说明：本文系统解析SAXS的核心原理、实验装置及数据分析方法。想要了解更多SAXS知识，请看历史内容！
小角X射线散射(SAXS)是指X射线穿透试样后，在靠近入射光束附近2°~5°内的散射现象。SAXS的散射效应来自物质内部1~100 nm量级范围内电子密度的起伏，可以从纳米到微米尺度上对物质结构进行全面研究。同时，SAXS对于电子密度变化十分敏感， 能够高效表征包含结晶结构与非晶结构的高聚物体系、定量分析高聚物表面分形结构，为聚合物形貌研究提供实验依据与支撑。
图1 SAXS原理图。(a)穿透样品后的X射线；(b)小角度X射线散射原理图。
实验时一般测试样品的中心部分，试样的大小一般只要大于入射光束的截面即可，但为了安装对准的方便，通常取Φ＞10 mm的圆。散射强度是随试样的厚度增加而增强的，但厚度增加后，入射光强和散射光强也随之衰减，从而导致散射强度降低。为了达到最大的散射强度，试样的最佳厚度D为:
Dopt=1/μ（式1）
式中，μ是物质的线型衰减系数。
X射线与物质的相互作用遵守如下关系:
I=I0e–μx （式2）
其中，I0是入射光强；I是透射光强；μ是物质的线型衰减系数；X是物质的厚度。
如将式1代入式2可知I/I0=1/e，即透射光强为入射光强的 1/e时，样品的厚度为最佳。
弹性散射与结构信息
SAXS基于X射线与样品中电子云相互作用产生的弹性散射（波长不变）。散射强度分布（散射角θ较小，通常<5°）与样品的电子密度分布相关，从而反映其纳米级结构特征（如粒子尺寸、形状、分布、孔隙率等）。
倒易空间关系
根据Bragg方程（nλ=2dsinθ），小角度散射对应较大的实空间结构（d∝1/θ）。
散射矢量q=4π/λ sin(θ/2)（q与实空间尺寸成反比），SAXS通常探测q值较小的区域（对应大尺寸结构）。
结构模型与散射规律
Guinier近似：在极低q区域（qRg ≪1），散射强度与q2成指数关系，用于计算回转半径Rg （反映粒子尺寸）。
Rg是回转半径，I(0) 是零散射角（q=0）时的散射强度。由于 Guinier 近似中的指数，Rg和I(0)可以通过对Guinier图进行线性拟合来确定。
图2 Guinier近似在不同粒子形状下的有效性验证。
Porod定律：在高q区域（qRg≫1），散射强度与q−4成正比，反映表面粗糙度或界面清晰度。
图3 实验装置示意图展示散射实验中的关键组件。
1.尺寸分布
通过拟合Guinier区域或间接傅里叶变换获得颗粒的平均尺寸（Rg ）及多分散性。
2.形状与结构
对比实验数据与理论模型（如球体、棒状、层状），确定粒子形状或内部结构（如核壳结构）。
3.相互作用与有序性
分析散射峰位置（如有序排列的胶体晶体）或关联效应（如粒子间排斥/吸引作用）。
4.绝对强度
绝对校准后可计算体积分数、比表面积等参数。
（a） 单散系：由尺寸形状一致、取向随机、稀疏分布、电子云密度相对均匀的粒子组成。
（b）稀疏取向系：与单散系类似，由尺寸形状一致、电子云密度相对均匀、稀疏分布的粒子组成。区别在于粒子的取向一致，并非随机。
（c）多分散系：由大小各异、形状、电子云密度一致、取向随机、稀疏分布的粒子组成。
（d）稠密粒子系：由尺寸形状、电子云密度高度一致、取向随机的粒子组成，但粒子之间的距离较小，可能形成相干散射。
（e）密度不均匀粒子系：粒子尺寸形状一致、取向随机、稀疏分布，但电子云密度不均匀。
（f）任意系：涵盖上述各类体系、无法用颗粒概念描述以及电子云密度有起伏的散射体系。
（g）长周期结构：在高分子材料和生物体系中，常有结晶区与非晶区交替排列的结构存在，其特征尺寸远大于分子尺寸，是SAXS研究的重要对象之一。
✅样品不均匀
