Рентгенов дифракционен анализ - какво е това?

Годината 1895 г. се оказа изключително важна за науката и скоро за целия свят - това беше първият път, когато бяха открити рентгенови лъчи, без които днес живота ни е много трудно да си представим. Думата е ужасна, всички се страхуват от него: това е изследването, което убива! И след бедствията в атомната електроцентрала кръвта във вените е студена. Всеки обаче е чувал за трагедиите, но малко хора знаят за ползите, които това откритие е дало на хората. И ние говорим не само за специални изображения - едва ли единственият ефективен метод за идентифициране на много патологии. Друга област на приложение на лъчите - рентгенов анализ на метали, протеини и други съединения.

За какво говорим

Рентгенови лъчи - електромагнитни колебания. Отличителна черта е малка дължина, сравнима с атомните. Източникът на радиация е бърз електрони, засягащи атомната структура. В момента радиацията намира приложение в научния и техническия сектор.

Характеристиките на лъчите са разкрити през 1912 г. по време на тестове, проведени от немски учени Knipping, Friedrich и Laue. Изследването на атомната решетка разкри факта на дифракция. Ако образувате тесен лъч радиация и го насочвате към кристала, като се уверите, че е все още, можете да получите частична картина на фотографска плака, разположена зад кристала. Така полученото отражение бе подредена система от петна, всяка от които беше следа от определен лъч, разпръснат от влиянието на кристал. Беше решено да се нарича образът на Лауеграма. Той е в основата на рентгено-структурния анализ на кристалите, развиващ се и подобряващ се в съвременността.

Тайни срещу наука

Рентгеноструктурният анализ, приложен в биологията, позволи да проникне в тайната същност на живота. Заслужава да се отбележи обаче, че квантовата физика е в основата на всичко - тя е тази, която осигурява обосновката за явленията, които сега познаваме с помощта на рентгенови лъчи. Известно е, че околното пространство, тела, обекти се формират от молекули, атоми, сгънати в различни систематизирани, подредени структури. Идентифицирането на характеристиките на дадено вещество може да се извърши само експериментално. В днешно време използването на рентгенов анализ е ефективен, точен и съвременен метод за определяне на атомната структура.

За да се получи полезна информация, е необходимо да се използват експериментални съоръжения, където вълните „работят”, чиято дължина е десет на минус на десета степен (!) Метри. Това е скалата на разстоянията на атомно ниво. За обикновения човек, далеч от физиката, дори не е възможно да си представим такива малки ценности - но учените не само могат да ги видят, но и анализират, принуждават да работят и произвеждат още повече информация, необходима на човечеството, за да разбере света и неговите закони.

Структури и техники

Експериментите от 1912 г. позволяват да се формулират основните принципи на рентгеноструктурния анализ, тъй като учените са получили ефективен метод за идентифициране на местоположението на молекулите, атомите в кристала. С течение на времето успяхме също да съберем информация за вътрешната структура на молекулите. Новата информация бързо привлече вниманието на най-ярките умове на онова време и двама британски учени, баща и син Браг, поеха работата по все още развиващия се рентгенов структурен анализ. Те създали метод, чрез който човечеството можело много точно да определи молекулярната структура на минералите.

С течение на времето фокусът на вниманието на учените се оказал все по-сложен обект, но рентгеновия дифракционен анализ се оказа изненадващо универсален. Постепенно опашката достигна до живите молекули. Трудно е да си представим колко значим е методът на рентгеновия дифракционен анализ в биологията. Почти веднага, учените са изправени пред множество трудности, и на първо място - проблемът с изолиране на кристали. Една молекула е няколко десетки хиляди атома, което прави изображението толкова заплетено в образа, че е невъзможно да се възстановят координатите. Но това е само началото: годините минаха, методът се подобри, сега този проблем вече е решен.

Рентгенов анализ на протеини

Най-значимото изследване, свързано с тази тема, беше организирано в Лабораторията Кавендиш. Те бяха водени от гореспоменатия британец Браг. Като техническа задача е формулирана задачата за идентифициране на пространствената структура на протеина. Подобна цел е логична: в средата на миналия век е имало мнение, че най-важната молекула за живия свят е протеинът. За да обясни идеята, аргументът беше фактът, че химичните реакции, предизвикани в клетките - ензими, които ги стимулират, има само протеини. От това учените са направили логичен извод, че протеинът е основният строителен материал на една жива клетка и овладяването на всички характеристики на неговата структура би дало отговор на всички въпроси, свързани с житейския факт. И за да се проучи структурата е да се помогне на метода на рентгенов анализ.

