SAXS揭秘微观世界第一讲

你知道在过去二十年里为什么小角X射线散射（SAXS）技术变得越来越受欢迎吗？最近又有哪些技术的进步让实验室SAXS日益普及，成为公认的强大且多功能的结构表征技术？

一、SAXS技术的发展及应用

因为第三代同步辐射光束的亮度及准直度的提高，以及探测系统的升级，使SAXS在过去二十年里越来越受重视。随着实验室X射线光源的升级以及计算机科学的进步，并结合混合像素探测系统和高级分析工具，SAXS能够轻松和准确地对大数据集进行数据分析，提高了计算能力。

小角X射线散射是一种比较成熟的技术，在许多科学研究领域中发挥着重要作用。材料、食品、化妆品、聚合物等研究领域也在大量使用其他表征技术，如电子显微镜、表面力测量、核磁共振、光散射等。由于SAXS使用X射线对样品进行表征，可获得额外补充信息，这对于描绘样品的全貌非常重要。其诸多优势，如对样品制备要求较低、快速且无损测量、能够提供表面和体积信息，使其成为纳米尺度下形态分析的标准表征工具。最近的研究[1]和专门ISO标准的出现[2,3]证明了该技术的准确性和可追溯性。

SAXS技术不仅产生了高质量且具有统计学意义的结果，还为研究人员提供了在原位、实时或不断变化条件下进行实验的可能性。这意味着他们能够回答许多科学问题，并通过发表同行评议期刊上的论文，与社区分享新获得的知识。

二、实验室SAXS技术的受欢迎程度

在过去的十年里，实验室SAXS的受欢迎程度呈现了爆炸式增长。从实验室小角X射线散射仪器采集的数据产生的论文数量稳步增长，并在过去10年内翻了一番。这种上升趋势也反映在这些论文所获得的引用次数上，表明实验室SAXS所获得的结果对其所属的研究领域产生了相当大的影响。这些数据不仅反映了实验室SAXS技术的受欢迎程度，也展示了它在科学研究中的重要作用。

图1: 绿色线表示每年用实验室小角X射线散射仪器采集的数据而发表的论文的月平均数量。红色线表示每年所有先前发表文章所获得的引用次数的月平均数量。数据提取自2022年7月的dimensions.ai，并累计了所有商业可用的SAXS仪器。

然而，对于科学领域来说，出版物数量的增长是可以预期的趋势，尽管增长速度有所不同，更有代表性的是实验室小角X射线散射技术在该领域内的发展。就像图2所显示的那样，在过去的十年里，使用实验室仪器进行发表的文章比例也翻了一番，如今占所有包含SAXS数据的文章的20%以上。这种趋势不仅反映了SAXS技术在科学研究中的重要性，也展示了它在该领域内的持续发展。

图2：使用实验室小角X射线散射仪器采集的数据所占的文章百分比，占包含SAXS数据的文章总数。数据提取自2022年7月的dimensions.ai，并累计了所有商业可用的SAXS仪器。

三、SAXS技术的多功能性

通过对各种材料进行SAXS研究，获取了大量信息，从而证明了该技术的多功能性。这种多功能性指能够根据样品的不同要求调整测量的角度。小角X射线散射（SAXS），可以获得广泛的长度尺度，揭示1到几百纳米之间的结构，广角X射线散射（WAXS）可以获得原子尺度的结构信息。尽管大多数实验是以透射模式进行的，但如图3所示，也可以采用掠入射（GI）模式，以获得表面和次表面的结构信息，或研究薄膜的结构。

图3: 文献中使用的测量技术分布。这些数据是从2016年至2020年期间得到的约700篇文献中提取的，这些文献的数据来自Xenocs仪器。

图4展示了最近发表的文章所测试的样品。这些样品不仅有非常不同的结构特征（从生物材料到聚合物、纳米颗粒和纤维），而且涵盖了多个应用领域（如药物配方和传输、可再生能源和储存、食品、化妆品或材料科学）。这证明了实验室SAXS在多个研究领域的发展中起着重要作用，表明了该技术的多功能性和广泛应用。

图4：矩形树图展示了使用实验室SAXS研究的各种材料。这些数据是从2016年至2020年期间得到的约700篇文献中提取的，这些文献的数据来自Xenocs仪器。

SAXS技术能够提供不同样品的各种信息，通常可以从单次测量中提取。图5展示了最近发表的论文中呈现的各种信息类型。在不同长度尺度上的详细结构分析对于理解纳米结构及其相应功能之间的相互作用非常重要，而这对于现代材料的发展至关重要。这表明了SAXS技术在纳米结构研究和材料发展中的重要作用，以及其对于我们理解材料特性和功能的重要性。

图5：词云展示了使用实验室SAXS获得的各种信息类型。这些数据是从2016年至2020年期间得到的约700篇文献中提取的，这些文献的数据来自Xenocs仪器。

在过去的几年中，实验室小角X射线散射技术的受欢迎程度稳步增加，这一趋势表明该技术在未来将继续巩固其作为纳米结构分析重要方法的地位，并涉及到无数的研究领域。鉴于其对材料表征的重要研究影响，SAXS很可能在为越来越多的系统提供结构信息方面发挥日益重要的作用。这种趋势预示着SAXS技术在科学研究和材料开发中的持续重要性，为我们理解和设计纳米结构材料提供了强大的工具。而Xenocs仪器的数据为我们提供了关键的信息，助力了SAXS技术的发展，使其在不同领域的应用更加广泛和深入。通过不断改进和创新，SAXS技术将继续为我们揭示材料世界的奥秘，推动科学的发展和技术的进步。

参考文献：

[1] Minelli, Caterina, et al. “Versailles project on advanced materials and standards (VAMAS) interlaboratory study on measuring the number concentration of colloidal gold nanoparticles.” Nanoscale 14.12 (2022): 4690-4704.

[2] International Organization for Standardization. (2020). Particle size analysis – Small angle X-ray scattering (SAXS), ISO 17867:2020  Retrieved from https://www.iso.org/standard/69213.html

[3] International Organization for Standardization. (2022). Determination of the specific surface area of porous and particulate systems by small-angle X-ray scattering (SAXS), ISO 20804:2022 Retrieved from https://www.iso.org/standard/69214.html