同步辐射XAFS

沧海

  X射线吸收精细结构(XAFS)是一种基于同步辐射X射线的先进实验技术，通过测量X射线在样品中的吸收变化，尤其是吸收边附近的精细结构，提供原子级别的局域结构和电子结构信息。它对特定元素具有高度选择性，能在复杂体系中精准分析目标元素的结构信息，且适用于固体、液体、粉末和薄膜等多种样品状态，对样品的结晶度要求低，非晶态样品也能有效分析。XAFS能够提供丰富的局域结构信息，如原子间距离、配位数和配位环境等，为理解材料的物理化学性质和反应机制提供关键数据。凭借这些优势，XAFS在材料科学、化学与催化、环境科学和生物医学等领域广泛应用，能够揭示材料的微观结构与性能关系，分析催化剂的活性中心，检测环境污染物的形态与价态，以及研究生物大分子中的金属离子配位结构，已成为现代科学研究中不可或缺的重要工具。

XAFS可以进一步细分为两个主要部分：

1.  X射线吸收近边结构（X-ray Absorption Near-Edge Structure，XANES）：XANES是指吸收边前10eV到吸收边后30-50eV的区域。这部分光谱主要反映了吸收原子的电子结构和化学环境，能够提供关于价态、电子结构和对称性的信息。

2. 扩展X射线吸收精细结构（Extended X-ray Absorption Fine Structure，EXAFS）：EXAFS是指从吸收边后50eV开始，一直到1000eV范围内的区域。这部分光谱主要用于分析吸收原子周围原子的局域结构，包括键长、配位数和无序度等信息。

EXAFS分析是X射线吸收光谱学中常见的数据解析方法之一。EXAFS可以看作是中心原子的内层电子吸收X射线后跃迁到外层，形成光电子。这些光电子以波的形式发射出去，并与周围原子发生散射。散射波与入射波相互干涉，形成了我们在吸收光谱中观察到的振荡特征。通过对EXAFS数据进行处理，可以从中提取结构信息。首先，将E空间中的振荡信号转换为波长k空间的振荡信号。通过傅里叶变换将k空间的数据进一步转换为R空间的数据。

R空间数据以原子间距离为坐标，能够直观地反映出吸收原子周围原子的分布情况，从而提供键长、配位数等结构信息。此外，R空间数据还可以通过逆傅里叶变换还原为q空间数据，用于进一步分析。

同步辐射中R空间的物理意义：

1.  R空间峰X轴位置+(0.3~0.5) Å=Table实际键长。比如1.5 Å+（0.3~0.5）Å = （1.8~2.0）Å，与拟合值1.92 Å符合。

2.  R空间峰对应的Y轴强度正相关于Table配位数。比如CoN2、CoN3、CoN4依次增强。

3. 5个原子序数内元素不可区分。比如（6C、7N、8O不可区分）、（15P、16S、17Cl不可区分）。常见键长M-C/N/O在1.8-2.1 Å之间，M-P/S/Cl在2.0-2.3 Å之间；拟合出来的键长要与高水平文献相符合。