testovi izvedeni pomoću različitih spojeva, rendgenska analiza donekle je određena svojom značajkom koja se reflektira kroz redni broj Mendeljejeve tablice: što je ta vrijednost viša, to je jači pomak na kratkovalni spektar. Godine 1913. dokazano je: izvučeno iz vrijednosti frekvencije kvadratni korijen linearno povezan s atomskim brojem. U budućnosti se ovaj obrazac koristio za opravdanje Mendeljejeve tablice.

Treba imati na umu da različiti elementi imaju različit spektar. U isto vrijeme, ne postoji ovisnost o podražljivosti za emitiranje rendgenske luminiscencije u slobodnom obliku, kombinirajući se s drugim kemijskim elementima. Na temelju podataka postalo je moguće provesti rendgensku strukturnu analizu koja se primjenjuje na složene strukturirane objekte. Identificirane specifikacije postale su temeljne za određivanje specifičnosti analitičke metode, a danas se široko koriste.

Rendgenska analiza: teorija i praksa

Trenutno je ova metoda analize klasificirana kao kemijski dio, primjenjiv za analizu sastava materijala. Intenzitet zračenja određen je brojem atoma uključenih u proces. Uzbuđenje je izazvano bombardiranjem elektrona, zračenjem. U prvom slučaju, oni govore o izravnoj uzbuđenosti, kada su izloženi rendgenskim zrakama - fluorescentno (sekundarno). Kvant primarnog zračenja mora imati rezerve energije koje prelaze troškove izbacivanja elektrona iz njegovog položaja. Bombardiranje postaje uzrok specifičnog spektra i zračenja - kontinuiranog, visokog intenziteta. Ako se pretpostavi sekundarna ekscitacija, rezultat sadrži linearni spektar.

Primarnu podražljivost prati zagrijavanje tvari. Fluorescentno ne izaziva takav učinak. U primarnoj metodi, cijev je ispunjena tvari, gdje se stvara visoki vakuum, a za fluorescentnu metodologiju je potrebno smjestiti objekt na put rendgenskih zraka. Stanje vakuuma ovdje nije važno. To je vrlo zgodno: nakon pregleda jednog objekta, možete ukloniti uzorak i postaviti sljedeći, postupak je jednostavan i ne traje gotovo ništa. Istodobno, intenzitet sekundarnog zračenja je tisuću puta slabiji u usporedbi s primarnom metodom. Međutim, metoda rendgenske analize stanice obično se izvodi pomoću točno sekundarnog, fluorescentnog zračenja, što podrazumijeva prisutnost brzih elektrona.

Što se koristi?

Za analizu morate imati na raspolaganju poseban uređaj. Analiza difrakcije X-zraka punog profila izvodi se pomoću difraktometra. Tu je i fluorescentni spektrometar. Ovaj uređaj čine tri ključna čvora: cijev, analizator, detektor. Prvi je izvor zračenja koji utječe na spektar fluorescencije materijala koji se istražuje. Za dobivanje spektra potreban je analizator. Detektor prenosi informacije o intenzitetu, sljedeći korak je snimanje rezultata eksperimenta.

U praksi se često koristi takav spektrometar: izvor zračenja, detektor smješten na specijaliziranoj kružnici, središnje mjesto pripada kristalu koji se može okretati oko vlastite osi. Zapravo, osa prodire u središte kruga.

Spektrometar za fokusiranje

Kao što se može zaključiti iz informacija koje su dostupne širokom krugu ljudi, trenutno je teško pristupiti metodama i programima analize rendgenske difrakcije punog profila, te stoga nisu bili široko korišteni u praksi. Primijećeno je da je mnogo važnija opcija metoda refleksije, koju su izmislili Johannon, Johannson i Kapitsa. Pretpostavlja se upotreba specijaliziranog spektrometra. Alternativna opcija je tehnologija koju sponzorira Couch, Du Mond. Ova se opcija naziva "na prolazu".

