Emisión de rayos X inducida por partículas
Técnica de análisis elemental no destructivo

La emisión de rayos X inducida por partículas o emisión de rayos X inducida por protones ( PIXE ) es una técnica que se utiliza para determinar la composición elemental de un material o una muestra . Cuando un material se expone a un haz de iones , se producen interacciones atómicas que emiten radiación electromagnética de longitudes de onda en la parte de rayos X del espectro electromagnético específica de un elemento. PIXE es una técnica de análisis elemental potente, pero no destructiva, que ahora utilizan de forma rutinaria geólogos, arqueólogos, conservadores de arte y otros para ayudar a responder preguntas sobre procedencia, datación y autenticidad .

La técnica fue propuesta por primera vez en 1970 por Sven Johansson de la Universidad de Lund , Suecia , y desarrollada durante los años siguientes con sus colegas Roland Akselsson y Thomas B Johansson. [1]

Las recientes ampliaciones de PIXE, que utilizan haces muy enfocados (hasta 1 μm), aportan la capacidad adicional de realizar análisis microscópicos. Esta técnica, denominada microPIXE , se puede utilizar para determinar la distribución de elementos traza en una amplia gama de muestras. Una técnica relacionada, la emisión de rayos gamma inducida por partículas (PIGE), se puede utilizar para detectar algunos elementos ligeros.

Teoría

Se pueden recopilar tres tipos de espectros de un experimento PIXE:

  1. Espectro de emisión de rayos X.
  2. Espectro de retrodispersión de Rutherford .
  3. Espectro de transmisión de protones.

Emisión de rayos X

La teoría cuántica establece que los electrones que orbitan alrededor de un átomo deben ocupar niveles de energía discretos para ser estables. El bombardeo con iones de suficiente energía (normalmente protones de MeV) producidos por un acelerador de iones provocará la ionización de la capa interna de los átomos de una muestra. Los electrones de la capa externa caen para reemplazar las vacantes de la capa interna, aunque solo se permiten ciertas transiciones. Se emiten rayos X de una energía característica del elemento. Se utiliza un detector de energía dispersiva para registrar y medir estos rayos X.

Sólo se pueden detectar elementos más pesados ​​que el flúor. El límite inferior de detección para un haz PIXE está dado por la capacidad de los rayos X de pasar a través de la ventana entre la cámara y el detector de rayos X. El límite superior está dado por la sección transversal de ionización, la probabilidad de ionización de la capa electrónica K , que es máxima cuando la velocidad del protón coincide con la velocidad del electrón (10% de la velocidad de la luz ), por lo tanto, los haces de protones de 3 MeV son óptimos. [2]

Retrodispersión de protones

Los protones también pueden interactuar con el núcleo de los átomos de la muestra a través de colisiones elásticas, la retrodispersión de Rutherford , que a menudo repelen al protón en ángulos cercanos a los 180 grados. La retrodispersión proporciona información sobre el espesor y la composición de la muestra. Las propiedades de la muestra en masa permiten la corrección de la pérdida de fotones de rayos X dentro de la muestra.

Transmisión de protones

La transmisión de protones a través de una muestra también se puede utilizar para obtener información sobre la muestra. La canalización es uno de los procesos que se pueden utilizar para estudiar los cristales.

Análisis de proteínas

El análisis de proteínas mediante microPIXE permite determinar la composición elemental de proteínas líquidas y cristalinas. microPIXE puede cuantificar el contenido de metal de las moléculas de proteína con una precisión relativa de entre el 10% y el 20%. [3]

La ventaja de microPIXE es que, dada una proteína de secuencia conocida, la emisión de rayos X del azufre se puede utilizar como un estándar interno para calcular la cantidad de átomos de metal por monómero proteico. Como solo se calculan concentraciones relativas, los errores sistemáticos son mínimos y los resultados son totalmente consistentes internamente.

Las concentraciones relativas de ADN a proteínas (y metales) también se pueden medir utilizando los grupos fosfato de las bases como calibración interna.

Análisis de datos

El análisis de los datos recopilados se puede realizar mediante los programas Dan32, [4] el frontend de gupix. [5] [6]

Limitaciones

Para obtener una señal de azufre significativa del análisis, el tampón no debe contener azufre (es decir, no debe contener compuestos BES, DDT , HEPES , MES , MOPS O o PIPES ). También se deben evitar cantidades excesivas de cloro en el tampón, ya que esto se superpondrá con el pico de azufre; KBr y NaBr son alternativas adecuadas.

