说明：本文华算科技系统介绍了同步辐射SAXS、WAXS、GISAXS和GIWAXS四种X射线散射技术的原理、优势与应用场景，涵盖从纳米到原子尺度的结构分析，为多领域材料研究提供全面技术支撑。
基本原理
同步辐射小角X射线散射（SAXS）是一种利用同步辐射光源进行的纳米结构分析技术。
它使用波长为0.1-0.15 nm的高通量、低发散单色硬X射线，照射样品后收集0.05°-5°范围内的极小角散射信号，可获取1-100 nm粒径的结构信息，分辨率最高约10 Å，由于衍射进入倒易空间，角度越小，可探测的样品尺寸越大。若采用超小角（USAXS）模式，探测上限可延伸至微米级。
当X射线穿过样品时，纳米尺度的电子密度差异（如颗粒、孔洞、聚合物链或生物大分子复合体）会引起相干散射，形成二维散射图样。经径向平均后，可得到散射强度I(q)随散射矢量q变化的曲线。
利用Guinier近似分析低q区域，可计算回转半径Rg；利用Porod定律考察高q区域，可评估界面锐利度和比表面积；通过对分布函数P(r)的傅里叶变换，可在实空间获得颗粒的最大尺寸Dmax及整体形状信息。
SAXS不要求样品具有长程有序或晶体结构，适用于溶液、胶体、液晶、粉末等多种状态，尤其利于在液态和近生理条件下研究生物体系。
同步辐射的高亮度显著提高了信噪比和时间分辨能力，使静态测量可在秒内完成，快速混合、停流或温度跳跃等实验可追踪毫秒级结构变化。下图展示了SAXS数据采集的示意图。
优势
1. 普适性强：无需样品结晶，适用于固体（粉末、薄膜）、液体、胶体等多种物态，可表征无序纳米颗粒、生物大分子、介孔材料等广泛体系。
2. 非破坏性：无需切割、研磨等预处理，可保持样品原有状态，特别适合生物样品和易损纳米材料。
3. 动态追踪：同步辐射光源亮度高，可实现毫秒级时间分辨，适合实时监测纳米颗粒生长、蛋白折叠、聚合物聚集等动态过程。
同步辐射SAXS已广泛用于金属/半导体纳米颗粒的尺寸–形貌分布与分散稳定性分析，介孔材料孔径及有序度表征，高分子溶液链构象、相分离与薄膜堆叠结构研究，以及蛋白质、RNA、病毒等生物大分子复合物的回转半径、分子量、寡聚态和动态组装过程监测，同时适用于药物递送纳米载体在生理条件下的结构演变与降解行为原位观测。
基本原理
GISAXS属于SAXS技术体系的次级技术，其本质是SAXS的几何变体，核心特征为将SAXS传统的透射几何改为反射几何，同时整合漫散射X射线反射的技术特点，是用于无损表征材料表层及近表面纳米结构的分析工具。
该技术的散射角检测通常关注 2θ ≤ 5° 的小角区域，且采用掠入射几何；其与GIWAXS的区别在于后者聚焦广角散射区域，与掠入射 X 射线衍射（GIXD）的区别在于后者用于解析原子尺度的晶格信息。
GISAXS实验中，X射线束以极小入射角（αᵢ）入射，该角度通常小于1°，且小于样品的临界全反射角。依据X射线全反射原理，此入射方式可严格限制X射线在样品中的穿透深度，仅使X射线在样品表层及近表面区域发生穿透与散射。
通过调整入射角，可实现穿透深度的精准调控：当入射角接近临界全反射角时，穿透深度为几纳米，仅覆盖样品最表层；
当入射角略高于临界全反射角时，穿透深度可增至约100 nm（具体数值随材料密度和X射线能量变化），覆盖样品近表面区域，从而满足不同深度纳米结构的分析需求。
GISAXS的散射机制与SAXS一致，均基于纳米结构与周围介质的电子密度差异。样品表层或近表面的纳米级不均匀区域，包括但不限于纳米颗粒、孔洞、“埋藏” 界面附近的纳米聚集区等，会导致入射X射线发生相干散射；
同时，因掠入射几何特性，实验过程中还会产生反射信号，该信号可用于辅助分析样品界面结构。
散射信号通过二维X射线敏感探测器采集，根据表层纳米结构的形状、尺寸及空间排列方式，探测器记录的散射强度会呈现垂直方向（出平面，qz）或横向（平面内，qy）的分布特征，通过对该分布特征的分析可反推纳米结构的具体参数。
信号分析过程采用SAXS的核心理论模型，包括Guinier近似、Porod定律等，同时结合反射信号与散射强度的方位角分布，可确定纳米结构在样品表层的排列取向。
优势
