摘要：透射模式：样品及其前后的电离室I0，I构成了XAFS透射实验设置。电离室输出弱电流信号I0，I正比于样品前后的光强。控制单色器在特定的能量范围进行能量扫描并逐点采集及I0，I。

说明：本次整理了同步辐射XAFS常见问题，概述了XAFS领域中常见名词的定义，想要了解更多同步辐射知识，请关注华算科技！

一、常见问题

1. 硬线XAFS测试，荧光模式和透射模式怎么选？

透射模式：样品及其前后的电离室I0，I构成了XAFS透射实验设置。电离室输出弱电流信号I0，I正比于样品前后的光强。控制单色器在特定的能量范围进行能量扫描并逐点采集及I0，I。

荧光模式：前电离室I0及与入射光束成90度设置的荧光探测器If构成了荧光XAFS实验设置。荧光探测器接收样品产生的荧光，荧光强度正比于X射线吸收几率。与透射实验一样，控制单色器在特定的能量范围进行能量扫描，并逐点采集I0及If，同样得到的关系曲线。

通常情况下，当样品中待测金属元素的含量超过1%，而其他成分主要是质量较轻、相对吸收较小的元素，例如在碳质材料、氧化硅、氧化铝等基质上负载的单原子、氧化物或硫化物时，采用透射模式能够获得质量合格的光谱图。然而，也存在特殊情况需要采用荧光模式：

1) 样品组成较为单一，但待测金属含量不足1%，尤其是对于原子量较大的贵金属元素而言，含量越低，在制备样品（如压片）时所需的样品量就越大。然而，一旦样品量过多，样品就会变得过厚，从而导致后电离室接收到的信号减弱，使得所得到的光谱图质量变差。

2) 即便样品组成简单且待测金属含量高于1%，但是样品的量低，建议采用荧光模式。

3) 对于成分复杂的样品，除了待测金属外，还包含其他金属元素，甚至这些金属的含量可能远高于待测金属。以在氧化铝上负载的单原子金为例，这类样品在压片制样时，若样品量过少，则金的信号会过于微弱；而样品量过多时，氧化铝中杂质金属的吸收又会过度屏蔽信号，使得信号调节变得十分困难，因此只能选择荧光模式来获取数据。

4) 对于那些成分极其复杂且含量很低的多组分样品，如金属掺杂的层状双氢氧化物（LDH）、土壤样品、沉积物样品以及含量很低的双金属单原子催化剂等，荧光模式通常是最佳选择。

5) 对于块体或薄膜材料，由于其本身厚度较大，会导致后电离室接收到的信号过弱，因此通常需要采用荧光模式进行检测。不过，对于泡沫镍这类材料，由于其具有多孔结构，光线能够穿透，因此在泡沫铝上负载的材料含量较高（例如超过10%），并且其余组成元素是质量较轻的元素（如碳、氧、氮）时，可以尝试使用透射模式。但若泡沫铝上负载的是单原子材料，情况则与第三种情况类似，建议采用荧光模式进行检测。

2. 测试结果曲线毛刺、跳边不明显、信噪比差可能是什么原因？如何解决？

在同步辐射实验中，若所得光谱曲线呈现出异常的尖峰、不明显的跃迁边缘以及较低的信噪比，可能由以下几个因素引起：

1) 元素浓度不足或成分干扰：大量实例表明，当样品中特定元素的浓度偏低，或存在其他成分的相互干扰时，往往会引发上述问题。针对此类情况，可通过在数据后处理阶段实施平滑算法，或借助专业同步辐射分析软件（例如Athena）中的Deglitch工具来剔除异常尖峰，从而优化数据质量。

2) 样品微观结构的复杂性：样品内部结构的复杂程度也可能成为影响因素之一。当样品结构较为复杂时，其光谱曲线可能会出现不规则的尖峰和较低的信噪比。此时，需要对样品进行更为深入和细致的分析，以准确解读实验数据。

