X射线近边吸收精细结构谱学基本知识及应用

射线近边吸收精细结构谱学原理及应用射线近边吸收精细结构谱学（Near Edge X-ray Absorption Fine Structure Spectroscopy, NEXAFS）是一种电子能级特征的表征方法，用于分析物质的化学组成、结构和有机功能团等信息。

它广泛应用于材料科学、化学、生物学等领域，对于研究催化剂、聚合物、生物大分子等具有重要意义。

射线近边吸收精细结构谱学的原理是基于X射线的电荷转移过程。

当X射线入射到样品表面时，部分电子能够被样品吸收和激发，从而形成特定的能级结构和谱线。

这些能级结构和谱线的位置、形状以及强度等信息可以提供物质的详细特征，从而揭示其组成和化学反应过程。

在射线近边吸收精细结构谱学中，主要利用的是射线的K边和L边吸收能级谱。

K边吸收谱通常用于分析重元素，而L边吸收谱则适用于轻元素。

通过测量K边和L边吸收谱，可以获得元素的价态、化学键种类以及与周围原子的相互作用等信息。

此外，射线近边吸收精细结构谱学还可以结合其他实验技术，如透射电子显微镜（TEM）、光电子能谱（XPS）和偏振光吸收谱等，提供更加全面和准确的表征。

射线近边吸收精细结构谱学在材料科学中有广泛的应用。

例如，在催化剂研究中，射线近边吸收精细结构谱学可以用于确定催化剂表面的吸附物种和配位环境，研究催化反应机理，以及研究催化剂的结构与性能之间的关系。

在聚合物研究中，射线近边吸收精细结构谱学可以用于分析聚合物链的构型、取向和功能团的存在状态，以及探索聚合物与界面之间的相互作用。

此外，射线近边吸收精细结构谱学还可以应用于生物大分子的研究，如蛋白质和核酸的结构和功能分析。

总之，射线近边吸收精细结构谱学是一种非常有价值的实验技术，可以提供元素的化学信息和物质的结构特征，对于材料科学、化学和生物学等领域的研究具有重要意义。

随着科学技术的不断发展，相信射线近边吸收精细结构谱学在解析复杂体系中的作用还将不断扩大和深化。

X射线吸收精细结构(XAFS) 基本原理及在催化/能源/纳米/半导体等热门领域应用X射线吸收精细结构(XAFS) 方法是随着同步辐射发展起来的独特技术，是研究材料局域原子结构和电子结构的一种重、要方法。

相比于X射线衍射，XAFS仅仅对于吸收原子周围局域结构敏感，样品可以是固体、液体甚至是气体。

概述了XAFS的基本原理及几种常用的实验方法，结合上海光源的XAFS光束线站成果，介绍了近年来不同XAFS方法在催化、能源、纳米和半导体等材料科学热门研究领域的最新进展，展示了目前XAFS方法在材料科学研究中所发挥的重要作用。

最后根据国内同步辐射光源和相关XAFS研究方法的进一步发展，展望了XAFS技术在材料科学研究中的应用前景。

X射线吸收谱基础点滴X射线穿过厚度为d的样品后，其强度I0会因为样品的吸收而衰减为I，由此可以定义样品的X射线吸收系数:μ(E)=ln(I/I0)/d 公式（1）X射线吸收谱就是测量X射线吸收系数随X射线能量的变化曲线。

吸收边之后，会出现一系列的摆动或者振荡，这种小结构一般为吸收截面的百分之几，即X射线吸收精细结构( X-Ｒay Absorption Fine Structure，XAFS) 。

XAFS谱仅仅对目标原子的近邻结构敏感而不依赖长程有序结构，合理地分析XAFS 谱，能够获得关于材料的局域几何结构( 如原子的种类、数目以及所处的位置等) 以及电子结构信息，在物理、化学、生物、材料、环境等众多科学领域有着重要意义。

XAFS方法对样品的形态要求不高，可测样品包括晶体、粉末、薄膜以及液体等，同时又不破坏样品，可以进行原位测试，具有其它分析技术无法替代的优势。

XAFS谱主要包括两部分: X射线吸收近边结构(XANES) 和扩展X射线吸收精细结构(EXAFS) ，如图1 所示。

图1 Mo 单质的K边X射线吸收谱EXAFS的能量范围大概在吸收边后50 eV到1000 eV，来源于X 射线激发出来的内层光电子在周围原子与吸收原子之间的单电子单次散射效应的结果。

X射线吸收近边结构谱法（XANES）珍妮弗·马斯（Jennifer Mass）1.分类X射线吸收近边结构谱法（X-ray absorption near edge spectroscopy，XANES）常与微取样技术结合使用，是一种侵入式分析技术，通常用于颜料层断面薄片分析。

