SAXS揭秘微观世界第五讲

SAXS实验样品制备的六个常见问题

小角X射线散射（SAXS）技术是一种强大的工具，用于揭示纳米尺度材料的结构。在材料科学、生物结构研究以及可再生能源和储存等领域，SAXS已成为不可或缺的分析手段。其受欢迎的原因之一是无需复杂的样品制备，且具有非破坏性，快速且经济高效。尽管样品制备相对简单，但在进行SAXS实验前，精心准备和关注细节至关重要，以确保获得准确而高质量的数据和结果。

本文将讨论在准备SAXS实验时容易遇到的六个常见问题。通过了解这些挑战并学会避免，可以节省时间和资源，确保实验结果准确可靠。无论您是SAXS技术的专家还是初学者，本文都将为您提供实用的建议，帮助您更好地进行实验。

SAXS样品制备的优势

在进行科学研究时，样品制备是至关重要的一环，SAXS也不例外。与其他实验室表征方法相比，SAXS的样品制备有着几个显著的优势：

· 样品需求量小：SAXS需要的样品量非常少，通常只需几十微升（根据实验条件，甚至可以更少至几微升）。这意味着我们可以分析那些难以获得大量样品或成本较高的样品，从而在研究中节省时间和资源。

· 样品制备的多样性：SAXS技术可根据样品性质在溶液中或固态样品中进行研究。此外，样品可以在各种条件下进行测量，如不同温度、应变或湿度，实现实时原位分析。另外，还可以利用反应池和流动样品池来监测化学反应的过程。

· 样品制备简单：SAXS样品制备非常简单，无需复杂的步骤。只需将样品放入仪器中即可进行分析，几乎不需要进行任何额外的处理。这种简便性使得实验过程更加迅速高效，同时也更加节省成本。

· 适用性广泛：SAXS是一种多功能技术，适用于研究各种样品类型，如聚合物、纳米颗粒、生物分子、以及原位细胞等。

虽然SAXS样品制备和数据收集相对简单，但数据分析可能会有一定复杂性，因此确保数据准确性至关重要。在进行SAXS实验前，了解样品在不同条件下的特性和行为是至关重要的。在开始之前，我们可以思考以下问题：

1. 我的样品会随着时间的推移保持稳定吗？

有些因素可能会导致样品不稳定，进而影响其结构和SAXS散射图谱。这些因素包括：

· 聚集或沉淀：它们可能发生在各种类型的样品中，如蛋白质或纳米颗粒，它们的大小发生变化，可能随后出现沉淀或结块。当发生聚集时，溶液会变得浑浊。形成较大颗粒会导致X射线散射角度不同，从而影响结果的准确性，使得样品尺寸值增加，孔隙度值减少。为了避免样品聚集，重要的是确保样品充分分散在溶剂中，并且不要让浓度过高。

· 沉降：在样品发生沉降后，会在样品中形成浓度梯度，从而影响SAXS数据。此外，沉降会使样品沿垂直轴更加有序或排列，进而影响散射图案的方向性和对称性。为了避免沉降问题，可以使用浓度较低的样品，并确保粒子和表面活性剂之间的比例适当。另一种防止沉降的方法是使用旋转毛细管和流动样品池。图1展示了当悬浮介质选择不当时发生沉降的示例。

图1 不同悬浮介质中的1微米二氧化硅颗粒：(1) 100%水，(2) 50%水50%异丙醇（IPA），(3) 100%异丙醇。

· 相分离：稳定性差的乳液往往会因样品成分浓度过高、溶剂选择不当或样品不均匀而发生相分离。新型高性能的X射线光源，可以在短时间内进行SAXS测量。然而，为了确保结果可靠，一个经验法则是在一个装满样品的毛细管中观察一小时内不应出现样品状态（颜色/密度）的变化。

2. 我的样品吸收太强了吗？

高度吸收X射线的样品会导致信号损失和灵敏度降低。然而，可以通过使用能量更高的X射线来避免这种情况，因为相比于能量较低的X射线，它们更不容易被吸收（它们较短的波长和更高的频率使它们能够更深入材料而不被吸收），或者使用更薄的样品。对于吸收性分散体，稀释样品并使用更薄的毛细管也可能会有所帮助。

图2（a）展示了样品厚度对散射X射线强度的影响。选择合适的厚度很重要，可以让我们得到更好的散射信号。在实验前，我们可以根据样品的特性估算出合适的厚度。另外，从图2（b）可以看出，X射线的透射随着样品厚度的增加呈指数下降，而散射信号则与厚度呈线性增加。这个发现对于优化实验设计和获得准确结果非常关键。