И така, фокусът е върху сложен полимер - протеин, чиито връзки са мономери, аминокиселинни остатъци. Проучванията показват, че те винаги са линейни и структурата е постоянна с повишаващи се температури, дори до точката, в която биологичната активност е напълно инхибирана. Въз основа на получената информация стана ясно, че само аминокиселинните остатъци в правилната последователност все още не могат да осигурят възможност за живот, ние също се нуждаем от правилно подреждане на групите в пространството.

Успехът е близо

Приложен в лабораторни условия, рентгеновия анализ помогна за решаване на поставения пред учените проблем. Успехът дойде в средата на петдесетте, а откривателите бяха Перуц, Кендрю. Благодарение на тях светът вече знае, че протеинът има триизмерна структура. Също толкова важна е и другата информация, получена от различни учени в хода на изследването и тестването в опит да се постигне целта. Много от данните, получени по това време, в бъдеще, помогнаха да се избегнат грешки и да се направи анализ на клетките на рентгеновите лъчи по-прост.

Понастоящем, използвайки разработената технология, е възможно да се изучава атомът на всяко вещество и да се определят всички специфични особености на елементарната клетка, включително нейното разположение в пространството, формата и размерите. Рентгенов дифракционен анализ разкрива група на кристална симетрия. Понастоящем този метод за определяне на структурата на дадено вещество е по-широко разпространен от всеки друг поради сравнително ниската си цена и лекотата на прилагане.

Рентгенови спектри

Тази концепция е една от ключовите за теорията на рентгеновия анализ. Обичайно е да се говори за два вида: характерни, обезпокоителни. Спиране поради съответното движение на електрони. Това явление може да бъде провокирано в лабораторни условия чрез активиране на антикатода на инсталацията. Учен получава достъп до ограничен широк обхват. Начинът на разполагане на границата не зависи от веществото, което се дължи изцяло на енергийните резерви на насочените електрони. Спектърът на спиране става по-интензивен, ако насочените частици са по-леки, а възбуждането на електроните прави възможно постигането на много високи стойности.

Характерното лъчение, използвано в рентгеновия метод, е съпроводено с движение на електрони. Частица, разположена на вътрешния атомния слой е извадена, заредената частица преминава от външния слой вътре, целият процес е придружен от определена характеристика - специфичен спектър, който в много отношения е подобен на присъщите газообразни вещества. Основната разлика между тези спектри е в зависимостта (или отсъствието му при рентгеновото изследване) върху елемента, провокиращ образуването на явление.

Рентгенова снимка, резултат и обект

Както се вижда от тестове, проведени с различни съединения, рентгеновия анализ до известна степен се определя от неговата характеристика, отразена чрез последователния номер на таблицата на Менделеев: колкото по-висока е тази стойност, толкова по-силен е преходът към късовълнов спектър. През 1913 г. е доказано: извлечено от стойността на честотата квадратен корен линейно свързани с атомния номер. В бъдеще този модел беше използван за оправдаване на таблицата на Менделеев.

Трябва да се има предвид, че различните елементи имат различен спектър. В същото време не съществува зависимост от възбудимост за излъчване на рентгенова луминесценция в свободна форма, комбинирана с други химични елементи. Въз основа на данните стана възможно да се извърши рентгеноструктурен анализ, приложен към сложни структурирани обекти. Идентифицираните спецификации станаха основни за определяне на спецификата на аналитичния метод, които днес се използват широко.

Рентгенов анализ: теория и практика

Понастоящем този метод за анализ се класифицира като химическа секция, приложима за анализа на състава на материала. Интензивността на радиацията се определя от броя на атомите, включени в процеса. Вълнението се предизвиква от електронно бомбардиране, облъчване. В първия случай те казват за директно възбуждане, когато са изложени на рентгенови лъчи - флуоресцентни (вторични). Квант от първична радиация трябва да има енергийни резерви, надвишаващи разходите за изкореняване на електрона от неговото положение. Бомбардирането става причина за специфичен спектър и радиация - непрекъснато, с висока интензивност. Ако се приеме вторично възбуждане, резултатът съдържа линеен спектър.

Първичната възбудимост се придружава от нагряване на веществото. Флуоресценцията не предизвиква такъв ефект. При основния метод тръбата се запълва с вещество, където се създава висок вакуум, а за флуоресцентна методология е необходимо да се позиционира обектът по рентгеновия път. Състоянието на вакуума тук няма значение. Това е доста удобно: след като прегледате един обект, можете да премахнете пробата и да поставите следващия, процедурата е проста и не отнема почти никакво време. В същото време, интензитетът на вторичната радиация е хиляди пъти по-слаб в сравнение с основния метод. Методът на рентгеновия анализ на клетката обикновено се извършва с помощта на точно вторично флуоресцентно излъчване, което предполага наличието на бързи електрони.

Какво се използва?

