扩展X射线吸收精细结构

扩展Ⅹ射线吸收精细结构

扩展X射线吸收精细结构，是指元素的X射线吸收系数在吸收边高能侧30～1000电子伏之间的振荡；由吸收了X光的原子与邻近配位原子相互作用产生，并将傅立叶交换用到扩展X射线吸收技术数据处理中，吸收边高能侧的多个叠加正弦波在空间按其壳层分开，获得原子间距和配位数等结构信息。词条介绍了扩展X射线吸收精细结构的基本原理、技术原理、方法特点以及应用状况。

简介

利用x射线吸收现象来进行化学分析,这是早就为人们所熟悉和使用的方法.近十余年来,由于理论上的突破和实验技术的改进,又已证明可以根据x射线在某种元素原子的吸收限附近吸收系数的精细变化情况,来进行凝聚态物质的结构分析,即分析凝聚态物质中原子的近程排列情况.这就是扩展x射线吸收精细结构(ExAF)s.它与一般的x射线衍射结构分析不同,不是以x射线的衍射现象作为分析依据.这种方法不但可以分析晶体,也可以用来分析多原子气体、液体、非晶态材料中原子的配位排列情况,还可以测定待分析物中某种特定原子周围的原子配位情况,为研究一些无法结晶的生物大分子的结构提供了有用的信息,使物质结构分析工作达到了一个新的水平.现将ExAFS的原理、实验方法和应用作一简要介绍。

基本原理

当x射线穿过物体时,会被物体吸收而使其强度衰减,强度衰减是服从指数规律的.若设原始的人射X射线强度为I0,则通过密度均匀的厚度为`的吸收体后,透射x射线的强度I将由下式决定:

式中的那称为线吸收系数,μm称为质量吸收系数,它与密度p无关.

对单质元素而言,质量吸收系数只与原子序数和x射线的波长有关.当吸收体是由n种元素构成的化合物、混合物、溶液等时,则其质量吸收系数为

式中w1、w2、... wn分别为各组分元素的重量百分数。

技术原理

在吸收限的高能一方，吸收系数随光子能量的增加而单调下降。但是假如我们用高分辨率谱仪作细致的观察，我们将发现，除了简单的单原子体系，在吸收限的高能一方，吸系数随光子能量的增加一般呈周期性的变化，我们把吸收限附近一块放大，就得到所谓的扩展X射线吸收精细结构。

结构特点

扩展X射线吸收精细结构，英文eXtended X-ray absorption finestructure（EXAFS），其特点是：入射到样品后透射的Xα光、出射的荧光或光电子都产生扩展X射线吸收现象；扩展X射线吸收现象决定于短程有序作用，不需要长程结构，可得到吸收原子邻近配位原子的种类、距离、配位数、无序度因子；X射线吸收边具有因子特征，可以调节X射线的能量，对不同元素的原子周围环境分别进行研究；利用强X射线或荧光探测技术可以测量几个微浓度的样品；可用于测定固体、液体、气体样品，一般不需高真空，不损坏样品。采用能量色散技术，一个扩展X射线吸收谱可在几个微秒内完成，能用于跟踪物质的制备和反应过程，直接给出动力学信息。

EXAFS方法的主要特点

第一、由于EXAFS是近邻原子的作用,与研究对象的原子是否周期性排列无关,因此既可研究晶态物质,又可研究非晶态物质。液态和非单原子气体也可进行研究。

第二、各种元素的吸收边能量位置不同,可通过调节入射X射线能量研究不dIl元素原子近邻结构。即可对化合物或混合物中各种原子分别研究。同时,由于不同近邻原子散射振幅不同,原则上也可区分近邻原子的种类。用不同的EXAFS探测方法,几乎可分析周期表中各种元素。

第三、利用强X射线源和荧光EXAFS技术可以测定样品中含量很少的原子(包括杂质原子)的近邻结构在有些情况下能对百万分之一含量原子进行分析。

第四、利用偏振X射线可以对有取向样品中原子键角进行测量,可测量表面结构。

第五、样品制备比较简单,不需要单晶。在实验条件具备的情况下,采集数据时间较短,用同步辐射X射线源,通常一条谱线只需几分钟时间。

应用状况

光电子探测器和掠入射技术的成功应用，使扩展X射线吸收技术可对表面和吸附物种的局域结构进行研究。可用于凝聚态物质结构研究，即使在其他常规结构分析手段不能提供有意义的结构信息的情况下，仍能给出像催化剂非晶材料、液态物质等大无序体系的结构参数及金属酶的结构。在地质（特别是各种熔体）、材料、物理、化学、生物等领域有重要应用。