Te tehnike koje se široko koriste su trenutno s jednim ili više kanala. Višekanalni kvantometri, autrometri su učinkovita metoda za otkrivanje višestrukih elemenata. Sam rad povezan s analizom, primjena takve tehnologije je automatizirana na visokoj razini. Uređaji su uglavnom opremljeni cijevima, uređajima, zahvaljujući kojima se postiže povećani stupanj stabilnosti istraživanja. Spektrometar koristi valove iz raspona koji određuje analizator. Određena specifična udaljenost karakteristična je za njegove ravnine i nemoguće je reflektirati takve zrake, čija je duljina dvostruka ili veća od interplanarnog analizatora.

Značajke implementacije

Trenutno se koriste različiti elementi kao kristali. Najrasprostranjeniji tinjac, gips, kvarc. Geigerovi brojači djeluju kao detektori, kao i specijalizirani kristalni, proporcionalni. Nedavno su se sve više koristili takozvani kvantni scintilacijski brojači.

Od predmeta koji su istraživani različitim uređajima, često se pozornost istraživača privlači bizmutovim feritima. Analiza difrakcije X-zraka BiFeO3 u punom profilu više puta je postala glavna tema znanstvenog rada u području kemije, pretpostavlja se da neki aspekti tek trebaju biti otkriveni.

sfera primjene

Rendgenska analiza vam omogućuje da odredite koliko spoj sadrži ciljni element koji pobuđuje interes istraživača. Dopušteno je istraživanje složenih spojeva, legura, metala. Često se na taj način analiziraju keramički, cementni i plastični spojevi. Mogu se istražiti čak i prašine ili abrazivne komponente. Kemijska tehnologija omogućuje pristup širokom rasponu različitih proizvoda, čija se obilježja mogu istražiti pribjegavanjem rendgenskim zrakama. Najvažnija područja primjene analize su geologija, metalurgija, gdje se aparat koristi za identifikaciju mikroskopskih, makroskopskih komponenti.

Nema granica savršenstva

Nije uvijek standardna instalacija za rendgensku analizu omogućuje dobivanje potrebnih informacija o predmetu koji se ispituje. Kako bi se povećala osjetljivost primjenjive metode, dopuštena je kombinacija nekoliko pristupa: radiometrija se savršeno kombinira s kemijskim metodama. Najveća osjetljivost određena je atomskim brojem tvari koja se detektira, kao i prosječnim brojem uzoraka. Ako govorimo o svjetlosnim elementima, zadatak se smatra vrlo jednostavnim. Točnost - 2-5% (relativna), težina - čitati grame, trajanje - do dva sata, ali ponekad je potrebno samo nekoliko minuta. Ali izazov se smatra teškim ako govorimo o mekom spektru, malom Z.

Analiza proteina: značajke

Jedno od vrlo važnih područja primjene opisane metode je analiza proteina. Kako je gore spomenuto, za dobivanje točnih informacija o predmetu koji se istražuje, on se mora proučavati kao kristal, ali u normalnom stanju molekula proteina nema taj oblik. Transformacija je potrebna za analizu.

Kako to ide?

Gotovo svako istraživanje proteina u okviru eksperimenta uključuje biokemijsku metodu za ekstrakciju izvorne tvari. Biološki materijal je zdrobljen, protein je pretvoren u otopljeno stanje i potreban objekt je izoliran iz ukupne smjese, što će se dalje istraživati. Na mnogo načina, učinkovitost događaja ovisi o kvaliteti izlučivanja proteina.

Biti u stanju koristiti analizu Rendgensko zračenje potrebno je formirati kristale. Ako je veza teška, tijek rada odgođen je dugo vremena. U pravilu se kao početni sastav koristi zasićena otopina, koja se zatim tretira i tekućina isparava. Druga mogućnost uključuje temperaturne učinke. Rezultirajuće komponente mogu se istražiti u posebnoj instalaciji.