El análisis por haz de iones (IBA) es una importante familia de técnicas analíticas modernas que implican el uso de haces de iones MeV para sondear la composición y obtener perfiles de profundidad elemental en la capa de sólidos cercana a la superficie. Todos los métodos IBA son altamente sensibles y permiten la detección de elementos en el rango submonocapa. La resolución de profundidad suele estar en el rango de unos pocos nanómetros a unos diez nanómetros. Se puede lograr una resolución de profundidad atómica, pero requiere equipo especial. La profundidad analizada oscila entre unos diez nanómetros y unos diez micrómetros. Los métodos IBA son siempre cuantitativos con una precisión de unos pocos porcentajes. La canalización permite determinar el perfil de profundidad del daño en cristales individuales.
La evaluación cuantitativa de los métodos IBA requiere el uso de software especializado de simulación y análisis de datos. SIMNRA y DataFurnace son programas populares para el análisis de RBS, ERD y NRA, mientras que GUPIX es popular para PIXE. A una revisión del software IBA [2] le siguió una intercomparación de varios códigos dedicados a RBS, ERD y NRA, organizada por la Agencia Internacional de Energía Atómica . [3]
IBA es un área de investigación activa. La última gran conferencia sobre Microbeam Nuclear en Debrecen (Hungría) se publicó en NIMB 267(12-13).
El análisis por haz de iones funciona sobre la base de que las interacciones ion-átomo se producen mediante la introducción de iones en la muestra que se está analizando. Las interacciones importantes dan como resultado la emisión de productos que permiten recopilar información sobre el número, tipo, distribución y disposición estructural de los átomos. Para utilizar estas interacciones para determinar la composición de la muestra, se debe seleccionar una técnica junto con las condiciones de irradiación y el sistema de detección que mejor aísle la radiación de interés proporcionando la sensibilidad y los límites de detección deseados. El diseño básico de un aparato de haz de iones es un acelerador que produce un haz de iones que se alimenta a través de un tubo de transporte de haz al vacío hasta un dispositivo de manipulación de haz. Este dispositivo aísla las especies iónicas y la carga de interés que luego se transportan a través de un tubo de transporte de haz al vacío hacia la cámara objetivo. Esta cámara es donde el haz de iones refinado entrará en contacto con la muestra y así se podrán observar las interacciones resultantes. La configuración del aparato de haz de iones se puede cambiar y hacer más compleja con la incorporación de componentes adicionales. Las técnicas de análisis de haces de iones están diseñadas para fines específicos. Algunas técnicas y fuentes de iones se muestran en la tabla 1. Los tipos de detectores y disposiciones para las técnicas de haz de iones se muestran en la tabla 2.
El análisis de haces de iones ha encontrado uso en una serie de aplicaciones variables, que van desde usos biomédicos hasta el estudio de artefactos antiguos. La popularidad de esta técnica se debe a que los datos confidenciales se pueden recopilar sin una distorsión significativa del sistema en el que se está estudiando. El éxito incomparable encontrado en el uso del análisis de haces de iones ha sido prácticamente indiscutido durante los últimos treinta años hasta hace muy poco con el desarrollo de nuevas tecnologías. Incluso entonces, el uso del análisis de haces de iones no ha desaparecido y se están encontrando más aplicaciones que aprovechan sus capacidades de detección superiores. En una era en la que las tecnologías más antiguas pueden volverse obsoletas en un instante, el análisis de haces de iones sigue siendo un pilar y sólo parece estar creciendo a medida que los investigadores encuentran un mayor uso de la técnica.
Las nanopartículas de oro se han utilizado recientemente como base para el recuento de especies atómicas, especialmente para estudiar el contenido de células cancerosas. [5] El análisis por haz de iones es una excelente manera de contar la cantidad de especies atómicas por célula. Los científicos han encontrado una forma eficaz de poner a disposición datos cuantitativos precisos mediante el análisis de haces de iones junto con la espectrometría de retrodispersión elástica (EBS). [5] Los investigadores de un estudio con nanopartículas de oro pudieron encontrar un éxito mucho mayor utilizando el análisis por haz de iones en comparación con otras técnicas analíticas, como PIXE o XRF. [5] Este éxito se debe al hecho de que la señal EBS puede medir directamente información de profundidad mediante análisis de haz de iones, mientras que esto no se puede hacer con los otros dos métodos. Las propiedades únicas del análisis por haz de iones son de gran utilidad en una nueva línea de terapia contra el cáncer.
El análisis de haces de iones también tiene una aplicación única en el estudio de artefactos arqueológicos, también conocido como arqueometría. [6] Durante las últimas tres décadas, este ha sido el método preferido para estudiar artefactos preservando al mismo tiempo su contenido. Lo que muchos han encontrado útil al utilizar esta técnica es su excelente rendimiento analítico y su carácter no invasivo. Más concretamente, esta técnica ofrece un rendimiento incomparable en términos de sensibilidad y precisión. Sin embargo, recientemente ha habido fuentes competitivas para fines de arqueometría que utilizan métodos basados en rayos X, como XRF. No obstante, la fuente más preferida y precisa es el análisis de haces de iones, que aún no tiene comparación en su análisis de elementos ligeros y aplicaciones de imágenes químicas en 3D (es decir, obras de arte y artefactos arqueológicos). [6] [7]
Una tercera aplicación del análisis por haz de iones son los estudios forenses, particularmente en la caracterización de residuos de bala. La caracterización actual se realiza en base a los metales pesados que se encuentran en las balas; sin embargo, los cambios en la fabricación están haciendo que estos análisis se vuelvan obsoletos. Se cree que la introducción de técnicas como el análisis de haces de iones alivia este problema. Actualmente, los investigadores están estudiando el uso del análisis de haz de iones junto con un microscopio electrónico de barrido y un espectrómetro de rayos X de dispersión de energía (SEM-EDS). [8] La esperanza es que esta configuración detecte la composición de sustancias químicas nuevas y antiguas que los análisis más antiguos no pudieron detectar de manera eficiente en el pasado. [8] La mayor cantidad de señal analítica utilizada y la iluminación más sensible encontrada en el análisis de haces de iones son muy prometedores para el campo de la ciencia forense.