图2（a）显示了使用8 keV辐射进行测量时，不同厚度金属氧化物粉末的SAXS/WAXS数据集。红色曲线代表61％透过率和2.1微米的表观厚度，黑色曲线代表1.3％透过率和20微米的表观厚度，数据曲线为了更清晰而进行了移动。表观厚度是根据测得的透过率使用XSACT或CXRO [1]确定的。在图2（b）中，水的散射强度随着样品厚度的变化而变化（用红色绘制），同时显示了在8 keV的透射（用黑色绘制）和散射（用绿色绘制）曲线。透射曲线突出了指数衰减关系exp（-µt），其中t是样品的厚度，µ是线性衰减系数。最大的散射强度出现在厚度等于1/µ时。

通常建议透过率不要低于10％，最好在36％左右，这样可以确保测量质量。透过率太低会增加信号被干扰的可能性，而透过率太高则会导致信号减弱。

对于吸收性很强的样品，可能更容易发生多次散射[2]。因此，建议减小样品厚度，以保持在最佳透射值范围内，从而简化散射过程的分析。

3. 为什么我的样品没有发生散射？

有时候可能会出现您的样品没有产生SAXS散射图谱的情况。然而，这并不一定意味着缺乏结构信息。有各种因素可能导致在SAXS实验中没有观察到散射现象：

散射对比度不足：在SAXS实验中，我们需要样品中不同组分或结构之间的散射对比度足够高，这有点像在拍照时需要有明显的对比度才能看清楚细节。如果样品中的材料具有相似的电子密度或成分，就会导致散射信号很弱或难以检测，就像是在模糊的背景中很难看到清晰的物体一样。因此，为了确保有效的SAXS实验，我们希望样品和其基质之间的散射长度密度差异要大于0.01%，这样才能更好地观察和分析样品的结构信息。

为了在SAXS实验中增加散射对比度，提高某些特征或组分的可见性，可以利用乙醇（EtOH）等对比增强技术。乙醇具有较高的原子序数，因此是强烈的X射线散射体。通过向样品中添加乙醇，可以显著增强乙醇原子的散射信号，使其在SAXS图案中与周围材料形成更明显的对比，从而更好地观察样品的结构特征。

这种技术在研究具有低固有散射对比度的样品时尤其有用，比如生物大分子或软物质系统。

图3展示了在SAXS实验中选择不同的悬浮介质对数据采集的影响。以100纳米直径的聚苯乙烯乳胶硬球为例，使用水、乙醇和水乙醇1:1混合物作为溶剂时采集的模拟SAXS数据。结果显示，纯水作为悬浮介质可以提取颗粒直径等形态参数，但使用纯乙醇甚至混合溶剂提供更好的对比度。这不仅提高了数据质量，也使得分析结果更加可靠。

图3展示了在Xeuss 3.0仪器上以1.8米探测器距离采集的模拟SAXS数据。在这次模拟中，水信号没有从数据中减去，水的强度水平用红色标记。这项模拟是通过XSACT软件进行的。

图4展示了在Xeuss系统上从聚苯乙烯球溶液（直径为100纳米，浓度为1毫克/毫升）中获得的实验SAXS数据（红色曲线），以及仅从水溶液中获得的数据（黑色曲线）。通过减去水溶液的信号得到的蓝色曲线，可以提取出聚苯乙烯球的散射信号，用于进一步的大小和形状分析。

进行SAXS测量时，另一个关键步骤是记录缓冲液在没有样品的情况下的散射情况。通过将缓冲液的散射信号与混合了缓冲液的样品的散射信号相减，可以有效地分离出样品本身的散射信号，进而精确研究胶体的形态参数。图4展示了缓冲液减法对数据分析和解释的影响示例。

样品浓度：极度稀释的样品可能由于散射中心密度低而没有显著的散射信号。相反，高浓度的样品可能会出现颗粒相互作用，导致聚集。在颗粒相互作用存在的情况下，散射强度将由结构因子（描述相互作用）和形状因子（描述颗粒本身）组成。为了最好地研究形状因子，目标是在不涉及颗粒相互作用的情况下最大化样品浓度。相反，可以通过将从给定样品稀释悬浮液中得到的形状因子与浓缩悬浮液中测量的结构因子相除来提取结构因子，前提是采用绝对强度进行测量（例如参见[3]的方程22）。

