同步辐射吸收谱学基础
同步辐射应用基础(第二章同步辐射X射线衍射) 研究生课程讲义
X射线在医学诊断、治疗中的应用非常
伦琴
广泛，特别是X射线诊断技术，已经成
为现代医学不可缺少的工具。
X射线是波长介于紫外线和γ射线 间的 电磁辐射。X射线是一种波长很短的电 磁波，其波长约介于0.01~100埃之间。
第一张X光照片
X射线衍射（一）— 历史
1912年德国物理学家劳埃（ue) 发现 晶体的衍射现象。1914年获得了第二个诺贝 尔物理奖。
2) 增加X射线强度的方法：
①增加管电流；②增加管电压。 增加管电流，可使单位时间内轰击阳极靶的电子数目增 多，从而使Ni增加；增加管电压，可产生频率更高的光 子，即能量更高的光子。 3) X射线的强度表示：通常用管电流的毫安数(mA)间接 表示X射线的强度。 4) 总辐射能量表示：
X射线总辐射能量与X射线的强度和照射时间成正比。 因此，用管电流毫安数与照射时间的乘积表示X射线总 辐射能量。
X射线衍射（五）— 实验
X射线衍射（五）— 实验
1. 峰位 定性相分析，确定晶系，指标化， 计算晶胞参数等
2 . 峰强 计算物相含量，计算结晶度 3 . 峰形 估计结晶度高低，计算晶粒尺寸 (谢乐公式)
X射线衍射（五）— 实验
X射线衍射分析可给出材料中物相的结构及元素的 状态信息, 根据实验得到的d-I/I0一套数据，与已知 的标准卡片数据对比，来确定相应的未知物相。 XRD物相定性分析
2.为后人在不同领域的研究打下了理论基础
X射线衍射（二）— 原理
常规X射线的产生
产生X射线的方法有多种，常用的产生X射线的 方法是：用高速运动的电子束轰击一障碍物—— 阳极靶。受到靶的阻碍作用，电子的动能转变为 X射线光子的能量。
产生X射线的两个基本条件是: 1)有高速运动的电子流； 2)有适当的障碍物—靶来阻止电子的运动。
第二章 EXAFS谱学原理
X射线吸收精细结构（x-ray absorption fine structure，简写为XAFS）谱分为X射线吸收近边结构（x-ray absorption near edge structure，简写为XANES）谱和扩展X射线吸收精细结构（extend x-ray absorption fine structure）谱。
由于历史发展的原因和数据处理方法的不同，我们将这两种不同的谱学方法分开讨论，虽然现在我们意识到产生这两种振荡的原因实质上是一致的，即起源于被X射线激发出来的吸收原子内壳层电子（称光电子）的散射效应。
在介绍EXAFS方法之前，我们不妨先简单回顾一下EXAFS和XANES的发展历程，这对于我们理解这一独特实验方法大有好处。
§1. XAFS的发展历史和特点Frickle和Hertz在1920 年首次从实验上观察到XAFS现象，完整的XAFS 谱则由Ray和Kievet等在1929年测量到。
虽然人们很早就观察到XAFS现象，但是对其本质的认识却进展缓慢，经历了漫长的50余年时间。
历史上，很长一段时间内，存在着长程有序（long-range order, 缩写为LRO）理论和短程有序理论（short-range order, SRO）之争。
这是由于吸收边前后不长的1千多电子伏特范围内的不同能量段的精细结构的产生机制略有不同，又由于当时的实验能力不强，做一次实验需要花费一周左右的时间，故进展缓慢。
第一个对吸收边精细结构进行解释的是Kossel于1920年作出的，它指出这些峰是由激发的光电子跃迁到一系列外层未占据轨道造成的。
就现在的观点看来，Kossel理论基本上可以解释XAFS曲线的吸收边前和附近的结构，但是不能解释广延部分和近边部分（吸收边和广延部分之间的几十电子伏特的区域）的结构。
Kronig在1931年第一次利用量子力学观点解释固体物质产生的EXAFS，他认为这是因布里源区边界上的能隙产生的，这是由固体中的排列周期性，即长程有序决定的，这一理论后来被称之为长程有序理论。
同步辐射xafs吸收谱
同步辐射XAFS吸收谱同步辐射X射线吸收谱（XAFS）是一种强大的结构表征技术，它广泛应用于材料科学、化学、物理等领域。
XAFS技术利用同步辐射光源产生的高亮度、高强度的X射线，通过测量吸收谱的变化来研究材料的局域结构和电子结构。
以下是关于同步辐射XAFS吸收谱的简要介绍：1. 同步辐射光源：同步辐射XAFS实验通常利用大型的同步辐射光源，如储存环。
这种设施产生高度同步化的X射线束，具有高亮度和强度，能够提供足够的光子流量进行XAFS实验。
2. 原理和技术：XAFS的基本原理：XAFS测量基于材料对入射X射线的吸收，其吸收边缘的细微结构包含了有关材料局域结构和电子结构的信息。
XAFS技术：XAFS谱通常包括X射线吸收近边（XANES）和X射线吸收远边（EXAFS）。
