Röntgen-Streumethoden

Die wohl bekanntesten nicht-bildgebenden Analysemethoden mit Röntgenstrahlung sind deren Beugung und Streuung. Die Bragg-Bedingung zeigt hierbei die reziproke Beziehung zwischen Strukturgröße und dem erwarteten Signal: Je größer die Struktur, desto kleiner ist der Winkel der gestreuten bzw. gebeugten Strahlung. Dies ist die fundamentale Grundlage der Kleinwinkelstreuung (vgl. Abb. 1).

Die Quelle erzeugt Röntgenstrahlung, welche in genügend großem Abstand als ebene Wellenfront (k) angesehen werden kann. Die Interferenz der entstehenden Kugelwellen (k), bedingt durch die Wechselwirkung mit der Probe, wird auf dem Detektor sichtbar gemacht. Für die Analyse und theoretische Modellierung wird das 2D-Detektorbild durch azimuthale Integration auf 1D-Streuprofile reduziert (in Abhängigkeit vom Impulsübertrag Q).

Röntgen-Kleinwinkelstreuung (engl.: small-angle-X-ray-scattering, SAXS) ist eine gängige Methode zur Materialcharakterisierung. Mögliche Proben können sowohl in fester Phase (z. B. Pulver, Legierungen, Aerogele, Holz, Collagen) als auch als Lösung (z. B. kolloide Lösungen, Polymer-Lösungen, stabilisierte Nanopartikel-Lösungen, Wirkstoff-Formulierungen) untersucht werden (vgl. Abb. 4} und Abb. 5). Grundsätzlich lassen sich mit SAXS Informationen über die

• Größe und Form der Bestandteile der Probe
• Strukturierung der Probe
• Ausrichtung der Partikel

gewinnen. Im Gegensatz zu der Elektronenmikroskopie sind die so gewonnenen Ergebnisse nicht nur für eine kleine Stichprobe gültig. Durch die Mittelung über eine sehr große Anzahl an Partikeln in der Probe sind statistisch robustere Aussagen, z. B. für die Größenverteilung, möglich.

Zusätzlich kann die gemessene Intensität so kalibriert werden, dass sie dem differentiellen Wirkungsquerschnitt des zugrunde liegenden Streuprozesses entspricht. Dies wird als absolute Kalibration bezeichnet. Am LRM wird als Kalibrationsstandard eine Glassy Carbon-Referenz (https://usaxs.xray.aps.anl.gov/documentation/glassy-carbon-standard) verwendet, die an der Advanced Photon Source (APS, Argonne National Laboratory) vermessen wurde. Durch eine solche Kalibration lassen sich komplexere Eigenschaften bestimmen, wie die Elektronendichteverteilung in der Probe oder das Hydrationsniveau von Kolloiden in Lösung.

Mit dem derzeitigen SAXS-setup am LRM kann der Abstand von Probe und Detektor stufenlos zwischen 6 cm und 3,5 m eingestellt werden. Dadurch ist eine Kombination von Klein- und Weitwinkel-Messungen ohne Probenwechsel und Umbau möglich. Somit ergeben sich die effektiv erreichbaren Spezifikationen der Anlage zu:

• Winkelbereich: 60° bis zu wenigen Gradminuten
• verwendete Wellenlänge: 1.5 Å (Cu-Kα1:Cu-K α2=2:1)
• effektiver Q-Bereich: 0.005 – 5 Å-1
• zugehörige untersuchbare Größen im Realraum: 5 Å – 150 nm

Die resultierenden reduzierten Streuprofile liefern bei geeigneten Proben fünf volle Größenordungen in der Streuintensität über drei volle Größenordnungen im Impulsübertrag Q (vgl. Abb. 3). Dies ist vergleichbar mit den Ergebnissen, die mit Synchrotronstrahlung erzielt werden können.

Für die Untersuchungen stehen eine Reihe von austauschbaren Probenumgebungen zur Verfügung. Proben in flüssiger Phase können bei Bedarf während der Messung im Bereich von -5 – 80 °C temperiert werden.

• Künstliche Materialien
• Nanopartikel
• Kolloide
• Polymere
• Aerogele
• Natürliche Materialien
• Kollagen
• Holz
• Proteine
   

• Quelle: Rigaku Microfocus-Quelle mit Drehanode (Leistung: 1,2 kW)
• Multilayer: Parabolischer Göbelspiegel für die Cu-Kα-Linie bei 1.54 Å
• Kollimatoren: 3 motorisierte Kollimatoren mit je 4 individuell beweglichen Hybrid-Klingen (Einkristalle)
• Achsen: je 3-Linearachsen für Detektor- und Probenpositionierung, zusätzlich eine 360°-Rotationsachse für Probendrehbarkeit
• Probenumgebungen: Halterung für bis zu 8 feste Proben, Kapillarhalterung für bis zu 10 Kapillaren, Halterung mit Heizung für 1 Kapillare (Temperaturbereich: -5 – 80 °C)
• Detektoren: Dectris EIGER 1M (1035 x 1065 Pixel, Pixelgröße: 75 µm)