التحديد الكمي للبيانات Fluorescence الأشعة السينية باستخدام خرائط

يعد الفلورسنت الأشعة السينية القائم على السنكروترون تقنية مهمة لمراقبة الفصل العنصري، وعلاقات القياس الكمي (stoichiometry)، وسلوك التكتل في عينات من مجالات متعددة تشمل البيولوجيا والكيمياء وعلوم المواد. وتظل المعلومات المستمدة من هذه الدراسات نوعية حتى يتم استخدام إجراءات التحديد الكمي المناسبة لتحويل أعداد الفلورسنت الخام إلى كتل مساحية عنصرية. سيوضح هذا الفيديو كيفية استخدام برنامج التحديد الكمي الذي أنشأه مختبر أرغون الوطني لتوليد معلومات رقمية لخرائط الفلورسنت الأشعة السينية ثنائية الأبعاد.

لاستخدام برنامج MAPS، من الضروري أولاً تحميل برنامج IDL من الإنترنت. ويمكن القيام بذلك حالياً عبر الانتقال إلى الموقع الإلكتروني الخاص ببرنامج IDL وإنشاء حساب. بعد ذلك، اختر "حسابي" (My Account) ثم "التنزيلات" (Downloads)، وستظهر صفحة تحتوي على جميع البرامج المتاحة.

قم بالتمرير لأسفل واختيار أحدث إصدار من IDL. بعد ذلك، يمكن تنزيل MAPS من الموقع الإلكتروني لمختبر أرغون الوطني. بعد التنزيل واستخراج المجلد المضغوط، يجب أن تظهر أربعة ملفات. Compound.

الملفات dat و henke و xdr و xrf_library.csv. يجب نسخ ولصق الملفات الثلاثة، باستثناء maps، في المجلد الفرعي لـ IDL المسمى lib.

بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر التي تعمل بنظام Windows، يمكن العثور على هذا المجلد غالباً ضمن Program Files تحت المجلد Exelis. وبوجه عام، من المريح تشغيل عملية الملاءمة (fitting) من سطح المكتب، ومع ذلك، من الضروري ألا يحتوي اسم المجلد أو المسار على أي مسافات أو رموز خاصة، وإلا سيظهر خطأ في برنامج MAPS عند محاولة تشغيل الملاءمة. إذا كان المسار المؤدي إلى سطح المكتب يحتوي على مسافات، فضع المجلد في مكان آخر.

على سبيل المثال، مباشرةً داخل القرص C. وفي هذا العرض التوضيحي، سأضع مجلد Fitting وأيقونة MAPS.sav على سطح المكتب لسهولة الوصول إليهما.

ضع داخل هذا المجلد الملفين maps_fit_parameters_override. txt و maps_settings.txt. تتوفر أمثلة على هذه الملفات في المستندات الداعمة.

بعد ذلك، أنشئ مجلدًا باسم mda وألصق فيه ملف الخريطة عالي الدقة المختار الذي سيُستخدم مبدئيًا في عملية المطابقة. كما تُضاف ملفات المطابقة القياسية، والتي يجب أن تتضمن إما ملفًا واحدًا أو أربعة ملفات اعتمادًا على عدد عناصر الكاشف المستخدمة في القطاع. وتشير هذه الملفات إلى المعيار.

إذا تم استخدام معيار AXO، فيجب تسمية الملف axo_std. mca، أما إذا تم استخدام معيار NIST أو أي معيار آخر، فيمكن تسميته بأي اسم ينتهي بـ mca حيث سيتم اختيار هذه الملفات لاحقاً. وفي حالة استخدام كاشف رباعي الأرباع، يجب تسمية ملفات المعيار وملفات fit_parameter بهذا الشكل، بحيث تتراوح من mca0 إلى mca3 ومن txt0 إلى txt3، مع تضمين ملف fit_parameters واحد ينتهي بـ txt.

بعد ذلك، تحقق من ملف إعدادات خرائط MAPS للتأكد من استخدامه للعدد الصحيح من عناصر الكاشف. في حالة هذا الملاءمة، تم استخدام عنصر كاشف واحد. بعد تجهيز مجلد الملاءمة، افتح برنامج MAPS وقم بتغيير الدليل ليكون المجلد الذي تم إنشاؤه للتو على سطح المكتب.

انقر بعد ذلك على موافق وانتقل إلى التكوين. تحتوي نافذة التكوين على مجموعة متنوعة من الميزات التي تحدد معاملات الملاءمة. أولاً، اختر خط الحزمة الذي يمثل خط الحزمة المستخدم في القياسات.

