مطيافية امتصاص الأشعة السينية (XAS)
مقدمة
طيف امتصاص الأشعة السينية (X-ray Absorption Spectroscopy, XAS) هي تقنية تحليلية قوية تُستخدم لدراسة التركيب الإلكتروني والبيئة المتمركزة لعناصر محددة في مواد متنوعة. تُعتبر هذه التقنية قيمة بشكل خاص في علوم المواد، الكيمياء، وعلم الأحياء لفهم خصائص الأنظمة المعقدة. يوفر XAS رؤى حول حالات الأكسدة، المركبات التناسقية، وإعادة الترتيب الذري ، مما يجعله أساسيًا في الأبحاث المتعلقة بالتحفيز، والعلوم البيئية، وفيزياء الحالة الصلبة. بشكل عام، يُعتبر طيف امتصاص الأشعة السينية أداة حيوية في أبحاث العلوم الحديثة، حيث يوفر رؤى تفصيلية حول البنى الذرية والإلكترونية للمواد. إن قدرته على استكشاف البيئات المتموضعة (المتمركزة)وحالات الأكسدة تجعلها لا تقدر بثمن لفهم الأنظمة المعقدة في مجالات متنوعة.
مبدأ العمل
يعتمد XAS على تفاعل الأشعة السينية مع المادة. تتضمن التقنية الخطوات التالية:
تفاعل الأشعة السينية: عندما تتعرض العينة للأشعة السينية، يتم امتصاص طاقات معينة من قبل الذرات في العينة. يحدث الامتصاص عندما تتطابق طاقة الأشعة السينية القادمة مع الفرق في الطاقة بين الحالة الأرضية وحالة مثارة لإلكترون من الغلاف الداخلي.
حافة الامتصاص: عند مستويات طاقة معينة، تعرف باسم حواف الامتصاص، يحدث زيادة كبيرة في الامتصاص. وهذا يتوافق مع التأيين الضوئي للإلكترونات من الغلاف الداخلي.
جمع البيانات: يتم تسجيل طيف الامتصاص من خلال قياس شدة الأشعة السينية المرسلة بوصفها دالة للطاقة. يحتوي الطيف الناتج على ميزات توفر معلومات حول البيئة المحلية والحالات الإلكترونية للذرات الماصة.
أنواع XAS
يمكن تصنيف XAS بشكل عام إلى نوعين رئيسيين:
بنية إمتصاص الأشعة القريب من الحافة (XANES): X-ray Absorption Near Edge Structure
يركز على نطاق الطاقة القريب من حافة الامتصاص.
يوفر معلومات عن حالة الأكسدة، وتنسيق الجزيئات، والتركيب الإلكتروني.
مفيد في تحديد الأنواع الكيميائية المختلفة.
البنية الدقيقة لإمتصاص الأشعة الموسّعة (EXAFS): Extended X-ray Absorption Fine Structure
يحلل التذبذبات في طيف الامتصاص عند الطاقات التي تتجاوز الحافة.
يوفر معلومات تفصيلية عن التركيب الذري المحلي، بما في ذلك أطوال الروابط، وأعداد التنسيق، وأنواع الذرات المجاورة.
مفيد بشكل خاص لدراسة المواد المعقدة والحفّاز catalysts.
فوائد XAS
خصوصية العناصر : يمكن الاستكشاف عن عناصر محددة ضمن مزيج معقد، بغض النظر عن المصفوفة المحيطة.
معلومات بنيوية عن المحيط الكيميائي: يوفر رؤى حول المحيط الكيميائي للذرات، بما في ذلك أطوال الروابط والتنسيق.
في دراسات insitu : يمكن إجراء تحت ظروف مختلفة (درجة حرارة، ضغط، بيئة كيميائية)، مما يسمح بدراسة العمليات الديناميكية.
التنوع: قابل للتطبيق على مجموعة واسعة من المواد، بما في ذلك المعادن، والأكاسيد، والعينات البيولوجية، والمركبات العضوية المعدنية.
العينات التي يمكن قياسها
XAS تقنية متعددة الاستخدامات ويمكن تطبيقها على أنواع مختلفة من العينات، بما في ذلك:
العينات الصلبة : المواد البلورية وغير البلورية، بما في ذلك المعادن، وأشباه الموصلات، والسيراميك.
العينات السائلة : المحاليل التي تحتوي على عناصر مذابة أو جسيمات نانوية.
العينات الغازية : الغازات تحت ظروف محددة، على الرغم من أن هذا أقل شيوعًا.
العينات البيولوجية : البروتينات، والإنزيمات، وغيرها من الجزيئات الحيوية، غالبًا في حالتها الطبيعية أو تحت ظروف فسيولوجية.
تفسير النتائج
عادةً ما يتم تحليل نتائج XAS في جزئين رئيسيين:
تحليل XANES:
شكل وموقع الميزات في طيف XANES يوفر معلومات عن حالة الأكسدة وتنسيق الذرات الماصة.
يمكن أن تساعد المقارنة مع المركبات المرجعية في تحديد الأنواع الكيميائية وبيئاتها.
تحليل EXAFS:
يتم تحليل الجزء الاهتزازي من طيف EXAFS لاستخراج معلومات كمية حول التركيب المحلي.
يحول التحويل فورييه بيانات EXAFS من فضاء k (موجي) إلى فضاء R (فضاء حقيقي)، كاشفًا عن المسافات إلى الذرات المجاورة وأعداد التنسيق.
يسمح تركيب بيانات EXAFS مع نماذج نظرية بتحديد البارامترت البنيويّة بالتفصيل.