XANES提供关于电子结构的信息，而EXAFS提供有关局域原子结构的信息。
3. 实验步骤：样品准备：样品通常以粉末或薄片的形式准备。
样品的制备对于获取准确的XAFS谱至关重要。
实验条件设定：要根据具体的实验目的选择合适的同步辐射光源和探测器，以及适当的能量范围。
数据采集：在不同的能量范围内采集XAFS数据，包括XANES和EXAFS。
数据的质量和数量对于后续分析非常重要。
数据分析：利用适当的分析软件对XAFS数据进行处理，包括傅立叶变换等方法，以提取结构信息。
4. 应用领域：材料科学：XAFS广泛应用于研究材料的晶体结构、电荷转移和电子状态。
催化剂研究：用于研究催化剂表面结构和活性位点。
生物医学：在生物医学研究中，XAFS可用于研究生物大分子的结构。
5. XAFS的优势：高灵敏度：同步辐射光源提供高亮度的X射线束，使得XAFS实验对于稀有或微量样品非常敏感。
高分辨率：XAFS可提供高分辨率的结构信息，揭示材料的微观结构和电子结构。
无损测量：XAFS是一种无损测量技术，不会破坏样品。
同步辐射XAFS吸收谱技术在材料科学、化学和生物医学等领域的研究中发挥着重要作用。
同步辐射应用基础(第八章同步辐射X射线荧光分析) 研究生课程讲义
能量色散型 Energy
Dispersive Spectrometer
（二）仪器构造与原理
（二）仪器构造与原理
两种类型的X射线荧光光谱仪都需要用X射线管作为激发光源。
同步辐射X射线！
（二）仪器构造与原理
分光系统
分光系统的主要部件是晶体分光器，它的作用是通过晶体衍射现象把不同波长的 X射线分开。根据布拉格衍射定律2dsinθ=nλ，当波长为λ的X射线以θ角射到晶体，如 果晶面间距为d，则在出射角为θ的方向，可以观测到波长为λ=2dsinθ的一级衍射及波 长为λ/2，λ/3等高级衍射。改变θ角，可以观测到另外波长的X射线，因而使不同波长 的X射线可以分开。
（一）基础理论与知识
2)缺点：
① 由于X射线荧光光谱分析是一种相对的比较分 析，定量分析需要标样对比，而且标样的组分与被测 样的组分要差不多。
② 原子序数低的元素，其检出限及测定误差一般 都比原子序数高的元素差；对于超轻元素(H、Li 、Be)， 目前还不能直接进行分析。
③ 检测限不够低，>1 µg.g-1 ④ 仪器相对成本高，普及率低。
（三）样品制备与分析
3.2 定性与定量分析
（三）样品制备与分析
岩石样品
Ba 250μm 成图
Ba 1mm 成图
（四）线站介绍与实例分析
北京同步辐射光源：X射线荧光微分析实验站-4W1B
（四）线站介绍与实例分析
上海光源：硬 X 射线微聚焦及应用光束线站-BL15U
（四）线站介绍与实例分析
纳米污染
（一）基础理论与知识
⑦ 制样简单，试样形式多样化，块状、粉末、糊状、液体 都可以，气体密封在容器内也可分析。
⑧ X射线荧光分析也能表面分析，测定部位是0.1mm深以上 的表面层，可以用于表面层状态、镀层、薄膜成分或膜厚的 测定。能有效地用于测定膜的厚度(10层)和组成（几十种元 素）。
同步辐射吸收谱(闫文盛)
2
同步辐射资料收集——国内光源 NSRL光束线和实验站示意图
3
同步辐射资料收集——国内光源
韦世强课件 4
同步辐射资料收集——国内光源
合肥光源XAFS实验站可以测量的元素: K-吸收边，Z=22-33：Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn,
Ga, Ge, As L-吸收边(LI-LIII)，Z=52-73：Te, I, Xe, Cs, Ba, La, Ce,
同步辐射资料收集
同步辐射基本知识 国内光源 国外光源 XAFS基本理论 XAFS数据处理
目录
1
同步辐射资料收集——同步辐射基本知识
同步辐射光源的优点
高亮度 高准直性（方向性） 连续谱宽 偏振性 优良的时间结构 洁净性 高稳定性 可计算性
描述同步辐射光源参数
发射度(emittance) 电子能量 电子束流 同步辐射强度 特征波长 时间结构 束流寿命
马礼敦，《同步辐射应用概论》，2005 14
同步辐射资料收集——XAFS数据处理 EXAFS谱的数据处理
北京同步辐射装置EXAFS讲习班，储胜启，2011 15
同步辐射资料收集——XAFS数据处理
韦世强课件 16ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
同步辐射资料收集——XAFS数据处理
韦世强课件 17
aenigmatite showing the partition into XANES and EXAFS regions
11
