全面解析同步辐射XAFS与台式XAFS的技术参数对比！

X射线吸收光谱（XAS）是一种用于测量物质在X射线区域对入射光子能量E的透射率的技术。它具有元素特异性和轨道特异性，能够揭示物质的局部原子和电子结构。通过XAS，可以推导出物质的氧化态、态密度、配位情况、键长、热参数以及局部环境中的无序程度，其精确度通常优于其他技术。由于XAS不依赖于长程有序性，它特别适合研究具有局部短程有序的无序系统，如玻璃、溶液、液体和非晶固体。然而，它同样可以应用于结构明确的晶体。XAS能够验证其他技术提出的结构，或者基于纳米结构、局部键合和吸收原子周围的纳米环境进行分析。

传统上，XAS包括X射线吸收近边结构（XANES）和扩展XAFS（EXAFS）（图1d）。XANES通常通过指纹分析或线性组分拟合进行研究，涉及使用分子轨道原理或多路径、多重散射（两重或三重路径，伴有多次散射）的复杂激发理论——光电子。EXAFS区域则可以使用一系列可用的理论和软件包进行拟合。X射线吸收精细结构（XAFS）作为XAS的一个重要组成部分，用于描绘物质的局部结构。在XAS中观察到的复杂振荡结构源于光吸收边（图1a）上方发射的光电子波与来自邻近电荷密度的弹性散射光电子波之间的量子干涉（图1c）。这可以确定吸收原子周围局部环境的氧化态、几何形状和结构。此外，XANES区域包括边前特征，这些特征对应于共振激发，可以解释吸收原子的几何形状、配位和氧化态。

图1 X射线吸收光谱中的过程。a，X射线光子与吸收原子的相互作用表示，以及相对于内壳电子态的吸收边的命名。b，光吸收、X射线荧光和俄歇光电子产生过程的能量级图。c，入射和背散射光电子波的示意图。入射的X射线光子与吸收原子相互作用。发射出光电子并从周围原子背散射。来自周围原子的背散射波与出射波以建设性或破坏性的方式相互作用，这取决于入射X射线光子的能量。这导致吸收系数的振荡，产生X射线吸收光谱。d，典型的X射线吸收光谱图，包括XANES和EXAFS区域。

XAFS作为一种强有力的工具，广泛应用于分子、材料科学、生物学、化学、地球科学和环境科学等领域，能够为研究者提供关于材料内部结构和化学状态的详细信息。通过选择不同能量的X射线，XAFS可以获取样品中所有元素的信息，从而为全面理解材料的性质和行为提供了坚实的基础。

20世纪70年代以来开始建成和使用的同步辐射装置，提供了强度高、波长连续、准直性好、有偏振性、有时间结构的性能优异的光源，成为近代科学仪器史上的重要里程碑，同时也带动了XAFS技术的蓬勃发展。目前, 世界各地同步辐射装置上几乎都建立了专用于XAFS研究的实验站（图2），有的光源上甚至建有多条乃至十多条专用或兼用XAFS线站，用于研究在各种常规、高温高压和极低浓度、原位反应、工作过程监测等条件下的科学问题。

图2日本超级光子环Spring-8、美国先进光子源APS、欧洲同步辐射ESRF俯瞰图

同步辐射是一种特殊的电磁辐射，产生于高能带电粒子（通常是电子）在磁场中沿弧形轨道运动时（图3）。当这些粒子的速度接近光速时，由于相对论效应，它们会沿着运动轨迹的切线方向发出电磁辐射。同步辐射是1947年在美国通用电气公司的一个电子同步加速器中意外发现的，因此被命名为同步辐射。

图3 同步辐射产生原理

同步辐射具有许多独特的特性，使其在科学研究中具有广泛的应用价值。它具有高亮度和高准直性，这意味着同步辐射光束非常集中且方向性强，能够提供高分辨率的实验数据。同步辐射的波长范围非常宽，从红外线到X射线，覆盖了多个波段，这使得它能够满足不同研究领域的需求。同步辐射还具有高度的偏振性和相干性，这些特性使其在进行精密测量时具有优势。

