同步辐射SAXS技术的应用非常广泛，包括但不限于纳米材料、生物大分子、高分子材料和多孔材料的研究。它可以用来测定物质内部散射体的形状、尺寸和取向，以及研究物质的动态过程，如相变、结晶和溶胶–凝胶转变等。
此外，同步辐射SAXS还可以与其他技术联用，如掠入射SAXS（GISAXS）和能量色散SAXS（EDSAXS），以提供更全面的材料结构信息。本次的内容主要介绍SAXS和GISAXS的原理，同步辐射SAXS的优点和SAXS的应用实例。
X射线在穿过样品时，与样品中的电子相互作用，导致电子震荡并辐射电磁波，这一过程称为X射线散射。它包括弹性散射（散射光波长与入射光相同）和康普顿散射（散射光波长略长于入射光），以及由光电效应产生的荧光X射线散射。在这些散射中，非相干散射和荧光X射线散射不产生干涉，因此在散射图谱中通常被视为背景散射而被忽略。
图1 X 射线散射过程
X射线小角散射集中于入射光附近小角度（通常小于5°）的散射现象，与X射线衍射不同，它主要用于研究几纳米至几百纳米尺度材料的亚微观结构特征，如合金、聚合物、纤维、催化剂孔洞和生物大分子（如蛋白质、染色体）等。相较于透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等传统表征方法，X射线小角散射技术通过倒易空间的信息来揭示样品的结构信息，是一种非破坏性的表征手段，适合于原位动态实验，且对样品制备和实验环境的要求较低。
图2a，b分别为粉光(高通量)和单色光模式小角散射实验站示意图
1、小角散射样品制备过程简单、对样品要求较低，且在检测过程中不会对样品造成损害。
2、SAXS 技术可以获得大区域（几个平方毫米）的统计信息，实验数据可信度更高。
3、同步辐射SAXS 数据采集快，和相应设施配套后，可进行变温、拉伸、高分子自组装等各种原位实验，且可同时与X 射线衍射（XRD）、红外光谱仪、拉曼光谱仪等表征方法同时联用。
注意：SAXS仅提供强度信息，缺乏相位信息，因此需要通过模型拟合来推断结构参数。SAXS反映的是样品区域内的平均结构，而非单个粒子的详细结构。样品区域的表征受光斑尺寸、X射线的发散度和相干性以及线站插入件的影响。因此，SAXS技术通常需与其他常规表征方法结合使用。
在材料科学、生物、催化、自组装聚合物、石墨烯生长和食品加工等领域，高能同步辐射光源的小角散射技术能够揭示材料的微观结构，为研究和应用提供关键信息。下面是有关两个线站的信息。
在X 射线散射技术中，除了常规透射散射外，还有主要应用于薄膜材料研究的掠入射散射技术（GIXS），相应根据散射角度大小分为掠入射小角散射（GISAXS）及掠入射广角散射（GIWAXS）。GISAXS 原理与常规透射小角类似，也是与物质中的电子相互作用后发生散射。一般将X 射线以较小的角度入射到样品表面，同时搜集在入射光附近的图谱信号。
GISAXS的应用包括：
1️⃣研究表面嵌入纳米金属离子、介孔材料和嵌段共聚物薄膜等材料；
2️⃣结合原位设备，观察薄膜材料表面纳米结构的生长、催化剂纳米粒子的催化过程以及嵌段共聚物的自组装过程；
3️⃣进行薄膜生长、退火和蒸汽环境下形貌组装的原位实验观察；
4️⃣与其他表征技术联合使用，提高实验的准确性和精确性；
5️⃣利用微聚焦技术提高空间分辨率，实现对薄膜特定区域的观察。
图3 掠入射小角散射（GISAXS）原理示意图
定性分析
1️⃣散射体的分散性（单分散或多分散，Guinier图判定）；
2️⃣两相界面是否明锐（对Porod或Debye定理的负偏移）；
3️⃣每一相内电子密度的均匀性（不均匀才存在散射）；
4️⃣有长周期结构的高聚物结晶核非晶的判断、取向的判断及相变；
5️⃣极稀溶液中的粒子形状判断（距离分布函数图）；
6️⃣散射体(介孔)的分形特征（表面、质量）。
定量分析
1️⃣散射体尺寸分布、平均尺度、回转半径、相关距离、平均壁厚（由Guinier曲线计算）；
2️⃣散射体体积分数、比表面积、平均界面层厚度、分形维数（由Porod曲线计算）；
3️⃣粒子形状及Dmax（由距离分布函数得出）；
4️⃣根据几阶散射的q值比值判断相位（有序结构）。