同步辐射资料收集——XAFS基本理论 Mol. Sieves (2004) 4: 427–466
Schematic display of the focusing effect
韦世强课件 9
同步辐射软X射线近边吸收谱方法研究长期施肥对黑土有机碳官能团的影响
（ ＣＣ ＭＡＳＮＭＲ） ” Ｐ 和热解一 气谱／ 质谱 （ ｙＧ ＭＳ 等 ， Ｐ －Ｃ／ ） 这些 方法用于土壤有机碳官能团表征 都存在不 足 ， 中 Ｆ Ｉ 其 Ｔ Ｒ谱
收 稿 日期 ： ０ ２０—０ ２ １ －４２ ．修订 日期 ：２ １ —７０ ０ ２０ —８
长期 定位试 验是探 明不同管理措 施对 土壤有机碳官能 团影响
决于其在土壤 中的质量 （ 即有 机碳 官 能团 的组 成特 征） 。因
此， 研究 土壤有 机碳 官能 团的组 成特征 ，有助 于阐明农 田生 态系统 中土壤有机碳的变化机理和作用机制 ，对于指定合 理
的农 田碳 管 理 措 施 具 有 重 要 的 指 导 意 义 。
软 ｘ射线 近边 吸收谱 （ －ｓＮ Ｘ Ｓ 是基 于 同步辐 射谱学 Ｃ ｌ Ｅ ＡＦ ） 的元 素形态表征方 法 ， 具有非破坏性 的特点 、且不受 样品 中
第 ３ 卷 ， １ 期 ２ 第 Ｏ ２０１２年 １ ０月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｖ １ ２Ｎ ．０ｐ２５—８７ ｏ ３ ，ｏ １，ｐ８３２５ ．
Ｏｃｏ ｅ ，２ １ ｔｂ ｒ ０ ２
Ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃ ｒ ｌＡｎａｙ ｉ ｐ ｃ ｒ ｓ ｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅ ｔａ ｌ ｓｓ
香 Ｃ 比值 增 加 ， 随 玉米 秸 秆 用 量 增 加 表 现 的更 为 明 显 ； 论 配施 玉 米 秸 秆 与 否 ， Ｋ 肥 混 施 处 理 的 芳 香 并 无 ＮＰ
Ｃ、 脂族 Ｃ以及脂族 ｃ 芳香 ｃ比值均 高于单施 Ｎ肥处 理。上述结果说 明 ， ／ 单施化肥 比不 施肥使土壤有机碳 官能 团中芳香类化合物的相对 比例增加 ， 而脂肪烃 类化合 物的相对 比例下 降 ； 肥配施 玉米 秸秆则 比单施 化 化肥增加 了脂肪烃类化合物的相对 比例 ， 配施高量 比低量玉米秸秆的增加趋势更为 明显 ，同时 Ｎ Ｋ肥混施 Ｐ 比单施 Ｎ肥有利于提高脂肪烃类化合物的相对 比例 。 －ｓＮ Ｘ Ｓ 法能够原位表征长期定位施肥条件下 Ｃ ｌ Ｅ ＡＦ 方
台式同步辐射吸收谱(xafs)
尊敬的读者，今天我要和大家一起探讨的主题是台式同步辐射吸收谱（XAFS）。
XAFS技术被广泛应用于材料科学、化学、生物学和环境科学领域，它可以提供有关材料的原子结构、化学状态和电子结构等方面的重要信息。
在本文中，我们将深入探讨XAFS技术的原理和应用，以及它在不同领域中的重要意义。
1. XAFS的原理XAFS是X射线吸收精细结构的缩写，它是一种利用同步辐射光源进行X射线吸收光谱研究的先进技术。
XAFS技术通过测量样品吸收X射线的能量，来研究材料的原子结构和化学环境。
当X射线照射到样品上时，X射线的能量将被部分吸收，而吸收光谱中的精细结构将提供丰富的信息，包括吸收原子的种类、配位数、相对位置和电荷状态等。
2. XAFS的应用XAFS技术在材料科学、化学和生物学等领域中有着广泛的应用。
在材料科学领域，XAFS可以用来研究催化剂、合金、纳米材料等的原子结构和表面化学状态，为材料设计和性能优化提供重要参考。
在化学领域，XAFS可用来研究分子结构、配位化学和电子结构，从微观层面揭示化学反应的机制和动力学过程。
在生物学领域，XAFS技术可以揭示生物分子中金属离子的配位结构和功能，为药物设计和疾病治疗提供重要依据。
3. XAFS的意义和展望XAFS技术作为一种非常强大的分析手段，已经成为材料科学和化学领域研究的重要工具。
随着同步辐射光源和X射线吸收谱仪等设备的不断改进，XAFS技术在分辨率、灵敏度和时间分辨能力上都有了显著提高。
未来，XAFS技术将继续发挥重要作用，为材料设计、催化剂优化、生物医药等领域的研究和应用带来更多的突破性进展。
个人观点作为一种非常强大的表征技术，XAFS在解决材料和化学领域的重要科学问题方面具有不可替代的作用。
它可以帮助科学家们深入了解原子层面的结构和化学状态，为材料设计和性能优化提供有效手段。
我相信随着科学仪器和技术的不断进步，XAFS技术的应用领域将会更加广泛，给人类社会带来更多的科学和技术进步。
XANES谱及分析基础-陈栋梁
1s→ 连续态
1s→ 4p（(n+1)p）
1s→ 3d （nd）,四级?