1. 表层/近表面特异性：掠入射角小于临界角时，X 射线穿透深度仅几纳米，略高于临界角亦不超过约一百纳米，天然屏蔽衬底与体相信号，对超薄薄膜、表面改性层或界面纳米结构具有单层次灵敏度，可弥补透射SAXS在膜厚时体相干扰严重的不足。
2. 统计代表性与高通量：毫米级光束照射区域内同时采样，获得百万量级纳米颗粒的平均信息，避免AFM/TEM局域成像的“以点代面”偏差；同步辐射高亮度可将单帧采集时间压缩至秒甚至毫秒，方便批量样品筛选及动态过程追踪。
3. 无损兼容与原位拓展：无需切割、镀膜或导电处理，保持表面原始状态；对软物质薄膜、表面吸附生物分子、功能器件活性层等易损体系同样适用。实验腔室可集成温度、湿度、光照、气体氛围等外场，实现原位实时监测。
GISAXS聚焦表层1-100 nm结构，在掠射角下限定探测深度，可快速给出纳米颗粒尺寸分布、介孔薄膜孔序、聚合物相分离周期及生物分子吸附形貌；
同步辐射高通量支持毫米区域平均，适用于光伏活性层缺陷、芯片涂层均匀性、催化剂活性组分烧结和量子点排列有序度等无损表征，为涂层防护、器件效率与工艺稳定性提供关键表面数据。
基本原理
该技术除探测器与样品之间的距离更短外，与SAXS类似。WAXS常用于研究具有纳米级孔膜的聚合物结构。大多数研究中，SAXS与WAXS会同时应用，从而获取关于结构、相组成及其他特性的更详尽信息。
WAXS以波矢转移Q作为结构标尺，通常覆盖0.5 Å⁻¹≤Q≤20 Å⁻¹，对应实空间距离d≈0.3-12 Å，正好匹配原子间距、键长及晶面间距，是解析原子级排布的核心窗口。当高亮度同步辐射X射线穿透样品时，电子密度起伏使X射线发生弹性散射；
若原子排列具有长程周期性，散射波相位相干叠加，在特定角度形成尖锐的Bragg峰，峰位2θ由布拉格方程λ=2d sinθ决定，可精修出晶格常数、对称性、微应变和结晶度。
对非晶或纳米晶材料，长程有序消失，散射仅在短程内保持相干，得到宽化的晕峰，通过拟合可提取最近邻距离、配位数及无序度。
为充分挖掘WAXS信息，常用两条数学路径：其一，全散射（total scattering）或ER-PDF方法，把0.5 Å⁻¹以上的高Q信号与SAXS低Q数据拼接，经校正、归一化后做傅里叶变换，得到原子对分布函数G(r)，无需长周期即可定量描述短程有序、缺陷及纳米晶界面；
其二，对高结晶样品直接进行Rietveld精修，利用峰位、积分强度与半高宽，同时优化晶胞参数、相含量、晶粒尺寸和微观应力，检测限可低至0.1 wt %。凭借高角度分辨率、统计性好、原位兼容性强的优势，WAXS已成为追踪相变、量化晶格畸变、解析低结晶度活性中心不可替代的手段。
优势
1. 原子级分辨率：Q覆盖 0.5-20 Å⁻¹，对应实空间 0.3-12 Å，可直接精修晶格常数、键长、微应变；SAXS仅对1–100 nm尺度敏感，TEM虽可至原子级，但视野≤微米且制样引入应力，WAXS则给出毫米级光斑内的统计平均，避免以点代面。
2. 低结晶度材料友好：借助全散射–对分布函数（PDF）分析，可把宽化“晕峰”转化为 G(r)，定量提取短程配位数、无序度及纳米晶比例，而传统 XRD需≥3 nm相干长度才出现可辨Bragg峰。
3. 原位/操作态兼容：同步辐射毫秒级采集+气体/液体/电池/拉伸/加热/高压样品环境，可追踪催化反应、相变、锂化/去锂化过程中的晶格实时演化；静态表征只能提供反应前/后快照。
4. 时间分辨与剂量优势：高亮度第三代/第四代光源配合高速面探测器，单帧可短至100 µs，辐射剂量比TEM低2-3个量级，适合电子束敏感材料（MOF、COF、有机光伏）。
5. 统计代表性与定量性：一次测量涵盖10⁹–10¹²个颗粒，粒度分布、结晶度、相含量可精修至0.1 wt %，远优于局部成像的TEM统计误差。
6. 多模联用无盲区：同束线并排SAXS/WAXS实现 -0.005-20 Å⁻¹ 全Q覆盖，再耦合Raman/UV-vis/XAFS/质谱，可同时关联原子结构–纳米形貌–电子结构–反应产物，避免单一技术信息孤岛。
WAXS探测0.5–20 Å⁻¹倒易空间，对应0.3–1.2 nm原子间距，用于量化晶格常数、相含量、微应变与结晶度。同步辐射高通量结合拉伸、加热、电池、高压等环境，可原位追踪合金凝固、陶瓷烧结、聚合物取向、锂化相变及催化反应中的晶格演化；
