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粒子誘起 X 線放出または陽子誘起 X 線放出( PIXE ) は、物質またはサンプルの元素組成を決定するために使用される技術です。物質がイオンビームにさらされると、原子の相互作用が発生し、元素に固有の電磁スペクトルのX 線部分の波長のEM 放射が放出されます。PIXE は強力でありながら非破壊的な元素分析技術であり、現在では地質学者、考古学者、芸術品保存家などが、起源、年代、真正性に関する疑問に答えるために日常的に使用しています。
この技術は1970年にスウェーデンのルンド大学のスヴェン・ヨハンソンによって初めて提案され、その後数年間にわたり同僚のロランド・アクセルソンとトーマス・B・ヨハンソンとともに開発されました。[1]
近年の PIXE の拡張により、強く焦点を絞ったビーム (1 μm まで) を使用するようになり、顕微鏡分析も可能になりました。この技術はmicroPIXEと呼ばれ、さまざまなサンプルの微量元素の分布を調べるのに使用できます。関連技術である粒子誘起ガンマ線放出 (PIGE) は、一部の軽元素の検出に使用できます。
理論
PIXE 実験から 3 種類のスペクトルを収集できます。
- X線放射スペクトル。
- ラザフォード後方散乱スペクトル。
- 陽子透過スペクトル。
X線放射
量子論によれば、原子の軌道を回る電子は、安定するためには離散的なエネルギー レベルを占める必要があります。イオン加速器によって生成された十分なエネルギーのイオン (通常は MeV 陽子) を照射すると、試料内の原子の内殻イオン化が起こります。外殻電子は内殻の空孔を置き換えるために落下しますが、特定の遷移のみが許可されます。元素の特性エネルギーの X 線が放出されます。エネルギー分散型検出器を使用して、これらの X 線を記録および測定します。
フッ素より重い元素のみ検出できます。PIXEビームの検出下限は、X線がチャンバーとX線検出器の間の窓を通過する能力によって決まります。上限はイオン化断面積、つまりK電子殻の イオン化確率によって決まります。これは陽子の速度が電子の速度（光速の10％）に一致するときに最大になるため、3 MeVの陽子ビームが最適です。[2]
陽子後方散乱
陽子は、弾性衝突、ラザフォード後方散乱を通じてサンプル内の原子核と相互作用することもあり、多くの場合、180 度に近い角度で陽子をはじきます。後方散乱により、サンプルの厚さと組成に関する情報が得られます。バルクサンプルの特性により、サンプル内の X 線光子損失を補正できます。
プロトン伝達
サンプルを通過する陽子の透過を利用して、サンプルに関する情報を得ることもできます。チャネリングは結晶の研究に使用できるプロセスの 1 つです。
タンパク質分析
microPIXEを使用したタンパク質分析により、液体および結晶タンパク質の元素組成を決定することができます。microPIXEは、タンパク質分子の金属含有量を10％から20％の相対精度で定量化できます。[3]
microPIXE の利点は、既知の配列を持つタンパク質があれば、硫黄からの X 線放射を内部標準として使用して、タンパク質モノマーあたりの金属原子の数を計算できることです。相対濃度のみが計算されるため、系統的誤差は最小限に抑えられ、結果は完全に内部的に一貫しています。
塩基のリン酸基を内部較正として 使用して、 DNAとタンパク質 (および金属)の相対濃度を測定することもできます。
データ分析
収集されたデータの分析は、GupixのフロントエンドであるDan32プログラム[4]によって実行できます。 [5] [6]
制限事項
分析から意味のある硫黄信号を得るためには、緩衝液に硫黄が含まれていてはなりません（つまり、BES、DDT、HEPES、MES、MOPSO 、またはPIPES化合物は含まれません）。緩衝液中の塩素の量が多すぎると硫黄のピークと重なるため、避ける必要があります。KBrとNaBrが適切な代替品です。
陽子と重荷電粒子の浸透深度が低いため、PIXE は特定のサンプルの上部 1 マイクロメートルの分析に限定されます。
利点
電子ビームよりも陽子ビームを使用する利点は数多くあります。オージェ電子の放出による結晶の帯電はあるものの、制動放射線による結晶の帯電は少なく、一次ビーム自体が電子ビームである場合よりも大幅に少なくなります。