XANES谱基本原理
北 京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility
XANES谱分析的关键：终态！包括什么态才是可以允许跃迁 的（跃迁规则），及能够跃迁多少（态密度）。
XANES谱基本原理
北 京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility
X射 线 吸 收 谱 学 实 验 和数据分析讲习班
定性判定：凝聚态体系
试着：Cr2O3，Cr K-边XANES
XANES谱分析简介
北 京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility
X射 线 吸 收 谱 学 实 验 和数据分析讲习班
1. 指纹效应-1 谱的指纹特征
对称性：Td，Oh 几何结构：四面体、八面体 氧化态：Ti4+
Ba2TiO4: Ti4+
X射 线 吸 收 谱 学 实 验 和数据分析讲习班
边
存在一些分离 的吸收峰、肩 峰及吸收主峰。
边 后
连续的振荡。
边前
XAFS谱、XANES谱
XANES谱:划分
XANES:-20 ~ +50eV (-几十eV ~ + 几十 eV) 区域：边前（pre-edge）+边（edge）+边后（post-edge）
X射 线 吸 收 谱 学 实 验 和数据分析讲习班
XANES谱分析实例
X射线近边吸收精细结构谱学原理及应用
吴自玉 国家同步辐射实验室
2011-03-25
提纲
1. 同步辐射X射线吸收谱学 2. 扩展X射线吸收精细结构（EXAFS） 3. X射线近边吸收结构（XANES） 4. XANES理论发展
2
同步辐射技术和方法
电子轨道 X 射线 电子源 探测器
光谱 能量 散射 动量 成像 位置 动力学 时间
T-EXAFS方法: 能够 探测“声子”行为。
� Debye模型
T-EXAFS 方法具有如下 相对于其它的振动研究方法， 相对于其它的振动研究方法，T-EXAFS T-EXAFS方法具有如下 优点： 1）元素选择特性，也就是可以选择研究特定的成键； 2）能够分离热无序和静态无序。
拜关联模型适用于描 述声学模；爱因斯坦 模型适用于描述光学 支的效应。
13
EXAFS
研究 TMB2 的局域晶格特性及同位素效应 T-EXAFS T-EXAFS研究 研究TMB2 TMB2的局域晶格特性及同位素效应
2.5
28
7.0
a
10 11
78
Байду номын сангаас
6.5
2 -3 σ (1 0 Å)
2.0
128
228
(YB2(10B))
28
78
128
228 300 Y-B
(YB2(11B))
PRL 101,056101(2008)
12
EXAFS
�EXAFS对晶格中原子的无序度极为敏感，EXAFS公式中的Debye-Waller因 子exp(-2k2σ2)可以用来描述晶格无序度，其中σ为吸收原子和背散射原子的 相对位移均方值MSRD（mean square relative displacement）。 两个理论模型来解释由EXAFS得到的MSRD随温度变化的曲线： � Einstein模型
同步辐射的基本知识第四讲同步辐射中的光谱术及其应用_一_
PT CA(PART:A PH YS.TEST.)2009年第45卷4专题综述同步辐射的基本知识第四讲同步辐射中的光谱术及其应用(一)杨传铮1,程国峰2,黄月鸿2(1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050; 2.中国科学院上海硅酸盐研究所,上海200050)Basic Knowledge of Synchrotron Radiation)))Lecture No.4Spectrum Technique and Its Applicationsin Synchrotron Radiation(Ñ)YANG Chuan-zheng1,CHENG Guo-feng2,HUANG Yue-hong2(1.Shang hai Institute of M icro-Sy stem and Info rmation T echnolog y,Chinese A cademy o f Science,Shanghai200050,China;2.Shang ha i Inst itute of Ceromics,Chinese A cademy o f Sciences,Shang hai200050,China)中图分类号:O434.11文献标识码:A文章编号:1001-4012(2009)04-0248-05按照光谱术一般定义,同步辐射光谱术就是用同步辐射轰击样品,激发样品各元素的特征X射线,或与样品发生交互作用时产生各种信号,接收探测和分析各种信号,以获得被击样品的化学组成、原子价态及有关结构的信息。
由于同步辐射光源包括从红外、可见光、紫外、软X射线到硬X射线的范围,故同步辐射光谱术包括多种光谱术,主要有X 射线衍射谱、X射线非弹性散射谱、X射线发射谱、光电子能谱、X射线吸收谱和近限结构、红外吸收谱和紫外吸收谱、软X射线磁园二色、扩展X射线吸收精细结构、Ram an谱以及Auger电子能谱。
同步辐射X射线近边吸收谱法研究_二元金属重整催化剂中铂和铼的化学态
⑥本法不失为一简单 、快速 、灵敏的化 学态分析手段 。在有良好参比物时 ,可精确 测量多种元素的化学位移 。
表 2 7 个拐点对应能量值
次数
E/ eV
次数
E/ eV
1
10 535. 3
5
10 535. 6
2
10 535. 4
6
10 535. 8
3
10 535. 7
7
10 535. 5
4
10 535. 7
地矿部岩矿测试技术研究所 北京 100037
杨森年
肖延安 谢亚 巨 新 胡天斗
石化总公司石油化工研究院 北京 100083
中国科学院高能物理所 北京 100039
