Analisi di diffrazione a raggi X - che cos'è?

L'anno 1895 si rivelò estremamente importante prima per la scienza, e presto per il mondo intero - quella fu la prima volta in cui furono scoperti i raggi X, senza i quali oggi la nostra vita è molto difficile da immaginare. La parola è terribile, tutti hanno paura di lui: questo è lo studio che uccide! E dopo i disastri nella centrale nucleare, il sangue nelle vene è freddo. Tuttavia, tutti hanno sentito parlare delle tragedie, ma poche persone conoscono i benefici che questa scoperta ha dato alla gente. E stiamo parlando non solo di immagini speciali - difficilmente l'unico metodo efficace per identificare molte patologie. Un'altra area di applicazione dei raggi: analisi a raggi X di metalli, proteine ​​e altri composti.

Di cosa stiamo parlando

Raggi X - oscillazioni elettromagnetiche. Una caratteristica distintiva è una lunghezza ridotta paragonabile alle dimensioni atomiche. La fonte della radiazione è elettroni veloci che influenzano la struttura atomica. Allo stato attuale, le radiazioni hanno trovato applicazione nel settore scientifico e tecnico.

Le caratteristiche dei raggi furono rivelate nel 1912 durante i test condotti dagli scienziati tedeschi Knipping, Friedrich e Laue. Un esame del reticolo atomico rivelò il fatto della diffrazione. Se si forma un fascio stretto di radiazioni e lo si dirige verso il cristallo, accertandosi che sia fermo, è possibile ottenere un'immagine frazionaria su una lastra fotografica situata dietro il cristallo. Il riflesso così ottenuto era un sistema ordinato di macchie, ognuna delle quali era la traccia di un raggio particolare disseminato dall'influenza di un cristallo. Si è deciso di chiamare l'immagine a Lauegram. Ha formato la base dell'analisi strutturale a raggi X dei cristalli, sviluppando e migliorando nei tempi moderni.

Segreti contro scienza

L'analisi strutturale a raggi X applicata in biologia ha permesso di penetrare l'essenza segreta della vita. Tuttavia, vale la pena notare che la fisica quantistica era il fondamento di tutto: è lei che fornisce la logica per i fenomeni che stiamo ora conoscendo con l'aiuto dei raggi x. È noto che lo spazio circostante, i corpi, gli oggetti sono formati da molecole, atomi, piegati in diverse strutture ordinate e sistematizzate. L'identificazione delle caratteristiche di una particolare sostanza può essere effettuata solo sperimentalmente. Oggigiorno, l'uso dell'analisi a raggi X è un metodo efficace, accurato e moderno per determinare la struttura atomica.

Per ottenere informazioni utili, è necessario utilizzare strutture sperimentali, in cui le onde "funzionano", la cui lunghezza è dieci al meno del decimo grado (!) Metri. Questa è la scala delle distanze a livello atomico. Per la persona media, lontana dalla fisica, non è nemmeno possibile immaginare valori così piccoli - ma gli scienziati non solo potrebbero vederli, ma anche analizzati, costretti a lavorare e produrre ancora più informazioni necessarie all'umanità per capire il mondo e le sue leggi.

Strutture e tecniche

Gli esperimenti del 1912 hanno permesso di formulare i principi di base dell'analisi strutturale dei raggi X, poiché gli scienziati hanno ottenuto un metodo efficace per identificare la posizione delle molecole, gli atomi all'interno di un cristallo. Nel tempo, siamo anche riusciti a raccogliere informazioni sulla struttura interna delle molecole. Nuove informazioni attirarono rapidamente l'attenzione delle menti più brillanti del tempo e due scienziati britannici, padre e figlio Bragg, presero il lavoro sull'analisi strutturale a raggi X ancora in sviluppo. Hanno creato un metodo grazie al quale l'umanità è stata in grado di determinare con precisione la struttura molecolare e minerale.

