软射线光栅仪

软 X 射线是波长介于 0.1nm 到 10nm 之间的 X 射线，由于在这个能量波段的光子能够特异性地激发元素周期表上大多数元素的原子共振能级，并发射出特征荧光或俄歇电子，因此，软 X 射线吸收谱能够适用的材料研究非常广泛。利用软 X 射线吸收谱进行材料结构及其变化过程研究的一个非常重要的因素就是它可以在不破坏研究材料结构的前提条件下同时获得材料近表面和亚表面的结构信息，另一方面，由于软 X 射线吸收谱对原子的轨道电子结构具有高度的敏感性，可以同时实现研究材料中元素价态、轨道电子自旋态以及轨道杂化等信息的探测。基于这些特点和优势，软 X 射线吸收谱在材料科学、生物科学、能源科学及环境科学等多学科及交叉学科领域复杂体系材料结构表征中发挥了非常重要的作用，为重大科学问题的研究提供了重要的实验数据支持。传统光谱表征技术（像 UV-Vsi、FT-IR 等）受激发波长的限制，其对材料结构的表征往往止步于分子层面。软 X 射线吸收谱能够以亚原子的分辨能力，通过选择性地激发原子芯能级轨道电子，实现对同一元素在不同环境条件下的键荷分析。这里以辐照前后的 PET 聚合物的结构表征为例，通过特征元素吸收边附近的能量激发，可以获得材料在二维图像上的元素分布信息和特征元素原子与周围原子的轨道杂化信息，继而解决了传统光谱表征技术对材料结构分析的局限。在能源催化领域，软 X 射线吸收谱能够定性和定量地解析催化剂材料中的活性官能团，为催化剂材料的构效关系建立提供必要的数据支撑。在这篇文章的工作中，伦敦大学 Parkin 教授的研究团队利用 SiO2 作为模板制备了氧官能团修饰的多孔碳催化剂，通过 C 和 O 的 K 边吸收谱，精确地揭示了催化剂材料中氧官能团的轨道电子结构在不同退火温度条件下的可控变化，并结合电化学分析，为醌基官能团在双电子氧还原制备 H2O2 中的优越性提供了重要的实验证据。在能源电池领域，软 X 射线吸收谱对解析正极材料中阴离子的电荷补偿行为同样表现出了独特的优势。传统的观点认为，锂电池材料中锂的脱嵌过程只涉及金属离子得失电子，因而金属离子中可转移的电子总数决定了正极材料的理论电容。但在这篇文章的工作中，东京大学 Mizokawa 教授小组通过 O 的 K 边和 Co 的 L 边吸收谱同时研究了 LixCoO2 正极材料在不同脱锂状态下的轨道电子结构变化。结果发现，不仅 Co 离子在这个过程中发生了氧化还原反应，O 阴离子同样也参与了这个反应过程。更有意思的是在 0° 和 60° 的不同入射角度条件下的 O 的 K 边吸收谱表征结果表明，材料在脱锂状态下的 Co-3d 和 O-2p 轨道杂化表现出明显的各向异性，从微观层面上揭示了 LixCoO2 正极材料在充放电过程中具有良好导电性的根本原因。在生物科学领域，利用软 X 射线吸收谱研究土壤和岩石矿物中金属和有机质的组成结构演化，有利于打破传统土壤腐殖质学对土壤有机质过程和功能认识的局限，让我们能够从生命活动的本质及其代谢产物与矿物的相互作用重新审视土壤和岩石矿物与生命耦合的协同关系。此外，基于水窗波段的软 X 射线对水分子的高透性，软 X 射线吸收谱能够实现生物膜上不同磷脂分子层的结构表征，对针对性地设计和研发生物体的靶向纳米药物具有重要的指导意义。在生命医疗领域，从亚细胞水平研究人体骨组织的结构和病理机制，有利于骨关节炎的前期诊断和治疗。在这篇文章的工作中，圣彼得堡国立大学的 Sakhonenkov 教授团队通过 Ca 的 L 边和 O 的 K 边吸收谱研究了正常骨组织与受损骨组织中羟基磷灰石的结构差异。发现骨质的硬化过程伴随着新的氧价态的生成和 Ca-O、磷酸键的增加，这不仅让我们对骨关节炎发生过程中骨组织的微观结构变化有了新的认识，同时也为骨关节炎的前期诊断和治疗提供了新的思路。总的来说，软 X 射线吸收谱在多学科领域复杂体系的材料结构表征中扮演了非常重要的角色，且随着 X 射线显微技术的发展，STXM-NEXAFS 技术联用为材料结构的多尺度高分辨表征提供了可能。但相比于硬 X 射线吸收谱而言，由于软 X 射线本身在材料中的强吸收效应，要在常规实验室条件下实现软 X 射线吸收谱表征，其难度非常之高。不仅要求高的真空操作环境，高亮的软 X 射线发射光源，同时要求各光学组件对射线的吸收也要小。因此，目前软 X 射线吸收谱表征主要还是依赖同步辐射光源。但矛盾的是，同步辐射光源的机时紧张，很难满足日益增长的科学研究需求。近年来，随着实验室 LPP、DPP 等软 X 射线光源及高精度光学组件（例如反射式波带片、平场光栅等）的开发，基于激光驱动等离子体光源的软 X 射线吸收谱仪系统也逐渐发展成熟，并成功应用到多学科领域的材料结构表征。