常规来讲，同步辐射上运用的方法学大多分为衍射、吸收、散射三大类。因此，同步辐射具有多种不同的项目（图4），包括X射线衍射（XRD）、小角X射线散射（SAXS）、掠入射广角X射线散射（GIWAXS）和X-射线吸收谱精细结构（XAFS）等。其中XRD通过测量X射线在晶体中的衍射图样来确定晶体的结构；SAXS可探测样品内电子密度起伏，研究样品内缺陷和颗粒的尺寸、形状及其分布密度；GIWAXS常用于分析薄膜、电池等材料的分子取向和晶体取向，可研究精细结构和分子堆积；XAFS用于分析材料的局部结构和化学状态。

图4基于同步辐射的表征项目

同步辐射XAFS利用带电粒子在磁场中做圆周运动时发出的电磁辐射作为光源，对样品进行各种物理、化学和生物等方面的研究。其光源装置通常由加速器、储存环、光束线（包括单色器、聚焦镜等）和实验站等部分组成。加速器用于加速带电粒子，储存环则使带电粒子在其中做圆周运动并发出同步辐射光。光束线对同步辐射光进行传输、单色化和聚焦等处理，实验站则用于放置样品并进行各种测量和分析。同步辐射XAFS广泛应用于催化、能源、纳米材料等研究领域。其优势在于同步辐射光源的高亮度、宽能量范围、窄脉冲宽度和高准直性，使得X射线谱学在通量和能量分辨率方面得到了显著提升。早期的X射线光谱学研究主要依赖于实验室光源，这些光源通常存在能量分辨率较低和光束发散较大的问题。但随着技术的发展，实验室源XAFS技术也得到了改进，可以在透射和荧光检测模式下对多种理想和传统样品进行表征。

台式XAFS，采用独有的X射线单色器设计，无需使用同步辐射光源，即可在常规的实验室环境中实现X射线吸收精细结构的测量和分析。其构成通常包括X射线源、单色器、样品室、探测器等部件。其中，X射线源产生X射线，单色器对X射线进行单色化处理，样品室用于放置待测样品，探测器则用于检测X射线的吸收情况。台式XAFS技术的出现，打破了XAFS检测必须依赖同步辐射装置的局限，使得XAFS技术的应用范围更加广泛和灵活。该技术通过提供X射线吸收检测功能，拓展了XAFS的应用场景。与传统的XRD技术相比，台式XAFS能够检测非晶材料等短程有序材料，并且具备化学价态识别能力。此外，台式XAFS还能提供配位数、键长等关键信息，有效分析原子的局域结构，在实验室即可得到材料微观结构下的数据支持。

由于其简单，易操作的优势。越来越多台式XAFS（如图5）走进高校和公司，在实验室即可获得科研级高质量XAFS图谱。

图5 硬X射线台式吸收精细结构谱仪（RapidXAFS）

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同步辐射XAFS与台式XAFS最主要的区别是光源不同。同步辐射XAFS使用同步辐射光源，能测试的能量范围广，具有极高的光通量和优异的能量分辨率，能够提供更精细的谱图；台式XAFS使用实验室级别的X射线，能量范围相对较窄，光通量相对较低，但近年来一些高性能的台式XAFS设备光通量已达到较高水平，分辨率也有所提升。并且，同步辐射XAFS通常需要在高真空环境下进行测试，测试周期较长，维护成本较高；台式XAFS可在常规实验室环境下进行测试，对样品的环境条件要求较低，测试周期较短，维护成本较低。除此之外，常见技术参数也有些许不同。

表1台式 XAFS与SR-XAFS技术参数对比

X射线吸收光谱（XAS）及其精细结构（XAFS）是强大的分析工具，能够揭示物质的局部原子和电子结构，广泛应用于材料科学、化学、生物学等领域。同步辐射XAFS利用高能带电粒子在磁场中产生的同步辐射光源，具有高亮度、宽能量范围和高准直性，适用于复杂样品和高精度要求的研究。台式XAFS则在实验室环境中使用，虽然能量范围较窄，但操作简便、成本较低，适合常规样品的分析。两者在光源、能量范围和应用环境上各有优势，共同推动了科学研究的发展。同时XAFS在催化中也具有很好的应用前景，能够深入解析催化剂的活性中心结构和反应路径，为催化剂的改进和新型催化剂的开发提供了有力支持，有助于提高催化效率、降低能耗和减少环境污染，推动催化科学的不断进步。