إذا أُجريت القياسات في مختبر أرغون الوطني، فيجب أن يتطابق خط الشعاع مباشرة. خلاف ذلك، تتوفر معلومات إضافية في المخطوطة حول الخيار الذي يجب استخدامه. بعد ذلك، اختر ملف mda الذي سيتم استخدامه، ثم أدخل طاقة السقوط المستخدمة في القياس.

اختر بدء المعالجة وانتظر حتى ينتهي البرنامج. وبمجرد اكتماله، انتقل إلى ملف ثم اختر الخيار الأول: فتح متوسط صورة XRF أو عنصر واحد.

يجب أن يكون البرنامج قد أنشأ سلسلة من المجلدات الجديدة، لذا قم بتحديد img حيث يجب أن توجد ملفات fit أو ملفات h5 التي تم إنشاؤها في هذا المجلد. اختر الملف المقابل للخريطة، ثم قم بتغيير القائمة المنسدلة الثانية من اليسار لتكون المعايرة (normalization). في هذه الحالة، تتم معايرة البيانات بالنسبة لغرفة التأين العلوية أو USIC.

عند اختيار "عرض العناصر المتعددة" (multi element view) من خيارات العرض، سيتم إنشاء صور للقنوات العنصرية الفردية. الوحدات الآن هي ميكروغرام لكل سنتيمتر مربع. ومع ذلك، فإن القيم لا تمثل بعد الكميات التي تم ملاءمتها.

للعمل على الملاءمة، يتم بدلاً من ذلك عرض البيانات كمجموع لكافة الأطياف من كل بكسل في الخريطة، وهو ما يمكن رؤيته بالانتقال إلى viewing ثم plot integral spectrum. بعد ذلك، انتقل إلى generate output ثم export raw integrated spectra series long لحفظ الصورة. أغلق النافذة وانتقل إلى tools ثم spectrum tool ثم load spectrum.

حدد موقع الملف الذي تم تصديره للتو إلى مجلد المخرجات. بشكل عام، يعد فرز مجلد المخرجات حسب تاريخ التعديل أسرع طريقة للعثور على الملفات، حيث إن كل عملية مطابقة جديدة ستقوم بتحديث الملفات الموجودة داخل المجلد. سيتم تسمية الطيف المصدر باسم intspec متبوعاً بخط الحزمة ورقم المسح ثم txt.

بمجرد فتح الطيف، افتح ملف maps_fit_parameters_override. تحقق أولاً من صحة عدد عناصر الكاشف. بعد ذلك، في سطر العناصر المراد مطابقتها (elements to fit)، قم بتضمين جميع العناصر المتوقع وجودها في العينة.

لاحظ أن عناصر الخط L وعناصر الخط M تتضمن اللاحقة _L أو _M وفقاً لذلك. هنا، من المعروف وجود النحاس في العينة، ولكن سيتم استبعاده لتقديم مثال على ملاءمة غير مكتملة. عند التمرير لأسفل، أدخل طاقة السقوط لطاقة التشتت المتماسك.

ثم في السطرين التاليين، أدخل النطاق الأقصى والأدنى للطاقة ليستخدمه البرنامج كحدود. وبشكل عام، يكون نطاق يتراوح بين +2 و -2 إلى +5 و -5 keV كافياً. وفيما يلي، تحقق من أن الطاقة القصوى والدنيا للملاءمة تشمل طاقات العناصر المطلوب دراستها.

بالإضافة إلى ذلك، تحقق من أن عنصر كاشف الخط يحمل الرقم الصحيح الذي يتوافق إما مع كاشف الجرمانيوم أو السيليكون. في أسفل الملف، تتوفر إمكانية تغيير أسماء قنوات الكاشف المستخدمة في عملية الملاءمة. تم وصف المزيد من المعلومات حول كيفية تغييرها بتفصيل أكبر في المخطوطة.

بعد إجراء التغييرات، قم بحفظ المستند. ثم اختر التحليل (analysis)، ثم ملاءمة الطيف (fit spectrum)، وستظهر نافذة منبثقة. يمكن في الجزء العلوي تحديد نطاق الطاقة للملاءمة بالإضافة إلى عدد التكرارات المستخدمة في عملية الملاءمة.

بعد تغيير النطاق، اختر الزر الثالث من بين الأزرار الأربعة الموجودة في الأسفل وسيقوم البرنامج بإجراء عملية الملاءمة. توجد في نافذة أداة القياس الطيفي سلسلة من القوائم المنسدلة التي تتيح تصور منحنيات مختلفة. في هذه القوائم المنسدلة، اضبط أحد الخيارات على fitted وبقية الاختيارات على none.