Debido a la baja profundidad de penetración de los protones y las partículas cargadas pesadas, PIXE se limita a analizar el micrómetro superior de una muestra determinada.

Ventajas

El uso de un haz de protones tiene muchas ventajas en lugar de un haz de electrones. La carga de los cristales es menor debido a la radiación de frenado , aunque también se produce cierta carga debido a la emisión de electrones Auger , y es significativamente menor que si el haz primario fuera en sí mismo un haz de electrones.

Debido a la mayor masa de los protones en relación con los electrones, hay menos desviación lateral del haz; esto es importante para aplicaciones de escritura con haz de protones .

Exploración

Se pueden generar mapas bidimensionales de composiciones elementales escaneando el haz microPIXE a través del objetivo.

Análisis de células y tejidos

Es posible analizar células y tejidos completos utilizando un haz microPIXE, este método también se conoce como microscopía nuclear . [7]

Análisis de artefactos

MicroPIXE es una técnica útil para el análisis no destructivo de pinturas y antigüedades. Aunque sólo proporciona un análisis elemental, se puede utilizar para distinguir y medir capas dentro del espesor de un artefacto. [8] La técnica es comparable con técnicas destructivas como la familia de análisis ICP . [9]

Escritura con haz de protones

Los haces de protones se pueden utilizar para escribir ( escritura con haz de protones ) ya sea mediante el endurecimiento de un polímero (mediante reticulación inducida por protones ) o mediante la degradación de un material sensible a los protones. Esto puede tener efectos importantes en el campo de la nanotecnología .

Referencias

  1. ^ Mini-CV de Roland Akselsson - consultado el 29 de enero de 2008
  2. ^ Ishii, K.; Morita, S. (agosto de 1988). "Estimación teórica de los límites de detección de PIXE". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física, sección B: interacciones de haces con materiales y átomos . 34 (2): 209–216. doi :10.1016/0168-583X(88)90745-8.
  3. ^ Garman, EF; Grime, GW (2005). "Análisis elemental de proteínas mediante microPIXE". Progreso en biofísica y biología molecular . 89 (2): 173–205. doi :10.1016/j.pbiomolbio.2004.09.005. PMID  15910917.
  4. ^ Geoffrey W Grime Dan32: desarrollos recientes en la interfaz de Windows para gupix. Décima Conferencia Internacional sobre Emisión de Rayos X Inducida por Partículas, Portoroz, Eslovenia, 2004
  5. ^ Maxwell, J; Teesdale, W; Campbell, J (1995). "El paquete de software Guelph PIXE II". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física Sección B . 95 (3): 407. Bibcode :1995NIMPB..95..407M. doi :10.1016/0168-583X(94)00540-0.
  6. ^ Campbell, J (2000). "El paquete de software Guelph PIXE III: base de datos de protones alternativa". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física Sección B . 170 (1–2): 193. Bibcode :2000NIMPB.170..193C. doi :10.1016/S0168-583X(00)00156-7.
  7. ^ Garman, Elspeth; Grime, Geoffery (octubre de 2005). «Análisis elemental de proteínas mediante microPIXE». Progreso en biofísica y biología molecular . 89 (2): 173–205. doi :10.1016/j.pbiomolbio.2004.09.005. PMID  15910917. Consultado el 25 de junio de 2023 .
  8. ^ Grassi, N., et al. Medidas diferenciales de PIXE para el análisis estratigráfico de la pintura “Madonna dei fusi” 10.ª conferencia internacional de PIXE (2004) - consultado el 29 de enero de 2008 Archivado el 8 de septiembre de 2007 en Wayback Machine .
  9. ^ Ludovic Bellot-Gurlet et al [doi:10.1016/j.nimb.2005.06.216] "Estudios de procedencia de obsidiana en arqueología: una comparación entre PIXE, ICP-AES e ICP-MS", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 240 (2005) 583–588, consultado el 20 de junio de 2021
  • Análisis de la Virgen de la devanadora de Leonardo da Vinci con PIXE
  • Aplicación de PIXE al estudio de la joyería de oro esmaltado de estilo renacentista
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