Hvordan kvantitativ SIMS-analyse kan revolusjonere materialkvantifisering og bioavbildning

Bruken av kvantitativ SIMS-analyse ved hjelp av (MCs)+ og (XCs)+ ioner, der M og X representerer henholdsvis matrikselement og urenhetselement, er blitt realiserbar under forhold der Cs-overflatedekningen holdes under 5 % (Wittmaack 2013). En betydelig suksess i å fullstendig undertrykke matriks-effekter ble oppnådd med den “alkali-ion-baserte molekylære SIMS”-metoden (Saha og Chakraborty 2013). Selv om MA+ molekylioner har funnet sin anvendelse i direkte materialkvantifisering ved SIMS, lider disse ionene generelt av lave utbytter. I slike tilfeller gir (MA)+2 ioner betydelig høyere følsomhet, da disse ionene har mye høyere utbytte. "Rekombinasjonskoeffisienten" for MA+ eller MA+2 ioner avhenger av om M er elektropositivt eller elektronegativt i forhold til A. Foruten effekten av overflatebindingsenergi, har endringer i "lokal overflatearbeidsfunksjon" vist seg å ha en betydelig innvirkning på dannelsen av disse molekylære ionene.

SIMS med "gass-klyngionstråler" (GCIB-er) har åpnet nye muligheter for bio-avbildning og molekylær dybdeprofilering. Tusenvis av atomer i en klynge, dannet under supersonisk ekspansjon, kan frigjøre mål-molekyler med høye emisjonsutbytter og ubetydelig fragmentering (Winograd 2018). Den kinetiske energien til klyngen, som består av omtrent 1 000 til 10 000 atomer eller molekyler, er jevnt fordelt blant alle bestanddelene, slik at den kinetiske energien til de enkelte bestanddelene reduseres til energinivåer sammenlignbare med kjemiske bindingers styrke. Dette reduserer betydelig sannsynligheten for fragmentering, overflateskader og ionindusert blanding, noe som står i kontrast til situasjonen med mindre klyngeprosjektiler, som Bi+3 eller C+60, der den kinetiske energien per atom kan være flere hundre eller tusen elektronvolt (Winograd 2018).

Et hovedproblem i sammensetningsanalysen av overflate-lag med minimal skade er å sikre at tilstrekkelig signal oppnås med minimal ionfluks. Dette har blitt funnet realiserbart med en kombinasjon av pulserende ionkilder og tids-of-fly (TOF) massespektrometre. TOF–SIMS har vist seg å være svært ressurssterk for innsamling av spektroskopiske data med betydelig høy masseoppløsning og deteksjonsfølsomhet. Bruken av TOF–SIMS har økt betraktelig fra mikroelektronikk til materialvitenskap og biologi (Brison et al., 2010). De biologiske anvendelsene av TOF–SIMS har økt med utviklingen av klynge-ionkilder. Polyatomiske primærioner, som Biq+n (n = 1–7, q = 1 og 2) og Cq+60 (q = 1–3), kan produsere en betydelig økning i de sekundære ionutbyttene, selv i de høye masseområdene i spektret.

I tillegg til de praktiske aspektene ved SIMS-metoden er det viktig å merke seg at ionisasjonspotensialet (I) og elektronaffinitet (A) spiller en viktig rolle for dannelsen av både positive og negative ioner. For et metallmål er den dominerende parameteren "arbeidsfunksjonen" (φ), som bestemmer minimumsenergien som kreves for å ionisere et atom positivt eller danne et negativt ion. Forståelsen av hvordan disse parametrene påvirker sannsynligheten for dannelse av sekundære ioner gir en dypere innsikt i de fenomener som styrer ionisering og ionutslipp.

Hvordan scintillatorekrystaller fungerer i strålingsdeteksjon

Scintillatorsystemer har i mange tiår vært en uunnværlig komponent i strålingsdeteksjon, og har muliggjort banebrytende vitenskapelige oppdagelser, samt en rekke praktiske applikasjoner innen medisinsk diagnostikk, sikkerhet og høyenergifysikk. Bruken av scintillatorsystemer strekker seg fra den tidlige oppdagelsen av røntgenstråler til moderne anvendelser som positronemisjonstomografi (PET) og partikkelakseleratorer. Et sentralt prinsipp som ligger til grunn for disse systemene, er scintillasjonsprosessen – en mekanisme hvor ioniserende stråling omdannes til synlig lys eller lavenergifotoner, som deretter kan detekteres og analyseres.

