创谱小知识丨X射线吸收精细结构（XAFS）技术简介

2026-05-21 11:52:14 安徽创谱科技股份有限公司

X射线吸收精细结构

（XAFS）技术简介

X射线吸收精细结构（X-Ray Absorption Fine Structure, XAFS）主要通过分析吸收边附近和吸收边之后的吸收系数随能量的变化得到电子和原子结构的信息，是分析材料局部结构最强有力的工具之一。

X射线可被所有物质吸收。当X射线穿过样品时，由于样品对X射线的吸收，光的强度会发生衰减，这种衰减与样品的组成及结构密切相关。当X射线光子能量等于被照射样品某内层电子的电离能时，会发生特征吸收，吸收系数发生突变，这些特征吸收的结构称为吸收边。原子中不同主量子数的电子的吸收边相距颇远，按主量子数命名为K、L、M吸收边等。通过XAFS谱仪对吸收边附近的吸收谱进行高分辨率采集和分析，可获得特定元素的状态和结构信息。

XAFS信号反应待测原子近邻结构，主要包括两个部分：Ｘ射线吸收近边结构（XANES）和扩展Ｘ射线吸收精细结构（EXAFS）。

1、XANES为吸收边前10eV到边后50eV的能量范围，主要用来探测吸收原子的价态，化学成键和立体配位情况。

2、EXAFS为吸收边后50-1000eV能量范围内的振荡结构，主要用来探测周围原子种类，配位数，键长和无序度。

技术特点

1、XAFS现象来源于吸收原子周围最邻近的几个配位壳层原子的贡献，主要取决于短程结构，不依赖于晶体的长程有序结构。因此XAFS可用于非晶态材料的研究，如催化剂上活性中心、表面层结构、生物酶中金属蛋白和无定形材料的研究，以及液体、气体材料的研究等。

2、不同的元素对X 射线的吸收具有不同的特征。通过调节X射线光子能量到某一类特定原子的吸收边处，可实现对元素的选择性测量，只测量感兴趣原子的局域环境，而不受其它元素原子的干扰。

3、原子配位环境的测量：由散射振幅对于配位原子的依赖性，可以探测配位原子的种类；由散射振幅的大小可知配位原子的个数；由Debye －Waller 因子可知原子围绕其平衡位置的变化，对原子间距的测定可精确到0.01埃。

主要测量方法

1、透射法：直接通过对入射X 射线和透过样品后剩余X 射线强度进行测量，计算出样品对入射X射线的吸收。通常用于待测元素质量百分比含量大于5%的样品。

2、荧光法：X射线聚焦到样品上激发荧光，能谱探测器获得荧光光谱，计算XAFS光谱。适合低浓度样品。

技术发展

上世纪20年代，Fricke和Hertz发现了精细结构现象，Ray和Kievet获得了完整的XAFS。1920年，Kossel以1s→4p和1s→5p跃迁的理论解释XAFS的近边结构，但是对于EXAFS部分却未得到解释。

20世纪30年代，量子力学的蓬勃发展为XAFS物理机制带来了新的认识。1931年，Kronig提出长程有序理论（LRO），即固体中原子分布周期性来解释EXAFS。但是由于LRO无法解释分子等不具有周期性的样品的XAFS，因此他又提出了短程有序理论（SRO）。在后续的理论发展中，Peterson、Kostarev、Shmidt等人又对SRO理论进行了进一步的整理，引入因子修正相移、原子间距、热无序等对EXAFS的影响。

从第一条XAFS谱的测试到20世纪60年代，经过近40年的发展，EXAFS的物理机制依然不明朗，直到20世纪70年代，Sayers、Stern和Lytle推导出了基于单重散射的XAFS理论公式，并且首次用同步辐射光源采集XAFS谱实验得到了验证，使XAFS方法发展成为一种实用的物质结构的分析方法。

2010后随着XAFS技术的广泛应用，以及X射线光源、弯晶体以及探测器技术的发展，开发紧凑、高效桌面式XAFS分析系统成为可能。桌面式XAFS 无需使用同步辐射光源，在常规的实验室环境中即可实现X射线吸收精细结构的测量和分析。桌面式XAFS分析系统以其高灵敏度和光源质量，可获得媲美同步辐射水平的X射线吸收谱图，实现对元素的定性和定量分析、价态分析、配位结构解析等。

桌面式XAFS设备

系统采用罗兰圆结构和大尺寸弯晶元件，利用常规X光源实现X射线吸收结构的光谱测量，可获得与同步辐射相近质量的XAFS谱图。用于催化、能源电池和材料等研究领域，实现对元素的价态、配位和结构的分析。