XANES成像所需样品尺寸一般与颜料层断面样的取样尺寸［通常为100 μm x（200~300）μm]相当。

需将样品断面制成薄片在透射模式下进行分析。

2.说明XANES可对艺术品中的晶体化合物或非晶体化合物进行分子识别，可用来检测绘画和陶瓷等分层结构对象内的各种材料。

它对非晶体化合物识别的应用更为重要。

XANES或微束XANES（文物检测一般采用微束XANES）可用于艺术作品和艺术家材料样品的分子分析和氧化态识别。

X射线束的光斑尺寸最小可至1 μm，因此可做出详细的样品分子组成图像。

通过绘画样品的微束XANES分子组成图像，可以获得绘画保存状态和劣化机制的信息。

也可以用这种方法来了解陶瓷的烧成温度和氛围（以及这些条件下的相）。

一般来说，也可采用显微拉曼光谱法和傅里叶变换红外光谱法等实验室方法对样品进行分子组成成像，但如果还需进行更灵敏、详细的空间识别，就要使用微束XANES了。

与显微拉曼光谱法相比，这种技术对非晶相和溶解相也具有更高的灵敏度。

要使用XANES，必须将样品送到专用同步辐射设备（由粒子加速器产生的可调谐高强度X射线源）所在地，意味着这种方法很少用于艺术品保护研究以外的领域。

不过它对绘画劣化现象的揭示有着无与伦比的价值，例如，随老化而出现的铅皂与锌皂团聚现象，在17世纪至19世纪上半叶的绘画中就可以观察到这种团聚现象。

不过由于团聚体的形成因颜料配方和绘画保存环境而异，它们的形成动力学尚无法直接与画作的年代挂钩。

因此这种团聚体的缺位只能用作判定绘画不属于17世纪至19世纪上半叶的不完全证据，不能视为决定性证据。

同步辐射x射线吸收精细结构谱同步辐射x射线吸收精细结构谱随着科技的发展，同步辐射技术逐渐得到应用并得到了广泛认可。

同步辐射技术作为材料科学领域中非常重要的分析手段，具有极高的分辨率和敏感度，已经成为材料科学领域分析研究中不可或缺的技术手段。

I. 同步辐射技术的概述同步辐射来源自于高能量电子在磁场作用下所产生的轨道偏转，并产生强烈的电磁波辐射。

同步辐射技术具有极高的亮度和超高的单色性，能够以异乎寻常的精度进行研究对象的物性分析。

同时，通过调节同步辐射光的功率，还能够实现目标样品的精细控制，从而获得更为精细的结构谱。

II. 吸收光谱技术的发展历程吸收谱仪是利用同步辐射技术发射出来的光，并通过样品的吸收和散射，将不同的化学和结构特征转化为对应不同的能量吸收谱曲线的技术。

在发展初期，吸收光谱技术的应用受限，偏重于表面结构的分析，随着技术的发展，吸收光谱技术已经逐渐应用到材料的内部结构研究之中。

通过分析样品内部的吸收能量分布，可以获得更为准确的样品结构信息。

III. 同步辐射X射线吸收谱技术的应用场景及优势同步辐射X射线吸收谱技术在金属、半导体、高分子材料以及高温高压等领域，都有着广泛的应用。

具有极高的灵敏度和高分辨率，可以对目标材料的化学结构及组成进行深入分析，并可以在加入其它元素或材料成分的情况下，获得更准确的结构信息。

相比于其它分析方法而言，同步辐射x射线吸收谱技术能够保留样品内部的信息，因此也更加适用于材料复杂结构分析。

IV. 未来同步辐射技术的发展趋势随着装备技术的发展，同步辐射技术在晶体学、材料科学等领域具有的广泛应用前景，将会成为更多领域相互协作研究中，不可或缺的技术支持。

此外，同步辐射技术的开放共享，也将为科学家在各自领域内的基础研究和应用研究提供良好的平台和支持。

总之，同步辐射X射线吸收谱技术在科学研究、材料分析等领域中具备了非常重要的作用，我们也有理由相信，同步辐射技术在不远的将来一定会发挥更大的作用，为人类在材料科学、医学科学等领域内的不断发展贡献自己的力量。

x-射线近边吸收光谱技术
X射线近边吸收光谱技术是一种研究物质电子结构的技术，利用光子的能量与物质内部电子能级的差异，通过测量X射线在物质中被吸收的能量来分析物质的电子结构。

