说明：这篇文章由华算科技撰写，介绍了微生物与矿物界面过程的原位观测方法与装置体系。通过阅读，读者可以深入了解红外显微、SAXS/USAXS及XAS/XRD联采技术在解析微生物–矿物–溶液体系中结构、价态与传质耦合的应用，掌握同步辐射在环境界面科学研究中的多模态表征优势。
一、问题缘起与研究意义
土壤–矿物界面是陆地生态系统最活跃的碳与元素循环枢纽，微生物与矿物、有机质三者的耦合关系直接影响有机碳的固定与重金属的迁移转化。基于同步辐射的红外显微光谱成像研究已显示，在不同改良剂（含微生物型与矿物型）处理下，可分辨氧化铁（Fe–O）、多肽（微生物衍生化合物）与木质素（植物衍生化合物）的空间分布与相关性；矿物与微生物改性剂会改变铁氧化物与多肽的结合，从而影响镉在土壤组分间的迁移路径，提示微生物–矿物耦合过程对环境行为具有决定性作用。与此同时，矿物界面碳固定机理的阐释被视为“双碳”目标中的关键科学问题，红外显微成像在其中发挥了重要作用。
二、为何强调“原位观测”与为何选择同步辐射
“原位/原位时间分辨”能在真实或近真实环境中记录结构与化学态的演化轨迹，避免取样与后处理引入的结构扰动。同步辐射具有高亮度、高准直性与宽光谱覆盖，可从红外到硬X射线跨谱段选取最合适的探测窗口：红外用于分子振动与官能团识别，可见/软X用于价态与轻元素行为，硬X用于晶体结构与局域配位，形成从分子到晶体的“多尺度–多模态”表征框架。
三、红外显微光谱：识别“有机–无机–微生物”的化学指纹
同步辐射红外显微成像凭借高亮度红外光束与显微聚焦，能够在微米量级空间分辨下获取像素级光谱。实证研究表明，可在土壤切片中同时定位Fe–O（约690 cm-1）、多肽（约1653 cm-1）与木质素（约1244 cm-1），并据此评估不同处理条件下这些成分的相关性与耦合变化；矿物/微生物改性剂降低了铁氧化物与大团聚体中多肽的结合，进而改变镉在微环境中的归趋，这为解析微生物–矿物相互作用对污染物迁移的调控提供了“原位证据”。
四、溶液小角散射（BioSAXS）：跟踪生物高分子构象与相互作用
生物小角X射线散射（BioSAXS）可在接近生理条件下，对1–100 nm尺度的溶液体系进行快速、非破坏性表征，时间分辨可达毫秒量级，适合研究生物大分子的构象、装配与相互作用等动力学过程。配合停流混合与微流控装置，时间分辨率可推进至毫秒甚至微秒量级，为原位捕捉反应进程中的结构瞬态提供手段。
五、SAXS/USAXS解析孔隙与界面：为“栖居空间”与扩散提供结构约束
微生物附着、胞外聚合物渗入与溶质扩散高度依赖矿物孔隙的尺度与连通性。小角/超小角X射线散射（SAXS/USAXS）可无损量化1–100 nm乃至更高尺度的孔径分布、比表面积与分形特征，并且能够测量开孔与封闭孔；在同步辐射上还能进行原位动态监测，为分析加工/反应过程中的孔隙演化与扩散通道变化提供时间轴。这类跨尺度、统计性强的数据为刻画“微生物–矿物–溶液”体系中的传质–吸附–转化过程提供了必要的结构边界条件。
六、XAS+XRD+SAXS三位一体：同步追踪配位环境、物相与纳米结构
针对复杂反应体系，SAXS/XRD/XAFS联采装置可在同一空间–时间窗口内同时获取纳米级散射、晶体学衍射与局域配位信息，避免“异源数据”的不一致。原位实验显示，在等温等压条件下，三技术联用能够连续跟踪从前驱体中间相到最终晶体的形成，同时解析SAXS曲线中的干涉峰来源并结合XRD/XAFS确认相变与近邻结构的演化。这种“多信号协同”范式同样契合微生物–矿物界面体系的原位研究需求，可在环境扰动下同步记录结构–物相–配位的耦合响应。
七、X射线显微成像与谱学成像：形貌–元素–价态的可视化关联
X射线显微成像（XRM）包含吸收/相位衬度成像、断层显微（X-ray Tomography）、显微X射线荧光（μ-XRF）与相干衍射成像等。其优势在于较大的穿透深度与与谱学成像的天然兼容：在吸收边附近开展谱学成像，可同时获得形貌与价态/配位等化学信息；全场模式在同步光源下单帧曝光可至几十毫秒，有利于开展原位时间分辨可视化。这为观察微生物附着、生物膜形成与矿物表面价态/配位的时空协同演化提供了成像平台。
八、实验设计与数据质量控制：从样品到算法
SAXS对样品均一性要求较高，空间分辨率典型为1–2 nm，需与晶体学、光谱学等技术互补以增强结构解释的唯一性；在生物溶液散射中，自动化数据处理与在线联用（如SEC-SAXS）已成为提升数据可靠性与通量的关键手段。面向高通量与时间分辨需求，BL19U2线站开发了自动数据处理与多原位装置联用，提升了数据采集与建模效率，且配备高性能探测器，适合时间分辨SAXS等前沿应用。
九、展望：走向“多模态—多尺度—多时域”的耦合表征
未来的发展趋势包括：在散射与成像数据处理中进一步引入机器学习与人工智能，以应对复杂多模态数据的整合与反演；在装置层面，持续推进跨模态联用与更快时间分辨，构建覆盖纳米至微米、微秒至小时的多尺度–多时域原位表征体系，以更全面地解析微生物–矿物界面过程中的结构–功能–环境三者耦合关系。
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