في أسفل اليسار، يتيح خيار "إضافة عنصر" (add element) للمستخدم البحث في الطيف عن القمم المفقودة. وباستخدام علامة الزائد والنقر المتتابع، يبدو أن القمة المفقودة من عملية المطابقة هي قمة copper K alpha. وبالنسبة لبعض القمم، خاصة باتجاه يسار الصورة، يبدو أن المطابقة تتضمن العناصر الصحيحة، ولكن الخطوط لا تزال بعيدة جداً من حيث الشدة المناسبة عن شدة الطيف.

يمكن تحسين ذلك عن طريق زيادة عدد التكرارات. وعادةً ما يكون 50 تكراراً على الأقل كافياً لإحداث فرق ملحوظ. وبالعودة الآن إلى ملف fit_parameters، وإضافة النحاس، ثم الحفظ، وإعادة تشغيل عملية المطابقة (fit)، يظهر أن القمة يتم مطابقتها الآن بشكل جيد.

بعد البحث عن جميع العناصر المفقودة المتبقية، يبدو أن المطابقة جيدة. في بعض الحالات، لا تزال هناك بعض القمم التي لا تتطابق خطوطها بشكل مثالي. على سبيل المثال، تظهر القمتان عند 4 keV، واللتان تتوافقان مع خطوط indium Lg1 إلى Lg4، وكأنهما خضعتا لمطابقة العنصر الصحيح، إلا أن عملية المطابقة تعطي قيمًا لشدة القمم أعلى مما تم رصده فعليًا من القياس.

يحدث هذا الموقف بشكل متكرر بالنسبة لعناصر خطوط L. حيث تمتلك عناصر خطوط K نسب شدة ذروة مجدولة في المراجع العلمية، بينما تعتمد نسب ارتفاعات الذروة لخطوط L بشكل أكبر بكثير على الطاقة الساقطة. ولتحسين ملاءمة هذه الخطوط، يجب أولاً إنشاء سطر في ملف fit_parameters لضبط عائلة التفرع.

تشير هذه الأرقام إلى الكثافات النسبية مقارنة بالقيم المذكورة في الأدبيات العلمية لعائلات L1 وL2 وL3، والتي تظهر كخطوط صفراء ووردية وزرقاء في أداة تحديد المواصفات (spec tool). وغالبًا ما تظل هذه الأرقام كواحد صحيح أو مساوية لقيم الأدبيات العلمية، وبدلاً من ذلك، سيتم تعديل النسبة لكل خط منفرد.

قبل البدء بتعديل نسبة التفرع للإنديوم، لاحظ أن نسب التفرع لخطوط غاما من الفئة L جميعها مضبوطة على القيمة واحد. وبالنظر إلى الطيف التكاملي، يتضح أن القيمة المذكورة في المراجع مرتفعة للغاية. ومن خلال تقدير النسبة المئوية للفرق بين الخطوط الخضراء والبيضاء لكل طاقة، ثم تغيير نسبة التفرع وحفظ التغييرات وإعادة تشغيل عملية الملاءمة، يظهر تحسن ملحوظ في ملاءمة الخط الأخضر لخط الطيف الأبيض.

غالباً ما تستغرق هذه العملية عدة محاولات، ولكن هذا الأمر ضروري لضمان دقة المطابقة. بعد تحديد fit_parameters التي تحقق أفضل مطابقة ممكنة، قم بإجراء المطابقة مرة أخرى عند 10 أو 50 تكرار K. يتم القيام بذلك لأن كل عملية مطابقة تحدّث ملف maps_fit_parameters_override المتوسط الناتج، والذي سيكون هو الملف الذي يتم تطبيقه فعلياً في عملية المطابقة.

بمجرد اكتمال الملاءمة النهائية، أغلق نافذة أداة المواصفات. ثم أضف _input إلى ملف maps_fit_parameters وقم بتغيير اسم الملف الناتج المتوسط ليصبح maps_fit_parameters_override.txt. بعد إتمام ذلك، عد إلى نافذة التكوين وحدد خط الحزمة (beamline).

ثم قم بتحديد خيار "use fitting" وانسخ والصق جميع ملفات mda المراد مطابقتها في مجلد mda. وباستخدام "select mda files"، قم بتحديد جميع الملفات المراد مطابقتها. ستكون طاقة السقوط مدخلة مسبقاً من عملية المطابقة.

إلى يمين النافذة، وباستخدام رمزي الزائد والناقص، انقر للتنقل وحدد المربعات الخاصة بالعناصر المدرجة في ملف fit_parameters. هناك بعض العناصر غير المدرجة في هذا المربع، فعلى سبيل المثال، لا يظهر الإنديوم.