其中，基于平场光栅几何的软 X 射线吸收谱仪系统以其紧凑的结构设计、宽的摄谱范围以及高的光谱分辨率脱颖而出，并成功实现了商业化应用，基本能够满足实验室软 X 射线吸收谱表征的需求。由德国 HP Spectroscopy 公司推出的实验室软 X 射线吸收谱，尤其适用于薄膜材料的结构表征。同时我们也可以提供针对 5-12 keV 能量波段的实验室硬 X 射线吸收谱，希望能够给相关老师和研究人员在科学研究中提供帮助。HP Spectroscopy德国 HP Spectroscopy 公司成立于 2012 年，致力于为全球科研及工业领域的客户定制最佳 X 射线解决方案，是全球领先的科研仪器供应商。现可提供 5-12keV 的非扫描式桌面 X 射线吸收精细结构谱仪 hiXAS，以及200-1200eV 的平场光栅软 X 射线吸收精细结构谱仪 proXAS，产品线还包括 XUV/VUV/X-ray 光谱仪，beamline 产品等。主要团队由 x 射线、光谱、光栅设计、等离子体物理、beamline 等领域的专家组成。长期与全球领先的研究机构的科学家维持紧密合作，关注前沿技术，保持产品的迭代与创新。众星联恒作为 HP Spectroscopy 中国区 XAS 系统授权总代理商，为中国客户提供所有产品的售前咨询，销售及售后服务。我司始终致力于为广大科研用户提供专业的 EUV、X 射线产品及解决方案。如果您有任何问题，欢迎联系我们进行交流和探讨。 相关阅读 小尺度，察纹理！实验室软X射线显微和吸收光谱探索微观结构的奥秘非扫描台式X射线吸收精细结构谱仪，加速非晶材料结构及其演化过程探索的步伐“足不出户，走进XAFS” proXAS高分辨实验室桌面NEXAFS谱仪助力材料化学结构表征分析太强了！看最新非扫描式桌面XAFS谱仪在催化领域出神入化的应用 参考文献 1. Prasad S., et al. Intl. J. Spectrosc. 7, 249 (2011)2. Wachulak P., et al. Spectrochim. Acta Part B At. Spectrosc. 145, 107 (2018)3. Liu L., et al. Angew. Chem. Int. Ed.20234. Mizokawa T., et al. Phys. Rev. Lett. 111, 056404 (2013)5. Holburg J. et al. Anal. Chem. 94, 3510 (2022)6. Novakova E., et al. Biointerphases, 3, FB44 (2008)7. Sakhonenkov S., et al. Nano. Ex. 2, 020009 (2021)8. Jonas A., et al. Opt. Express, 27, 36524 (2019) 9. Holburg J. et al. Anal. Chem. 94, 3510 (2022)

众所周知，光学显微镜的分辨率即使达到波动光学理论的极限也只不过 200nm，对材料微观结构的认识还存在一定的局限。电子显微镜的点分辨率虽然可以达到 0.1nm，但考虑到电子的穿透深度较低，同时与结构原子相互作用可能引起结构的改变，难以实现蛋白质、DNA 等生物大分子的原位无损观测。近年来，基于水窗波段（2.3nm-4.4nm）的软 X 射线显微和光谱学技术的发展为土壤和生物细胞的原位分析提供了新的途径，避免了化学提取或样品处理过程产生的人为干扰。基于透射 X 射线吸收成像原理的软 X 射线显微成像技术，能够在纳米尺度的空间分辨率上获得材料的三维图像信息，实现样品的无损观测。软 X 射线吸收精细结构光谱分析能够获取样品内在元素价态及分子结构的变化信息。两种技术相结合的软 X 射线原位成像和光谱分析已成功在同步辐射光源上得以验证，并在纳米尺度上观测到土壤有机质和生物体细胞内碳元素种类的异质性分布。但同步辐射测试机时紧张，往往跟不上科研需求，极大地限制了这类表征技术在各领域的应用。鉴于此，德国 HP Spectroscopy 公司推出了实验室软 X 射线吸收精细结构光谱仪和显微成像系统。该系统采用双光路设计，核心是激光驱动气体等离子体产生的 XUV 光源，能够同时满足水窗波段的软 X 射线显微和高分辨率的 NEXAFS 表征。图1. 激光驱动等离子体 XUV 光源系统得益于水分子对水窗波段的软 X 射线的高透性，利用该系统可以原位观测一种耐辐照球菌和囊裸藻类生物的活体显微结构，如图2 所示。