摘要 北京同步辐射装置 (BSRF) 提供同步辐射 ( SR) 可调单色光 ,用 X 射线近边吸收谱法测 得 Fe3 + ～Fe0 和 Ni3 + ～Ni0 的 Kα吸收边能量位移分别为 10 eV ; Pt ( Ⅳ) ～Pt0 的 L Ⅲ吸收边能量位 移为 2 eV ; Re ( Ⅳ) ～Re0 和 Re ( Ⅶ) ～Re0 的 L Ⅲ吸收边能量位移分别为 3 eV 和 4 eV ,其化学位移 测量的标准偏差为 ±0151 eV (2σ) 。
XANES谱及分析基础-陈栋梁
XANES谱分析实例
XAFS谱、XANES谱
XAFS谱:几个缩写名称
XAS： X-ray Absorption Spectroscopy XAFS ： X-ray Absorption Fine Structure EXAFS ：Extended X-ray Absorption Fine Structure XANES： X-ray Absorption Near Edge Structure NEXAFS ：Near Edge X-ray Absorption Fine Structure
XANES谱基本原理
/
原子的选择定则: LS耦合，单电子近似
定性判定：单原子
北 京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiat 收 谱 学 实 验 和数据分析讲习班
/
/
/
XANES谱基本原理
北 京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility
X射 线 吸 收 谱 学 实 验 和数据分析讲习班
定性判定：单原子/连续体
单原子：对于电偶极跃迁
K 边： 初态为1s (n=1，l=0，m=0)； LⅠ边：初态为2s (n=2，l=0，m=0)； LⅡ边：初态为2p1/2 (n=2，l=1，j=1/2)； LⅢ边：初态为2p3/2 (n=2，l=1，j=3/2)；
X射 线 吸 收 谱 学 实 验 和数据分析讲习班
试着：Cr2O3和Na2CrO4，Cr K-边XANES Cr:1s22s22p63s23p63d54s14p0
1s→ 连续态
1s→ 4p（(n+1)p）
同步辐射x射线吸收谱
同步辐射x射线吸收谱同步辐射X射线吸收谱（SynchrotronX-rayAbsorptionSpectroscopy，XAS）是利用高能同步辐射X射线对物质进行结构分析的物理学技术。
XAS是一种用于研究物质光学性质和化学性质的辐射技术，比起传统X射线结构分析，XAS技术比传统X射线结构分析有更强的能力来分离原子中电子结构和化学性质的相互作用，从而在减小样品量和测试时间的情况下，快速准确的研究物质的结构和性质的变化。
同步辐射X射线吸收谱的研究技术在多种领域得到了广泛应用，如在物理学、材料科学、医学研究、环境监测等等领域，均有XAS的应用。
一般来说，XAS的原理主要包括三个部分，即：活化、传输、吸收。
活化是指在研究物质的分析过程中，需要将被研究物质活化至一定活化程度，以便能够将X射线辐射到物质表面；而传输是指利用X 射线来探测物质内部的电子结构，其过程包括将X射线穿透物质的表面，然后将X射线传输至物质内部；最后，将X射线在物质内部进行吸收来研究物质的结构和性质。
XAS技术发展至今，已经成为一种重要的研究工具，在多种领域受到广泛应用。
在材料科学中，XAS技术可以帮助研究人员研究催化剂在催化反应中的作用机制，以及研究材料结构、纳米材料的性质等等；在物理学和化学研究中，XAS技术可以帮助研究人员分析各种物质的结构性质，从而有效的探索材料的性质；在环境监测中，XAS技术可以帮助研究人员研究环境中有毒物质的结构性质，以及对环境的生态系统的影响等等。
同步辐射X射线吸收谱技术的发展与应用，使得科学研究条件不断改善，也伴随着同步辐射X射线吸收谱技术发展而形成了一套完整的研究体系，使得XAS技术能够被用于更多领域，以及更深入的研究，其中也包括了XAS显微分析技术，可以实现对仅有几微米尺寸的样品进行分析，为深入研究物质结构及性质提供了条件。
未来，同步辐射X射线吸收谱技术将在科学研究领域中发挥越来越重要的作用，而XAS技术的不断改进，也将带来更多的应用和发展。
同步辐射吸收光谱
同步辐射吸收光谱同步辐射吸收光谱（Synchrotron Radiation Absorption Spectroscopy，简称SRAS）是一种利用同步辐射作为激发源的光谱技术，其能够提供高分辨率、高灵敏度以及高信噪比的特性使其在化学分析中有着重要的应用。
它可以对大分子、聚合物、固体材料以及生物样品进行结构成分分析，并能够得出宏观、微观以及原子尺度上的结构信息。
同步辐射吸收光谱是一种紫外到可见光范围内的分光技术，它使用了同步辐射源来激发样品的原子或分子，通过测量样品的吸收信号来探测结构和组成。
原理是当同步辐射入射到样品中，其能量能够被样品的原子和分子吸收，而发射的信号强度受到样品的结构和组成的影响，有助于研究者推断样品的结构和组成。
同步辐射吸收光谱具有良好的交叉比较性，其能够快速比较样品之间的化学组成、形态差异、结构细节以及相关性质，从而帮助研究者深入了解样品的结构和组成。
除此之外，同步辐射吸收光谱还能够探测单分子及多分子的结构特性，从而为研究者提供更多信息。
此外，同步辐射吸收光谱具有高分辨率和灵敏度，在研究样品中微量成分时具有优势，能够发现样品中不易察觉的细微成分。
这也使得同步辐射吸收光谱在研究纳米材料、生物大分子以及环境污染物等方面应用广泛。
同步辐射吸收光谱在研究分子结构和组成时非常有效，其能够提供高分辨率、高灵敏度以及高信噪比的特性使其在化学分析中有着重要的应用。
它可以对大分子、聚合物、固体材料以及生物样品进行结构成分分析，并能够得出宏观、微观以及原子尺度上的结构信息。
此外，同步辐射吸收光谱还能够探测单分子及多分子的结构特性，从而为研究者提供更多信息。