小角X射线散射对样品的纯净度和一致性要求较高，当样品因其结晶度、分散性、相分离、界面性质和化学组成等原因造成电子密度极度不均匀分布时，其散射信号会变得更加复杂，在测试结果中可能会出现宽化或模糊的情况，导致难以准确提取样品的结构信息。
✅数据处理不当
在数据处理过程中，如果没有扣除背景散射的影响极大可能会干扰最终的数据结果，数据的校正以及数据的平滑和噪声处理在数据处理的过程中也会对结果产生一定的影响。除此之外，在拟合中选择合适的方法和模型也至关重要。
✅测试条件
对于小角X射线散射来说，测试参数的设置，如q值、角度、时间等都会对检测结果产生影响，因此需要提前与工程师沟通好。
👉薄膜样品
这类样品比较简单，可直接测试，如果薄膜试样厚度不够，可以几片同样的膜重叠在一起进行测试。
👉纤维状样品：
纤维状样品可以夹在样品夹中或粘贴在3M牌胶带上进行测试，确保样品平整且不会在测试过程中移动。
👉液态样品：
液态样品通常需要用对X射线散射和吸收很弱的膜片（如云母片、Kapton膜、金刚石薄片和3M胶带等）封在金属框内，以减少散射背景的干扰。为消除溶液样品的浓度效应，需要选取3~5个稀释度的溶液样品，在相同条件下开展实验，再将实验数据外推到零浓度条件下的结果。蛋白、核酸类的样品需要确保样品无聚集、沉淀。因此需要进行前期的透析、或过分子筛、或离心等操作。根据蛋白的大小，确定最优的测试浓度。
👉纳米粉末样品：
特别是金属粉末样品，为了减少粒子间散射的互相干涉作用，需要专门制样，以保证其稀疏分散性。这意味着粒子间的距离要比粒子的尺寸大得多。具体的制样方法可参照国家标准《纳米粉末粒度分布的测定—X射线小角散射法》（GB/T 13221-2004）中的样品制备方法。
👉合金相：
一般金属对X射线吸收较强，需要根据金属元素种类以及波长大致估算厚度。通常来说，原子序数越大的元素对X射线的吸收越强。该类样品一般都要减薄至100μm以下才能获得较好结果。
👉凝胶类、溶胶类：
如果是接近于流动态，需要保持样品内部均匀，没有气泡等。
以下是一个关于粉末样品进行原位SAXS测试的示例，展示了样品的制备和操作过程，仅供参考。
小角散射实验装置（科罗拉多州立大学分析资源中心）
样品池大致分为三种，每种都配备了专门的装置以适应不同的实验需求。简易的透射装置适用于常规的样品测试，原位变温装置能够在实验过程中控制样品的温度液体池装置专门设计用于液体样品的测试。
在制备SAXS样品时，精细研磨有助于提高样品的均匀性。研磨完成后，将样品仔细转移到样品池中，并确保其在样品架上正确放置，以便进行精确的测量。
彻底清洗样品容器，并确保容器内的空气被完全排出，随后进行30分钟的真空处理，直至压力降至10-2torr水平，以确保样品环境的纯净和稳定。（注：这一步并不是必须的）
参考文献和软件
🔹Putnam et al, Q Rev Biophys. Aug 2007; 40(3):191-285.
🔹 Jacques and Trewhella, Protein Science 2010 Apr; 19(4):642-657.
🔹 Svergun et al, Oxford University Press 2013, Small Angle X-Ray and Neutron Scattering from Solutions ofBiological Macromolecules.
🔹曾艺晗,等：小角X射线散射技术在聚合物及其复合材料中的应用研究进展。
🔹用于生物和非生物应用的 SAS 数据分析软件的详细列表，请访问: Software | SAS Portal
🔹用于分析和建模生物SAS数据的最常见的包是ATSAS，然而，还有许多其他优秀的软件包。