Tomodensitométrie monochromatique en laboratoire

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 363 (2023) Citer cet article

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Dans cet article, nous démontrons la viabilité d’une tomographie basée sur l’absorption des rayons X en plein champ hautement monochromatique à l’aide d’un spectromètre d’absorption des rayons X de type Johann à l’échelle du laboratoire utilisant une source de tube à rayons X conventionnelle. Dans cette preuve de concept, en utilisant un fantôme intégré avec Se élémentaire, Na\(_2\)SeO\(_3\) et Na\(_2\)SeO\(_4\), nous montrons que les trois- les distributions dimensionnelles de Se dans différents états d'oxydation peuvent être cartographiées et distinguées de la matrice fantôme et les unes des autres grâce à la tomographie à contraste de bord d'absorption. La méthode présentée permet des analyses volumétriques de la spéciation chimique dans des échantillons à l'échelle millimétrique à l'aide de sources de rayons X à faible brillance et représente un nouvel outil analytique pour l'ingénierie des matériaux et la recherche dans de nombreux domaines, notamment la biologie et la chimie.

La tomodensitométrie (CT) est une méthode non destructive largement utilisée pour étudier la structure tridimensionnelle de la matière. Les instruments de tomodensitométrie cliniques et une grande partie des installations à l'échelle du laboratoire sont basés sur un faisceau polychromatique à large bande passante produit avec des tubes à rayons X conventionnels. Bien que cela produise un flux de photons suffisamment élevé à des fins d'imagerie, la polychromaticité du faisceau présente ses propres inconvénients, tels que des artefacts de durcissement du faisceau et une insensibilité à la composition chimique de l'objet imagé. Un certain contraste chimique peut être obtenu par imagerie bi-énergie, mais les informations peuvent être utilisées au mieux pour séparer les éléments en deux ou trois groupes en fonction de leur numéro atomique1. Le manque de sensibilité élémentaire constitue une lacune importante du point de vue de la recherche sur les matériaux, car les propriétés d'un matériau dépendent non seulement de sa composition et de sa distribution élémentaires, mais également de la spéciation chimique des éléments.

Ces limitations peuvent être surmontées grâce à des faisceaux de rayons X hautement monochromatiques et accordables, tels que ceux produits avec des sources lumineuses synchrotron et laser à électrons libres. L’une de ces approches est l’imagerie de soustraction K-edge, qui a été utilisée par exemple pour cartographier la ventilation des voies respiratoires dans les poumons lors d’une crise d’asthme à l’aide de l’imagerie d’absorption K-edge au gaz xénon2,3.

En ajustant l'énergie photonique d'un faisceau de rayons X avec une résolution de \(\lesssim\) 1 eV, on peut même séparer les signaux de rayons X de différentes espèces chimiques, qui peuvent à leur tour être utilisés pour cartographier la distribution des espèces dans l'échantillon. . Cette méthode, connue sous le nom de spectroscopie d'absorption des rayons X (XANES), offre un outil non destructif pour l'analyse de la chimie d'un élément donné, notamment son état d'oxydation et sa coordination atomique locale4. Il a fait ses preuves en étant utilisé comme méthode de contraste pour la tomographie dans de nombreuses applications de recherche sur les matériaux, telles que l'étude des compositions chimiques à l'échelle nanométrique et méso-échelle et des transitions de phase dans les matériaux de batterie5,6,7, la dégradation et l'inactivation des matériaux catalytiques8,9 et l'hétérogénéité des matériaux de batterie. cristaux à structure métallo-organique fabriqués par défaut10. Il a également été démontré qu'une idée similaire peut être appliquée à la diffusion inélastique des rayons X (spectroscopie Raman des rayons X) pour obtenir des données tomographiques sur l'état chimique des éléments à faible Z pour, par exemple, distinguer spatialement \(sp^2\) et \(sp^3\) se lie dans les matériaux carbonés11.

Les techniques susmentionnées nécessitent une source de lumière à rayons X très brillante et accordable en énergie, telle qu'une source de lumière synchrotron, ce qui limite leur applicabilité à l'échelle du laboratoire. Cependant, en raison de la forte demande et de la rareté du temps de faisceau dans les sources lumineuses synchrotron et laser à électrons libres à grande échelle, la spectrométrie à rayons X à l'échelle du laboratoire a connu une renaissance ces dernières années. Malgré leur production de photons d'un ordre de grandeur inférieur, les instruments à l'échelle du laboratoire se sont révélés être une alternative viable aux installations à grande échelle dans de nombreuses applications12,13,14,15,16,17,18.