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
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
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 |
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关于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。
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.
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