Scattering anelastico risonante di raggi X (RIXS) che utilizza piastre di zona di riflessione e trasmissione:un impulso di raggi X (viola) colpisce un raggio campione (getto dall'alto). I raggi X diffusi vengono deviati su un rivelatore dalle piastre di zona. Contengono informazioni sulla posizione (in basso a destra) e l'energia (in alto a destra) del campione. Credito:FS-SCS/DESY
I cosiddetti spettrometri a piastre a zona di Fresnel offrono modi nuovi e più efficienti di condurre esperimenti utilizzando raggi X molli. In uno studio pubblicato sulla rivista Optics Express, gli scienziati hanno presentato il progetto per una piastra a zona di riflessione che semplifica le misurazioni estremamente complicate su sistemi chimicamente e biologicamente rilevanti che finora erano difficili da condurre. Un secondo studio, pubblicato sulla rivista Rapporti scientifici , presenta uno spettrometro che utilizza una piastra di zona di trasmissione, che può essere utilizzato per svolgere indagini complesse su tali sistemi in un numero limitato di passaggi. Questi studi sono stati condotti da scienziati che lavorano presso DESY, il Centro Helmholtz per i materiali e l'energia di Berlino, l'Istituto Paul Scherrer in Svizzera e il Campus di Göttingen (Università di Göttingen e Istituto Max Planck di chimica biofisica).
Lo studio della struttura elettronica dei materiali può essere utile in una serie di diversi campi scientifici. "Possiamo usare la struttura degli elettroni o la configurazione elettronica di un sistema per dedurre cose come lo stato di legame dei singoli elementi chimici, anche in materiali disordinati, " dice Zhong Yin di DESY, che ha avuto un ruolo centrale in entrambi gli studi. Un metodo per esaminare questa struttura è noto come diffusione anelastica risonante di raggi X (o "RIXS"), un metodo multidimensionale di spettroscopia a raggi X. In questo metodo, gli elettroni di un campione vengono eccitati mediante raggi X e quindi emettono a loro volta raggi X ad alta energia. Ogni elemento chimico produce uno schema caratteristico di eccitazioni ed emissioni di raggi X, con specifici livelli di energia nel tempo. Questo modello può essere letto variando l'energia di eccitazione dei raggi X e quindi utilizzando sistemi ottici per guidare i fotoni di raggi X che vengono emessi a un rivelatore e separarli per lunghezza d'onda.
Un problema con questa procedura è che elementi particolarmente leggeri, che svolgono un ruolo importante nella biologia, emettono solo pochissime radiazioni quando sono eccitati. "Nelle complesse reazioni chimiche e biochimiche che avvengono all'interno dei liquidi, i metodi RIXS convenzionali possono fornire informazioni importanti e dettagliate sulle strutture elettroniche esistenti, grazie alla loro risoluzione spettrale. Però, i campioni devono essere presenti in grandi quantità, e questo significa che eseguire misurazioni RIXS su sistemi biologicamente rilevanti può essere molto costoso e complicato, " spiega Simone Techert, la principale scienziata di DESY, che è professore all'Università di Göttingen e che era responsabile dell'implementazione delle targhe di zona, l'ambiente chimico e l'analisi. "I nuovi spettrometri a piastra a zona di riflessione e trasmissione possono essere combinati con getti di liquido, o altri ambienti campione rapidamente scambiabili, per consentire esami RIXS notevolmente più efficienti di campioni a bassa concentrazione nella gamma dei raggi X molli, che può essere utilizzato per studiare campioni costituiti da carbonio e azoto."
