工作原理
X 射线小角散射(small-angle x-ray scattering,简称:SAXS)是在靠近原光束附近很小角度内电子对X 射线的漫散射现象,也就是在倒易点阵原点附近处电子对X 射线相干散射现象。在20 世纪 30 年代,Mark、Hendricks和Warren 观察纤维素和胶体粉末时发现了SAXS 现象并提出了 SAXS 的原理。此后,Kratky、Guinier、Hosemann、Debye和Porod 等相继建立和发展了 SAXS 理论并确立了SAXS 的应用。SAXS是研究纳米尺度微结构的重要手段。根据SAXS理论,只要体系内存在电子密度不均匀(微结构,或散射体),就会在入射X光束附近的小角度范围内产生相干散射,通过对小角X射线散射图或散射曲线的计算和分析即可推导出微结构的形状、 大小、分布及含量等信息。这些微结构可以是孔洞、粒子、缺陷、材料中的晶粒、非晶粒子结构等,适用的样品可以是气体、液体、 固体。同时,由于X射线具有穿透性,SAXS信号是样品表面和内部众多散射体的统计结果。相对于其它纳米尺度分析表征手段,如SEM、TEM、AFM而言,SAXS具有结果有统计性、测试快速、无损分析、制样简单、适用范围广等优点。他可以弥补XRD(尺寸不同,XRD重点在1nm以下,而SAXS重点在1-100nm),电镜(非统计信息,无法测试固体内部结构),动态光散射或小角激光散射(限于液体低浓度,必须透明),孔隙度仪(无法测试内孔)等手段的不足,共同组成材料纳米级结构的完善评价。
由于光路调整困难和解谱困难,SAXS在2010年之前并不普及。但随着材料学进入纳米量级,这一先进手段正在为越来越多的国内外权威机构采用。如:美国NIST,德国BASF,中国的北京大学化学院,航天703所,吉林大学无机与合成国家重点实验室,南京大学/苏州大学分析测试中心等。仪器制造厂家在光路等硬件和数据处理方面的进步,也为普及这一技术提供了物质基础。
应用
2010年以后,SAXS进入了快速发展阶段。发展的主要领域为电镜,XRD和激光方法无法或很难得到应用的领域(电镜需要冷冻切片且只能30nm以上,XRD需要结晶且只能1nm以下,激光方法代表性差,分辨率差,且无法测形貌,对核壳结构无法测量。而SAXS无需样品准备,可以原状态快速测量。不仅可以测量大小,还可测量核壳结构。因为液体样品信号弱,需要更好的信噪比。):
胶体化学:表面活性剂大小和分布,自组装胶束大小与形貌,溶液稳定性。
含能材料:内部结构,孔洞(可以测试闭孔)
粉体颗粒:大小和分布,内部结构、形貌。可在悬浮液中测试,也可以固态测试。
生物大分子:蛋白质,自组装
纤维材料:内部缺陷,长程有序结构
高分子材料:相变/微相分离,嵌段聚合物,共混聚合物,表面处理
光电材料:液晶,薄膜
还可以适合于:食品,生物,制药,金属材料等行业的应用。
以上应用不仅进行静态测试,还可以进行动态(随温度、湿度、浓度、时间等的变化)和原位测试(实时检测化学反应过程)。
系统构成
主要配置包含高亮度微焦斑光源,无散射狭缝系统,最新2维CMOS探测器(像素尺寸仅有75um)可以获得极佳信噪比,还配备有多种原位反应样品台,可以实现不同温度/不同时间/不同拉力等原位条件测试环境。
工作说明:
小角X射线散射仪可以原位测试各类样品(固体,液体,粉末等),将样品放置于样品台上,设置试验温度,X射线光源穿透样品产生散射信号,该散射信号由探测器收集,通过软件将二维散射信号转化为一维积分曲线,通过分析结果,可以获得试验样品的内部结构,纳米微结构信息。
高分子中主要应用:
l 溶液中高分子的形态和尺寸
l 胶体粒度分布,形状等
l 高分子中长周期结构,片晶堆积结构大小,结晶层,非晶层厚度
l 高分子材料内部孔洞缺陷(形状、尺寸及其分布)
l 多相聚合物微相相分离研究
l 原位反应,样品可在不同温度/拉力/湿度等条件下研究其内部结构演变