在X射线近边吸收光谱中，对于每个元素来说，它的吸收谱线都是独特的，因此可以利用这种技术来鉴定物质中元素的种类和数量。

X射线近边吸收光谱技术在新能源领域的应用非常广泛。

例如，可以利用该技术评估电池材料在循环过程中的氧化还原可逆性，解决更复杂的形态研究问题，包括镍钴铝氧化物正极材料的锂化动力学、辨别在锂锰尖晶石电极中的可溶锰离子、评估锂硫电池中硫化物沉淀和活性物质利用不足的情况等。

此外，X射线近边吸收光谱技术还可以用于研究物质的物相结构、化学键结构、局域电子结构以及表面吸附等。

该技术具有高灵敏度、高分辨率和高精度等优点，在新能源、材料科学、化学、生物学等领域都有广泛的应用前景。

X射线近边吸收精细结构谱学原理及应用X射线近边吸收精细结构谱学（X-ray Absorption Fine Structure Spectroscopy, XAFS）是一种表征材料结构的非常有力的方法。

它利用X 射线与物质相互作用的特性，通过分析吸收光谱的精细结构来获取关于材料的原子结构、晶格弛豫和电子结构等信息。

XAFS可以应用于研究各种材料，包括晶体、液体和无定形材料等。

XAFS的原理可以简单概括为以下几个步骤：首先，将X射线束传输到一个样品上，并通过与样品中的原子相互作用而发生吸收。

其次，吸收的X射线经过能量选择装置分散为不同波长的光子，进入衍射晶体或能量分辨器进行探测。

最后，通过分析吸收光谱的峰位和强度变化，可以得到关于样品内部原子结构和电子结构的信息。

XAFS的应用非常广泛。

在材料科学中，XAFS可以用于研究催化剂、金属氧化物、锂离子电池等材料的表面结构和化学状态。

在环境科学中，XAFS可以用来研究土壤和水中重金属的迁移和转化过程。

在生物医学领域，XAFS可以应用于研究蛋白质结构和药物与生物大分子之间的相互作用。

此外，XAFS还可以用于研究材料的局域结构、纳米材料的形成机制以及材料的辐射损伤等方面。

XAFS的主要优势在于其对多种样品的适用性。

它不受材料的晶体结构和晶面朝向的限制，对非晶态和无定形材料的研究也非常有效。

此外，XAFS还具有高灵敏度和高空间分辨率的优势，能够提供关于样品内部微观结构的详细信息。

同时，XAFS还可以在不同的温度、压力和环境条件下进行实时测量，使得研究人员能够了解材料的动态变化。

虽然XAFS是一种强大的表征材料结构的方法，但也存在一些技术上的挑战。

由于吸收光谱中的信号通常非常微弱，需要使用高亮度的X射线源和高灵敏度的探测器进行实验。

此外，XAFS的数据分析也比较复杂，需要进行峰位拟合和模拟计算，以提取有关样品结构的信息。

综上所述，X射线近边吸收精细结构谱学是一种非常有力的表征材料结构的方法。

x射线吸收精细结构谱X射线吸收精细结构谱是一种常见的分析技术，可以用于研究物质的化学组成和结构。

本文将介绍X射线吸收精细结构谱的基本原理、实验方法、应用领域以及一些前沿研究。

一、基本原理X射线吸收精细结构谱是通过测量物质对入射X射线的吸收和散射行为来研究其内部结构的一种方法。

在这个过程中，入射X射线与物质中的原子发生相互作用，其中主要包括光电效应、康普顿散射和荧光弛豫。

1.光电效应：当入射X射线的能量和材料中的原子能级之差一致时，X射线被材料中的电子吸收，并将电子从内层原子轨道上电离。

这一过程产生的吸收辐射谱能够提供关于物质中各个元素的信息。

2.康普顿散射：入射X射线与材料中的电子发生反向散射，这种散射过程会导致入射X射线的能量减少。

通过测量散射X射线的能量损失，可以了解物质中电子的运动和原子排列的信息。

3.荧光弛豫：当入射X射线的能量超过材料中一些原子内层电子的束缚能时，这些电子将被激发到高能级。

随后，这些高能级电子会发生弛豫过程，向下跃迁，发射出荧光X射线。

荧光X射线谱可以提供关于材料的元素的化学状态和原子环境的信息。

二、实验方法X射线吸收精细结构谱主要利用X射线吸收和散射过程产生的谱线来研究物质的结构。

常用的实验方法包括X射线吸收光谱、荧光光谱和X射线衍射。

1.X射线吸收光谱：通过测量入射X射线的吸收率随能量的变化来获得吸收光谱。

