Röntgenstreuung
Röntgen-Kleinwinkelstreuung
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, Polymerlösungen, 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.
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).
SAXS-Setup
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.
Der experimentelle Aufbau besteht (von rechts nach links) aus Quelle, Blenden zur Kollimation, Probenkammer und Detektor.
Jede der abgebildeten Kurven ist aus vier Einzelmessungen zusammengesetzt. Die gesamte Messdauer für eine Kurve betrug 8 Stunden. Mit freundlicher Genehmigung von Barbara Pfister (ETH Zürich).
Die Bilder wurden bei unterschiedlichen Probe-Detektor-Abständen d aufgenommen: a) d=6 cm, b) d=60 cm. Die Belichtungszeit betrug jeweils zwei Minuten. Silber-Behenate ist ein kristallines Pulver mit einem sehr großen Gitterabstand von 5.84 nm. Deswegen wird es als Standard für die Abstandskalibration bei SAXS verwendet. Der Balken in der Mitte des Bildes ist für die Ausleseelektronik des Detektors nötig.
Streusignal für eine 30 gewichtsprozentige (wtp) wässrige Pluronic-P123-Lösung ohne (a) und mit (b) stabilisierten Cadmiumsulfid-Nanopartikeln bei einer Temperatur von 30°C (Belichtungszeit: jeweils zwei Stunden). In a) ist deutlich die flüssig-kristalline Phase der entstehenden Mizellen der wässrigen P123-Lösung anhand der auftretenden Bragg-Reflexe zu erkennen. Durch die Stabilisierung von Cadmiumsulfid-Nanopartikeln in b) verändert sich das Detektorbild drastisch. Das regelmäßige Auftreten der Reflexe auf nahezu perfekten Ringen zeigt die hohe Periodizität in der Anordnung der Polymer-Nanopartikel-Aggregate. Der Balken in der Mitte des Bildes ist für die Ausleseelektronik des Detektors nötig.
