说明：本文华算科技介绍了同步辐射技术中XAS与SAXS的原理、差异、互补性及实验应用，含多尺度结构解析案例与原位监测进展。读者可系统学习二者物理机制、数据处理及联用逻辑，了解多领域应用价值。同步辐射源为现代材料科学提供了高通量、高分辨率的光子源，其在软硬物质结构表征中的两种重要技术——X射线吸收谱（X-ray Absorption Spectroscopy, XAS）与小角X射线散射（Small Angle X-ray Scattering, SAXS）——各自具有独特的探测能力与物理基础。
尽管两者均利用同步辐射X射线与物质相互作用以获取微观结构信息，但其所基于的物理机制、可解析尺度范围、信息维度及实验适用性存在本质差异。
在系统性材料研究中，深入理解XAS与SAXS的原理异同及其互补性，对于合理设计实验方案与数据解释具有重要意义。
图1：用于放射性样品的SAXS–XAS同步测量配置。DOI：10.1107/S1600577521012005
XAS是一种依赖于X射线与原子内壳层电子相互作用的光谱技术，主要包含XANES（X-ray Absorption Near Edge Structure）与EXAFS（Extended X-ray Absorption Fine Structure）两个子区段。
其基本原理是，入射X射线能量接近某一特定元素的内壳层电子结合能时，会诱导电子跃迁，从而导致吸收系数的明显变化。
XANES区段通常包含化学价态、配位对称性及局域电子结构等信息，而EXAFS区段则提供吸收原子周围2–6 Å范围内近邻原子的种类、数量与径向距离等精细结构信息。
由于其高度元素选择性，XAS成为研究复杂体系中特定元素局域结构演变的强有力工具，在催化剂、功能材料、地球化学样品以及生物金属酶等领域均展现出独特优势。
图2：X射线吸收过程与吸收边的物理过程示意。DOI：10.1038/s43586-024-00366-8
SAXS是一种基于弹性散射机制的无损探测技术，主要探测样品中电子密度的微弱非均匀性所导致的散射强度随散射角度的分布，适用于研究纳米到亚微米尺度（约1–100 nm）结构特征。
其散射强度通常以一维q空间中的I(q)函数表示，其中q为散射矢量，与入射波长与散射角有关。通过建模或反演方法，可以获得粒径分布、粒子形状、聚集态结构、孔隙率及分形维度等参数。
SAXS尤其适用于非晶态、胶体、聚合物、自组装体系以及生物大分子的形貌分析，因其不依赖于长程有序结构，具有非破坏、原位实时、统计平均等优势，成为软物质领域结构表征的重要手段。
图3：q轴标定与I(q)绝对强度定标流程
XAS与SAXS在空间尺度与结构敏感性方面具有显著互补性。XAS能够提供亚埃尺度（~0.01–0.1 nm）局域结构信息，而SAXS则擅长解析1–100 nm尺度的中观结构。因此，在多尺度结构调控材料体系中，两者常被联合使用以实现结构全景解析。
例如，在纳米催化剂中，XAS可揭示活性中心原子的配位结构演变，SAXS则反映颗粒尺寸、团聚行为及载体作用等多尺度结构演化，从而建立微结构与性能之间的构效关系。
进一步，XAS具备元素选择性而SAXS为整体结构平均测量，两者在信息维度上亦可形成互补，提高结构解析的完整性。
图4：多技术联用以桥接从分子到宏观的多尺度机制图10.1038/s41467-021-24557-z
从实验技术角度来看，XAS与SAXS皆需高亮度同步辐射源以获得良好的信噪比，但其实验设置与数据处理流程存在显著差异。
XAS需配置单色器以精确调控入射光能量，并配置荧光、透射或电子产额等不同探测模式以适应样品类型，特别是在高压、低温或原位反应条件下，需要高度定制化的反应池与环境控制系统。
而SAXS则依赖于稳定的准直系统与二维探测器，以捕捉散射信号在低角区的分布，实验期间对光束稳定性与背景控制要求较高，尤其在样品散射强度较弱或含有高背景基体时，信号提取需依赖复杂的校正与建模算法。
图5：XAFS测量与探测模式示意
理论上，XAS属于单光子过程，其谱线形状由费米黄金法则决定，涉及最终态电子结构与局域对称性的微妙耦合。因此，在数据解释过程中，需结合多体理论、电子态密度计算（如DFT）与反射模型模拟（如FEFF）以辅助解析。
而SAXS作为多体弹性散射过程，其解析过程依赖于粒子形状模型、分布函数与结构因子建模，常需借助间接反演算法（如GNOM、IFT）或贝叶斯统计方法重建结构参数空间。
因此，两者在理论建模复杂性、参数拟合策略与物理解释上呈现不同侧重，亦提示研究者在使用时应考虑合理的建模假设与边界条件。
图6：EXAFS数据归一化与傅里叶变换提取流程
值得强调的是，XAS与SAXS不仅在单点测量中展现其强大功能，其在原位/实时监测技术发展中亦成为前沿工具。
通过高通量原位XAS可实现材料反应过程中配位结构、电子态及价态的瞬时追踪，而时间分辨SAXS（TR-SAXS）可在毫秒甚至微秒尺度捕捉结构转变与聚集态重构过程。
两者结合，已在燃料电池催化剂活性过程、电池充放电行为、聚合物诱导相变、生物酶构象变化等复杂体系中发挥协同作用，实现从原子局域到纳米结构的全景动态结构解析。
图7：Operando XAS × SAXS联用。DOI：10.1021/acscatal.8b01321
综上所述，XAS与SAXS分别基于吸收与散射机制，代表了同步辐射技术在结构表征领域的两种核心范式。
XAS着眼于元素选择性的局域配位结构与电子态信息，而SAXS聚焦于纳米尺度结构的不均匀性与整体形貌。在多尺度、复杂、动态系统中，两者协同应用可大幅提升结构表征的深度与维度，有效支撑材料设计、功能调控与性能机制研究。
未来，随着新一代同步辐射光源（如第四代低发射环）与AI辅助结构反演算法的不断发展，XAS与SAXS的联合应用将更加高效与精准，助力揭示物质结构的复杂性与动态本质，推动材料科学与生命科学等交叉领域的持续创新。
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