Tomografia computadorizada monocromática em laboratório

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 363 (2023) Citar este artigo

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Neste artigo, demonstramos a viabilidade da absorção de raios X de campo completo altamente monocromática, próxima à tomografia baseada na estrutura da borda, usando um espectrômetro de absorção de raios X do tipo Johann em escala laboratorial, utilizando uma fonte convencional de tubo de raios X. Nesta prova de conceito, usando um fantasma incorporado com SeO elementar, Na\(_2\)SeO\(_3\) e Na\(_2\)SeO\(_4\), mostramos que os três- distribuições dimensionais de Se em diferentes estados de oxidação podem ser mapeadas e distinguidas da matriz fantasma e entre si com tomografia de contraste de borda de absorção. O método apresentado permite análises volumétricas de especiação química em amostras em escala mm usando fontes de raios X de baixo brilho e representa uma nova ferramenta analítica para engenharia de materiais e pesquisa em muitos campos, incluindo biologia e química.

A tomografia computadorizada (TC) é um método não destrutivo amplamente utilizado para investigar a estrutura tridimensional da matéria. Os instrumentos clínicos de tomografia computadorizada e uma grande fração das configurações em escala laboratorial são baseados em feixes policromáticos de largura de banda larga produzidos com tubos de raios X convencionais. Embora isso produza um fluxo suficientemente alto de fótons para fins de geração de imagens, a policromaticidade do feixe tem suas próprias desvantagens, como artefatos de endurecimento do feixe e insensibilidade à composição química do objeto fotografado. Alguma quantidade de contraste químico pode ser obtida por imagens de energia dupla, mas a informação pode ser usada para separar os elementos, na melhor das hipóteses, em dois ou três grupos com base no seu número atômico1. A falta de sensibilidade elementar é uma lacuna significativa do ponto de vista da investigação de materiais, uma vez que as propriedades do material dependem não apenas da sua composição e distribuição elementar, mas também da especiação química dos elementos.

Essas limitações podem ser superadas com feixes de raios X altamente monocromáticos e sintonizáveis, como aqueles produzidos com fontes de luz laser síncrotron e de elétrons livres de raios X. Uma dessas abordagens é a imagem de subtração K-edge, que tem sido utilizada, por exemplo, para mapear a ventilação das vias aéreas nos pulmões durante um ataque de asma usando a imagem de absorção K-edge do gás xenônio2,3.

Ajustando a energia do fóton de um feixe de raios X com resolução de \(\lesssim\) 1 eV, pode-se até separar os sinais de raios X de diferentes espécies químicas que, por sua vez, podem ser utilizados para mapear a distribuição das espécies na amostra. . Este método, conhecido como espectroscopia de absorção de raios X de borda próxima (XANES), oferece uma ferramenta não destrutiva para a análise da química de um determinado elemento, principalmente seu estado de oxidação e coordenação atômica local . Ele demonstrou sucesso ao ser utilizado como método de contraste para tomografia em inúmeras aplicações de pesquisa de materiais, como investigação de composições químicas em nano e mesoescala e transições de fase em materiais de bateria 5,6,7, degradação e inativação de materiais catalisadores 8,9 e heterogeneidade de cristais de estrutura metal-orgânica projetados por defeito10. Também foi demonstrado que uma ideia semelhante pode ser aplicada ao espalhamento inelástico de raios X (espectroscopia Raman de raios X) para obter dados tomográficos sobre o estado químico de elementos de baixo Z para, por exemplo, distinguir espacialmente \(sp^2\) e \(sp^3\) ligações em materiais de carbono11.

As técnicas acima mencionadas requerem uma fonte de luz de raios X altamente brilhante e com energia ajustável, como uma fonte de luz síncrotron, o que limita sua aplicabilidade em escala laboratorial. No entanto, devido à alta demanda e escassez de tempo de feixe em fontes de luz síncrotron e laser de elétrons livres de raios X em grande escala, a espectrometria de raios X em escala laboratorial experimentou um renascimento nos últimos anos. Apesar de sua produção de fótons ser muito menor, os instrumentos em escala laboratorial provaram ser uma alternativa viável para instalações de grande escala em muitas aplicações .