近年来EXAFS作为研究原子近邻结构的一种有效手段,已被应用于很多领域,取得了有意义的结果,尤其是与其他方法相互配合补充,可以解决过去难以解决的一些结构问题。但其本身也有一些局限性,还须在理论上和技术上加以发展。在以下的应用举例中,其优点和局限性都可反应出来。山于应用领域较广,这里只介绍主要应用方面的某些结果。

无序体系

EXAFS可以对不同种类的原一子的近邻结构进行分析,研究多组元体系就比常用的径向分布函数法更直接、有效。但EXAFS丢掉了低K(<3一4A-1)的信息,它仅对较近配位层敏感。而径向分布函数法则对较远的配位原子敏感。

液体或溶液的EXAFS研究与非晶态固体类似。EXAFS可分别研究不同原子,同时溶液浓度可以很稀。

生物分子

在生物分子结构的研究中,一个重要的方面是要了解金属蛋白的功能。·这种金属蛋白包含少量的金属原子,而它们起着重要的作用,,测定其附近的结构及生代反应过程中的变化是很有意义的。通常的X射线衍射方法可以确定这些分子的结构,而ExAFs用于研究生物体系的主要优越性在于:不需要单晶,样品可处溶液状态,可只测最金属原子周围情况,较为精确,可研究反应前后的细致变化;可用荧光法对于很少含量原子的近邻。

已经用EXAFS研究过相当多的生化大分子体系。主要有两种类型的工作。一是已用X射线衍射测定了结构,而用EXAFS方法较精确地测定键长和局部结构。二是结构未知,用EXAFS测定键长、配位数等近邻结构参数。

超离子导体

超离子导体中迁移离子在晶格中位置用普通的衍射方法是难以确定的。Boyce等人研究了Agl及卤化铜的低温相和超离子相,测量Ag及Cu的K吸收EXAFS谱，以确定它们的位置。

杂质原子

用一般方法很难获得含量低于1%的杂质原子的结构信息。EAS则可分析含量很低的原子的近邻结构。

Al一Cu固溶体中Cu原子在一定热处理后脱溶形成G区。过去没有办法直接研究GP区中的局部结构。近年来用EAS研究的结果表明,对于Al中含有0.5一2at%Cu的样品,Cu在(100)面上脱溶,与近邻Al原子面间距为1.68A,比Al原子面之间的间距2.0225A小。

非晶态中杂质原子位置的研究用其他方法更为困难。尽管EXAFS方法研究高度无序体系也有不少限制,但还是一种最有效的方法。非晶态合金Si一H中少量As的近邻、As、Se中少量Cu原子杂质的近邻结构的研究。

催化剂

催化剂在工业上有重要意义,弄清催化过程中伯结构变化是很有价值的。Lytel等研究了氧化铝,氧化硅为骨架的金属催化剂,包括Ir、Os、Pt等元素,它们在催化剂中含量很少,却起着关键作用。这些金属原子以原子团的形式弥散分布。用EXAFS方法将这些原子团与纯金属的情况相比,发现最近邻原子间距减小约0.02A。配位数由12减到8一10;。:因子则大.14到2倍。、这些说明金属原子的高度弥散分布,并有相当多原子处于表面上。用EXAFS方法研究催化反应过程也取得一些有意义的结果。

吸附及表面

对于在石墨衬垫上吸附的Br:的研究表明冷`,B云呈分子状态存在,其近邻结构与温度和覆盖程度有关。用偏振面垂直和平行于石墨表面的X射线分别进行测量,得到在0.2、0.6、0.8覆盖度时,Br一Br平躺在石墨表面上,相距0.31A,比气态Br2间距2.28A大0.03A。Br一C平均间距为2.9A。Br一Br间距的拉长是因为C组成的六角位置相距2.46A的作用的结果。

高压EXAFS

用和高压下的X射线衍射类似的装置,可以研究物质在高压下的EXAFS。R.Ingalls等发展了这种高压EXAFS实验技术,测量了卤化碱.FeS、CoBr,Smse及液态固态Ga等在不同压力下的EXAFS谱,研究它们的结构交化,得到一些初步的结果。

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