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Dispersión de rayos X de ángulo pequeño

La dispersión de rayos X de ángulo pequeño ( SAXS ) es una técnica de dispersión de ángulo pequeño mediante la cual se pueden cuantificar las diferencias de densidad a nanoescala en una muestra. Esto significa que puede determinar distribuciones de tamaño de nanopartículas , resolver el tamaño y la forma de macromoléculas (monodispersas) , determinar tamaños de poros, distancias características de materiales parcialmente ordenados y mucho más. [1] Esto se logra analizando el comportamiento de dispersión elástica de los rayos X cuando viajan a través del material, registrando su dispersión en ángulos pequeños (normalmente 0,1 – 10°, de ahí el "ángulo pequeño" en su nombre). Pertenece a la familia de técnicas de dispersión de ángulo pequeño (SAS) junto con la dispersión de neutrones de ángulo pequeño , y normalmente se realiza utilizando rayos X duros con una longitud de onda de 0,07 a 0,2 nm . Dependiendo del rango angular en el que se puede registrar una señal de dispersión clara, SAXS es ​​capaz de entregar información estructural de dimensiones entre 1 y 100 nm, y de distancias de repetición en sistemas parcialmente ordenados de hasta 150 nm. [2] USAXS (dispersión de rayos X de ángulo ultrapequeño) puede resolver dimensiones aún mayores, [3] [4] [5] ya que cuanto más pequeño es el ángulo registrado, mayores son las dimensiones del objeto que se sondean.

SAXS y USAXS pertenecen a una familia de técnicas de dispersión de rayos X que se utilizan en la caracterización de materiales. En el caso de macromoléculas biológicas como las proteínas , la ventaja de SAXS sobre la cristalografía es que no se necesita una muestra cristalina. Además, las propiedades de SAXS permiten la investigación de la diversidad conformacional en estas moléculas. [6] Los métodos de espectroscopia de resonancia magnética nuclear encuentran problemas con macromoléculas de mayor masa molecular (> 30–40 kDa ). Sin embargo, debido a la orientación aleatoria de las moléculas disueltas o parcialmente ordenadas, el promedio espacial conduce a una pérdida de información en SAXS en comparación con la cristalografía.

Aplicaciones

SAXS se utiliza para la determinación de la estructura a microescala o nanoescala de sistemas de partículas en términos de parámetros tales como tamaños promediados de partículas, formas, distribución y relación superficie-volumen. [7] [8] [9] [10] Los materiales pueden ser sólidos o líquidos y pueden contener dominios sólidos, líquidos o gaseosos (las llamadas partículas) del mismo u otro material en cualquier combinación. No sólo se pueden estudiar partículas, sino también la estructura de sistemas ordenados como laminillas y materiales similares a fractales . El método es preciso, no destructivo y normalmente requiere sólo un mínimo de preparación de la muestra. Las aplicaciones son muy amplias e incluyen coloides [11] , [12] , [13] , [14] de todo tipo, incluidos complejos interpolielectrolíticos, [15] , [16] , [17] micelas , [18] , [19] , [20] , [21] , [22] microgeles, [23] liposomas , [24] , [25] , [26] polimerosomas , [27] , [28] metales, cemento, aceite, polímeros , [29] , [30] , [31] , [32] plásticos, proteínas , [33] , [34] alimentos y productos farmacéuticos y se pueden encontrar tanto en investigación como en control de calidad. La fuente de rayos X puede ser una fuente de laboratorio o luz de sincrotrón que proporciona un mayor flujo de rayos X.

Dispersión resonante de rayos X de ángulo pequeño

Es posible mejorar el rendimiento de dispersión de rayos X [35] haciendo coincidir la energía de la fuente de rayos X con un borde de absorción resonante , como se hace para la dispersión de rayos X inelástica y resonante . A diferencia de las mediciones estándar RIXS, se considera que los fotones dispersos tienen la misma energía que los fotones incidentes.