全散射-PDF解析低结晶度材料短程有序，为金属、分子筛、有机光伏、药物晶体提供统计平均的结构–性能关系数据。
基本原理
掠入射广角X射线散射（GIWAXS）把同步辐射X射线以αi≈0.1–1°的掠射角引入薄膜表面，利用界面全反射增强的瞬逝波激发样品，使表层产生足够强的广角散射。
散射波矢q=kf-ki被二维面探测器记录，其分量qx、qy、qz分别对应面内、面内正交及面外倒易空间方向。由于埃瓦尔德球弯曲，倒易点阵与球面相交形成曲面投影，需对原始图像进行几何、偏振、洛伦兹–埃瓦尔德球校正，才能把像素坐标转换为q空间。
校正后的GIWAXS图可同时给出晶格参数、相组成、晶粒尺寸与微观应变；通过方位角χ强度分布可判断薄膜织构（随机取向呈完整Debye-Scherrer环，高度取向呈弧段）。然而掠入射几何导致qr≈0的倒易空间信息缺失，形成“盲区楔形”，需多角度入射或互补反射率测量补全。
凭借表面敏感、原子级分辨率、原位兼容及与SAXS无缝衔接的优势，GIWAXS已成为解析有机半导体、钙钛矿、嵌段共聚物等薄层材料分子堆积、相变和取向动力学的标准工具。
优势
1. 高表面–体相灵敏度：0.1-1°微调入射角，穿透深度5-200 nm可调，无损获取表面→体相梯度结构，区分层数、堆叠顺序与应力畸变。
2. 高结构分辨率：Q覆盖0.5-20 Å⁻¹，同步解析相组成、晶格常数、晶粒尺寸、微应变；方位角χ定量织构，评估取向一致性与结晶质量。
3. 高时间分辨率：毫秒级采集+同步辐射，原位追踪退火、溶剂挥发、光照、电场等外场下的成核、相变与降解路径。
4. 原位兼容：可与气体、液体、加热、电池及器件封装环境集成，避免离位氧化/弛豫假象，实现“制备–服役”全过程监测。
GIWAXS以掠入射激发薄膜，广角记录原子级散射，适用于有机半导体、钙钛矿、嵌段共聚物等薄层材料。
可同步解析晶格参数、相组成、晶粒尺寸、微观应变及分子取向，并原位追踪退火、光照、电场、溶剂挥发过程中的成核、相变与降解。毫秒级采集与多环境样品池兼容，为光伏、芯片涂层、量子点器件提供表面晶体结构无损评价，指导工艺优化与性能提升。
同步辐射SAXS、WAXS、GISAXS、GIWAXS四者均基于X射线与物质相互作用产生弹性散射/衍射，同用“高亮度、高准直、连续可调”的同步辐射光源，可在同一实验站实现原位、时间分辨、多尺度联测。
它们的核心差异体现在“散射角范围—实空间尺度—探测深度—样品几何”四个维度，由此决定了各自的研究对象与信息类型。
一、共性
光源与平台：全部依托同步辐射高亮度、窄脉冲、能量可调的优势，可在1 s内完成单帧采集，实现溶液剪切、热退火、电化学充放电等原位过程研究 。
物理本质：均为弹性散射，满足同一散射矢量q=4πsinθ/λ；通过记录二维散射图案，反演倒空间电子密度分布，再经傅里叶变换得到实空间结构信息 。
实验联用：常联合使用解析材料“宏观–介观–微观” 全尺度结构，如SAXS/GISAXS分析纳米粒子尺寸，WAXS/GIWAXS解析原子排列，共同揭示材料结构–性能关系。
二、区别
入射方式
SAXS/WAXS采用直射透射，信号主要来自毫米级体相；
GISAXS/GIWAXS采用0.1-0.5°掠入射，探测深度可调至3-100 nm，聚焦表层/薄膜。
探测尺度
SAXS/GISAXS：q≤1 Å⁻¹，灵敏尺度1-100 nm（介观/纳米结构）；
WAXS/GIWAXS：q≥1 Å⁻¹，灵敏尺度0.1-1 nm（原子/晶格结构）。
功能差异
SAXS看体相纳米形貌，GISAXS看表层纳米形貌；
WAXS看体相晶格，GIWAXS看表层晶格。
同步辐射SAXS、WAXS、GISAXS、GIWAXS在材料结构分析中分工明确又相互补充。
四者覆盖广泛，SAXS适用于生物大分子、纳米颗粒等体相纳米结构研究，WAXS用于量化体相材料晶格参数与结晶度，GISAXS针对薄膜表层纳米缺陷等分析，GIWAXS则助力有机半导体等薄层材料的晶体取向与相变监测。
实际研究中，常通过多技术联用，结合同步辐射的高亮度与原位优势，实现从宏观到微观的全尺度结构解析，为材料性能优化与功能设计提供全面数据支撑。