Nel corso del tempo, il centro di attenzione degli scienziati si è rivelato essere sempre più oggetti complessi, ma l'analisi della diffrazione dei raggi X si è rivelata sorprendentemente universale. Gradualmente, la coda raggiunse le molecole viventi. È difficile immaginare quanto sia significativo il metodo di analisi della diffrazione dei raggi X in biologia. Quasi immediatamente, gli scienziati hanno dovuto affrontare numerose difficoltà e, in primo luogo, il problema di isolare i cristalli. Una molecola è composta da diverse decine di migliaia di atomi, il che ha reso l'immagine così invischiata nell'immagine che era impossibile ripristinare le coordinate. Ma questo è solo l'inizio: gli anni sono passati, il metodo è stato migliorato, ora questo problema è già stato risolto.

Analisi a raggi X delle proteine

La ricerca più significativa relativa a questo argomento è stata organizzata nel laboratorio Cavendish. Erano guidati dal già citato britannico Bragg. Come compito tecnico ha formulato il compito di identificare la struttura spaziale della proteina. Un tale obiettivo era logico: nella metà del secolo scorso c'era l'opinione che la molecola più importante per il mondo vivente fosse la proteina. Per spiegare l'idea, l'argomento era il fatto di reazioni chimiche innescate nella cellula - enzimi che li stimolano, ci sono solo proteine. Da questo, gli scienziati hanno concluso logicamente che la proteina è il principale materiale da costruzione di una cellula vivente, e padroneggiare tutte le caratteristiche della sua struttura darebbe una risposta a qualsiasi domanda relativa al fatto della vita. E studiare la struttura è stato per aiutare il metodo di analisi a raggi X.

Quindi, il focus è su un polimero complesso - una proteina, i cui collegamenti sono monomeri, residui di amminoacidi. Gli studi hanno dimostrato che sono sempre lineari e la struttura è costante all'aumentare della temperatura, fino al punto in cui l'attività biologica è completamente inibita. Sulla base delle informazioni ricevute, è diventato chiaro che solo i residui di amminoacidi nella sequenza corretta non possono ancora fornire la possibilità di vita, inoltre abbiamo bisogno della corretta disposizione dei gruppi nello spazio.

Il successo è a portata di mano

Applicato in condizioni di laboratorio, l'analisi a raggi X ha contribuito a risolvere il problema posto agli scienziati. Il successo arrivò a metà degli anni Cinquanta e gli scopritori furono Perutz, Kendrew. Grazie a loro, il mondo ora sa che la proteina ha una struttura tridimensionale. Altrettanto importanti sono le altre informazioni ottenute da vari scienziati nel corso di ricerche e test nel tentativo di raggiungere l'obiettivo. Molti dei dati ottenuti in quel momento, in futuro, hanno contribuito a evitare errori e rendere l'analisi delle cellule a raggi X più semplice.

Attualmente, utilizzando la tecnologia sviluppata, è possibile studiare l'atomo di qualsiasi sostanza e determinare tutte le caratteristiche specifiche della cellula unitaria, inclusa la sua posizione nello spazio, nella forma e nelle dimensioni. L'analisi di diffrazione dei raggi X rivela un gruppo di simmetria cristallina. Oggigiorno, questo metodo per determinare la struttura di una sostanza è più diffuso di qualsiasi altro, a causa del suo costo relativamente basso e della sua facilità di implementazione.

Spettri a raggi X.

Questo concetto è uno di quelli chiave per la teoria dell'analisi a raggi X. È consuetudine parlare di due tipi: caratteristici, bremsstrahlung. Frenare a causa del movimento corrispondente degli elettroni. Questo fenomeno può essere provocato in condizioni di laboratorio attivando l'anti-catodo dell'impianto. Uno scienziato ha accesso a una vasta gamma limitata. Il modo in cui il confine sarà localizzato non dipende dalla sostanza, questo è interamente dovuto alle riserve energetiche degli elettroni diretti. Lo spettro di frenatura diventa più intenso se le particelle dirette sono più leggere e l'eccitazione degli elettroni consente di ottenere valori molto alti.

La radiazione caratteristica utilizzata nel metodo di analisi a raggi X è accompagnata dal movimento di elettroni. Una particella situata sullo strato atomico interno viene espulsa, la particella carica passa dallo strato esterno all'interno, l'intero processo è accompagnato da una certa caratteristica - uno spettro specifico, che è in molti modi simile alle sostanze gassose intrinseche. La principale differenza tra questi spettri è la dipendenza (o la sua assenza nel caso dell'esame a raggi X) sull'elemento che provoca la formazione di un fenomeno.

