La emisión de rayos X inducida por partículas o emisión de rayos X inducida por protones ( PIXE ) es una técnica utilizada 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 EM de longitudes de onda en la parte de rayos X del espectro electromagnético específico de un elemento. PIXE es una técnica de análisis elemental poderosa, aunque no destructiva, que ahora utilizan habitualmente 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]
Extensiones recientes de PIXE que utilizan haces muy enfocados (hasta 1 μm) brindan la capacidad adicional de análisis microscópico. Esta técnica, llamada microPIXE , se puede utilizar para determinar la distribución de oligoelementos en una amplia gama de muestras. Se puede utilizar una técnica relacionada, la emisión de rayos gamma inducida por partículas (PIGE), para detectar algunos elementos ligeros.
Se pueden recopilar tres tipos de espectros de un experimento PIXE:
La teoría cuántica establece que los electrones en órbita de un átomo deben ocupar niveles de energía discretos para ser estables. El bombardeo con iones de suficiente energía (normalmente protones 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 descienden para reemplazar las vacantes de la capa interna; sin embargo, 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 de detección inferior para un haz PIXE viene 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 del electrón K , esto es máximo cuando la velocidad del protón coincide con la velocidad del electrón (10% de la velocidad de la luz ), por lo tanto haces de protones de 3 MeV son óptimos.
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 repele 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.
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 cristales.
El análisis de proteínas utilizando microPIXE permite la determinación de la composición elemental de proteínas líquidas y cristalinas. microPIXE puede cuantificar el contenido de metales de las moléculas de proteínas con una precisión relativa de entre el 10% y el 20%. [2]
La ventaja de microPIXE es que, dada una proteína de secuencia conocida, la emisión de rayos X del azufre se puede utilizar como estándar interno para calcular el número de átomos de metal por monómero de proteína. Como sólo 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.
El análisis de los datos recopilados se puede realizar mediante los programas Dan32, [3] el front-end de gupix. [4] [5]
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.
Existen muchas ventajas al utilizar un haz de protones sobre un haz de electrones. Hay menos carga de cristal debido a la radiación Bremsstrahlung , aunque hay algo 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 por haz de protones .
Se pueden generar mapas bidimensionales de composiciones elementales escaneando el haz microPIXE a través del objetivo.
El análisis de células y tejidos completos es posible utilizando un haz microPIXE; este método también se conoce como microscopía nuclear . [6]
MicroPIXE es una técnica útil para el análisis no destructivo de pinturas y antigüedades. Aunque proporciona sólo un análisis elemental, se puede utilizar para distinguir y medir capas dentro del espesor de un artefacto. [7] La técnica es comparable con técnicas destructivas como la familia de análisis ICP . [8]
Los haces de protones se pueden utilizar para escribir ( escritura por haz de protones ) 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 .