3) 实验条件或设备性能问题：同步辐射实验设备的精确度不足，或实验装置的准直性不佳，也可能导致信噪比降低。例如，若实验腔体的准直精度不够，可能会引起信号的波动，进而影响最终的测试结果。

4) 信号固有干扰：在一些情况下，尖峰的出现可能是由于信号本身存在的固有干扰所导致。比如，电路的电磁干扰或连接线路之间的距离过近，都可能引入额外的尖峰信号。

5) 重复测量及数据处理不当：在进行多次重复测量时，如果信号的稳定性欠佳，或在数据采集环节存在噪声干扰，同样可能导致光谱曲线出现尖峰和信噪比下降的问题。对此，可以通过增加测量次数并计算平均值的方式来降低噪声的影响，提高数据的可靠性。

可以在做图时平滑处理（一般不建议）或者在Athena中点击Deglitch去除噪音点。最好是根据中心限定定理所言，数据受到统计噪声的主导时，这些噪声会围绕其均值形成正态分布。简而言之，多测几次，求平均值。如下图，单个扫描与45次合并扫描的k2χ(k)和∣χ(R)∣数据比较。

3. 边前峰代表什么？什么情况下会出现边前峰？

边前峰能够揭示材料的微观电子排布与化学特性。一般可以用来判断材料的组成、构型。边前峰的形成可能涉及以下几个关键因素：

1) 电子能级跃迁：一般而言，当X射线的能量不足以激发核心能级的电子时，电子不会跃迁至高能级的空轨道或外部真空态。但在特殊情形下，仍可能发生一些低能量的跃迁，并在吸收光谱的 μ(E)-E 图上表现为边前峰。具体来说，包括：s-d 轨道间的跃迁，在部分过渡金属化合物中，未饱和的d轨道电子跃迁可引发边前峰，此类跃迁在3d金属中较为常见，并且与金属的氧化状态密切相关；p-d 轨道跃迁，即价层中的p电子跃迁至未占据的d轨道也可能导致边前峰的出现，这在含有较重元素的化合物中较为普遍。

2) 局部电子结构与化学环境：边前峰还与材料的局部电子构型和所处的化学环境相关，涉及化学键的杂化类型以及晶体场的作用。例如，sp杂化等化学键杂化方式为低能量下的电子跃迁提供了可能，在吸收光谱中产生边前峰；晶体场效应则指在晶体结构中，由于邻近原子的影响，中心原子的核心能级发生分裂，使得原本被禁阻的跃迁变为可能，进而形成边前峰。

3) 多重散射现象：在特定条件下，X射线与样品内电子的多次散射过程对边前峰的产生也有显著影响。多次散射会改变电子的传播路径和能量分布，从而在吸收光谱中引入额外的特征峰，这些峰即为边前峰。

例如，在具有高对称性的八面体配位环境中，边前峰通常较弱，相反，在对称性较低的四面体配位环境中，边前峰的强度较强。

4. 怎样判断是否需要测foil标样数据？

在同步辐射XAFS实验中，foil数据是不可或缺且必须提供的。foil的功能与X射线光电子能谱（XPS）中的碳（C）校正相似。由于测试时间的不同，可能会受到光源强度和仪器状态变化的影响，导致吸收能量值出现偏差。为了确保准确性，每次实验都需要测量标准foil的吸收边值，以此来校正样品的能量。这意味着，每次实验收集的数据只有在经过相应批次foil的能量校正之后，才能被视为准确无误。对于氧化物类的标准样品，这一原则同样适用。从理论上讲，不同批次的氧化物标准样品数据，在经过各自批次foil的能量校正之后，应当呈现出一致性。然而，由于仪器的稳定性、人为操作误差以及某些元素导数最大值（用于校正的参考值）的不确定性，经过能量校正后的标准样品数据只能大致用于对比分析。

如果研究的目的是得出待测元素价态大致范围的结论，例如确认价态在2到3之间，那么使用经过能量校正后的标准样品数据是完全可行的。但对于一些特殊材料，如具有氧空位的Fe2O3、负载单原子或纳米颗粒的MoS2等，其待测元素如铁（Fe）或钼（Mo）的价态变化非常细微。在这种情况下，可能需要在同一实验批次中测量标准样品，以便更精确地对比微小的价态或配位键长的变化。直接使用标准样品进行对比可能会因误差而产生误导。