Raggi X, risultato e oggetto

Come dimostrato dai test eseguiti utilizzando vari composti, l'analisi a raggi X è determinata in certa misura dalla sua caratteristica riflessa attraverso il numero di sequenza della tabella di Mendeleev: più questo valore è alto, più forte è il passaggio allo spettro a onde corte. Nel 1913 fu provato: estratto dal valore della frequenza radice quadrata collegato linearmente al numero atomico. In futuro, questo schema è stato utilizzato per giustificare la tabella di Mendeleev.

Va tenuto presente che diversi elementi hanno uno spettro diverso. Allo stesso tempo, non vi è alcuna dipendenza dall'eccitabilità per l'emissione di luminescenza a raggi X in forma libera, combinandosi con altri elementi chimici. Sulla base dei dati, è stato possibile eseguire l'analisi strutturale a raggi X applicata a oggetti strutturati complessi. Le specifiche identificate sono diventate fondamentali per determinare la specificità del metodo analitico e sono oggi ampiamente utilizzate.

Analisi a raggi X: teoria e pratica

Attualmente, questo metodo di analisi è classificato come una sezione chimica, applicabile per l'analisi della composizione del materiale. L'intensità della radiazione è determinata dal numero di atomi coinvolti nel processo. L'eccitazione è provocata dal bombardamento elettronico, dall'irraggiamento. Nel primo caso, dicono di eccitazione diretta, quando esposti ai raggi X - fluorescenti (secondari). Un quanto di radiazione primaria deve avere riserve di energia che superano i costi di eliminazione di un elettrone dalla sua posizione. Il bombardamento diventa la causa di uno spettro specifico e di una radiazione - continua, ad alta intensità. Se si assume l'eccitazione secondaria, il risultato contiene uno spettro di linee.

L'eccitabilità primaria è accompagnata dal riscaldamento della sostanza. Fluorescente non provoca un tale effetto. Nel metodo principale, un tubo viene riempito con una sostanza, dove viene creato un alto vuoto, e per una metodologia fluorescente è necessario posizionare l'oggetto sul percorso radiografico. La condizione di vuoto non importa qui. Questo è abbastanza comodo: dopo aver esaminato un oggetto, è possibile rimuovere il campione e posizionare il successivo, la procedura è semplice e richiede quasi del tempo. Allo stesso tempo, l'intensità della radiazione secondaria è migliaia di volte più debole rispetto al metodo primario. Tuttavia, il metodo di analisi a raggi X di una cella viene solitamente eseguito utilizzando una radiazione fluorescente esattamente secondaria, che implica la presenza di elettroni veloci.

Cosa viene usato?

Per l'analisi, è necessario disporre di un dispositivo speciale. Un'analisi di diffrazione a raggi X a profilo completo viene eseguita utilizzando un diffrattometro. C'è anche uno spettrometro a fluorescenza. Questo dispositivo è formato da tre nodi chiave: un tubo, un analizzatore, un rilevatore. Il primo è una fonte di radiazioni che influenza lo spettro di fluorescenza del materiale in esame. È necessario un analizzatore per ottenere uno spettro. Il rilevatore trasmette informazioni sull'intensità, il passo successivo è registrare i risultati dell'esperimento.

In pratica, tale spettrometro è abbastanza spesso usato: una sorgente radiante, un rivelatore situato su un cerchio specializzato, il posto centrale appartiene a un cristallo in grado di ruotare attorno al proprio asse. Infatti, l'asse penetra nel centro del cerchio.

Spettrometro di messa a fuoco

Come si può dedurre da informazioni che sono accessibili a una vasta gamma di persone, al momento, i metodi e i programmi di analisi di diffrazione a raggi X a profilo completo sono difficili da accedere, pertanto, non sono stati ampiamente utilizzati nella pratica. Si noti che un'opzione molto più rilevante è il metodo di riflessione, inventato da Johann, Johannson e Kapitsa. Si presume l'uso di uno spettrometro specializzato. Un'opzione alternativa è la tecnologia sponsorizzata da Couch, Du Mond. Questa opzione è chiamata "in transito".