因此，同步辐射吸收光谱在研究纳米材料、生物大分子、环境污染物等方面应用广泛。
同步辐射吸收谱数据处理
同步辐射吸收谱数据处理
同步辐射（Synchrotron Radiation）吸收谱数据处理是指对通
过同步辐射装置产生的辐射吸收谱进行分析和处理的过程。
以下是一般的同步辐射吸收谱数据处理流程：
1. 数据收集与预处理：首先，需要收集同步辐射吸收谱的数据。
通常，这些数据以光谱或图像的形式存储，并包含吸收强度和能量信息。
在预处理阶段，可能需要对数据进行背景校正、噪声滤除、数据对齐等操作。
2. 能谱提取与分析：接下来，需要从吸收谱数据中提取能谱信息。
能谱是吸收强度随能量变化的曲线。
一种常见的提取方法是通过对吸收谱数据进行拟合或积分操作，获取能量-吸收强
度关系。
根据实际需要，可以使用不同的数据拟合算法和数学模型。
3. 数据处理与解释：在得到能谱后，可以对数据进行进一步的处理和解释。
这包括比较吸收谱数据与已知标准谱、进行谱峰分析、计算化学元素的含量等。
根据需要，可以使用各种数据处理和分析工具，如MATLAB、Origin、Python等。
4. 结果展示和报告：最后，根据所得到的处理结果，可以进行结果展示和报告撰写。
通常，结果可以以图表、曲线、表格等方式呈现，以便于理解和交流。
同时，还可以撰写数据处理方法和结果分析的报告，以便于其他研究人员复现和参考。
需要指出的是，同步辐射吸收谱数据处理的具体方法和步骤可
能因实际应用和需求而有所不同。
因此，在进行数据处理时，应根据具体情况选择合适的方法和工具，并结合实验条件和目标加以调整和改进。
同步辐射吸收谱
同步辐射吸收谱
同步辐射吸收谱（SynchrotronRadiationAbsorptionSpectroscopy,SRAS）是一种以紫外线、可见光和近红外光谱为基础的光谱技术，已经成为化学研究的一种重要手段。
通过测量材料的同步辐射吸收谱，人们可以获取有关材料结构和物理性质的大量信息，也有助于理解其可能的生物活性和反应性。
同步辐射吸收谱技术的基本原理是，利用加速器或同步辐射源发射的紫外线、可见光和近红外光束，入射到样品物质中，被吸收不同程度，获取某一波长段特定能量范围内，物质特有的吸收曲线作为材料的特征曲线，以定量确定样品中各成分的含量，进而获得材料的物理和化学性质的信息。
同步辐射吸收谱技术的优势在于，它能够增大样品的光谱信号，提高测量精度；另外，它还可以测量到不同气压、不同温度以及不同含水量下的样品，从而可以提供全面的信息。
此外，同步辐射吸收谱技术有可重现性好、结果准确、分辨率高等特点，对大分子物质、活性物质和有机物质等分析测量精度要求较高的样品具有很高的灵敏度。
同步辐射吸收谱技术的应用非常广泛，广泛应用于材料科学、生物科学、分子科学等领域，可进行材料结构、成分分析、分子活性和反应性等复杂的物理和化学研究。
例如，在材料科学中，可进行聚合物、纳米材料、金属材料、半导体材料等的结构分析；生物科学中，
可进行蛋白质结构分析、化合物的活性研究、药物的结构和活性分析等，也可进行空气、水体及土壤污染物、污染物的污染程度测定等。
由于同步辐射吸收谱技术的灵敏度、准确性、分辨率及可重复性等众多优势，它已经成为研究复杂物质结构和性质的重要手段，被广泛应用于科学研究领域。
未来，通过不断改进测量技术、完善设备，同步辐射吸收谱技术必将发挥更大作用。
同步辐射应用基础
•
1 n2
nlm (r,,) Rnl (r)Y(,) Rnl (r)( )()
主量子数
n 1,2,3,,
角量子数 l 0,1,2,3., n 1
磁量子数
m 0,1,2,,l
•能级En是简并的， 其简并度
n1 (2l 1) 1 2(n 1) 1n n2
l 0
2
定态微扰论
▪ 如果体系的哈密顿算符不显含时间
i
k•
Rn
k
r
平移晶格矢量，波函数仅增加一个位相因子
3、倒格子和波矢
1)倒格子
布拉维格子中的所有格矢都可表示为
Rn
n1 a1 n2
a(n2 1n,n3 a2,3n3为整数)
ai
为晶格原胞的基矢。
我们定义满足
ex
p
i
Gh
•
Rn
1
Gh • Rn 2m
全部 G端h 点的集合，构成该布拉维格子（正 格子）的倒格子，Gh称为倒格矢
mk
▪ 在t=0到t=t的一段时间内，由k态到m态的跃迁几 率
wmk (t)
cm(1) (t) 2
Amk 2 4 2
sin 2 (mk )t / 2 (mk ) / 2 2
▪ 当t充分大时，利用数学公式
sin 2 x
x2
( x)
( )
▪ 单位时间的跃迁几率
Wmk
dwmk dt
r
k
E
u
r
k k
边界条件为
u
k
r
Rn
u
k
r
对应于每一个k，应有无穷个分立的本征值。
此时电子状态应有两个量子数n和k表示，相应 的能量和波函数应写为
利用同步辐射X光吸收光谱技术探讨双金属触媒之原子分布与
國家同步輻射研究中心簡訊 13
科學研究
（a）
（b）
（a）
圖二 （a）JM30及（b）E-TEK30商品化觸媒經由X光吸收光譜 測得之結構示意圖。
分別列於表一中。 根據結果，由於ΣNPt-I ﹥ΣNRu-i，表示NPt-Pt + NPt-Ru > NRu-Pt + NRu-Ru，可知其原子叢集結構皆為核心 為富Pt原子（Pt richcore），而表面殼層則為富Ru原子 (Ru richshell) 之殼-核型觸媒，但E-30表面Ru之分散性 比 JM30差。從 JPt及 JRu值判斷此兩種觸媒之微結構模 型分別為圖二（a）及圖二（b）所示。 表一 雙金屬奈米粒子之結構參數表
PS: (A=Pt, B=Ru)
