Röntgenspektroskopie leicht gemacht
Zonenplatten vereinfachen multidimensionale Röntgenspektroskopie an niedrig konzentrierten Proben.
Fresnel-Zonenplatten-Spektrometer ermöglichen neue, effizientere Untersuchungen mit weicher Röntgenstrahlung. In einer Studie präsentierten Forscher einen Aufbau mit einer Reflexionszonenplatte, der bisher sehr aufwendige Messungen an schwer zu handhabenden chemischen und biologisch relevanten Systemen vereinfacht. In einer zweiten Arbeit stellte ein anderes Team ein Spektrometer mit einer Transmissionszonenplatte vor, mit dem sich komplexe Untersuchungen solcher Systeme in wenigen Schritten durchführen lassen. Die Studien wurden von Forschern von DESY, dem Helmholtz-
Abb.: Resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS) mit Reflexions- und Transmissionszonenplatten: Ein Röntgenpuls (violett) trifft auf einen Probenstrahl (Düse von oben). Das gesteute Röntgenlicht wird mit den Zonenplatten auf einen Detektor gelenkt. Es enthält sowohl Ortsinformationen (rechts unten) als auch Energieinformationen (rechts oben) der Probe (Bild: FS-SCS / DESY).
Die Untersuchung der elektronischen Struktur von Stoffen ist für verschiedene wissenschaftliche Disziplinen interessant. „Aus der Struktur der Elektronen oder der Elektronenkonfiguration in einem System können wir unter anderem die Bindungszustände der einzelnen chemischen Elemente gerade auch in ungeordneten Materialien ableiten“, sagt DESY-
Die Elektronen in einer Probe werden dabei mit Röntgenstrahlung angeregt, um dann wieder hochenergetische Röntgenstrahlung abzugeben. Dabei entsteht eine für jedes chemische Element charakteristische Röntgen-
Ein Problem dieser Messmethode ist, dass gerade leichte Elemente, die eine wichtige Rolle in der Biologie spielen, nach der Anregung nur sehr wenig Strahlung abgeben. „In komplizierten chemischen und biochemischen Reaktionen in Flüssigkeiten ergeben konventionelle RIXS-
Optisch betrachtet sind Reflexionszonenplatten Alleskönner: Sie können optisches Licht oder auch Röntgenstrahlung reflektieren und gleichzeitig fokussieren. Bei entsprechender Beleuchtung trennen sie gleichzeitig die einzelnen Wellenlängen räumlich auf, so dass sie auf einem Detektor an unterschiedlichen Stellen gemessen werden können. „Reflexionszonenplatten sind quasi der nächste logische Schritt in der Entwicklung von Röntgenoptiken“, sagt Jens Rehanek vom Paul-
Um einen Nachteil der Zonenplatten, den kleineren, messbaren Energiebereich, zu umgehen, wendeten die Forscher einen Trick an: Sie positionierten die Zonenplatte etwas weiter weg von der Probe als vorgesehen und konnten so einen größeren Energiebereich mit ähnlich guter Auflösung wie die der konventionellen Spektrometer vermessen. „Mit der Reflexionszonenplatte haben wir ein Spektrometer mit hoher Effizienz und guter Auflösung in einer größeren Bandbreite für Proben in kleiner Menge konstruiert“, betont Rehanek. Die Theorie als auch die Technologie von Reflexionszonenplatten wurden seit 2008 im Institut für Nanometeroptik und -technologie am Helmholtz-
In einer zweiten Studie entwickelten Forscher ein Spektrometer, das auf einer ähnlichen Optik basiert und auch für die Untersuchung von komplizierten chemischen und biochemischen Reaktionen geeignet ist. Fresnel-
Auch hier nutzen die Forscher aus, dass die Zonenplatte das Licht in zwei Richtungen fokussieren kann, so dass Röntgen-
Beide Neuentwicklungen bieten eine Alternative zu den bisherigen Röntgenspektrometern; gerade zeitaufgelöste Experimente an chemischen und biochemischen Reaktionen profitieren von der hohen Effizienz. „Da die Spektrometer jeweils nur eine Optik verwenden, sind sie sehr kompakt und dadurch flexibel einsetzbar“, sagt Felix Marschall vom PSI. Die Entwicklung der neuen Methoden steht allerdings auch am Anfang und das Potenzial der Zonenplatten ist noch nicht ausgeschöpft: „Wir arbeiten bereits an weiteren Studien, in denen wir den Aufbau weiter optimieren und zusätzliche Einsatzmöglichkeiten der Zonenplatten testen“, sagt DESY-
DESY / DE