La detección espacialmente resuelta de elementos ligeros, como el litio, sigue siendo un desafío para la mayoría de las técnicas basadas en la capa electrónica de los átomos objetivo, como XRF o SEM-EDS. Para las baterías de litio y de iones de litio, la cuantificación de la estequiometría del litio y su distribución espacial son importantes para comprender los mecanismos detrás de la descarga/descarga y el envejecimiento. Mediante el enfoque del haz de iones y una combinación de métodos, el análisis del haz de iones ofrece la posibilidad única de medir el estado de carga local (SoC) en la escala de µm. [9]
Las técnicas analíticas basadas en haces de iones representan un poderoso conjunto de herramientas para el análisis de composición elemental no destructivo, sin estándares, resuelto en profundidad y de alta precisión en el régimen de profundidad desde varios nm hasta unos pocos μm. [10] Cambiando el tipo de ion incidente, la geometría del experimento, la energía de las partículas o adquiriendo diferentes productos originados de la interacción ion-sólido, se puede extraer información complementaria. Sin embargo, el análisis a menudo se ve cuestionado en términos de resolución de masa (cuando en la muestra hay varios elementos comparablemente pesados) o en términos de sensibilidad (cuando especies ligeras están presentes en matrices pesadas). Por lo tanto, una combinación de dos o más técnicas basadas en haces de iones puede superar las limitaciones de cada método individual y proporcionar información complementaria sobre la muestra. [4] [5]
Un análisis iterativo y autoconsistente también mejora la precisión de la información que se puede obtener de cada medición independiente. [11] [12] [13]
Desde la década de 1960, los datos recopilados mediante el análisis de haces de iones se han analizado mediante multitud de programas de simulación por ordenador. Los investigadores que utilizan con frecuencia el análisis de haces de iones junto con su trabajo requieren que este software sea preciso y apropiado para describir el proceso analítico que están observando. [14] Las aplicaciones de estos programas de software van desde el análisis de datos hasta simulaciones teóricas y modelos basados en suposiciones sobre los datos atómicos, las matemáticas y las propiedades físicas que detallan el proceso en cuestión. A medida que el propósito y la implementación del análisis de haces de iones han cambiado a lo largo de los años, también lo han hecho el software y los códigos utilizados para modelarlo. Dichos cambios se detallan a través de las cinco clases por las cuales se clasifica el software actualizado. [15] [16]
Incluye todos los programas desarrollados a finales de los años 1960 y principios de los años 1970. Esta clase de software resolvió problemas específicos en los datos; niy no proporcionó todo el potencial para analizar el espectro de un caso general completo. El programa pionero destacado fue IBA, desarrollado por Ziegler y Baglin en 1971. En ese momento, los modelos computacionales solo abordaban el análisis asociado con las técnicas de retrodispersión del análisis de haces de iones y realizaban cálculos basados en un análisis de losa. Durante este tiempo surgieron una variedad de otros programas, como RBSFIT, aunque debido a la falta de conocimiento profundo sobre el análisis de haces de iones, se volvió cada vez más difícil desarrollar programas tan precisos.
Una nueva ola de programas buscó resolver este problema de precisión en esta próxima clase de software. Desarrollados durante la década de 1980, programas como SQEAKIE y BEAM EXPERT brindaron la oportunidad de resolver el caso general completo empleando códigos para realizar análisis directos. Este enfoque directo despliega el espectro producido sin hacer suposiciones sobre la muestra. En lugar de ello, calcula a través de señales espectrales separadas y resuelve un conjunto de ecuaciones lineales para cada capa. Sin embargo, todavía surgen problemas y se realizan ajustes para reducir el ruido en las mediciones y el margen de incertidumbre.
En un viaje de regreso al punto de partida, esta tercera clase de programas, creada en la década de 1990, toma algunos principios de la Clase A para explicar el caso general, aunque ahora mediante el uso de métodos indirectos. RUMP y SENRAS, por ejemplo, utilizan un modelo supuesto de la muestra y simulan espectros teóricos comparativos, que proporcionaron propiedades tales como retención de estructura fina y cálculos de incertidumbre. Además de la mejora en las herramientas de análisis de software, surgió la capacidad de analizar otras técnicas además de la retrodispersión; es decir, ERDA y NRA.
Al salir de la era de la Clase C y principios de la década de 2000, el software y los programas de simulación para el análisis de haces de iones abordaban una variedad de técnicas de recopilación de datos y problemas de análisis de datos. Siguiendo los avances tecnológicos del mundo, se realizaron ajustes para mejorar los programas a códigos más generalizados, evaluación del espectro y determinación estructural. Los programas producidos como SIMNRA ahora tienen en cuenta las interacciones más complejas con el haz y la muestra; proporcionando también una base de datos conocida de datos de dispersión.
Esta clase desarrollada más recientemente, que tiene características similares a la anterior, hace uso de principios primarios en las técnicas computacionales de Monte Carlo. [17] Esta clase aplica cálculos de dinámica molecular que pueden analizar interacciones físicas de baja y alta energía que tienen lugar en el análisis del haz de iones. Una característica clave y popular que acompaña a estas técnicas es la posibilidad de incorporar los cálculos en tiempo real al propio experimento de análisis del haz de iones.
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: otros ( enlace )