從兩系統之JRu值比較，JM30觸媒較E-30觸媒為高， 可預測E-30有較多之Ru原子聚集（segregation）情形 較嚴重，因而使得Pt與Ru原子彼此之相對分散性較差， 降低其Pt與Ru堆疊之均勻性。雖然E-30觸媒之粒子大 小稍小於JM30觸媒，但由CO剝除（CO stripping）實 驗得知，JM30觸媒可於較低之電位下進行CO氧化反應， 如圖三（a）所示，且由甲醇氧化性能分析結果比較 得知，JM30之活性較E-30為佳，如圖三（b）所示。 綜合以上結論，商品化觸媒 JM30展現較佳之電化學 特性，主要可歸因於其微結構上具有較高的合金程度 及較良好之原子分佈。所以雙金屬觸媒之物理化學特 性與其雙金屬奈米粒子之合金結構以及原子分佈具有 絕對之關連性。而以X光吸收光譜所建立之技術可作 為金屬觸媒結構模型之判定依據。 本文摘錄自J. Amer. Chem. Soc. 127, 11140 (2005).
同步辐射测元素价态
同步辐射测元素价态
简单来说，同步辐射吸收谱一般用于反应样品中单个元素的价态情况、单个原子的配位环境、单个吸收原子的电子结构（轨道跃迁、杂化），是一种微观的、结构性判断的测试。
测试元素一般是金属元素（硬线）或者原子序数较小的非金属元素如C、N、O（软线）。
对于金属元素来说，吸收谱全谱包含XANES（近边吸收结构）和EXAFS（扩展边吸收结构），可以很好的提供价态和配位信息，但是这里所有分析出来的结果，都需要标样数据的对比和支撑，就好比做XPS如何通过结合能位置判断价态，需要通过库或者数据手册来找到标准位置，那么吸收谱的分析没有库的来源，一系列的结果都是基于和标准样品数据的对比来得到的。
对于非金属元素来说，原子序数较小，元素激发后没有足够长的扩展边，数据点不够因此无法对EXAFS进行傅里叶转换和计算，因此这类元素的测试结果只分析XANES，并且没有标样数据，除非自己随样测标样，只能通过文献和资料中峰位归属和偏移来分析化学态的变化。
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中国农业大学 齐孟文
1.同步辐射synchrotron radiation 速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨 道运动时沿切线方向发出的电磁辐射，由于最初 是在同步加速器上观察到的，所以被称为同步辐 射。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
基本特性
高亮度 辐射功率和功率密度级高功，第三代 同步辐射光源的亮度是X光机的上亿倍。 宽波段 覆盖从远红外 、可见光、紫外直到X 射线范围内的连续光谱，根据需要可方便获得特 定的单色光。 脉冲光 具有优良的脉冲时域结构，脉冲宽度 在10-1110-8 秒之间可调，对动态研究特别有利。 高准直 辐射在以电子运动方向为中心的一个很 窄的圆锥内，张角非常小，几乎是平行光束。
( E) ( E) 0 ( E) / 0 ( E0 )
E空间 K空间 R空间
K 2m（E - E 0） / E-k换公式 这里，E0是吸收边的能量，m是电子的质量，K为波矢量 =2/。 Fourier变换公式
1 ( R ) FT( ( k)) 2
i2kR ( k ） w ( k ) e dk 0
高偏振：在电子轨道平面内是完全偏振光，轨道 上下是椭圆椭偏振光，从特殊设计的插件可以得 到任意偏振的光。 精确性 光通量、角分布和能谱等均可精确计算， 因此它可以作为辐射计量的标准光源。 其他特性：高度稳定性、高通量、微束径、准相 干等。
同步辐射技术和方法
•广谱可调 •量度极高 •相干性好 •准直性好
（） C2 D4
• μ 值在原子内壳层K,L能级 处，发生突跳，叫作吸收边。
X射线吸收的微观过程
• XAFS数据区域的特征及分析
区域划 分 边前区 能量范 特征 围（eV） -200～- 近似线性 20 -20～ 50 包含的信息 分析方法
吸收本底信号 由边前拟 合从全谱 扣除
3）Synthesis, Characterization, and Computation of Catalysts at the Center for Atomic-Level Catalyst Design，J. Phys. Chem. C 2014, 118, 20043−20069
2）X-ray Absorption near Edge Structure and Extended X-ray Absorption Fine
Structure Analysis of Fe(II) Aqueous and Acetone Solutions， J. Phys. Chem. A 2011, 115, 13420–13424
智能型催化剂，Pb掺杂的催化剂 La0.7Sr0.3CoO3，在贫/富油活塞燃烧循 环过程的种态变化，在贫油燃烧时， 不影响其催化剂原有的氧化和吸附 NO3-的特性，而在富油燃烧阶段，表 层和次表层的金属Pb被碳烃化合物还 为零价Pd0，协同催化第一阶段储存的 NOX还原为N2，最终无害化减排。
RSFs of the fresh Pd0.03 sample (solid line); the Pd0.03 sample treated upon 500 ppm NO/6.7% O2 at 3250C for 1 h (dashed line); the Pd0.03 sample treated upon 500 ppmNO/0.1% C3H6 at 325 °C for 1 h (dotted line); and standard Pd foil(dashed−dotted line).
XANES
吸收边及其附 吸收原子的化 价态比较 近比较强的振 学态及几何结 PCA，LCA 荡信 构信息，具 理论计算 “指纹特征” 等 振荡信号随能 吸收原子的近 建模并拟 量递增很快衰 邻配位结构信 合求解相 减，300eV后 息 关结构参 比较平缓 数
EXAFFS
50～ 1000
XAFS数据处理的基本流程 充分理解E空间、K空间、R空间三者之间的 联系和转换关系是掌握XAFS数据处理的关键。
•