За анализ трябва да имате на разположение специално устройство. Анализ на рентгенова дифракция с пълен профил се извършва с дифрактометър. Има и флуоресцентен спектрометър. Това устройство се формира от три ключови възли: тръба, анализатор, детектор. Първият е източник на радиация, който влияе на флуоресцентния спектър на изследвания материал. Необходим е анализатор, за да се получи спектър. Детекторът предава информация за интензитета, като следващата стъпка е да запише резултатите от експеримента.

В практиката често се използва такъв спектрометър: излъчващ източник, детектор, разположен в специализиран кръг, централното място принадлежи на кристал, който може да се върти около собствената си ос. Всъщност осите проникват в центъра на кръга.

Фокусиращ спектрометър

Както може да се заключи от информация, която е достъпна за широк кръг от хора, понастоящем е трудно достъпна методите и програмите за анализ на рентгенови дифракции с пълен профил, поради което те не са широко използвани в практиката. Отбелязва се, че много по-подходящ вариант е методът на размисъл, изобретен от Йохан, Йохансон и Капица. Предполага се използването на специализиран спектрометър. Алтернативна възможност е технологията, спонсорирана от Couch, Du Mond. Тази опция се нарича "при преминаване".

Тези широко използвани техники в момента са с един или няколко канала. Многоканални квантомери, автометрите са ефективен метод за откриване на множество елементи. Самата работа, свързана с анализа, прилагането на такава технология е автоматизирано до високо ниво. Предимно устройствата са оборудвани с тръби, устройства, благодарение на които се постига повишена степен на стабилност на интензивността на изследването. Спектрометърът използва вълни от диапазона, определен от анализатора. За неговите равнини е характерно определено разстояние, което е невъзможно да се отразят такива лъчи, чиято дължина е два пъти или повече от интерпланарния анализатор.

Характеристики на изпълнението

В момента се използват различни елементи като кристали. Най-разпространената слюда, гипс, кварц. Гейгеровите броячи действат като детектори, както и специализирани кристални, пропорционални. Напоследък все повече се използват така наречените квантови сцинтилационни броячи.

От обектите, които се изследват от различни устройства, доста често вниманието на изследователите е привлечено от бисмутови ферити. Пълнопрофилен рентгенов дифракционен анализ на BiFeO3 многократно се превръща в основна тема на научната работа в областта на химията, предполага се, че някои аспекти все още не са открити.

сфера на приложение

Рентгеновия анализ ви позволява да определите колко съединение съдържа целеви елемент, който предизвиква интереса на изследователя. Разрешени за изследване на комплексни съединения, сплави, метали. Често, по този начин се анализират керамични, циментови, пластмасови съединения. Могат да се изследват дори прах или абразивни компоненти. Химическата технология дава достъп до широк спектър от различни продукти, чиито характеристики могат да бъдат изследвани чрез използване на рентгенови лъчи. Най-важните области на приложение на анализа са геологията, металургията, където апаратът се използва за идентифициране на микроскопични, макроскопични компоненти.

Няма граници за съвършенство

Не винаги стандартната инсталация за рентгенов анализ позволява да се получи необходимата информация за разглеждания обект. За да се повиши чувствителността на приложимия метод, е разрешена комбинация от няколко подхода: радиометрията е идеално съчетана с химични методи. Най-високата чувствителност се определя от атомния номер на веществото, което ще бъде открито, както и от средния брой на пробата. Ако говорим за леки елементи, задачата се счита за доста проста. Точност - 2-5% (относителна), грамове за отчитане на теглото, продължителност - до два часа, но понякога са необходими само няколко минути. Но предизвикателството се счита за трудно, ако говорим за мек спектър, малък Z.

Протеинов анализ: Характеристики

Една от най-важните области на използване на описания метод е протеиновия анализ. Както бе споменато по-горе, за да се получи точна информация за обекта, който трябва да се изследва, той трябва да бъде изследван като кристал, но в нормалното състояние протеиновата молекула няма тази форма. Трансформацията е необходима за анализ.

Как става това?

Почти всяко изследване на протеина в рамките на експеримента включва биохимичен метод за извличане на оригиналното вещество. Биологичният материал се раздробява, протеинът се превръща в разтворено състояние и необходимия обект се изолира от общата смес, която ще бъде допълнително изследвана. В много отношения ефективността на събитието зависи от качеството на протеиновата екскреция.

Да може да използва анализ Рентгеново лъчение необходимо е да се образуват кристали. Ако връзката е трудна, работният процес се забавя за дълго време. Като начало се използва наситен разтвор като изходен състав, който след това се обработва и течността се изпарява. Вторият вариант включва температурни ефекти. Получените компоненти могат да бъдат изследвани в специална инсталация.