从显微图像可以看出，受限于生物样品的厚度，虽然这些生物体内部更详细的结构信息难以被观测到，但生物体的边界轮廓非常清晰。图2.一种耐辐照球菌（DSM no. 20539）（左）和囊裸藻类生物（SAG 1283-11）（右）的软 X 射线显微成像图，曝光时间分别为 5 min 和 60 min与此同时，利用软 X 射线吸收精细结构光谱的元素的特异性及局域环境的敏感性，通过原位探测土壤有机质的分子结构变化，能够让我们从生命活动的产物在土壤中的滞留状态及这种状态与土壤中生命的关系重新审视土壤有机质的本质。例如，NEXAFS 光谱中脂肪族 C 峰强度的增加可能与根系沉积物的滞留有关等。图3 聚酰亚胺、腐植酸、富里酸和淋溶土的碳 K 边 NEXAFS 谱图（左）和几类有机质的碳 K 边 NEXAFS 谱图，单个光谱采集时间为2.5 min软 X 射线吸收精细结构光谱和显微成像系统——proXAS德国 HP Spectroscopy 公司采用的激光驱动等离子体产生 XUV 光，无固体碎屑产生，可满足 1-6nm 波长范围内的光谱分析及多个特征波长的单色 XUV 光发射。像差校平场光栅结构能够实现最高 400 eV 带宽的摄谱范围，元素吸收边覆盖 C、N、O 等轻元素的 K 边及 Ti、V、Mn 等过渡金属元素的 L 边。目前得到的 1-6nm 波长范围内的 NEXAFS 光谱分辨率 ≥1500。系统主要参数描述如下激光驱动XUV光源波长/能量范围1-6 nm/200-1200 eV重频20 Hz像差校正平场光栅谱仪光源光通量1E15 photons/s/sr @ 200-800 eV光谱分辨率λ/∆ λ≥1500 @ 200-1200 eV摄谱能量带宽∆ E=250-400 eV @ 200-1200 eV光谱采集时间≤5 min (100 nm有机薄膜)分析元素浓度≥0.2 wt%腔室真空度≥1E-5 mbar控制及光谱分析系统探测器类型CCD探测器探测器像素尺寸≤13.5 μm×13.5μm控制及光谱分析软件集成光谱系统控制、光谱分析及校正功能软X射线显微系统单色波长λ=2.88 nm（其他波长可定制）空间分辨率≤50 nm相关阅读利用实验室XANES改进电解催化剂使用实验室XANES优化合成气转化催化剂“足不出户，走进XAFS” proXAS高分辨实验室桌面NEXAFS谱仪助力材料化学结构表征分析太强了！看最新非扫描式桌面XAFS谱仪在催化领域出神入化的应用非扫描台式X射线吸收精细结构谱仪，加速非晶材料结构及其演化过程探索的步伐关于HP Spectroscopy德国 HPSpectroscopy 公司成立于 2012 年，致力于为全球科研及工业领域的客户定制最佳 X 射线解决方案，是全球领先的科研仪器供应商。现可提供 5-12keV 的非扫描式桌面 X 射线吸收精细结构谱仪 hiXAS，以及200-1200eV 的平场光栅软 X 射线吸收精细结构谱仪 proXAS，产品线还包括 XUV/VUV/X-ray 光谱仪，beamline 产品等。主要团队由 x 射线、光谱、光栅设计、等离子体物理、beamline 等领域的专家组成。长期与全球领先的研究机构的科学家维持紧密合作，关注前沿技术，保持产品的迭代与创新。众星联恒作为 HP Spectroscopy 中国区 XAS 系统授权总代理商，为中国客户提供所有产品的售前咨询，销售及售后服务。我司始终致力于为广大科研用户提供专业的 EUV、X 射线产品及解决方案。如果您有任何问题，欢迎联系我们进行交流和探讨。参考文献：[1] Zhe (Han) Weng, Johannes Lehmann, et al. Probing the nature of soil organic matter, Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 52(22), 4072-4093 (2022). DOI: 10.1080/10643389.2021.1980346.[2] Jonathan Holburg, Matthias Müller, et al. High-Resolution Table-Top NEXAFS Spectroscopy, Analytical Chemistry 94 (8), 3510-3516 (2022). DOI: 10.1021/acs.analchem.1c04374.