Queste tecniche ampiamente utilizzate sono attualmente con uno o più canali. Quantiometri multicanale, gli autrometri sono un metodo efficace per rilevare più elementi. Il lavoro stesso associato all'analisi, l'applicazione di tale tecnologia è automatizzata ad un livello elevato. Principalmente i dispositivi sono dotati di tubi, dispositivi, grazie ai quali diventa possibile raggiungere un maggiore grado di stabilizzazione dell'intensità dello studio. Lo spettrometro utilizza le onde dell'intervallo definito dall'analizzatore. Una certa distanza specifica è caratteristica dei suoi piani, ed è impossibile riflettere tali raggi, la cui lunghezza è due volte o più rispetto all'analizzatore interplanare.

Caratteristiche dell'implementazione

Attualmente ha usato una varietà di elementi come cristalli. La mica, il gesso, il quarzo più diffusi. I contatori Geiger agiscono come rivelatori, così come cristallini specializzati, proporzionali. Recentemente, i cosiddetti contatori a scintillazione quantica sono stati sempre più utilizzati.

Degli oggetti indagati da dispositivi diversi, molto spesso l'attenzione dei ricercatori è attratta dalle ferriti di bismuto. Un'analisi di diffrazione a raggi X a pieno profilo di BiFeO3 è diventata ripetutamente il tema principale del lavoro scientifico nel campo della chimica, si presume che alcuni aspetti debbano ancora essere scoperti.

ambito di applicazione

L'analisi a raggi X consente di determinare quanto un composto contiene un elemento target che suscita l'interesse del ricercatore. Permesso di esplorare composti complessi, leghe, metalli. Spesso, in questo modo vengono analizzati composti di ceramica, cemento e plastica. È possibile esplorare anche polvere o componenti abrasivi. La tecnologia chimica consente l'accesso a una vasta gamma di prodotti diversi, le cui caratteristiche possono essere esplorate ricorrendo ai raggi X. Le aree di applicazione più rilevanti dell'analisi sono la geologia, la metallurgia, in cui l'apparato viene utilizzato per identificare componenti microscopici e macroscopici.

Nessun limite alla perfezione

Non sempre l'installazione standard per l'analisi a raggi X consente di ottenere le informazioni necessarie sull'oggetto in studio. Per aumentare la sensibilità del metodo applicabile, è consentita una combinazione di diversi approcci: la radiometria è perfettamente combinata con i metodi chimici. La massima sensibilità è determinata dal numero atomico della sostanza da rilevare, nonché dal numero medio di campioni. Se stiamo parlando di elementi leggeri, il compito è considerato abbastanza semplice. Precisione: 2-5% (relativo), peso - grammi di lettura, durata - fino a due ore, ma a volte sono necessari solo pochi minuti. Ma la sfida è considerata difficile se parliamo di uno spettro morbido, una piccola Z.

Analisi delle proteine: caratteristiche

Una delle aree più importanti di utilizzo del metodo descritto è l'analisi delle proteine. Come accennato in precedenza, per ottenere informazioni accurate sull'oggetto in studio, deve essere studiato come un cristallo, ma nello stato normale la molecola proteica non ha questa forma. La trasformazione è richiesta per l'analisi.

Come sta andando?

Quasi tutti gli studi sulla proteina nel quadro dell'esperimento comportano un metodo biochimico per l'estrazione della sostanza originale. Il materiale biologico viene schiacciato, la proteina viene convertita in uno stato disciolto e l'oggetto necessario viene isolato dalla miscela totale, che sarà ulteriormente esaminata. In molti modi, l'efficacia dell'evento dipende dalla qualità dell'escrezione delle proteine.

Per poter ricorrere all'analisi usando Radiazione a raggi X. è necessario formare cristalli. Se la connessione è difficile, il flusso di lavoro viene ritardato per un lungo periodo. Di norma, come composizione iniziale viene utilizzata una soluzione satura, che viene quindi trattata e il liquido evapora. La seconda opzione riguarda gli effetti della temperatura. I componenti risultanti possono essere esaminati in un'installazione speciale.