1、晶格结构变化
在Derelli, D. [1]的研究中，通过原位SAXS实验研究CuBi2O4薄膜在光电化学（PEC）水分解过程中的光降解行为。利用高能X射线散射，实时监测CuBi2O4电极在操作过程中的晶体结构演变，揭示了光电流快速下降与金属Bi相形成之间的直接关联，并进一步展示了金属Cu的形成以及电极与电解质接触时的溶解如何影响CuBi2O4的活性和形貌。
图4 高能X射线对CuBi2O4薄膜电极进行GIXASX和SAXS散射测量
2、粒度分析
Bauer, P. S.[2]通过SAXS测量纳米粒子在极低体积分数下对X射线的散射模式来表征粒度。实验中，使用同步辐射源产生的高强度X射线直接在气体中测量粒子，通过分析散射角度θ与散射向量q的关系，转换二维散射数据为一维曲线，并利用软件进行背景扣除和曲线拟合，从而获得粒子的尺寸和结构信息。
图5 比较在 ELETTRA 上测量的纯空气和氦气的原始 SAXS 信号
3、晶格组装
SAXS还可以用来表征晶格组装，如Yu, Y. [3]通过原位空间和时间分辨的SAXS测试，实时监测纳米晶体在电场作用下向阳极富集、浓度梯度的形成以及在几分钟内引发超晶格的成核和生长。通过分析SAXS数据，发现纳米晶体的浓度和多分散性随时间和空间的变化，以及这些参数如何影响超晶格的晶格常数和有序度。此外，电场还诱导了尺寸选择效应，使得靠近基板的纳米晶体的多分散性降低了21%，从而产生了更高质量的晶体，并导致场强依赖的超晶格晶格常数。
图6 在距离阳极不同距离处获取的 57V cm−1施加场下 55 分钟的纳米晶体溶液的 SAXS 数据的 Porod 图
4、表界面动力学
Christoff-Tempesta, T. [4]利用SAXS探究表面动力学对超分子纳米结构在水溶液中自组装以及重金属修复能力的影响。SAXS技术揭示了纳米结构的形态和尺寸。SAXS结果显示，所有纳米结构都展现出了柔性棒状特征，其低q斜率介于1和2之间。通过SAXS获得的纳米结构截面的对分布函数（PDDF）进一步证实了纳米带的厚度，并表明在添加Pb2+后，纳米结构的内部组织保持不变。
图7 SAXS获得的纳米结构截面的对PDDF
[1] DERELLI D, CADDEO F, FRANK K, et al. Photodegradation of CuBi2O4 Films Evidenced by Fast Formation of Metallic Bi using Operando Surface-sensitive X-ray Scattering [J]. Angewandte Chemie International Edition, 2023, 62(43): e202307948.
[2] BAUER P S, AMENITSCH H, BAUMGARTNER B, et al. In-situ aerosol nanoparticle characterization by small angle X-ray scattering at ultra-low volume fraction [J]. Nature Communications, 2019, 10(1): 1122.
[3] YU Y, YU D, SADIGH B, ORME C A. Space- and time-resolved small angle X-ray scattering to probe assembly of silver nanocrystal superlattices [J]. Nature Communications, 2018, 9(1): 4211.
[4] CHRISTOFF-TEMPESTA T, CHO Y, KASER S J, et al. Interfacial dynamics mediate surface binding events on supramolecular nanostructures [J]. Nature Communications, 2024, 15(1): 7749.