(a) X-ray absorption coefficient (E)/ (where is the sample density) as a function of the incident X-ray energy E, in the 1–30 keV range, for a selection of elementscommonly found in coordination compounds ((E)/ can be approximately expressed as: (E)/∼ Z4/AE3, where Z the atomic number and A the atomic mass of the elementof interest). In particular, (E)/ is reported for three “light” atoms, i.e. H (Z = 1), O (Z = 8), and S (Z = 16) and three metals belonging to the 1st, 2nd and 3rd row of the transitionmetal series, i.e. Fe (Z = 26), Ru (Z = 44), and Os (Z = 76). The X-ray absorption edges encountered in the reported range are indicated for each element. Data obtained from NIST:/PhysRefData/XrayMassCoef/tab3.html. Note the logarithmic scale of the ordinate axis. (b) Schematic representation of a typical experimental setup forXAS measurements: I0, I1, and I2are ionization chambers, If indicates a fluorescence detector. (c) Molecular model of the complex [Ru(bpy)2(AP)2]2+(bpy = 2-2-bipyridyne;AP = 4-amminopyridine). Atom colour code: Ru, pink; N, blue; C, grey; H, white. (d) Ru K-edge XAS spectrum (black thick line) for the [Ru(bpy)2(AP)2]2+complex shown in part(c), in water solution (10 mM concentration), collected in transmission mode at the BM29 beamline of the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, Grenoble, France)[396]. In the figure are also reported: pre-edge (blue) and post-edge (green) lines (obtained by fitting the experimental data with two polynomial functions in suitable pre-and post-edge energy intervals) required to estimate the edge-jump (E0) for normalization of the raw spectrum; atomic-like background 0(E) (pink solid line), employedin the extraction of the EXAFS oscillations, see part (e). (e) Normalized XAS signal for [Ru(bpy)2(AP)2]2+obtained from the raw data reported in part (d). The inset shows theextracted k2-weighted k2(k) EXAFS function obtained by subtracting the absorption signal expected for an isolated atom, labelled as 0(E) in part (d), and converting the E-values in k-values using the expression k = (1/h ) [2me(E − E0)]1/2. (f) R-space EXAFS spectra obtained by calculating the FT of the k2(k) spectrum reported in the inset ofpart (e) in the 2–16˚A−1 k-range; both modulus (top part) and imaginary part (bottom part) of the FT are reported. Unpublished figure, reporting data published in Ref. [396].
2.2分析举例
1）Pd-doped perovskite: An effective catalyst for removal of NOx from lean-burn exhausts with high sulfur resistance， acs catal. 2013, 3, 1071−1075
目的：发现Fe（Ⅱ）的丙酮 液较水溶液电镀效果好，因 此研究其在两种溶液中的原 子邻域结构。 处理：