5. 一般测试吸收谱，金属负载量的检测下限大概是多少？

通常来说，对于负载量的检测并没有一个明确下限。为了确保样品测试的效果，我们建议待测元素的含量大于1 wt%。如果待测元素的含量低于1 wt%，通过选择适当的测试模式仍然可以进行测试，但当含量低于0.5 wt%时，我们认为测试会有比较大的风险。具体样品具体分析，对于以碳材料为载体，负载单一金属单原子的样品，含量在0.2 wt%到0.5 wt%之间，也可以被检测出来，可能信号不够强。而对于金属氧化物载体的样品，当含量低于0.5 wt%时，检测难度会更大，是否能够成功检测出来并不确定。总之，测试结果的不确定性与样品的含量密切相关，含量越低，不确定性越大。

6. 样品易氧化，不能接触空气怎么测试？

对于有严格要求不能接触空气的样品，制样可以在真空手套箱（惰性气体）中进行，避免样品与空气接触；测试时将密封好的样品放置在真空腔中进行测试，确保样品不会受到空气的影响。

二、名词解释

1. 价态分析：对特定物质的各种化合价态分别进行测定的分析，其中价态是指各种元素的一个原子或原子团、基（根）与其他原子相互化合的数目。

2. 组分分析：LCF是一种半定量分析方法，用于识别和量化一个复杂系统、样本或信号中的各个组成部分。组分分析通常是通过技术手段对混合物进行分析，以确定其组成成分和各组分的浓度。关于LCF分析方法推荐看相关内容

3. E-k 转换：在同步辐射光源XAFS中，电子的能量（E）与其波矢（k）之间的关系转换，目的是为了变换到等k 间隔，以进行后续的傅里叶变换。其对应关系如下图，其中me为电子质量，ħ 为普朗克常量除以2π。

4. 壳层拟合：根据输入初始结构模型计算理论谱，利用“Monte Carlo Method”（统计学方法）对模型的结构参数进行校正，以“最小二乘法”作为评判标准，当理论谱与实验谱符合的足够好的时候，就可以认为获得了与真实情况同样的结构。其中，壳是指层原子内所有具有同一主量子数（或具有同一主量子数及同一轨道角动量量子数）的电子态的集合体。

5. 傅里叶变换：将加权后的k空间数据c（k）转换得到径向分布函数，即R空间曲线，不同的峰代表了不同位置的配位原子。通过R空间图，可以很直观的判断出配位原子信息，比如峰的位置给出配位原子的键长信息，峰的强度则展示的是配位原子的个数以及无序度等。

6. 分子取向：分子取向力发生在极性分子与极性分子之间。由于极性分子的电性分布不均匀，一端带正电，一端带负电，形成偶极。因此，当两个极性分子相互接近时，由于它们偶极的同极相斥，异极相吸，两个分子必将发生相对转动。这种偶极子的互相转动，就使偶极子的相反的极相对，叫做“取向”。

7. 晶体取向：晶体取向一般指的是共价晶体的方向性。即在某一特定方向上形成共价键。根据共价键的量子理论，共价键的强弱取决于电子云的交叠程度。由于非满壳层电子分布的非对称性，因而总是在电子云密度最大的方向成键。

8. 分子堆积：分子堆积是指单个分子通过分子间非共价键相互作用构筑分子聚集态结构的过程。这种过程主要通过π-π堆积、氢键、卤素键等分子间相互作用作为主要的组装驱动力，形成H-聚集、J-聚集、交叉偶极堆积(X-聚集)等不同的堆积模式‌。

9. 归一化：将测试的同一系列的数据在一个标准下，以消除不同X射线强度、样品浓度和采集方式对样品数据的影响，归一化就是人为的规定XAFS谱的吸收边强度为“1”。

来源：华算科技