Scintillasjon skjer når ioniserende stråling som alfa-, beta-, gamma- eller røntgenstråler samhandler med scintillerende materialer og frigjør energi i form av synlige fotoner. Denne energioverføringen er av fundamental betydning for mange av de instrumentene vi bruker til å analysere stråling. Scintillatorer er derfor ikke bare viktige for fysikkforskning, men også for praktiske applikasjoner som medisinske bildebehandlingsteknikker og sikkerhetsskanninger.

Den første kjente scintillatoren ble laget fra bariumplatinocyanid (Ba[Pt(CN4)]) og ble brukt til å oppdage røntgenstråler, noe som førte til at Wilhelm Röntgen ble tildelt Nobelprisen i fysikk i 1901. Dette markerte starten på en rekke oppdagelser som har hatt stor betydning for både vitenskapen og samfunnet generelt. Tidligere ble synlige fotoner fra scintillasjon observert med det blotte øye, ved hjelp av en såkalt spinthariskop, utviklet av Sir William Crookes i 1903. I 1944 ble den fotomultipliserende røret oppfunnet, en oppfinnelse som gjorde det mulig å registrere scintillasjon uten behov for direkte visuell observasjon.

I dag er scintillatorer uunnværlige i mange moderne applikasjoner. De brukes i alt fra røntgen- og CT-skanninger til sikkerhetsscanninger i flyplasser og grensekontroller. I tillegg er de fundamentale i partikkelakseleratorer som brukes i grunnforskning, som for eksempel studier av Higgs-bosonet og mørk materie. De har også en viktig rolle i moderne kjernefysikk og nukleærmedisin, spesielt i teknologier som PET og SPECT.

Scintillatorer kan deles inn i to hovedkategorier: organiske og uorganiske. Organiske scintillatorer inkluderer væske- og plastscintillatorer, mens uorganiske scintillatorer ofte er halid- eller oksidkrystaller. Uorganiske scintillatorer er generelt mer lyssterke, men har en langsommere tidsmessig nedbrytning enn organiske scintillatorer. Dette gjør at valget av scintillator materialer i stor grad avhenger av de spesifikke kravene i applikasjonen, da hver type har både sine fordeler og begrensninger.

For å forstå hvordan scintillatorer fungerer, er det først nødvendig å forstå hvordan stråling samhandler med materie. Ioniserende stråling kan være ladede eller nøytrale partikler, og deres interaksjon med materialet skjer på forskjellige måter. Ladede partikler som alfa-, beta- eller tunge ioner mister energi ved å forårsake eksitasjon eller ionisering av atomer i scintillatormaterialet. Denne energitapprosessen er sterkt energiavhengig og kan beskrives ved hjelp av Bethe-Bloch-formelen for partikler i MeV-GeV-området, med justeringer for atomkjernekorreksjoner ved lavere energier og radiativt energitap ved høyere energier. Nøytrale partikler, som nøytroner, samhandler direkte med atomkjernene i scintillatorene og forårsaker rekylprotoner eller spallasjonfragmenter, som videre overfører energi til materialet på samme måte som de primære partiklene.

Scintillatorers viktigste egenskaper som bestemmer deres anvendelse er lysutbytte, tidsoppløsning og energioppløsning. Lysutbytte refererer til hvor effektivt et scintillatormateriale omdanner ioniserende stråling til synlig lys. Tidsoppløsningen er avgjørende for applikasjoner som krever rask respons, for eksempel i partikkelakseleratorer. Energioppløsningen er viktig for applikasjoner der presis måling av energien til de innkommende partiklene er nødvendig, som i medisinske diagnostiske systemer.

Blant de vanligste uorganiske scintillatorene finnes natriumjodid (NaI:Tl), som har vært i bruk i mange tiår og er kjent for sin høye lysutbytte, men som har en relativt langsom tidsoppløsning. Andre eksempler inkluderer cesiumjodid (CsI), som brukes i mange høyenergidetektorer, og lutetium-yttrium oksid (LYSO), som er mye brukt i PET-skanninger. Organiske scintillatorer, på den annen side, er lettere og har en raskere tidsoppløsning, men de har generelt lavere lysutbytte enn de uorganiske.

Det er også viktig å merke seg at valget av scintillatormateriale ikke alltid er basert på dens fysikalske egenskaper alene. Faktorer som kostnad, tilgjengelighet, stabilitet og evnen til å tilpasse materialet til spesifikke bruksområder spiller også en viktig rolle i beslutningen om valg av materiale.

I tillegg til tradisjonelle scintillatorsystemer har det vært en økende interesse for utvikling av nye typer scintillatorer, inkludert de som er designet for spesifikke applikasjoner innenfor medisin, sikkerhet og partikkelfysikk. For eksempel, scintillatorer som er følsomme for både gamma-stråler og nøytroner er av stor interesse for bruk i nukleærmedisin og sikkerhet, hvor det er behov for å skille mellom forskjellige typer stråling.

