在探索物质微观世界的科学工具箱中，光谱学技术占据着核心地位。它像一双“火眼金睛”，通过分析光与物质的相互作用，帮助科学家洞悉原子的排列方式、电子的运动轨迹以及材料的功能特性。

它能够精准地揭示材料内部的原子与电子结构信息。

软X射线吸收谱s-XAS顾名思义，它使用能量较低的“软”X射线作为探针，凭借其独特的优势，在材料科学、化学、物理和生命科学等前沿领域中发挥着不可或缺的作用。

01、核心原理：窥探电子世界的量子之舞

当一束能量连续可调的X射线照射到样品上时，样品中的原子会选择性地吸收特定能量的光子，导致X射线强度发生衰减。记录这种吸收强度随X射线能量变化的曲线，就得到了X射线吸收谱。

量子跃迁：吸收过程的物理本质

当入射X射线光子的能量恰好等于或略高于某个芯能级电子的束缚能时，吸收谱示意图

由于入射X射线能量的增加，越来越多的芯能级电子能够被激发，导致样品对X射线的吸收系数（μ(E)）在某个能量点急剧增加，形成一个陡峭的台阶，这个结构被称为“吸收边”（Absorption Edge）。

吸收边的能量位置是元素的“指纹”，可以精确地识别样品中含有哪些元素。例如，碳、氮、氧等元素的K吸收边（1s电子跃迁）和3d过渡金属元素的L吸收边（2p电子跃迁）都落在软X射线能量范围内。

软X射线：独特的“表面”探针

X射线吸收谱根据所用X射线的能量范围，可以分为硬X射线吸收谱（Hard XAS）和软X射线吸收谱（Soft XAS）。通常，能量在2000电子伏特（eV）以下的X射线被称为软X射线。与能量更高的硬X射线相比，软X射线具有波长较长、穿透能力较弱的特点。

正是这种较浅的穿透深度，使得软X射线吸收谱成为一种对样品表面和近邻表面区域极其敏感的探测技术。

相比之下，硬X射线穿透力强，通常用于探测材料的体相（bulk）平均信息。

谱图结构

X射线吸收近边结构（NEXAFS）指吸收边附近约50 eV能量范围内的谱图区域。当被激发的电子跃迁到未占据的价态轨道时，其跃迁概率受到这些轨道的对称性、能量和占据情况的严格限制。

XANES价态（氧化态）、自旋态、配位环境的对称性（如四面体、八面体）以及成键性质DOI: 10.1002/adma.202413062

02、实验装置与技术实现

同步辐射SSRF-BL02B02光进光出实验站

同步辐射光源：强大的X射线“工厂”

同步辐射光源是一种能产生高强度、高亮度、能量连续可调的X射线的“巨型显微镜”。电子在接近光速的状态下于存储环中运动，当其路径被磁场偏转时，会沿着轨道切线方向辐射出电磁波，即同步辐射光。

一个典型的软X射线吸收谱实验站（也称光束线）是一套复杂而精密的光学和真空系统。

在光束线上，X射线首先需要通过（Monochromator），这是一个如同“滤光片”的核心装置，随后，X射线束经由一系列特殊镀层的进行聚焦和导向，最终照射到样品上。

‍测量样品对X射线的吸收，主要有以下几种模式：

直接测量穿透样品前后的X射线强度比值。这种方法最为直接，但要求样品非常薄且均匀，这对于穿透能力很弱的软X射线来说，样品制备极具挑战性。

模式（Total Electron Yield,）‍：通过测量从样品表面逸出的电子流强度，可以间接反映X射线的吸收情况。荧光产额FY芯能级的空穴被外层电子填充时，也会释放出特征荧光X射线。通过探测这种荧光的强度，同样可以得到吸收谱。荧光光子的穿透能力比电子强，因此FY模式可以探测比TEY更深的区域。

03、主要应用领域：从能源到生命

纳米材料与薄膜：生命与环境科学：此外，由于其对碳、氮、氧等生命必需元素的敏感性，它在研究有机分子、生物大分子以及相关的软X射线成像技术（如“水窗”成像）中也展现出巨大潜力。

04、挑战与未来展望

辐射损伤信噪比总而言之，软X射线吸收谱是一项能够提供元素、化学态和局域结构特异性信息的尖端谱学技术。它通过解读一束软X射线与物质相互作用后留下的“吸收密码”，为我们打开了一扇通往原子和电子微观世界的大门。