لتضمين الإنديوم، حدد المربع الخاص بأي من العناصر الأخرى التي لا يتم تحليلها. بعد ذلك، في فئة اسم منطقة الاهتمام (ROI name)، قم بتغيير الاسم إلى اسم العنصر المطلوب. ثم، باستخدام أي قاعدة بيانات للفلورة، مثل تطبيق Hephaestus، حدد الطاقة لخط الطاقة الرئيسي.

في هذه الحالة، يتم اختيار indium L alpha one. استمر في التمرير عبر العناصر حتى النهاية مع تحديد S_I و S_E و S_A و TFY والخلفية أيضًا. في الجزء العلوي الأيسر، اختر right settings to config file لحفظ إعدادات الملاءمة لاستخدامها مستقبلاً.

في هذه المرحلة، إذا كان سيتم استخدام معيار NIST للمعايرة، اختر الزر المقابل لرقم معيار NIST سواء كان NBS 1832 أو 1833. ثم اختر اسم ملف المعيار من المجلد الرئيسي. بعد ذلك، تصبح عملية المعايرة جاهزة.

لذلك، اختر "بدء المعالجة" للبدء. وبمجرد اكتمال عمليات الملاءمة، يمكن تصورها كما سبق من خلال الذهاب إلى "ملف"، ثم "فتح صورة XRF"، ثم "متوسط أو عنصر واحد". وبعد ذلك الانتقال إلى "عرض"، ثم "عرض متعدد العناصر".

باستخدام عناصر الكاشفات المختارة في أسفل اليمين، يمكن تغيير القنوات التي يتم تحليلها. وبناءً على ذلك، تظهر قيم عددية بميكروجرام لكل سنتيمتر مربع تقع في نطاق القيم المتوقعة للعينة. إن الحساب المستخدم لتقدير القيم المتوقعة موضح في المخطوطة.

على سبيل المثال، تظهر هنا البيانات الكمية للعناصر الرئيسية في خلية شمسية من نوع sig، وهي النحاس والإنديوم والغاليوم. وبسبب طاقة السقوط المستخدمة، لم يكن القياس حساساً لذروة السيلينيوم أو قادراً على اكتشافها، لذا فقد تم استبعادها.

بناءً على هذه البيانات، أصبح من الممكن الآن ربط توزيع العناصر المختلفة داخل العينة ببعضها البعض لاستخلاص استنتاجات حول كيفية توزيع الكاتيونات المختلفة لخلية شمسية من نوع sig داخل الجهاز ودرجة عدم التجانس التي تظهرها. كما يمكن عرض طيف الملاءمة لكل خريطة ملاءمة مرة أخرى من خلال الانتقال إلى viewing، ثم plot integral spectrum. وهنا، يجب أن يكون المرء قادرًا على رؤية طيف البيانات باللون الأبيض والملاءمة باللون الملون.

يمكن استخدام ذلك للتحقق من مدى ملاءمة جميع ملفات البيانات، وذلك للتأكد من تطبيق العملية بشكل صحيح على كل خريطة. وأخيرًا لتصدير البيانات، انتقل إلى "توليد المخرجات" (generate output) وحدد "تصدير" (export)، ثم "إنشاء ملفات ASCII مجمعة للخرائط" (make combined ASCII files of maps). سيؤدي ذلك إلى إنشاء ملف Excel يحتوي على بيانات الفلورة المكممة لجميع العناصر المعروضة.

لتغيير العناصر أو إضافتها، استخدم خيار "select elements detectors". يمكن بعد ذلك العثور على البيانات في مجلد المخرجات. شرح هذا الفيديو خطوة بخطوة كيفية استخدام برنامج الملاءمة MAPS الذي أنشأه مختبر Argonne National Laboratory لتقدير كمية بيانات الأشعة السينية الفلورية.

بينما يُعد هذا الإجراء مفيداً جداً في مجموعة متنوعة من الحالات، إلا أن هناك العديد من السيناريوهات والتحديات الخاصة التي تتطلب مراعاة إضافية. وقد تم وصف هذه الحالات بمزيد من التفصيل أدناه، وتجري تحسينات مستمرة لتعزيز دقة مطابقة أطياف الأشعة السينية الفلورية. ومع ذلك، فإن قدرة البرنامج على تحويل خرائط الفلورية ثنائية الأبعاد عالية الدقة والنوعية إلى كميات عنصرية كمية ومحددة مكانياً توفر زيادة كبيرة في المعلومات التي يمكن الحصول عليها من هذه القياسات.

نأمل أن يكون هذا العرض التوضيحي مفيداً لفهم عملية القياس الكمي لبيانات مجهر الفلورة بالأشعة السينية بشكل أفضل. شكراً للمتابعة.