Questa immagine di un modello di prova è stata scattata presso PETRA III utilizzando il nuovo metodo. Credito:FS-SCS/DESY
Come strumento ottico, le lastre con zona di riflessione sono tuttofare:possono riflettere la luce ottica oi raggi X e allo stesso tempo metterli a fuoco. Quando adeguatamente illuminato, possono separare contemporaneamente le singole lunghezze d'onda spazialmente, in modo che questi possano essere misurati in punti diversi su un rivelatore. "Le piastre della zona di riflessione sono una sorta di passo logico successivo nell'ottica a raggi X, " dice Jens Rehanek del Paul Scherrer Institute. Insieme a Zhong Yin, ha progettato gli esperimenti per queste nuove applicazioni delle piastre di zona. "Assomigliano molto agli spettrometri a raggi X convenzionali in termini di funzionamento, ma possono focalizzare la luce non solo su una linea, ma su un unico punto." Poiché le piastre di zona sono inoltre posizionate più vicino al campione, i segnali deboli possono essere misurati in modo molto più efficiente. Gli scienziati hanno usato un trucco per aggirare uno degli svantaggi delle piastre di zona:la gamma più ristretta di energie che possono essere utilizzate per misurare. Hanno posizionato la piastra della zona leggermente più lontana dal campione del solito, consentendo loro di misurare una gamma più ampia di energie con una risoluzione simile a quella degli spettrometri convenzionali. "Lo spettrometro che abbiamo costruito utilizzando la piastra della zona di riflessione offre un'elevata efficienza e una buona risoluzione con un'elevata larghezza di banda e può essere utilizzato per piccoli campioni, " sottolinea Rehanek. Sia la teoria che la tecnologia delle lastre della zona di riflessione sono state sviluppate presso l'Istituto per l'ottica e la tecnologia dei nanometri presso il Centro Helmholtz di Berlino per i materiali e l'energia (HZB) dal 2008 da un team guidato da Alexei Erko, e sono utilizzati in varie aree per esperimenti di sincrotrone e FEL, nonché applicazioni di laboratorio a raggi X.
In un secondo studio, gli scienziati hanno sviluppato uno spettrometro basato su un sistema ottico simile che può essere utilizzato anche per esaminare complesse reazioni chimiche e biochimiche. Le piastre a zona di Fresnel possono essere utilizzate non solo per riflettere i raggi X; come piastre della zona di trasmissione, inoltre focalizzano i raggi X emessi e li separano in diverse lunghezze d'onda. Le piastre della zona di trasmissione prodotte presso l'Istituto Paul Scherrer (PSI) in Svizzera sono costituite da una sottile membrana trasparente ai raggi X, e funzionano in modo molto simile a lenti di luce visibile. Il gruppo di ricerca ha utilizzato queste piastre zonali per dimostrare che le loro proprietà speciali possono essere utilizzate per misurare gli spettri di radiazione in modo particolarmente efficiente.
Anche qui, gli scienziati hanno sfruttato il fatto che la piastra di zona è in grado di focalizzare la luce in due direzioni, che consente di eseguire metodi di imaging a raggi X utilizzando informazioni spettrali e di registrare un singolo, spettro multidimensionale dei raggi X, una cosiddetta "mappa RIXS", simultaneamente per diverse energie incidenti. Ciò significa che le piastre della zona di trasmissione possono essere utilizzate per studiare le differenze spaziali in uno spettro emesso molto rapidamente, e persino creare un'immagine della superficie del campione. "In linea di principio, questo è possibile anche utilizzando uno spettrometro RIXS convenzionale, "dice Christian David, il direttore dell'Istituto per la nanoottica al PSI che era responsabile della progettazione e della produzione della piastra di zona, "ma grazie alle speciali proprietà di imaging delle lastre della zona di trasmissione, siamo stati in grado di condurre tali misurazioni in parallelo (piuttosto che punto per punto), che accelera la procedura di un fattore cento."
Entrambi questi nuovi sviluppi offrono un'alternativa agli spettrometri a raggi X esistenti. Gli esperimenti che esaminano il corso delle reazioni chimiche e biochimiche nel tempo possono beneficiare in particolare della loro elevata efficienza. "Poiché gli spettrometri utilizzano un solo sistema ottico, sono molto compatti e quindi molto flessibili nelle modalità di utilizzo, " dice Felix Marschall del PSI, il primo autore dello studio in Rapporti scientifici . Però, le nuove metodiche sono ancora nelle prime fasi di sviluppo e le potenzialità offerte dalle placche zonali non sono ancora state sfruttate appieno:"Stiamo già lavorando ad altri studi, che migliorerà ulteriormente la configurazione e testerà ulteriori usi per le piastre di zona, " dice Jens Viefhaus di DESY, che ha supervisionato le misurazioni del test utilizzando i nuovi spettrometri presso la sorgente di raggi X PETRA III di DESY.