Tomografia computerizzata monocromatica mediante laboratorio

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 363 (2023) Citare questo articolo

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In questo articolo, dimostriamo la fattibilità della tomografia altamente monocromatica basata sull'assorbimento di raggi X a campo pieno vicino alla struttura del bordo utilizzando uno spettrometro di assorbimento di raggi X di tipo Johann su scala di laboratorio che utilizza una sorgente di tubo a raggi X convenzionale. In questa prova di concetto, utilizzando un fantasma incorporato con Se elementare, Na\(_2\)SeO\(_3\) e Na\(_2\)SeO\(_4\), mostriamo che i tre- le distribuzioni dimensionali di Se in diversi stati di ossidazione possono essere mappate e distinte dalla matrice fantasma e tra loro con la tomografia a contrasto del bordo di assorbimento. Il metodo presentato consente analisi volumetriche della speciazione chimica in campioni su scala mm utilizzando sorgenti di raggi X a bassa brillantezza e rappresenta un nuovo strumento analitico per l'ingegneria dei materiali e la ricerca in molti campi, tra cui la biologia e la chimica.

La tomografia computerizzata (CT) è un metodo non distruttivo ampiamente utilizzato per studiare la struttura tridimensionale della materia. Gli strumenti TC clinici e la maggior parte delle configurazioni su scala di laboratorio si basano su fasci policromatici a larga banda prodotti con tubi a raggi X convenzionali. Sebbene ciò produca un flusso di fotoni sufficientemente elevato per scopi di imaging, la policromaticità del fascio presenta i suoi inconvenienti come artefatti di indurimento del fascio e insensibilità alla composizione chimica dell'oggetto ripreso. Una certa quantità di contrasto chimico può essere ottenuta mediante l'imaging a doppia energia, ma l'informazione può essere utilizzata, nella migliore delle ipotesi, per separare gli elementi in due o tre gruppi in base al loro numero atomico1. La mancanza di sensibilità elementare è una lacuna significativa dal punto di vista della ricerca sui materiali poiché le proprietà del materiale dipendono non solo dalla sua composizione e distribuzione elementare, ma anche dalla speciazione chimica degli elementi.

Queste limitazioni possono essere superate con fasci di raggi X altamente monocromatici e sintonizzabili come quelli prodotti con sorgenti di luce laser a elettroni liberi di sincrotrone e raggi X. Uno di questi approcci è l'imaging con sottrazione del bordo K, che è stato utilizzato ad esempio per mappare la ventilazione delle vie aeree nei polmoni durante un attacco d'asma utilizzando l'imaging con assorbimento del bordo K del gas xeno2,3.

Regolando l'energia dei fotoni di un fascio di raggi X con una risoluzione di \(\lesssim\) 1 eV è possibile anche separare i segnali dei raggi X di diverse specie chimiche che a loro volta possono essere utilizzati per mappare la distribuzione delle specie nel campione . Questo metodo, noto come spettroscopia vicina al bordo di assorbimento dei raggi X (XANES), offre uno strumento non distruttivo per l'analisi della chimica di un dato elemento, soprattutto del suo stato di ossidazione e della coordinazione atomica locale4. Ha dimostrato di essere utilizzato con successo come metodo di contrasto per la tomografia in numerose applicazioni di ricerca sui materiali, come lo studio delle composizioni chimiche su nanoscala e mesoscala e le transizioni di fase nei materiali delle batterie5,6,7, la degradazione e l'inattivazione dei materiali catalitici8,9 e l'eterogeneità dei materiali cristalli con struttura metallo-organica ingegnerizzati in modo difettoso10. È stato anche dimostrato che un'idea simile può essere applicata allo scattering anelastico di raggi X (spettroscopia Raman a raggi X) per ottenere dati tomografici sullo stato chimico degli elementi a Z basso per, ad esempio, distinguere spazialmente \(sp^2\) e Legami \(sp^3\) nei materiali di carbonio11.

Le tecniche sopra menzionate richiedono una sorgente di luce a raggi X altamente brillante e regolabile in termini di energia, come una sorgente di luce di sincrotrone, che ne limita l'applicabilità su scala di laboratorio. Tuttavia, a causa dell'elevata domanda e della scarsità del tempo di fascio delle sorgenti luminose laser a elettroni liberi di sincrotrone e di raggi X su larga scala, la spettrometria a raggi X su scala di laboratorio ha vissuto una rinascita negli ultimi anni. Nonostante la loro emissione di fotoni inferiore di diversi ordini di grandezza, gli strumenti su scala di laboratorio hanno dimostrato di essere una valida alternativa alle strutture su larga scala in molte applicazioni12,13,14,15,16,17,18.