[3] Matthias Müller, Tobias Mey, et al. Table-top soft x-ray microscope using laser-induced plasma from a pulsed gas jet, Opt. Express, 22, 23489-23495 (2014). DOI: 10.1364/OE.22.023489.[4] Matthias Müller, Tobias Mey, et al. Table-top soft X-ray microscopy with a laser-induced plasma source based on a pulsed gas-jet, AIP Conf. Proc., 1764, 030003-03008 (2016). DOI: 10.1063/1.4961137.免责声明：此篇文章内容（含图片）部分来源于网络。文章引用部分版权及观点归原作者所有，北京众星联恒科技有限公司发布及转载目的在于传递更多行业资讯与网络分享。若您认为本文存在侵权之处，请联系我们，我们会在第一时间处理。如有任何疑问，欢迎您随时与我们联系。

LIGA 是德文制版术Lithographie,电铸成形Galvanoformung 和注塑Abformung 的缩写。自20世纪80年代德国卡尔斯鲁厄原子核研究所为制造微喷嘴创立LIGA技术以来，对其感兴趣的国家日益增多，德、日、美相继投人巨资进行开发研究。该技术被认为是最有前途的三维微细加工方法,具有广阔的应用前景。与传统微细加工方法相比，用LIGA技术进行超微细加工有如下特点: 1可制造有较大深宽比的微结构。2取材广泛，可以是金属、陶瓷、聚合物、玻璃等。3可制作任意复杂图形结构，精度高。4 可重复复制,符合工业上大批量生产要求，成本低。LIGA的基本工艺流程如下：x射线掩模制作（Mask）:首先用电子束或激光对薄光刻胶进行初次曝光，制成初级掩膜，然后经过显影、电镀等工艺步骤制成初级微结构掩膜板（此掩膜板本质上已经是一个高度较低的微结构）。对于高深宽比微结构，需要进一步制备额外的高深宽比掩膜板。x射线光刻(Lithographie)：借助上述的初级微结构掩膜板，在厚光刻胶上用X射线进行曝光，然后经过显影、电镀等工艺步骤制成中级微结构掩膜板。由于同步辐射设备KARA(原ANKA)提供的平行x射线束，可确保高纵横比和光滑的侧壁。电镀(Galvanoformung):将上述步骤获得的光刻胶模具置于金属电镀液中进行电镀，即可实现高纵横比、高精度结构的金属零件。聚合物成型(Abformung):为了复制聚合物基板上的精密结构，可以使用上述工艺制作注塑和热压花用的模镶件。这允许实现精确复制的微聚合物结构。因此LIGA工艺制造的微结构聚合物和金属零件在x射线光学领域有着广泛的应用，包括在在科研机构和工业领域，尤其在光栅法X相衬成像领域有广泛应用。 X射线相位衬度成像X射线相位衬度成像和传统的X射线吸收成像相比，X射线相位衬度成像能够为轻元素样品提供高得多的衬度，特别适合用于对软组织和轻元素构成的样品进行成像。目前，主要的5类相衬成像方式中，大部分对光源的相干性要求极高，只能在同步辐射光源或者借助微焦点X射线源实现。而光栅法相衬成像，经过十多年的发展，已经成为在实验室实施相衬成像实验的主流技术路线。但是，高深宽比和大视场光栅的制作一直是困扰研究人员的一个痛点，LIGA技术的出现及成熟，使得制作此类的光栅的制作变得更加的容易、可靠及更好的控制成本。此实验方法的布局及结果如下：1. 日本東北大学-百生研究室 G1 相位光栅周期4.37μm，NiG2吸收光栅周期2.4μm，Au能量25Kev光源微聚焦X射线源管电压40KV管电流120μA昆虫标本成像结果：上文中提到德国卡尔斯鲁厄是LIGA技术的发源地，科学研究是为了窥探世界的本质及发展规律，新技术的诞生最终是为了改善人类的生活状态。德国Microworks 公司成立于 2007年, 是卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）微技术研究所 (IMT) 衍生的子公司。通过使用X 射线和激光LIGA技术，能为广大科研用户提供高度定制化的透射光栅和微结构方案，在光栅法相衬成像领域，具有很好的口碑。典型产品如下： 展示Microworks如何制作X射线光学元件 典型规格范例设计能量强度光栅（周期／高度）Pi相位光栅（周期／高度）8keV设计能量2.4μm/30μm4.65μ/2.8μm25keV设计能量2.4μm/50μm4.39μm/8.8μm40keV设计能量2.4μm/80μm4.2μm/14.1μm100keV设计能量（定制化需求）4.8μm/220μm