Hvordan luminescens og redoksreaksjoner påvirker nanopartikler og deres applikasjoner

Luminescens er et fenomen som har tiltrukket seg stor oppmerksomhet på grunn av sine potensielle applikasjoner i områder som optisk kommunikasjon, medisinsk bildebehandling, og energilagring. Dette fenomenet skjer når et materiale emitterer lys etter å ha blitt eksitert av energi i form av elektroner, fotoner eller andre partikler. I det siste har forskningen på luminescerende materialer, spesielt de som er dopet med sjeldne jordmetaller, vokst betraktelig, og de har vist seg å ha mange interessante egenskaper som kan manipuleres og tilpasses for ulike teknologiske behov.

En av de mest interessante aspektene ved luminescens er hvordan det kan kontrolleres og justeres ved hjelp av redoksreaksjoner. I forskning på materialer som Ce3+-koforholdet i LaPO4:Tb3+ nanorør, har det blitt vist at luminescens kan endres eller "slås av og på" gjennom redoksreaksjoner. Dette innebærer at elektronene i de aktiverte sjeldne jordmetallionene kan transporteres gjennom materialet på en kontrollert måte, noe som gir mulighet for å styre lysemitteringen.

I tillegg til de grunnleggende fenomenene som påvirker luminescens, er det også viktig å vurdere solventers rolle i faseoverganger i nanomaterialer. For eksempel har løsningsmiddelinnflytelse i LaPO4:RE (RE = Dy3+, Sm3+) nanomaterialer ført til en overgang fra monoklin til hexagonal fase, noe som videre kan ha betydning for deres luminescensytelse.

En annen viktig oppdagelse har vært hvordan ulike nanopartiklers strukturer og sammensetning påvirker deres fotoluminescens. For eksempel har nanopartikler som er dopet med Eu3+ eller Dy3+ vist en forbedret luminescens gjennom prosessen kjent som energioverføring. Denne prosessen skjer når et energioverskudd overføres fra en aktiveringsion til et annet, og gir mulighet for å oppnå ulike farger eller intensiteter i lysutslippet.

I de siste årene har det også blitt utført mye arbeid på hybridmaterialer, som kombinerer forskjellige nanopartikler for å oppnå multifunksjonelle egenskaper. Et interessant eksempel er Fe3O4@YPO4:Eu hybrid nanopartikler som har blitt brukt til både hypertermiapplikasjoner og luminescens. Denne kombinasjonen av egenskaper har gitt opphav til nye typer terapeutiske og diagnostiske verktøy, som kan brukes i onkologi og medisin.

Når vi ser på utviklingen av slike materialer, er det viktig å merke seg at deres potensial ikke er begrenset til bare grunnleggende applikasjoner som lys og bildebehandling. Disse nanopartiklene kan også brukes i mer avanserte teknologier som solcellepaneler, der deres evne til å utføre oppkonvertering av fotoner er av stor interesse. For eksempel har det blitt demonstrert at ved å bruke luminescerende lag i solceller kan man øke effekten ved å utnytte mer av sollyset.

Hva angår videre anvendelse, bør man også vurdere hvordan materialene reagerer på forskjellige ytre forhold, som temperatur eller påkjenninger fra andre kjemiske prosesser. For eksempel, når luminescerende materialer blir utsatt for høye temperaturer, kan de begynne å vise en stabilisering av de iboende defektene som finnes i materialstrukturen, noe som kan føre til forbedret ytelse over tid.

En annen viktig dimensjon i studiene av luminescensmaterialer er deres stabilitet og pålitelighet. Noen materialer viser en tendens til å miste sine luminescerende egenskaper over tid eller under belastning, som ved eksponering for høy temperatur eller stråling. Her blir nanopartiklenes sammensetning og deres evne til å opprettholde stabile elektronstrukturer avgjørende for deres anvendbarhet i praktiske applikasjoner. Dette er en utfordring som krever at forskere finner løsninger for å beskytte og stabilisere de luminescerende egenskapene.

Generelt sett viser fremtidens forskning på luminescerende nanopartikler og deres kontrollbare egenskaper at vi har tilgang til et bredt spekter av muligheter som kan utnyttes på tvers av vitenskapelige og industrielle områder. For leseren er det viktig å forstå at fremtiden for disse materialene ikke bare ligger i deres fysiske egenskaper, men også i hvordan de kan integreres og brukes i komplekse systemer for praktiske applikasjoner.