電子に比べて陽子の質量が大きいため、ビームの横方向の偏向が少なくなります。これは陽子ビーム描画アプリケーションにとって重要です。
走査
microPIXE ビームをターゲット全体にスキャンすることで、元素組成の 2 次元マップを生成できます。
細胞および組織の分析
マイクロPIXEビームを使用すると細胞や組織全体の分析が可能であり、この方法は核顕微鏡法とも呼ばれます。[7]
アーティファクト分析
MicroPIXEは、絵画や骨董品の非破壊分析に有用な技術です。元素分析のみを提供しますが、遺物の厚さ内の層を区別して測定するために使用できます。[8]この技術は、 ICPファミリーの分析などの破壊技術に匹敵します。 [9]
陽子線描画
陽子線は、ポリマーの硬化（陽子誘起架橋による）または陽子感受性材料の分解を通じて書き込み（陽子線書き込み）に使用できます。これは、ナノテクノロジーの分野で重要な効果をもたらす可能性があります。
参考文献
- ^ Roland Akselsson ミニ CV - 2008 年 1 月 29 日アクセス
- ^ 石井 健; 森田 誠 (1988年8月). 「PIXE検出限界の理論的推定」.核物理学研究における計測・分析法セクションB: ビームと物質および原子との相互作用. 34 (2): 209–216. doi :10.1016/0168-583X(88)90745-8.
- ^ Garman, EF; Grime, GW (2005). 「microPIXE によるタンパク質の元素分析」.生物物理学と分子生物学の進歩. 89 (2): 173–205. doi :10.1016/j.pbiomolbio.2004.09.005. PMID 15910917.
- ^ Geoffrey W Grime Dan32: gupix の Windows インターフェイスの最近の開発。第 10 回国際粒子誘起 X 線放出会議、ポルトロス、スロベニア、2004 年
- ^ Maxwell, J; Teesdale, W; Campbell, J (1995). 「The Guelph PIXE software package II」.核物理学研究セクションBにおける計測機器と方法. 95 (3): 407. Bibcode :1995NIMPB..95..407M. doi :10.1016/0168-583X(94)00540-0.
- ^ Campbell, J (2000). 「Guelph PIXE ソフトウェア パッケージ III: 代替陽子データベース」.核物理学研究セクション B における核計測および方法. 170 (1–2): 193. Bibcode :2000NIMPB.170..193C. doi :10.1016/S0168-583X(00)00156-7.
- ^ Garman, Elspeth; Grime, Geoffery (2005年10月). 「microPIXEによるタンパク質の元素分析」.生物物理学と分子生物学の進歩. 89 (2): 173–205. doi :10.1016/j.pbiomolbio.2004.09.005. PMID 15910917. 2023年6月25日閲覧。
- ^ Grassi, N., et al. Differential PIXE measurement for the stratigraphic analysis of the painting “Madonna dei fusi” 10th international PIXE conference (2004) - 2008-01-29 アクセス 2007 年 9 月 8 日アーカイブ、Wayback Machineより
- ^ Ludovic Bellot-Gurlet 他 [doi:10.1016/j.nimb.2005.06.216] 「考古学における黒曜石の起源研究: PIXE、ICP-AES、ICP-MS の比較」、Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 240 (2005) 583–588、2021-06-20 にアクセス
外部リンク
- PIXE を用いたレオナルド ダ ヴィンチの「糸巻きの聖母」の検査
- ルネッサンス様式のエナメル加工を施した金の宝飾品の研究へのPIXEの応用