4. 我的样品表面平整吗？有没有不规则的地方？

如果您对使用掠入射小角和广角X射线散射（GISAXS或GIWAXS）来研究薄膜和表面的结构特性感兴趣，那么样品的平整度就显得至关重要。一个平整的样品可以确保整个表面都有一致的掠入射角度，从而实现精准的Q值计算。这不仅最大程度地减少了镜面反射造成的干扰（即入射X射线的直接反射与散射信号的干扰），还能避免背景噪音和遮挡所需的散射特征。此外，保持样品的平整度有助于减少多次散射，让X射线光束更顺畅地通过样品，呈现出更清晰的散射图案。

为了减少表面不平整对实验结果的影响，科研人员通常会使用硅晶片作为样品支撑。硅晶片具有原子级的平整度，可以有效减少散射数据中的杂散信号，提高实验结果的准确性和可解释性。

5. 我的样品是否是不均匀的？

在复合材料中，样品的不均匀性特别是在SAXS实验中可能会产生显著影响。在复合材料中，例如强化橡胶或聚合物中，不同成分的存在会导致复杂的散射图案，需要将不同成分的散射信号叠加在一起进行解释和分析。这可能会使SAXS数据的解释和分析变得更具挑战性。

另一种不均匀性是多分散性：样品中存在不同大小的晶粒或颗粒，会导致峰值变宽或振荡模糊。这种现象源于样品中散射长度尺度的变化，导致散射角度的分布。由此产生的宽峰和不够清晰的峰值，使得提取准确的结构信息变得困难。

第三，样品厚度的变化以及粉末颗粒的填充密度和分布也可能对散射图案产生显著影响。在测量区域内样品厚度的变化可能导致X射线的吸收和散射不均匀，从而导致散射图案中的强度变化和失真。

确保样品中各组分的均匀分布可以帮助减少散射行为的差异，提高数据质量。因此，对于不均匀样品来说，适当的样品制备变得至关重要，以确保测量结果具有代表性。X射线映射和成像技术在这方面发挥着关键作用。X射线映射通过扫描聚焦的X射线光束并收集发射的X射线，展示了从SAXS中提取的各种性质的分布和变化，如结晶度、厚度、层间距、层状取向度和层片的主要取向。同时，X射线成像也可以揭示样品内部的不均匀性、相分离或浓度梯度。将SAXS和X射线成像技术结合起来，可以深入了解宏观结构不均匀性与不均匀样品的纳米或原子结构之间的关系，为材料研究提供更全面的视角。

6. 我选对了系统的样品架吗？

在做SAXS实验时，要注意样品本身和样品支架材料都会发生散射，可能会影响实验结果。为了减少这种影响，我们需要选用合适的样品支架材料，优化设计，并使用正确的背景扣除方法。比如，如果在两张0.1毫米厚的Kapton薄膜之间放置0.1毫米厚的塑料样品，可能会有一些困难，因为Kapton本身也是一种塑料，所以，通常会选择比样品厚度更薄的Kapton薄膜，以确保准确测量样品的散射信息。这些小技巧可以帮助我们更好地进行SAXS实验，得到更准确的数据。

7. 我的样品会受到辐射损伤吗？（附加问题）

在实验室里用X射线源时，通常不太会让样品受到严重辐射损伤，所以不用太担心。不过，不同样品受到辐射损伤的程度可能会不同，这取决于它们的特性和成分。为了减少辐射损伤的影响，研究人员可以控制实验持续时间。

在这篇文章里，我们讨论了在做SAXS实验时研究人员需要注意的六个常见问题。了解这些挑战并采取正确的方法来解决，可以帮助优化实验设置，节省时间和资源，同时获得可靠和准确的结果。

[1] The Center for X-Ray Optics within Lawrence Berkeley National Laboratory, X-Ray Interactions with Matter: https://henke.lbl.gov/optical_constants/filter2.html.

[2] E. F. Semeraro, J. Möller, and T. Narayanan, Multiple-Scattering Effects in SAXS and XPCS Measurements in the Ultra-Small-Angle Region, J Appl Cryst 51, 706 (2018). DOI: 10.1107/S160057671800417X.

[3] in “Soft Matter Characterization, R. Borsali & R. Pecora, Springer 2008. ISBN 978-1-4020-4464-9 – DOI: 10.1007/978-1-4020-4465-6”. Chapter: Synchrotron Small Angle Scattering, pp 899 – 952 by T. Narayanan.