Instrumentos SAXS

En un instrumento SAXS, un haz monocromático de rayos X se lleva a una muestra de la cual algunos de los rayos X se dispersan, mientras que la mayoría simplemente atraviesa la muestra sin interactuar con ella. Los rayos X dispersos forman un patrón de dispersión que luego se detecta en un detector que normalmente es un detector de rayos X plano bidimensional situado detrás de la muestra, perpendicular a la dirección del haz primario que inicialmente incide en la muestra. El patrón de dispersión contiene información sobre la estructura de la muestra. El principal problema que debe superarse en la instrumentación SAXS es ​​la separación de la intensidad dispersa débil del haz principal fuerte. Cuanto más pequeño sea el ángulo deseado, más difícil será. El problema es comparable al que se encuentra al intentar observar un objeto débilmente radiante cerca del Sol, como la corona solar. Sólo si la Luna bloquea la fuente de luz principal, la corona se vuelve visible. Asimismo, en SAXS se debe bloquear el haz no disperso que simplemente viaja a través de la muestra, sin bloquear la radiación dispersa muy adyacente. La mayoría de las fuentes de rayos X disponibles producen haces divergentes y esto agrava el problema. En principio, el problema podría solucionarse enfocando el haz, pero esto no es fácil cuando se trata de rayos X y hasta ahora no se hacía excepto en sincrotrones, donde se pueden utilizar grandes espejos curvados. Esta es la razón por la que la mayoría de los dispositivos de laboratorio de ángulo pequeño dependen de la colimación . Los instrumentos de laboratorio SAXS se pueden dividir en dos grupos principales: instrumentos de colimación de puntos y de colimación de líneas:

Instrumentos de colimación puntual

Los instrumentos de colimación puntual tienen orificios que dan forma al haz de rayos X en un pequeño punto circular o elíptico que ilumina la muestra. Por tanto, la dispersión se distribuye centrosimétricamente alrededor del haz de rayos X primario y el patrón de dispersión en el plano de detección consiste en círculos alrededor del haz primario. Debido al pequeño volumen de muestra iluminada y al despilfarro del proceso de colimación (sólo se permite el paso de aquellos fotones que vuelan en la dirección correcta), la intensidad dispersada es pequeña y, por lo tanto, el tiempo de medición es del orden de horas o días en caso de dispersores muy débiles. Si se utilizan ópticas de enfoque como espejos curvados o cristales monocromadores curvados u ópticas de colimación y monocromación como multicapas, el tiempo de medición se puede reducir considerablemente. La colimación puntual permite determinar la orientación de sistemas no isotrópicos ( fibras , líquidos cizallados ).

Instrumentos de colimación de línea

Los instrumentos de colimación lineal restringen el haz solo en una dimensión (en lugar de dos como para la colimación puntual), de modo que la sección transversal del haz es una línea larga pero estrecha. El volumen de muestra iluminada es mucho mayor en comparación con la colimación puntual y la intensidad dispersada con la misma densidad de flujo es proporcionalmente mayor. Por lo tanto, los tiempos de medición con instrumentos SAXS de colimación lineal son mucho más cortos en comparación con los de colimación puntual y están en el rango de minutos. Una desventaja es que el patrón registrado es esencialmente una superposición integrada (una autoconvolución ) de muchos patrones estenopeicos adyacentes. La mancha resultante se puede eliminar fácilmente utilizando algoritmos sin modelo o métodos de deconvolución basados ​​en la transformación de Fourier, pero sólo si el sistema es isotrópico. La colimación de líneas es de gran beneficio para cualquier material nanoestructurado isotrópico, por ejemplo, proteínas, tensioactivos, dispersión de partículas y emulsiones.

Fabricantes de instrumentos SAXS

Los fabricantes de instrumentos SAXS incluyen Anton Paar , Austria; Bruker AXS , Alemania; Hecus X-Ray Systems Graz, Austria; Malvern Panalytical . Países Bajos, Rigaku Corporation, Japón; Xenocs , Francia; y Xenocs , Estados Unidos.

Ver también

Referencias

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enlaces externos