常用的仪器是X射线吸收光谱仪，包括单晶谱仪和多晶谱仪。

通过分析谱线的形状和峰位，可以了解物质中各个元素的存在形态、原子环境和配位数等信息。

2.荧光光谱：通过测量荧光X射线的能量和强度来获得荧光光谱。

常用的仪器是荧光光谱仪，包括光电倍增管和谱线计数器等。

荧光光谱可以提供关于材料中元素的存在形态、化学状态和原子环境等信息。

3.X射线衍射：通过测量物质中X射线的散射模式和散射强度来获得衍射图谱。

常用的仪器是X射线衍射仪，包括平行束X射线衍射仪和傅立叶变换X射线衍射仪等。

x射线吸收近边结构
X射线吸收近边结构是空间分子构型的研究中的一个重要问题，其有助于精确的预测分子构型以及提供分子激发状态的详细信息。

X射线吸收近边结构的研究主要分为以下几个方面：
一、X射线吸收能谱的理论和实验研究
1. 吸收能谱的理论计算：使用理论计算技术，如多电子轨道方法和绝热型方法，来预测X射线吸收能谱。

这些模型可以帮助解释X射线吸收近边结构的特征及其表现出来的化学性质。

2. 小角X射线散射：它可以定量地揭示近边结构中分子在晶体中的排列情况，分子构型的本质解析。

3. X射线吸收光谱实验测量：HXAFS实验可以用来测量X射线吸收中的近边结构。

HXAFS的补偿效应为宽，它可以生成两组谱线，包括猝灭谱线和完全激发谱线。

二、X射线吸收近边结构的分子动力学模拟
1. 粒子动力学模拟：为了研究X射线吸收近边结构的动力学行为，粒子动力学模拟是一个重要的研究方法，它可以模拟X射线吸收近边结构中分子动力学过程，以及其所产生的光谱信号。

2. 分子动力学模拟：使用多电子轨道方法和绝热型方法计算X射线吸收近边结构的动力学行为，特别是它的动态性能。

它可以用来研究分子行为的演化及其对X射线吸收近边结构的影响。

三、X射线吸收近边结构的体外研究
1.谱学模拟：可以使用谱学模拟技术来精确研究X射线吸收能谱的特性，以及X射线吸收体外行为的解释。

2.X射线交叉管研究：通过X射线交叉管研究可以识别X射线吸收近
边结构中的介观应力，同时可以用来检验和补充谱学模拟技术的结果。

总之，X射线吸收近边结构的研究可以通过实验和理论联合来完成，
有助于深入了解物质的基本物理结构以及物质性质的基本过程。

X射线吸收谱基础知识（⼀）撰⽂：LY & CWX 编辑：DJ前⾔：随着同步辐射光源的建造，X射线吸收谱学⽅法（XAS）得到了前所未有的发展，在物质结构表征（包括原⼦结构及电⼦结构等）、理化性能解释（⽐如单原⼦催化剂位点研究、In-situ/operando测试等）都发挥着越来越重要的作⽤，前沿研究中都经常看见其⾝影。

⼀直以来，可以说XAFS都是基于同步辐射的各种表征⼿段中同步辐射技术中应⽤范围最⼴泛⼴的技术之⼀。

⽬前，在⼤陆布局的同步辐射光源装置主要有北京同步辐射装置（BSRF，第⼀代光源）、中国科学技术⼤学⾥的合肥国家同步辐射国家实验室（NSRL，第⼆代光源）、以及上海光源（SSRF，第三代光源），对国内众多基础科学的研究发挥了重要⽀撑作⽤。

⽽上海光源⼆期⼯程的开展，规划中的北京先进光源（⾼能光源）以及各能量段的⾃由电⼦激光（FEL）装置（包括极紫外区-⼤连、软X射线区-上海、硬X-射线区-地点待定，FEL被认为是第四代光源）的建设极有可能在未来数年内建成也必将极⼤的推动国内X射线吸收谱的发展掀起新⼀轮XAS应⽤⾼潮，为前沿基础科学、⾼技术研究提供不可或缺的⼿段。

（⾼能同步辐射光源、硬X射线⾃由电⼦激光装置已列⼊2017年发布的《国家重⼤科技基础设施建设“⼗三五”规划》，属于优先布局的⼗个重⼤科技基础设施建设项⽬。

）图1. 同步辐射装置的发展（图⽚来源：Science, 2011, 334, 1234-1239.）⼀直以来，XAFS都是基于同步辐射的各种表征⼿段中应⽤范围最⼴泛的技术之⼀。

⼩编将分⼏期内容来跟⼤家简单介绍⼀些XAS以及同步辐射的基本知识，希望对⼤家看⽂献与做研究有所帮助。

今天是第⼀期，我们先给⼤家⼀个初步的吸收谱的印象。

A. 什么是X射线？图2.波长与能量的关系X射线⼜称伦琴射线，是⼀种波长介于紫外线与γ射线之间的电磁波，波长约为0.01~10nm，其能量范围为100 eV-100 keV。